Informe Nº 1 Laboratorio De Fundamentos De Electricidad Y Magnetismo: "Fenómenos Electrostáticos"

Informe Nº 1 Laboratorio de Fundamentos de Electricidad y Magnetismo: “Fenómenos Electrostáticos”

Germán Darío Martínez Carvajal (244649), Julio César Chinchilla Guarín (223141), Diego Mauricio Ramos Remolina (244687) y Cristian Camilo Ruiz Vásquez (244699)

Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogotá

Marzo 5 de 2010

Exponemos una práctica conjunta diseñada para aprender a reconocer la presencia de cargas y el tipo de las mismas cuando se trabaja con diferentes materiales. Se averiguó qué tipo de carga adquiere una lámina de plexiglás, una de acetato y dos de acetato una sobre otra al ser frotadas por un paño. Para eso recurrimos a un electroscopio y un electróforo, frotamos con un paño la lámina de plexiglás, colocamos el electróforo encima, lo conectamos polo a tierra y proseguimos a acercar el electróforo al electroscopio, la lámina de oro que posee el electroscopio se movió hacia un lado; luego hicimos el mismo procedimiento con la lámina de acetato, la lámina del electroscopio se mueve hacia el lado contrario que la vez anterior; por último se frotaron dos láminas de acetato, una encima de la otra, se hizo el mismo procedimiento y según la reacción del electroscopio dedujimos que en ambas láminas se generó la misma carga.

Índice de Términos—Electroscopio, electróforo, carga, transferencia de carga, electrón, protón, neutrón.

I. ASPECTOS INTRODUCTORIOS

D

ESDE LA ANTIGÜEDAD LOS FENÓMENOS ELÉCTRICOS han sido observados con mucho interés. Probablemente el ejemplo más citado de la observación de la electricidad como fenómeno es el de la atracción que presentaba una barra de ámbar cuando se frotaba a pequeños objetos como pajitas o plumas. Hoy en día una persona aplica el mismo principio cuando disfruta de la levitación de pequeños pedazos de papel con una regla que también ha sido frotada. Desde hace dos siglos, la teoría discontinua de la materia, que nos sugiere que la conformación de la misma con partículas elementales denominadas átomos, a su vez constituidas por partículas cargadas y neutras (electrones, protones y neutrones), ha ayudado a fundamentar los fenómenos eléctricos, como producto de la interacción de los átomos constitutivos de toda la materia, a través de los electrones. La carga surge como una propiedad inherente de la materia.

Benjamin Franklin fue el que le dio los nombres a los tipos de cargas existentes, positiva y negativa, la elección de estos nombres fue arbitraria, pero según la elección de Franklin la carga en una barra de vidrio frotado es positiva, mientras la carga en una regla de plástico frotado es negativa; Franklin argumentó que siempre que cierta cantidad de carga se produce en un objeto, una cantidad igual del tipo opuesto de carga se produce en otro objeto, por ejemplo, cuando una regla de plástico se frota con una toalla de papel, el plástico adquiere una carga negativa y la toalla adquiere una cantidad igual de carga positiva, las cargas están separadas, pero su suma es cero. [1]

La magnitud de una carga está ligada a la existencia de las partículas subatómicas cargadas. La carga de un protón se designa como (e) y la del electrón (-e). “e” se considera la unidad fundamental de la carga, y tiene un equivalente en el SI de unidades (Figura 1).

Figura 1. Carga de un protón.

En un fenómeno en el cual la materia queda parcialmente cargada, ligado la interacción entre dos materiales con diferente electronegatividad, la carga tiene un flujo. Pero en ningún proceso se puede crear o disipar una carga neta, la carga total del universo siempre es constante. Cuando frotamos plástico con piel, los electrones migran hacia el plástico dándole una carga parcial negativa, pero dicha carga parcial tiene igual magnitud en la piel con signo contrario.

Ahora vemos qué dice la ley de la conservación de la carga eléctrica “la cantidad neta de carga eléctrica producida en cualquier proceso es cero”, aunque también se podría decir “ninguna carga eléctrica neta se puede crear o destruir”.

Se dice que la electricidad se origina dentro del átomo mismo, se define al átomo como un núcleo lleno de protones (carga positiva) y de neutrones (carga neta igual a cero), rodeado por uno o varios electrones (carga negativa) que debe tener la misma carga eléctrica en magnitud, ya que sus signos son opuestos, mientras los neutrones contienen igual número de electrones y neutrones; hay ocasiones en las que los átomos pueden perder o ganar electrones, por lo que tendrá carga neta positiva o negativa, a estos átomos se les llama iones.

