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ELECTROSTATICA

BOHORQUEZ CABRERA JUAN JOSE MUÑOZ MONTOYA CARLOS ANDRES

FUNDACION UNIVERSITARIA DE SAN GIL (UNISANGIL SEDE-YOPAL) INGENIERIA DE SISTEMAS YOPAL-CASANARE 2018

ELECTROSTATICA

BOHORQUEZ CABRERA JUAN JOSE MUÑOZ MONTOYA CARLOS ANDRES

Asig. ELECTROMAGNETISMO PRENTADO A: Ing. Fernando

FUNDACION UNIVERSITARIA DE SAN GIL (UNISANGIL SEDE-YOPAL) INGENIERIA DE SISTEMAS YOPAL-CASANARE 2018

Contenido INTRODUCCIÓN

4

1.

5

COMPETENCIAS

2. MARCO TEÓRICO

5

2.1. ELECTROSTÁTICA

5

2.2. GENERADOR DE VAN DER GRAFF

6

3. EQUIPOS A UTILIZAR EN LA PRÁCTICA

7

4. MATERIALES A UTILIZAR EN LA PRÁCTICA

7

5. PROCEDIMIENTO

8

5.1. PROCEDIMIENTO 1: Bombas con carga eléctrica.

8

5.2. PROCEDIMIENTO 2: Péndulo electrostático

8

5.3. PROCEDIMIENTO 3: Campos magnéticos de imanes rectos

9

5.4. PROCEDIMIENTO 4: Generador de Van der Graff

10

5.5. PROCEDIMIENTO 5: Ejercicio de simulación (Interactive Physics)

11

6.

PREGUNTAS

16

7.

CONCLUSIONES Y ANEXOS

18

8.

BIBLIOGRAFÍA

19

INTRODUCCIÓN La palabra “electricidad” quizás evoque la imagen de tecnología moderna compleja: luces, motores, electrónica y computadoras. Pero en realidad, la fuerza eléctrica desempeña un papel aún más profundo en nuestras vidas. De acuerdo con la teoría atómica, las fuerzas eléctricas entre átomos y moléculas son las responsables de mantenerlos unidos para formar líquidos y sólidos, además de que las fuerzas eléctricas también están implicadas en los procesos metabólicos que ocurren en el interior de nuestros cuerpos. A continuación, se van a realizar actividades donde se identifican los principios de electrostática, se evalúan sus propiedades y como se aplican en las actividades cotidianas.

1. COMPETENCIAS Verificar que al colocar en contacto dos sustancias sólidas, por frotamiento se producen un intercambio de electrones entre ellas. Verificar la reacción de dos esferas de icopor suspendidas de un mismo punto, cuando se encuentra en un campo de inducción eléctrica. Verificar el comportamiento de fragmentos de papel expuestos ante un material aislante cargado por frotamiento, y compararlo con un material conductor. Comprobar la existencia de dos tipos de naturaleza eléctrica.

2. MARCO TEÓRICO 2.1. ELECTROSTÁTICA El conocimiento de la electricidad estática o en “reposo” se remonta a la antigua Grecia. Donde se sabía que el ámbar (cuyo nombre griego es “electrón”, de aquí la palabra electricidad) después de ser frotado podía atraer objetos pequeños y livianos. Solo hacia finales del siglo XVI, el físico William Gilbert experimento con otros materiales aislantes que adquirían la misma propiedad del ámbar. Sin embargo, había otros cuerpos que no cumplían con esta característica, es decir, no conservan la carga eléctrica; esto dio pie a la primera clasificación de materiales en buenos y malos conductores.

Por convección se ha establecido que existen dos cargas: una positiva la que se genera al frotar una barra de vidrio, y una negativa, generada al frotar una barra ebonita. Varios científicos continuaron con las investigaciones de Gilbert, y entre otras conclusiones establecieron.

a. Las cargas del mismo nombre se repelen y las del nombre contrario se atraen. b. Las cargas eléctricas se trasmiten de un cuerpo a otro por contacto, que dando cargado el segundo cuerpo con la electricidad del mismo nombre. c. Si un cuerpo en estado neutro se aproxima a un cuerpo cargado, el cuerpo neutro tiende a polarizarse de forma seméjate a un imán. d. La acción a distancia entre un cuerpo electrizado y uno neutro se explica admitiendo la existencia de una energía circundante, representada generalmente por “líneas de fuerza”. e. La carga de un cuerpo conductor aislado se localiza en su superficie distribuyéndose uniformemente sobre planos o superficies esféricas o acumulación en puntas o aristas.

Imagen 1- Experimentos de electrostáticos.

