Electrostática. Ingeniería Química. Laboratorio de Física mecánica

ELECTROSTÁTICA

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Ingeniería Química

Laboratorio de Física mecánica

Fecha de entrega: 19/06/2020

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Resumen

En el presente informe se llevan a cabo diferentes experimentos con el fin de estudiar y comprender la electrostática como el comportamiento de las cargas eléctricas, por lo cual se realizaron distintas experiencias de electrostática con el fin de profundizar sobre los fenómenos que se evidenciaron. Después de la inducción teórica proporcionada por el profesor, procedimos a realizar las diversas experiencias disponibles, luego se procedió a instalar los montajes, esto se efectuó con cualquier material reciclable o materiales que tuviéramos a la mano para la  ejecución de las experiencias.

Palabras Clave: Electroestática, cargas eléctricas, campo eléctrico. 

Abstract: In the present report different experiments are carried out in order to study and understand electrostatics as the behaviour of electric charges. Therefore, different electrostatic experiments were carried out in order to deepen the understanding of the phenomena that were evidenced. After the theoretical induction provided by the professor, we proceeded to perform the various experiments available, then proceeded to install the assemblies, this was done with any recyclable material or materials that we had at hand for the execution of the experiences.

Keywords: Electrostatic, electric charges, electric field.

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1. Introducción.

La electrostática es la rama de la física que estudia las interacciones entre las cargas eléctricas en reposo, estas interacciones tienen una importancia considerable en química y en biología, así como en numerosas aplicaciones tecnológicas. Las interacciones electrostáticas están gobernadas por una sencilla relación que se conoce como la ley de Coulomb, y se describen del modo más conveniente mediante el concepto de campo eléctrico .Al igual que la masa, la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, está asociada con partículas que constituyen el átomo: el electrón y el protón, dando como resultado dos tipos distinto de cargas eléctricas, negativas y positivas para el electrón y protón respectivamente. Las diferentes combinaciones de los dos tipos de carga producen fuerzas eléctricas atractivitas o repulsivas, dadas por la ley de carga-fuerza, la cual enuncia que “cargas iguales se repelen y cargas desiguales se atraen”. Hay una variedad de experimentos simples que demuestran la existencia de fuerzas eléctricas. [1].

1. Fundamentos teóricos

El objeto de estudio de la electrostática es la electricidad estática, definida como el fenómeno producido entre dos cuerpos que han acumulado una carga eléctrica, ya sea por inducción o por fricción.

• Carga eléctrica por frotación. Determinados objetos pueden cargarse eléctricamente tras ser frotados el uno contra el otro, ya que este contacto despoja de los electrones externos a uno y los transfiere al otro. Un objeto queda, entonces, cargado electronegativamente, mientras que el otro queda cargado electropositivamente.
• Carga eléctrica por inducción. Este mecanismo de carga eléctrica estática no requiere del contacto entre los materiales. Si un material está eléctricamente cargado con carga negativa y se lo acerca a un cuerpo eléctricamente neutro, los electrones de este último se sentirán repelidos por el exceso de electrones en el primer cuerpo y se moverán dentro del material hasta ubicarse lo más alejados posible del cuerpo cargado. [2]
• Carga eléctrica por contacto. Cuando los electrones se transfieren de un objeto a otro por contacto directo sin frotamiento. Una barra cargada puesta en contacto con un trozo de metal sin carga, por ejemplo, transferirá la carga al metal.

Fuerza eléctrica.

Entre dos o más cargas aparece una fuerza denominada fuerza eléctrica cuyo módulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre sí, mientras que las de distinto signo se atraen.

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Imagen 1. Fuerza entre dos cargas.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

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Donde:

• q1 y q2 = Cargas [C].
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• = distancia a la que se encuentran las cargas [m].[pic 9]

Dirección de la fuerza eléctrica

Si se trata únicamente de dos cargas, la dirección de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas.

