• Author / Uploaded
• RogerCarbajalInga

Citation preview

´ bal de Universidad Nacional de San Cristo Huamanga Facultad de Ingenier´ıa Minas, Geolog´ıa y Civil Escuela Profesional de Ingeniera Civil

F´ISICA III (Cargas El´ ectricas y Formas de Electrizaci´ on) Alumnos: CARBAJAL INGA Roger MENDOZA BABILON Jhon S.

Profesor: DELGADO SAIRE Lorenzo

´ AYACUCHO - PERU October 6, 2016

Ingenier´ıa Civil

UNSCH

F´ısica III

i

Contenido P´ agina

Contenido

Introducci´on

Chapter 1 OBJETIVOS

Chapter 2 ´ FUNDAMENTO TEORICO 2.1. Carga el´ectrica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2. Conductores, aisladores y cargas inducidas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.3. Formas de Electrizaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.1. Frotamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.2. Contacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.3. Inducci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.4. Radiaci´on . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Chapter 3 MATERIALES E INSTRUMENTOS.

UNSCH

ii

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

Chapter 4 PROCEDIMIENTO 4.1. PRIMERA PARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

4.2. SEGUNDA PARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4.3. TERCERA PARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

4.4. CUARTA PARTE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

Chapter 5 CUESTIONARIO 5.1. Dibuje esquem´aticamente los experimentos en sus diferentes facetas anotando al pie de ellos las observaciones pertinentes de lo que observ´o. . . . . . . . . . .

15

5.2. Explique cada uno de los experimentos en forma coherente acudiendo a una revisi´on biblogr´afica para esclarecer conceptos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

´ DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA Y ELEC5.2.1. PRODUCCION ´ POR FROTAMIENTO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . TRIZACION

17

´ DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO. 5.2.2. DETERMINACION 18 5.2.3. ELECTRIZACION POR INDUCCION . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

5.2.4. ELECTRIZACION POR RADIACION. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

5.2.5. LAS CAMPANITAS DE FRANKLIN. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

20

Chapter 6 CONCLUSIONES Bibliography

UNSCH

iii

´ INTRODUCCION En la naturaleza la materia siempre se encuentra en estado el´ectricamente neutro, lo que significa que los a´tomos de un material en este estado tienen igual n´ umero de protones en el n´ ucleo como de electrones en el manto electr´onico, de tal forma que la carga el´ectrica neta es decir la suma algebraica de todas las cargas es exactamente cero. La electrizaci´on de un material surge cuando por alguna perturbaci´on externa o interna se rompe esta neutralidad o equilibrio. los fen´omenos el´ectricos fueron observados antiguamente por los griegos alrededor del a˜ no 600 a.c. Ellos notaron que al frotar el a´mbar con trozo de lana, el a´mbar pod´ıa atraer a otros objetos livianos. Los materiales por lo general tienden a tener el u ´ltimo nivel de energ´ıa completo con el n´ umero de electrones establecidos por la regla de distribuci´on electr´onica por tanto la electrizaci´on de un cuerpo se produce cuando hay una transferencia de electrones de un cuerpo hacia otro. La transferencia de electrones se produce del ´atomo que le falta mayor n´ umero de electrones al a´tomo que le falta un m´ınimo n´ umero para completar su nivel de energ´ıa, de esta manera el origen de las cargas el´ectricas se debe a un exceso o deficiencia de electrones en lls ´atomos de los cuerpos que se frotan. El cuerpo que tiene un exceso de electrones adquiere la carga negativa y el que queda deficiente de electrones la carga positiva. La ciencia de la electricidad naci´o con la observaci´on conocida por tales de Mileto (600 a.c) de que un pedazo de ´ambar frotado atrae pedacitos de paja. El estudio del magnetismo se remonta a la observaci´on de que piedras que se encontraban en la naturaleza (magnetita) atrae al hierro. Estas dos teor´ıas se desarrollaron independientemente, en esta pr´actica se estudiar´a la primera de ellas. El Grupo Escuela Profesional de Ingenier´ıa Civil ´ bal de Huamanga Universidad Nacional de San Cristo Ayacucho, Octubre del 2016. UNSCH