2.2. GENERADOR DE VAN DER GRAFF El generador de Van Der Graf es una máquina que almacena carga eléctrica en una gran esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una correa sobre unos peines metálicos. Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se comienzan a acumular. Un generador de Van Der Graff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier otro tipo de batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de potencial constante.

Descripción Consta de: 1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior. 2.- Dos parales que sostienen la esfera 3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje. 4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera. 5.- Una correa transportadora de material aislante (látex) 6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante (Siga las instrucciones de seguridad)

Fig. 2. Generador de Van der Graf 3. EQUIPOS A UTILIZAR EN LA PRÁCTICA CANTIDAD 1

DESCRIPCIÓN Equipo de laboratorio de Electromagnetismo.

4. MATERIALES A UTILIZAR EN LA PRÁCTICA CANTIDAD

DESCRIPCIÓN

1

Barra electrostática

2

Bombas colores*

1

Barra de hierro

1

Tira de lana (1 m)*

1

Papel de cuaderno o servilleta*

1

Base soporte varillas

2

Nuez doble

2

Varillas de 30cm

2

Esferas de icopor (3 – 4 cm diámetro)*

1

Imán rectangular

1

Limadura de hierro

1

Aguja e hilo*

1

Papel aluminio (un recorte)*

* Elementos que lleva el estudiante.

5. PROCEDIMIENTO 5.1. PROCEDIMIENTO 1: Bombas con carga eléctrica. Fig. 1 Experimento con bombas.

Se procede a frotar la barra electrostática con la lana, y se acerca al papel previamente picado registre sus observaciones. Luego coja una bomba inflada y frótela por un buen tiempo con la lana, acérquela al papel picado (elabore sus conclusiones) Repita el proceso con la barra de hierro. En el siguiente experimento tome dos bombas y frote una de ellas con la lana y la otra con el cabello para cargarlas con electricidad, el siguiente paso es acercar las bombas cargadas registre sus observaciones. OBSERVACIONES R/: 

Barra electroestática con lana a papel: Se observó que el papel se veía atraído hacia la barra electroestática.



Bomba con lana a papel: Sucedió el mismo caso que con la barra electroestática del fenómeno de atracción, a diferencia que en esta se pegaron más papeles.



Barra de Hierro: Con esta no sucedió nada.



Dos Bombas: Al acercarse y estar cargadas estáticamente de forma positiva se repelieron.

5.2. PROCEDIMIENTO 2: Péndulo electrostático Fig. 2. Montaje péndulo electrostático

Se dispone el montaje que indica la figura 2; se frota la barra electrostática con la lana y se aproxima a las esferas de icopor. Luego frote la bomba con el cabello y repita la misma operación. Registre sus observaciones. OBSERVACIONES: R/: Al acercar tanto la barra electroestática como la bomba con las instrucciones pedidas, no sucedió nada.

5.3. PROCEDIMIENTO 3: Campos magnéticos de imanes rectos Una vez dispuesto el imán recto debajo de la lámina de acrílico se polvorea lentamente la limadura sobre la superficie de la lámina. Fig. 3. Montaje Campo magnético.

Observar las líneas de campo magnético enfrentando los imanes con diferente polaridad, luego con igual polaridad realice el dibujo para cada caso. Repita el procedimiento anterior esta vez coloque los imanes en paralelo en el mismo sentido, y luego en sentido contrario registre sus observaciones. OBSERVACIONES: R/:  

Al poner la limadura de hierro esta se dispara y se separa hacia diferente imán. La limadura de hierro cae al centro entre los dos imanes.

5.4. PROCEDIMIENTO 4: Generador de Van der Graff Encienda el generador de Van Der Graff y ubíquese sobre la superficie aislante. Acerque el antebrazo a la esfera metálica. Acerque una aguja enhebrada por hilo a la superficie metálica a) ¿Qué sucede? R/:  Al acercar el brazo el pelo del antebrazo se vio atraído hacia la esfera metálica.  Al acercar la aguja enhebrada con hilo, esta se veía en repulsión, lo que hacía que diese vueltas. b) ¿A qué se debe este fenómeno? R/: Porque al estar cargada la esfera y nuestro cuerpo estar neutro al acercarse estos tiende a ir hacia la esfera con lo que quiere decir que eran cargas opuestas, con respecto a la aguja esta se comporta así al recibir fuerza electroestática del generador. c) ¿Qué genera dicho fenómeno? R/: Genera electricidad estática que atrae a varios objetos con propiedades específicas. Coloque trozos de papel aluminio sobre la esfera cargada. Repite lo mismo con trozos de servilletas o papel a) ¿Qué sucede? R/:  Con los trozos de aluminio no sucedió nada  Con los trozos de servilleta sucede un fenómeno de atracción. b) Explique el fenómeno observado R/:  Con el aluminio al estar ser electropositivo no sucede un fenómeno a atracción como se vio con los trozos de servilleta, la servilleta por estar cargada negativamente tiende a tener atracción hacia la esfera. Ubíquese sobre la superficie aislante y coloque su mano sobre la esfera metálica. Espere mínimo un minuto: a) ¿Qué sucede? R/: No sucedió nada b) ¿A qué se debe este fenómeno? R/: Por hacer contacto con la superficie aislante, esta recolecta la energía electroestática. c) ¿Por qué se ve afectada esa zona corporal?