Sentido de la fuerza eléctrica

El sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsión si ambas cargas son del mismo signo y de atracción si las cargas son de signo contrario. [3]

Cargas eléctricas

La esencia de la electricidad es la carga eléctrica. Esta cualidad existe en dos clases distintas, que se denominan cargas positivas y negativas. Las cargas eléctricas de la misma clase o signo se repelen mutuamente y las de signo distinto se atraen. [4]

Triboelectricidad

Es un tipo de electrificación de contacto en la que ciertos materiales se vuelven cargadas eléctricamente después de que entran en fricción contacto con un material diferente. Frotando el vidrio con la piel, o un peine de plástico a través del pelo, se puede acumular triboelectricidad. La mayoría de todos los días la electricidad estática es triboeléctrica. La polaridad y la fuerza de las cargas producidas difieren según los materiales, rugosidad de la superficie, temperatura, tensión, y otras propiedades. [5]

1. Desarrollo experimental.

Caso 1.1 Tomando un peine de plástico, y pasándolo varias veces por el cabello (limpio y seco), este se electrizó.

1. Se acercó el peine a trozos de papel muy pequeños:

Imagen 1. Peine cargado junto a l t rozo de papel[pic 10][pic 11]

1. Se dejó escurrir un chorro fino de agua en una llave y se aproximó a ella el peine electrizado.

imagen 2. Peine cargado junto al chorro de agua.[pic 12]

1. De acuerdo a lo observado en las partes a y b, ¿Los pedazos de papel y el filamento de agua se encontraban inicialmente electrizado? Explique detalladamente, por qué fueron atraídos por el peine.

Los trozos de papel y el chorro de agua inicialmente poseen una carga neutra. Al momento en el que el peine es pasado por el cabello este objeto se carga positivamente, de tal forma que la acercarse con un objeto de carga neutra este reorganice sus cargas y se pueda ver atraído  por el peine.

caso 1.2

se utilizó papel aluminio, formándola en una pequeña esfera se colgó del extremo de un hilo de coser, el otro extremo del hilo se colocó en la parte alta de una puerta de madera, electrizando un peine como se indicó en el caso 1.1, se acercó a la pequeña esfera del electroscopio.

imagen 3. Peine cargado junto a la bola de aluminio.

1. ¿La esfera estaba inicialmente electrizada? Entonces, ¿por qué fue atraída por el peine?

Inicialmente la bola de aluminio se encuentra en reposo, es decir tiene una carga neutra; al acercar el peine cargado a la bola, el objeto cargado va atraer a las cargas de signo contrario. Y esto causa que la bola se acerque al peine

1. ¿Por qué, después de tocar a este último, la esfera fue repelida por él?

Cuando el peine(cargado positivamente) atrae a la bola de aluminio, este objeto neutraliza la cargas de negativas de la bola, de tal forma que en la bola queda cargada positivamente y es por esto que se repelen

Caso 1.3 se tomó una tira de plástico (teflón) de unos 30 cm de largo   para realizar las siguientes situaciones:

1. Se frotó las tiras con un trozo de tela de lana, o con sus propias manos. Sostenga las tiras en la forma que se muestra en la siguiente Figura y observe que se repelen. ¿Explique detalladamente por qué sucede este fenómeno?

En este caso podemos observar que las tiras de plástico (teflón) de repelen ya que al frotarlas de la manera que lo muestra la imagen 1, estas adquieren una carga de igual signo, por lo tanto, se comprueba que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen.  Cabe resaltar que para sostener la tira de teflón se utilizó un guante de látex para no interferir en la carga de la tira

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            Imagen 4. Tiras de teflón

1. Introduzca entre las tiras un peine que haya frotado en su cabello. Observe lo que sucede y explique

En la siguiente situación al acercar el peine en medio de las tiras de plástico estas se juntaron, esto debido a la carga que tiene el peine que previamente había sido frotado en el cabello, teniendo los dos objetos cargas iguales

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Imagen 5. Tiras de teflón con el peine

1. Coloque ahora entre las tiras un objeto cualquiera (no electrizado, como, por ejemplo, una hoja de papel). Explique lo que observa recordando que el objeto introducido entre las tiras sufre inducción (o polarización). Retire el objeto y vea que sucede con aquéllas. Explique con argumentos físicos

Al poner el papel en medio del plástico cargado estos se juntaron al papel ya que este tenía una carga neutra en toda su superficie y se cargó eléctricamente por inducción, ya que las cargas negativas de los electrones del plástico atraen las cargas positivas del papel y las demás cargas son distribuidas en la parte inferior de este. Al retirar el papel estas tiras se volvieron a separar ya que se cargaron por los electrones del papel teniendo las mismas cargas.

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