1

1

OBJETIVOS

1 Encontrar cuantos tipos de cargas existen.

2 Observar a que tipo de carga pertenece un cuerpo.

3 Observar las diferentes formas de electrizaci´on de los cuerpos.

4 Verificar si un cuerpo est´a electrizado o no mediante un electroscopio.

UNSCH

2

2 2.1

´ FUNDAMENTO TEORICO

Carga el´ ectrica 21.1 | Carga eléctrica

793

Iniciaremos el estudio del electromagnetismo en este capítulo examinando la naturaleza de la carga eléctrica. Descubriremos que la carga eléctrica está cuantizada y que obedece un principio de conservación. Después analizaremos las interacciones de las cargas eléctricas que se hallan en reposo en nuestro marco de referencia, conocidas como interacciones electrostáticas. Estas interacciones tienen una importancia considerable en química y en biología, así como 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. Exploraremos todos estos conceptos en este capítulo, y abundaremos en ellos en los tres capítulos siguientes. En los capítulos subsiguientes ampliaremos nuestro estudio a fin de incluir las cargas eléctricas en movimiento. Con esto podremos comprender el magnetismo y, sorprendentemente, la naturaleza de la luz. Si bien las ideas fundamentales del electromagnetismo son conceptualmente simples, su aplicación a problemas prácticos exige recurrir a muchas de nuestras destrezas matemáticas, en especial a nuestros conocimientos de geometría y de cálculo integral. Por esta razón, es probable que este capítulo, así como los que siguen, resulten para usted más difíciles en términos matemáticos que los anteriores. La recompensa por el esfuerzo adicional será una comprensión más profunda de los principios que yacen en el corazón de la física y la tecnología modernas.

Los antiguos griegos descubrieron, ya en 600 A.C., que cuando frotaban a´mbar con lana, el ´ambar atra´ıa otros objetos. Hoy en d´ıa decimos que el ´ambar ha adquirido una carga el´ectrica neta, esto es, que se ha cargado. La palabra “el´ ectrica” se deriva de la palabra griega elektron, que significa ´ambar. Cuando frotamos los zapatos sobre una alfombra de nylon, adquirimos una carga el´ectrica, y tambi´en podemos “cargar” un peine haci´endolo pasar a trav´es de cabello seco. Las barras de pl´astico y la piel (real o sint´etica) resultan particularmente eficaces para demostrar algunos fen´omenos relacionados con la electrost´atica, esto es, las interacciones entre cargas el´ectricas que est´an en reposo (o casi). 21.1 | Carga eléctrica Ver im´ agenes Los antiguos griegos descubrieron, ya en 600 A.C., que cuando frotaban ámbar Experimentos deatraía electrost´ atica. (a,decimos b) Las barras de pl´astico frotadas con piel adquieren con lana, el ámbar otros objetos. Hoy en día que el ámbar ha adquirido una carga eléctrica neta, esto es, que se ha cargado. La palabra “eléctrica” 21.1 Experimentos de electrostática. (a, b) carga senegativa y segriega repelen mutuamente. (c,frotamos d) Las barras de vidrio frotadas con seda barras de plástico frotadas con piel adderiva de la palabra elektron, que significa ámbar. Cuando los Las zapatos sobre una alfombra de nylon, adquirimos una carga eléctrica, y también quieren carga negativa y se repelen mutuaadquieren carga positiva y se repelen mutuamente. (e,mente. f) (c,Los d) Lasobjetos barras de vidriocon frotadascarga positiva podemos “cargar” un peine haciéndolo pasar a través de cabello seco. con seda adquieren carga positiva y se reLas barras de plástico y la piel (real o sintética) resultan particularmente eficaces pelen mutuamente. (e, f) Los objetos con y los objetos con carga negativa se atraen mutuamente. para demostrar algunos fenómenos relacionados con la electrostática, esto es, las interacciones entre cargas eléctricas que están en reposo (o casi). La figura 21.1a

UNSCH

3

carga positiva y los objetos con carga negativa se atraen mutuamente.

