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PROGRAMA DE FÍSICA FÍSICA ELECTROMAGNÉTICA – GUÍAS DE LABORATORIOS CÓDIGO 21142 INFORME No 2. ELECTROSTÁTICA Alfonso Mattos, Robert Mejía, Cristian Mendoza, Bleydis Narvaez y Cristian Taborda Profesor: Álvaro Enrique Pérez Tirado. 04-06-2020 Laboratorio de Física Experimental III, Universidad Del Atlántico, Barranquilla Resumen

que se presenta entre dos cuerpos que poseen carga eléctrica es la denominada fuerza electromagnética, cuando las cargas están en reposo, l interacción entre estas se le denomina fuerza electrostática, dependiendo del signo de las cargas que interactúan, la fuerza electrostática puede ser por atracción o repulsión ya sabiendo que cargas del mismo signo se repelan y de signos contrarios se atraen, y la interacción con cargas en movimiento da lugar a los fenómenos magnéticos. Un fenómeno que hoy en día nos sorprende debido a su complejidad y a la facilidad con la que ésta puede ser manipulada si se conocen sus principios básicos, los cuales no son difíciles de entender he aquí algunas de sus propiedades expuestas en diferentes situaciones.

En esta práctica se realizaron varios experimentos basados en la electricidad estática, cuyas experiencias estarán evidenciadas y explicadas en videos y también soportados en un marco teórico. Dichos experimentos nos muestran como crear electricidad de manera fácil y divertida con tan solo objetos los cuales tendremos a la mano, así mismo también pudimos despejar varias dudas y comprobar teorías acerca de las cargas y su signo como también la dirección de estas mismas. Palabras claves Electricidad, estática, cargas, dirección. Abstract In this practice, several experiments based on static electricity were carried out, whose experiences will be evidenced and explained in videos and also supported in a theoretical framework. These experiments show us how to create electricity in an easy and fun way with only objects that we will have on hand, as well as we were able to clear several doubts and check theories about the charges and their sign as well as the direction of these.

El objetivo de esta práctica es lograr entender distintos fenómenos de la electrostática mediante experimentos caseros simples y prácticos. 2. Fundamentos Teóricos  "La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia". Vamos a ver que es la electricidad estática, las diferentes formas de generarse, sus usos y algunos experimentos. Todos los cuerpos u objetos están formados por átomos. Estos átomos tienen protones, electrones y neutrones. Protones con carga eléctrica positiva, electrones con la misma carga eléctrica que los protones pero negativa y los neutrones no tienen carga eléctrica.

Key Words Electricity, static, loads, direction. 1. Introducción La electrostática es el punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control por parte del hombre y además, la base de numerosas actividades científicas y tecnológicas; La interacción

 Los átomos de un cuerpo son eléctricamente neutros, es decir la carga

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negativa de sus electrones se anula con la carga positiva de sus protones. Como puedes ver en la siguiente imagen un átomo tiene el mismo número de protones con carga positiva que de electrones con carga negativa, por eso los átomos son neutros eléctricamente.

3. Desarrollo experimental En los videos compilados en este link https://youtu.be/z3UR06VgQ_8 se pueden observar los procedimientos realizados, así como los materiales utilizados y la descripción de los fenómenos estudiados. 4. Cálculos y resultados

análisis

de

Caso 1.3 Para la experiencia con los trozos de plástico se obtuvo lo siguiente: a) Frote estas 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? Este fenómeno ocurre debido a que el paño de lana transfiere electrones al plástico cargándolo negativamente y este, teniendo la misma carga en toda su longitud, al doblarlo sus puntas se repelen mutuamente.

Podemos cargar un cuerpo positivamente si le robamos electrones a sus átomos (le quitamos cargas -). En este caso el cuerpo quedará con carga eléctrica positiva.  Podemos cargarlo negativamente si le añadimos electrones (le añadimos cargas -). En este caso el cuerpo quedará con carga negativa. Cuando los objetos se frotan uno contra el otro, algunos objetos son propensos a perder algunos electrones, mientras que otros objetos son propensos a ganar electrones. Esta acumulación o exceso de carga, positiva si pierde electrones o negativa si los gana, es lo que se llama electricidad estática. Esta carga estática o acumulación es temporal. El exceso de carga normalmente se pierde a través de una descarga (corriente eléctrica), sobre todo cuando el objeto está cerca de un conductor (como la carrocería de un coche).

b) Introduzca entre las tiras un peine que haya frotado en su cabello. Observe lo que sucede y explique Contrario a lo que sucede con la tira de plástico, al frotar el peine contra nuestro cabello en este quedan adheridos los electrones, dejando el peine con carga negativa. Por esta razón, al introducir el peine entre las dos puntas las atrae hacia él. c) 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

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inducción (o polarización). Retire el objeto y vea que sucede con aquéllas. Explique con argumentos físicos. El fenómeno físico que ocurre en este caso es que los cuerpos cargados atraen los cuerpos neutros, es decir, las tiras se cierran hacia el papel. Esto se debe a que el objeto neutro se carga por inducción, con carga contraria a los objetos cargados, en este caso el plástico.