Los fenómenos mencionados relativos al flujo de carga nos llevan a pensar en nuevos conceptos, cuando un material permite transportar la carga o no. Todo depende de la naturaleza química del material, en un sólido sólo podrá desplazarse carga negativa, mientras que sistemas en fase líquida (acuosa) o gaseosa ambas cargas pueden tener un flujo. Los electrones en un sólido se podrán mover de acuerdo con la naturaleza aislante o conductora del material. La gran mayoría de los metales son altamente conductores, debido a los espacios vacíos que se encuentran en los niveles transicionales de energía por los cuales los electrones pueden circular; en un material aislante estos espacios no existen. Elementos diseñados específicamente para confirmar la presencia de carga en un cuerpo son diseñados en concordancia con los conceptos de conductividad, ejemplos claros son los electróforos y electroscopios.

Un electróforo (Figura 2) es un instrumento que permite almacenar una carga durante mucho tiempo cuando se carga por inducción. Consiste en un platillo de metal aislado por un recubrimiento. Cuando la parte recubierta del electróforo entra en contacto con una superficie cargada, permite que el platillo se polarice. En una polarización los electrones de un material se redistribuyen en todo el objeto debido a la atracción que sientan por una carga de sentido contrario (cargas con signo opuesto se atraen y con signo contrario se repelen) que no está en contacto directo con el material. En los materiales sólidos, la polarización se debe netamente a la libertad de algunos electrones de moverse en un material. Si el electróforo hace contacto con una superficie cargada positivamente, los electrones del platillo se moverán atraídos por la misma hacia el recubrimiento y la parte que no está recubierta quedará cargada positivamente debido al defecto de electrones que sufrirá. La conexión de esta parte a tierra por otro lado hará que sus cargas positivas atraigan electrones de la tierra y queden neutralizadas, por lo que el electróforo adquiere una carga neta negativa en este caso. El contacto de la superficie no recubierta del electróforo con la tierra termina de cargar el electróforo pero por conducción o transferencia de carga.

Figura 2. Electróforo.

Por otro lado el electroscopio permite identificar la presencia de carga en el cuerpo, y en un conjunto seguido de pasos determinar si dos cuerpos tienen la misma carga o no.

Un electroscopio (Figura 3) se carga generalmente por transferencia de la carga. Una barra de metal conduce la carga hasta dos laminillas de oro que por obtener dicha carga, y ser del mismo signo en cada laminilla, estás se repelerán. Si la magnitud de la carga aumenta, la fuerza de repulsión será mayor.

Figura 3. Electroscopio.

II. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

EL OBJETIVO DE LA PRÁCTICA fue comprender el comportamiento del electroscopio con diferentes tipos de cargas y aprender a identificarlas. Primero contamos con los siguientes materiales:

• 1 electroscopio.

• 1 electróforo.

• 1 lámina de plexiglás.

• 2 láminas de acetato.

• 1 paño.

En el laboratorio se realizaron 3 procedimientos. El primero fue:

1. Frotar una lámina de plexiglás con un paño para cargarla (se espera que la carga que adquiera sea positiva, según la información de las guías suministradas).

2. Colocar el electróforo sobre la lámina de plexiglás, tal como se ilustra en la Figura 4.

Figura 4. Electróforo cargándose.

3. Conectar la parte superior del disco del electróforo a tierra por un instante, se puede observar en la Figura 5 este procedimiento.

Figura 5. Electróforo conectado a tierra.

4. Acercar el electróforo al electroscopio hasta que se vea o escuche que salta una chispa.

5. Conectar el electróforo a tierra para descargarlo.

6. Repetir el procedimiento de carga del electróforo, pero esta vez no con una lámina de plexiglás sino con una de acetato.

7. Acercar el electróforo al electroscopio y observar qué pasa con el mecanismo del electroscopio (Figura 6).

Figura 6. Reacción del electroscopio.

El segundo procedimiento fue:

1. Colocar 2 hojas de acetato adyacentes.

2. Frotar la hoja superior son un paño.

3. Acercar la hoja superior al electroscopio y observar los que ocurre.

4. Acercar la hoja inferior al electroscopio y observar lo que ocurre.

El tercer y último procedimiento fue:

1. Frotar un objeto (tubo de PVC) con un paño.

2. Acercarlo al electroscopio.

3. Conectar el electroscopio a tierra y observar lo que ocurre (Figura 7).

Figura 7. Reacción del electroscopio después de estar a tierra.