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

Estos experimentos, y muchos otros parecidos a ´estos, han mostrado que hay exactamente dos tipos de carga el´ectrica: la que tiene la barra de pl´astico que se frot´o contra la piel y la que hay en la barra de vidrio que se frot´o contra la seda. Benjam´ın Franklin (1706?1790) sugiri´o llamar a estas dos clases de carga negativa y positiva, respectivamente, y estos nombres se siguen empleando hoy en d´ıa. La barra de pl´astico y la seda tienen carga negativa; la barra de vidrio y la piel tienen carga positiva. Dos cargas positivas o dos cargas negativas se repelen mutuamente. Una carga positiva y una carga negativa se atraen una a la otra. En f´ısica, se denomina electrizaci´on al efecto de ganar o perder cargas el´ectricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo el´ectricamente neutro Cuando las condiciones son propicias, al frotar dos objetos entre si, estos adquieren una carga el´ectrica; es decir, se electrizan. La electrizaci´on es uno de los fen´omenos que estudia la electrost´atica, la cual trata sobre los fen´omenos relacionados con cargas el´ectricas en reposo.

2.2

Conductores, aisladores y cargas inducidas

Ciertos materiales permiten que la carga el´ectrica se desplace con facilidad de una regi´on del material a otra, pero otros no. Por ejemplo, la figura muestra un alambre de cobre sostenido por una barra de vidrio. Suponga que toca un extremo del alambre con una barra de pl´astico con carga el´ectrica y sujeta el otro extremo a una esfera met´alica inicialmente sin carga, y luego retira la barra con carga y el alambre. Al acercar otro cuerpo con carga a la esfera (Figs.), la esfera es atra´ıda o repelida, lo que indica que la esfera ha adquirido carga el´ectrica. La carga el´ectrica se ha transferido por medio del alambre de cobre entre la superficie de la barra de pl´astico y la esfera. El alambre se describe como un conductor de electricidad. Si se repite el experimento con un el´astico o un hilo de nylon en vez del alambre, se observa que no se transfiere carga el´ectrica alguna a la esfera. Estos materiales se llaman aisladores. Los conductores permiten que la carga el´ectrica se desplace f´acilmente a trav´es de ellos; no as´ı los aisladores. Como ejemplo, las fibras de una alfombra en un d´ıa seco son buenos aislantes. Al caminar sobre una alfombra, el roce de los zapatos contra las fibras produce una acumulaci´on de carga en nuestro cuerpo, y esta carga permanece en ´el porque no puede fluir a trav´es de las fibras aislantes. Si a continuaci´on tocamos un objeto conductor, como la perilla de una puerta, ocurre una r´apida transferencia de carga entre el dedo y la perilla, y sentimos una descarga. Una forma de evitar esto es enrollar algunas fibras de UNSCH

4

797

21.2 | Conductores, aisladores y cargas inducidas

fuerzas eléctricas entre las partículas con carga de los átomos de nuestras asentaderas yIngenier´ los átomosıa de Civil la silla. La fuerza de tensión de un hilo estirado y la fuerza adhesiva del pegamento se deben igualmente a las interacciones eléctricas de los átomos.

F´ısica III

Evalúe su comprensión

la términos alfombra en torno a centros que carga que se acumule en En estrictos, ¿pesa más, menos o loconductores mismo la barra depara plástico de lacualquier figura 21.1 después de frotarla con piel? ¿Y la barra de vidrio después de frotarla nuestro cuerpo se transfiera sin causar da˜ no a la alfombra. con seda? ¿Y qué hay de la piel y la seda?