Al frotar el zapato con la alfombra se produce un traspaso de electrones de la alfombra al zapato, cargando de manera negativa este mismo, y al acercarlos a un objeto metálico conductor como lo es la chapa de la puerta se produce una descarga de energía que estabiliza el sistema. Los análisis para los casos 1.1, 1.2 y 1.5 se encuentran en los videos de los procedimientos. 5. Conclusiones

d) Estando electrizadas las tiras, y por lo tanto, alejadas una de la otra, acérquelas a una llama cualquiera (de un cerillo o de una vela). ¿Explique por qué se cierran rápidamente las tiras? Esto se debe a que en la llama de una vela se encuentran partículas positivas y negativas. Sin embargo, las cargas negativas se encuentran en el núcleo de la llama y las positivas en la parte exterior, por este motivo al acercarla a las tiras con carga contraria, estas se cierran.

Las conclusiones obtenidas a partir de estos experimentos son las siguientes:

Caso 1.4 -

Si la suela de su zapato está hecha de material aislante (y no hay humedad en el ambiente), La electrización desarrollada por el frotamiento de su ropa se acumulará en su propio cuerpo. En estas condiciones, al tocar un objeto metálico conectado al suelo (por ejemplo, un grifo) podrá sentir un ligero choque eléctrico, producido por el paso de la electricidad de su cuerpo hacia la tierra.

-

En nuestra vida cotidiana posible observar infinidad fenómenos electrostáticos que apreciamos o los cuales, ocasiones, no entendemos.

es de no en

-

La electrización de materiales se puede dar por medio de diferentes mecanismos y su sentido y magnitud depende del tipo de material, sus propiedades e incluso las condiciones ambientales.

6. Preguntas 1.

Investigue y explique el funcionamiento del generador de Van de Graaff. El generador de Van de Graaff consiste en una cinta transportadora de material aislante que transporta carga a un terminal huevo (una esfera). La carga es depositada en la esfera por inducción en la cinta . La energía que se encuentra dentro de la esfera, al hacer contacto con otro cuerpo que produzca energía, absorbe aquella produciendo estática en el cuero capilar o en cualquier objeto que esté en contacto directo. 2.

Defina triboelectricidad y muestre una tabla de triboelectricidad y explíquela. La triboelectricidad es el fenómeno de electrificación por frotamiento. La electrostática puede producirse por frotamiento o por inducción

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electromagnética. La polaridad y la magnitud de las cargas producidas se diferencian según los materiales, aspereza superficial, tensión, entre otras características.

El principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye, solo se transforma en otras formas de energía. En estas transformaciones, la energía total permanece constante, es decir, la energía total es la misma antes y despúes de cada transformación. Por otra parte, la cuantización de la carga se refiere a que la mínima cantidad de carga eléctrica que pueda hallarse sea el mismo valor en magnitud de la carga de un electrón. 6. Defina la ley de conservación de la carga. La ley de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso magnético la carga total de un sistema aislado se conserva. 7. ¿Qué es una carga puntual? Una carga puntual es una carga eléctica hipotética, de magnitud finita, contenida en un punto geométrico carente de toda dimensión. En otras palabras, consiste en dos cuerpos con carga que son muy pequeños en comparación con la distancia que los separa.

La serie triboeléctrica permite determinar como se carga un material cuando está en contacto con otro de la tabla. Si dos materiales de la tabla se ponen en contacto, el más alto de la serie cederá electrones al otro, cargándose positivamente. Cuanto más separados se encuentren, mayor será la transferencia de carga.

8.

Explique la diferencia entre un material dieléctrico y un material conductor. Se denomina dieléctricos a los materiales que no conducen electricidad, por lo que se pueden utilizar como aislantes eléctricos. Mientras que un conductor es aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado transmite esta electricidad a todos los puntos de su superficie.

3. En que consiste la jaula de Faraday. La jaula Faraday es una jaula metálica que protege de los campos eléctricos estáticos. Se emplean para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo. El funcionamiento de la misma se basa en las propiedades de un conductor electrostático. 4.

Explique brevemente la toma a tierra y su importancia. El sistema toma a tierra o polo a tierra es una parte básica de cualquier instalación eléctrica, y tiene como objetivo disipar en el terreno las intensidades de corriente de cualquier naturaleza que se puedan originar, ya sea de corrientes de defecto, a frecuencia industrial o debida a descargas atmosféricas. Esto con el fin de eliminar o disminuir los riesgos. 5.