III. RESULTADOS Y ANÁLISIS

POR LO GENERAL, gracias a las guías suministradas, se sabe que la lámina de plexiglás queda cargada positivamente cuando se frota con un paño y con base en esto se hará la deducción de los resultados.

En el primer procedimiento, al cargar el electróforo tanto con la lámina de plexiglás como con la de acetato se obtuvo el mismo resultado, observando que la lámina metálica móvil se apartaba de la lámina metálica fija cuando se acercaba el electróforo al electroscopio, indicando que efectivamente el electróforo adquiría carga al ponerlo en contacto con las láminas. Hubo complicaciones al cargar el electroscopio, pues rara vez se escuchaba la chispa, sin embargo fue posible determinar que la carga de la lámina de acetato era negativa, porque si ésta (el electróforo cargado) se acercaba al electroscopio cargado previamente por la lámina de plexiglás, el ángulo formado entre las placas móvil y fija disminuía, indicando entonces una carga de signo contrario a la que originalmente tenía el electroscopio.

En el segundo procedimiento se encontró que al acercar una hoja de acetato y luego la otra el ángulo del electroscopio disminuye en gran medida, esto nos indica que están cargadas de forma contraria, es decir, una de las hojas esta cargada negativamente y la otra positivamente, esto ocurre por que la lámina superior se carga por contacto al ser frotada por el paño, mientras que la inferior se carga con el signo contrario debido a que la primera lámina hace que los electrones de esta se orienten y adquiera una carga electrostática que ayude a mantener el equilibrio con la primera.

En el tercer procedimiento se obtuvo que el electroscopio quedaba también cargado si se ponía en contacto con el tubo de PVC, luego de frotarlo con el paño, ya que se observaba la aparición de un ángulo entre las placas fija y móvil del electroscopio, este ángulo se sostenía hasta que se hacía la conexión a tierra. Sin embargo, si el electroscopio se encontraba conectado a tierra y se ponía en contacto con el tubo de PVC, se observaba entonces que aparecía por un instante muy corto el ángulo entre las placas metálicas y disminuía vertiginosamente hasta quedar completamente paralelas, en algunos casos ni siquiera se podía observar a formación del ángulo.

Pero a partir de estos resultados surgen varias preguntas, tales como las mencionadas a continuación.

¿Por que un cuerpo cargado atrae un trozo de papel (neutro)?

Esto sucede por que cuando un cuerpo esta cargado electrostáticamente lo que se produce, como se vio anteriormente, es un desequilibrio en la superficie del mismo y la forma de disiparla es perder o ganar los electrones que fueron movidos de dicha superficie, es decir se crea un exceso o un defecto de electrones, esto genera un gradiente de tipo eléctrico y hace que otras superficies orienten sus electrones y queden parcialmente cargadas, así cuando se acerca un objeto cargado positivamente a una hoja de papel este orienta sus electrones hacia el objeto lo que origina una carga electrostática negativa y por ello una atracción entre los dos objetos; Cuando la carga se origina como se ha descrito sin importar cual sea el signo del objeto cargado, el segundo objeto siempre optará por una carga de signo contrario, razón por la que dichos objetos siempre se atraen.

¿Es posible cargar un cuerpo metálico por el método de frotamiento?

El proceso de cargar un cuerpo por rozamiento esta ampliamente limitado por la capacidad del mismo de crear y mantener desequilibrios eléctricos, un cuerpo metálico no puede ser cargado por frotamiento debido a la alta conductividad que presentan este tipo de materiales gracias a sus niveles de energía vacios por los que se mueven con libertad los electrones a través del cuerpo, en otras palabra un metal no puede mantener una carga electrostática debido a que en el momento en que se produzca el metal conducirá los electrones hasta llegar el estado de equilibrio (neutro), así si un metal es frotado se producirán pequeñas cargas electrostática debido a la mayor afinidad de uno u otro material por los electrones, pero en cuanto ambos cuerpos sean separados los electrones fluirán de manera rápida desde o hacia el metal haciendo que no se pueda apreciar una carga electrostática.

¿En que fenómenos de la vida cotidiana observamos electricidad estática?, Si estos fenómenos son molestos ¿Cómo podrían evitarse?