d) ¿Por qué esta acción no implica ningún peligro? R/: Porque el cuerpo no es expuesto directamente a la carga eléctrica. e) Explique por qué el cuerpo humano es un buen conductor. R/: El cuerpo posee varios elementos, como el hierro, además que gran parte está compuesta de agua y también dentro están los electrolitos, todo esto hace que el cuerpo será un buen conductor. Acerque el bombillo fluorescente al generador a) ¿Qué sucede? R/: El bombillo se encendió. b) ¿Por qué ocurre este hecho? R/: El generador transfiere cargas eléctricas al gas de la bombilla. Acérquese a la lámpara de fotones, ponga un dedo en la lámpara. a) ¿Qué sucede? R/: La yema del dedo se calienta y algunos rayos que poblaban el interior de la lámpara se acumulan en la parte que tiene contacto con esta. b) ¿Por qué ocurre este hecho? R/: La diferencia de cargas electromagnéticas, atraen la misma cantidad de la energía contraria 2.- Ponga varios dedos en la lámpara. a) ¿Qué observa? R/: Sucede lo mismo que cuando se puso un dedo, pero la cantidad de rayos sueltos que esta tiene se reduce considerablemente, pues estos se hallan en dirección a los dedos. b) ¿A qué se debe este fenómeno? R/: La diferencia de cargas electromagnéticas, atraen la misma cantidad de la energía contraria y en este caso, a la mayor parte que hay en su interior.

5.5. PROCEDIMIENTO 5: Ejercicio de simulación (Interactive Physics)

Simular el comportamiento de las fuerzas electrostáticas que ejercen tres cargas q2, q3, y q4 localizadas en las esquinas de un cuadrado y que actúan sobre una cuarta carga q1 localizada en la esquina inferior izquierda del mismo. Realice la simulación de la fuerza entre Q1 y cada carga individual. Realice la simulación de la fuerza sobre Q1 debido a las cargas Q3 y Q4. Finalmente realice la simulación de las fuerzas sobre Q1 debido a Q2, Q3 y Q4. 1. Para iniciar haga clic en el menú mundo, seleccione gravedad, seleccione Ninguna y haga clic en Aceptar. 2. Haga clic en el menú Mundo seleccione Electrostática, seleccione Prendida, verifique que la constante K=8.990e+009 Nm2/C2 y haga clic en Aceptar. 3. Haga clic en el menú Mundo seleccione Precisión, y ajuste la Frecuencia de la Animación para un valor de 2.5e-22 s, haga clic en Aceptar.

4. Haga clic en el menú Vista seleccione Espacio de Trabajo y active Reglas, Líneas Cuadriculadas y Ejes X, Y. Haga clic en Cerrar.

5. Haga clic en Acercar Imagen hasta obtener en pantalla un área aproximada de 1.0e-10m x2.0e-10m.

6. Haga clic en la herramienta Círculo y dibújelo cerca al origen de coordenadas, Haga clic en el menú Ventanas y seleccione Propiedades, verifique que las coordenadas del círculo se localicen en x=0 , y=0 y la carga = 1.602e-19 C. 7. Seleccione el círculo, haga clic en el menú Ventanas, elija

Geometría y verifique el radio del círculo de R= 8.418e-16m

8. Seleccione de nuevo el circulo, haga clic en el menú Ventanas elija Apariencia, cambie el nombre del circulo por Q1 y active la casilla de Mostrar el Nombre

9. Haga clic de nuevo en la herramienta Circulo para localizar un segundo circulo en la coordenada x=1.0e-10m, y=0.0m, carga = 3.218e-19(2·Q1) C, radio R= 8.418e-16m y su nombre será Q2. 10. Seleccione Q1 haga clic en el menú Definir, elija Vectores y seleccione Fuerza Electrostática, además repita el proceso seleccionando ahora Q2. 11. Haga clic en el menú Definir seleccione Longitud de los vectores y en la casilla ubique el valor de 1.1e-4.