9.

Explique con ejemplos los tipos de electrización. Existen tres formas de electrizar un cuerpo: Frotación: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Contacto: En este caso el cuerpo conductor es puesto en contacto con otro cuya carga es nula. El cuerpo que presente exceso relativo de electrones los transferirá al otro. Al terminar la transferencia ambos cuerpos quedan con carga de igual signo. Inducción: Cuando un cuerpo cargado se acerca a uno descargado sin llegar a

¿En qué consiste el principio de conservación y cuantización de carga eléctrica?

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tocarlo, las cargas de este último se reagrupan en dos regiones del mismo. 10.

Un electroscopio con carga negativa tiene hojas separadas. a. Suponga que acerca una varilla cargada negativamente a la parte superior del electroscopio, pero sin tocarla. ¿Cómo responderán las hojas? Usa diagramas de carga y explica detalladamente lo que sucede. b. ¿Cómo responderán las hojas si acercas una varilla cargada positivamente a la parte superior del electroscopio, pero no la tocas? Usa diagramas de carga y explica lo que sucede. En el link compartido previamente con los experimentos realizados se puede encontrar la explicación de este fenómeno y conocer que sucede en los casos mencionados. 11.

12.

Las esferas metálicas A y B en la siguiente Figura son inicialmente neutrales y se tocan. Una varilla cargada positivamente se acerca a A, pero no se toca. ¿Es A ahora positivo, negativo o neutral? Usa diagramas de carga y explica lo que sucede.

Si acerca su dedo a una bola colgante ligera y cargada negativamente, la bola se balancea hacia su dedo como se muestra en la Figura. Usa diagramas de carga y explicar esta observación.

Todo cuerpo se encuentra en estado neutro si no ha sido afectado por alguna perturbación por tanto al tener carga negativa la esfera tenderá a buscar estabilizarse con la carga positiva que se encuentra en el dedo mientras este está en estado neutro

Al tener los tres elementos metálicos sabemos que estos tienen la propiedad de permitir el paso de carga eléctrica, por tanto al ser A y B neutras y si acercamos la varilla con carga positiva estamos atrayendo la carga negativa de la esfera A la cual en ese instante quedará con carga positiva pero a su vez al estar cerca de B está atraerá la carga negativa de esta para quedar así neutra nuevamente. Sabemos que esto pasa ya que cuando un cuerpo tiene carga positiva o negativa buscará equilibrar sus cargas nuevamente o estado neutro

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Las dos esferas de metal con carga opuesta se muestran en la siguiente Figura tienen cantidades iguales de carga. Se ponen en contacto con una barra de metal neutral. ¿Cuál es el estado de carga final de cada esfera

y de la barra? Justifica claramente tú respuesta.

Al final ambas esferas quedan cargadas negativamente, se transfieren 3 electrones de la esfera A a la B. Esto se debe a que la transferencia con conducción indica que el cuerpo que presenta exceso de electrones los transfiere al otro hasta igualar cargas. 15.

Qué puede concluir de este experimento. La respuesta a esta pregunta se puede encontrar en la sección conclusiones. Ya con anterioridad mencionamos que los cuerpo con carga opuestas se atraen entre sí esto se da ya que los cuerpos tienden a neutralizar sus cargas tomemos cómo ejemplo esta imagen al entrar en contacto la varilla de metal con las dos esferas inicialmente la varilla se encuentra en estado neutro pero al tocar las esferas sus cargas se irán hacia cada extremo en el cual están la esféricas con cargas opuestas. Al retirar la varilla el sistema queda cómo estaba inicialmente la varilla en estado neutro y las esferas con cargas opuestas

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7. Bibliografía [1] P. B Zbar, A. P. Malvino, Young, M. A. Miller, Prácticas de Electrónica, séptima edición, Alfaomega, México, 2001. [2] M. Alonso, E. J. Finn, Física: Campos y Ondas, Edición revisada y aumentada, Addison-Wesley-Longman, México, 1998. [3] Ch. K. Alexander, M. N. O. Sadiku, Fundamentos de Circuitos Eléctricos, tercera edición, McGraw-Hill, México, 2006. [4] T. L. Floyd, Principios de Circuitos Eléctricos, Octava edición, Pearson Educación, México, 2007. [5] Líneas equipotenciales y campo eléctrico, https://www.youtube.com/watch? v=daA89ECzx58

La esfera metálica A en la Figura tiene 4 unidades de carga negativa y la esfera metálica B tiene 2 unidades de carga positiva. Las dos esferas se ponen en contacto. ¿Cuál es el estado de carga final de cada esfera? Explique .

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