Normalmente el ser humano se encuentra en presencia de un gran número de fenómenos electrostáticos, originados principalmente por fricción, ejemplo de ellos son las pequeñas cargas originadas por el peine al pasar por el cabello, o por caminar en una alfombra usando zapatos de goma, también se originan cargas electrostáticas en la mayoría de aparatos eléctricos de uso doméstico, ejemplo de ello son las pantallas, que se cargan después de ser usadas durante un intervalo de tiempo; todos estos son fenómenos de pequeña magnitud que pasan casi desapercibidos pero hay otros en los que la electricidad estática es mucho más apreciable e importante, por ejemplo muchas fotocopiadoras e impresoras láser funcionan gracias a la electricidad estática [4] originada por un rayo de luz sobre un tambor fotosensible y la carga electrostática es usada para fijar el polvo de impresión al papel, Cuando un auto viaja a alta velocidad a través de aire seco su superficie exterior también adquiere una carga electrostática considerable, de igual manera las tormentas eléctricas son producidas por cargas electrostáticas en las nubes que interactúan con la tierra ionizando el aire y produciendo una gran chispa.

Actualmente existen en el mercado pequeños dispositivos que permiten eliminar [5] las cargas electrostáticas que constan de un pequeño conductor que eventualmente disipa las cargas, a demás se pueden tomar otras precauciones para evitar cargas electrostáticas, como por ejemplo no poner en contacto superficies aislantes, humidificar el aire, o simplemente establecer un contacto entre el objeto y la tierra.

¿Cómo influye la humedad del ambiente en la descarga del electroscopio?

El agua como molécula polar tiene la propiedad de orientarse según el exceso o falta de electrones que se puede manifestar en una carga electrostática, es decir, en presencia de aire húmedo una carga electrostática se disipará mas rápidamente, debido a que los electrones podrán moverse con mayor libertad que en un ambiente seco y las cargas serán neutralizadas de igual forma. En un ambiente seco los electrones tendrán una mayor dificultad para moverse a través del aire, lo que eventualmente producirá un arco que indica flujo de electrones a través de una trayectoria definida por las partículas ionizadas en el aire, cuando hay agua presente en el ambiente dicho arco no se producirá, debido a que los electrones se moverán aleatoriamente entre las partículas de agua.

IV. CONCLUSIONES

1. Un material con carga neutra puede adquirir o no una carga neta positiva o negativa dependiendo del material frotado.

2. Un objeto cargado negativamente, cargará positivamente a otro si lo hace por inducción, así un objeto cargado positivamente, lo cargará negativamente. En general, si se carga un objeto por inducción, éste quedará cargado con el signo contrario del objeto que lo está cargando.

3. Partículas con el mismo signo de carga tenderán a repelerse. Se puede observar lo anterior cuando al cargar el electroscopio aparecía un ángulo entre las láminas estática y móvil, ya que ambas quedaban cargadas con el mismo signo.

4. Partículas de signo contrario tenderán a atraerse. Lo anterior se observa cuando luego de cargar al electroscopio se le acercaba un objeto con carga de signo contrario y se observaba una disminución en el ángulo entre las láminas.

5. La facilidad con que un cuerpo adquiere una carga electrostática depende no sólo de sus propiedades sino también de las características del medio ambiente.

6. La tierra funciona como un gran conductor capaz de disipar cargas muy rápidamente sin importar si son positivas o negativas, por esta razón se usa una conexión llamada polo a tierra.

7. El exceso o defecto de electrones en una carga electrostática está determinado tanto por el método por el que el cuerpo adquiere la carga como por las propiedades intrínsecas del mismo.

V. BIBLIOGRAFÍA

[1] GIANCOLI, Douglas, “FÍSICA, PRINCIPIOS CON APLICACIONES”, Pearson Educación, 6ª edición, México, 2006.

[2] TIPLER, P. A., “FÍSICA PARA LA CIENCIA Y LA TECNOLOGÍA”, Electricidad y magnetismo. Luz. Física moderna (Vol. 2.), Reverté S.A., México, 2000.

[3] León, ". d. (s.f.). Recuperado el 2 de Marzo de 2010, de http://www.xtec.cat/~cgarci38/ceta/historia1/maquiele.htm

[4]http://www.freewebs.com/xe3wma/electricidadestatica.html

[5] http://helektron.com/aparato-para-eliminar-la-electricidad-estatica/

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