12. Para ejecutar la simulación paso a paso y ver la fuerza entre las cargas haga clic en la parte inferior en

y

regréselo al fotograma 0.

13. Registre el Valor de la Fuerza electrostática en Newton (Esta es la fuerza electrostática entre Q1 y Q2). . También puede hacer clic sobre el circulo Q1 y seleccionar en el menú Medir “Fuerza Electrostática”, aparecerá una ventana como la siguiente:

14. Modifique las propiedades de Q2 para localizarlo ahora en x=0.0, y=5.0e-11m carga = 4.806e-19 C (-3·Q1), radio R=8.418e-16m y su nombre será Q3.

15. Ejecute la simulación paso a paso, regréselo al fotograma 0 y registre la fuerza entre Q1 y Q3 16. Modifique las propiedades de Q3 para localizarlo ahora en x=1.0e-10m, y=5.0e-11m carga = -1.602e-19 C, radio R=8.418e-16m y su nombre será Q4.

17. Ejecute la simulación paso a paso, regréselo al fotograma 0 y registre la fuerza entre Q1 y Q4. También registre las componentes X y Y de la fuerza sobre Q1.

18. Haga clic de nuevo en la herramienta Circulo para localizar un tercer circulo en la coordenada x=0.0m, y=5.0e-11m, carga = - 3.218e-19C, radio R=8.418e-16m y su nombre será Q3. 19. Haga clic en el menú Definir, elija Vectores y seleccione Fuerza Electrostática. 20. Ejecute la simulación paso a paso, regréselo al fotograma 0 y registre la fuerza sobre Q1 debido a Q3 y a Q4.

NOTA IMPORTANTE: El programa en éstos vectores puede representar información errónea. A cambio registre los datos del cuadro de Fuerza Electrostática sobre Q1, Q3 y Q4.

21. Dibuje el cuarto circulo en la coordenada x=1.0e-10m, y=0.0m, carga = 3.218e-19 C, radio R=8.418e-16m y su nombre será Q2. 22. Seleccione Q2 haga clic en el menú Definir, elija Vectores y seleccione Fuerza Electrostática. 23. Ejecute la simulación paso a paso, regréselo al fotograma 0 y registre la fuerza sobre Q1 debido a Q3, a Q4 y a Q2. A cambio registre los datos del cuadro de Fuerza Electrostática sobre Q1.

1. Modifique (moderadamente) los valores de carga y distancia para cada una de las cargas evaluando los cambios respectivos y planteando sus conclusiones. PARA EL INFORME DE LABORATORIO EL GRUPO DEBE PRESENTAR LA DEMOSTRACIÓN TEÓRICA DEL CÁLCULO DE LA FUERZA, CON CADA AGRUPACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS Y LAS CONCLUSIONES RESPECTIVAS. R/: En la simulación pudimos a interacción entre diferentes partículas cargadas con diferentes cargas y de ángulos y distancias de influencia sobre las demás. Se experimentó la fuerza electrostática que pueden poseer algunos objetos. Fuerza electrostática entre Q1 y Q3=5.08x10-3 C Imágenes: 1.

2.

6. PREGUNTAS Realice su respectivo análisis en cada procedimiento y conteste las siguientes preguntas:

¿Qué es un campo eléctrico? De ejemplos de la vida cotidiana en los que se encuentren campos eléctricos. R/: El campo eléctrico es una cantidad vectorial que existe en todo punto del espacio. El campo eléctrico en una posición indica la fuerza que actuaría sobre una carga puntual positiva unitaria si estuviera en esa posición. Ejemplos: Un ejemplo sería el campo eléctrico que genera una antena emisoras y receptoras de televisión y radio. Defina, de ejemplos y diga en qué se diferencian los materiales conductores, semiconductores, aislantes y superconductores. R/: Se diferencian dependiendo de su composición química, los conductores como varios de los metales, pues tienen propiedades de transmitir la corriente eléctrica. Los semiconductores almacenan una pequeña cantidad de corriente que luego usan para determinar diferentes funciones de estos pueden ser metales, metaloides o como el fosforo un no metal, los aislantes no permiten que haya flujo de electricidad estos materiales pueden ser el caucho, el plástico, la madera seca. Los superconductores son aquellos que conducen la corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones, materiales pueden ser el aluminio y el estaño. Los electrones libres en un metal son atraídos por gravedad hacia la Tierra. Entonces, ¿por qué no se asientan en el fondo del conductor, como los sedimentos en el fondo de un río? R/: Si se juntasen de cualquier lado se repelerían, así ocupando todo el volumen del conductor, es la forma de menor energía y donde más lejos están uno del otro. La fuerza de gravedad no influye, porque es la menor de todas las fuerzas de la naturaleza, millones de veces más débil que esa repulsión eléctrica entre ellos, así que su efecto es simplemente despreciable, al igual que el efecto gravitatorio entre las partículas subatómicas. Algunos de los electrones en un buen conductor (como el cobre) se mueven a rapideces de 106 m/s o más rápido. ¿Por qué no escapan volando del conductor? R/: Los electrones no podrían escapar de la red que conforma el sólido por las fuerzas interatómicas (las fuerzas entre las moléculas, las que mantienen unidos el sólido) que los mantiene ligados, y solo se mueven las de las capas o niveles externos, se alinean para dar lugar a una corriente eléctrica. Si usted camina sobre una alfombra de nailon y luego toca un objeto metálico grande, como una perilla, puede recibir una chispa y una descarga. ¿Por qué esto tiende a ocurrir más bien en los días secos que en los húmedos? ¿Por qué es menos probable que reciba la descarga si toca un objeto metálico pequeño, como un clip sujetapapeles? R/:





Porque es más probables que esto suceda en días secos, por la misma razón que al caminar sobre el hule, es decir, el aire seco es menos conductor que el aire húmedo. Porque es menos probable que un clip provoque esta descarga, pues la cantidad de electrones acumulados depende de la superficie, a menor superficie (área) menor cantidad de electrones intercambiados.

Los relámpagos ocurren cuando hay un flujo de carga eléctrica (sobre todo electrones) entre el suelo y los cumulonimbos (nubes de tormenta). La tasa máxima de flujo de carga en un relámpago es de alrededor de 20,000 C/s; esto dura 100 µs o menos. ¿Cuánta carga fluye entre el suelo y la nube en este tiempo? ¿Cuántos electrones fluyen en dicho periodo? R/: En realidad son los RAYOS los que ocurren cuando hay flujo de cargas entre suelo y nubes. Los RELÁMPAGOS, significa que el flujo es entre dos puntos en el aire (entre nubes que están en el aire atmosférico). Esa tasa de flujo es la intensidad de corriente entonces es: I = 20 kA = Q/t Y la carga es: Q = I t = 20 kA × 100µs = 20000 C/s × 10^-6 s = 0.02 C Si convenimos que en efecto son electrones los que fluyen, entonces estrictamente esta carga es: Q = -0.02 C Y dado que: 1 e- = -1.602 × 10^-19 C Obtenemos la cantidad "N" de electrones en dicho tiempo como el cociente: N = Q/e ====== (Se basa en que hay N electrones de esa carga e- en Q Coulombs) N = (-0.02 C) / (-1.602 × 10^-19 C/e) = 1.248 × 10^17 e N = 1.248 × 10^17 e / 10^18 e/Ee = 0.1248 Ee Analice y compare en las siguientes aplicaciones comparando con lo realizado en el laboratorio, en cada caso realice una tabla (igual – diferente): https://phet.colorado.edu/sims/html/john-travoltage/latest/john-travoltage_es.html https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-andfields_es.html https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-staticelectricity/latest/balloons-and-static-electricity_es.html

7. CONCLUSIONES Y ANEXOS    

Podemos decir que en esta experiencia conocimos la estática y como la aplicamos. Conocimos diferentes fuerzas eléctricas. Hay diferentes tipos y clases de materiales que tienen propiedades conductoras y semiconductoras. De acá aprendimos como grupo, nuevos conceptos, aplicaciones y experiencias para seguir fortaleciendo nuestros conocimientos y seguir descubriendo los grandes fenómenos de la naturaleza.

8. BIBLIOGRAFÍA

YOUNG, Hugh., FREEDMAN, Roger. Física Universitaria. Décimo segunda edición. México: Pearson Educación. 2009. Vol. 2. Giancoli, D. C. (2009). Física: para ciencias e ingeniería con física moderna/Physics for scientists and engineers (No. 53). Pearson, Vol. 2. Serway, R. A., Jewett, J. W., Hernández, A. E. G., & López, E. F. (2009). Física para ciencias e ingeniería (7ª Ed.). Thomson, Vol. 2. CRISTANCHO, Fernando, FAJARDO Fabio. Física Experimental II. Mecánica e introducción a la física térmica. Bogotá: Universidad Nacional de Colombia. 2003. Reimpresión 2009. UNIVERSITY OF COLORADO. Phet. Interactive Simulations. Disponible en internet: http://phet.colorado.edu/. [citado el 26/06/2018]. Manual Generador Van der Graff https://es.scribd.com/document/235941586/ManualVan-Der-Graff [citado el 26/06/2018].