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

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