Otra soluci´ on consisteaisladores en recubrirylas fibrasinducidas de la alfombra 21.2 | Conductores, cargas con una capapermiten antiest´ tica no setransfiere electrones Ciertos materiales queala cargaque eléctrica desplace con facilidad de una región otra,zapatos pero otros con no. Por ejemplo, la en figura 21.5a muestra haciadelo material desde alos facilidad; primer lugar,un alambre de cobre sostenido por una barra de vidrio. Suponga que toca un extremo esto impide que sedeacumule en el ycuerpo. del alambre con una barra plástico concarga carga eléctrica sujeta el otro extremo a una esfera metálica inicialmente sin carga, y luego retira la barra con carga y el Casi todos los otro metales buenos conductores; cambio, alambre. Al acercar cuerpo son con carga a la esfera (Figs. 21.5b yen 21.5c), la esfera atraída oparte repelida,de lo que que la esfera ha adquirido carga eléctrica. laesmayor losindica no metales son aisladores. DentroLa carga eléctrica se ha transferido por medio del alambre de cobre entre la superficie delaun metal s´olido, como el cobre, por ejemplo, uno o m´as de barra de plástico y la esfera. El alambre se describe como un conductor electricidad. Si se repite el experielectrones externos de cada ´atomodese desprenden y pueden mento con un elástico o un hilo de nylon en vez del alambre, se observa que no se moversecarga libremente pora todo el Estos material, delsemismo modo transfiere eléctrica alguna la esfera. materiales llaman aisladores. Los la carga eléctrica se desplace fácilmente a través queconductores las mol´epermiten culas dequeun gas se mueven a trav´ es de los espa-de ellos; no así los aisladores. Como ejemplo, las fibras de una alfombra en un día seco ciosbuenos entre los granos desobre un una cubo de arena. son aislantes. Al caminar alfombra, el roce deEl losmovimiento zapatos contra las fibras produce una acumulación carga en negativa nuestro cuerpo, y esta carga permanece de estos electrones condecarga transporta carga en él porque no puede fluir a través de las fibras aislantes. Si a continuación tocamos a objeto trav´econductor, s del metal. Losdedem´ as electrones permanecen un como la perilla una puerta, ocurre una rápida transferencia de carga entre a el los dedon´ yulacleos perilla,con y sentimos descarga. Una ligados cargaunapositiva, losforma que,deaevitar su esto vez,es enrollar algunas fibras de la alfombra en torno a centros conductores para que cualest´acarga n sujetos en posiciones pr´acticamente del quier que se acumule en nuestro cuerpo se transfiera sin fijas causar dentro daño a la alfombra. Otra solución consiste en recubrir fibras de la alfombra con una capa material. En un aislador haylaspocos electrones libres (o antiestática que no transfiere electrones hacia o desde los zapatos con facilidad; en ninguno), y la carga el´eacumule ctricacarga no se primer lugar, esto impide que se en elpuede cuerpo. desplazar libreCasi todos metales buenos conductores; cambio, la mayor parte de los mente porlostodo elson material. Ciertosenmateriales llamados no metales son aisladores. Dentro de un metal sólido, como el cobre, por ejemplo, semiconductores tienen propiedades que son intermedias uno o más electrones externos de cada átomo se desprenden y pueden moverse libremente por de todolos el material, mismo modo queylas un gas se entre las buenosdelconductores lasmoléculas de losdebuenos mueven a través de los espacios entre los granos de un cubo de arena. El movimienaisladores. Se puede cargar una esferacarga met´ lica toc´ ndola to de estos electrones con carga negativa transporta aatravés del a metal. Los demás electrones permanecen los núcleos positiva, los que, con una barra de pl´aligados stico acon cargacon el´ecarga ctrica, como en a su vez, están sujetos en posiciones prácticamente fijas dentro del material. En un la figura. En electrones este proceso, algunosy de los eléctrica electrones en aislador hay pocos libres (o ninguno), la carga no se puede desplazar por todo material. Ciertos semiconexceso libremente de la barra se eltransfieren demateriales ´esta a llamados la esfera, lo ductores tienen propiedades que son intermedias entre las de los buenos conductoquey las deja a buenos la barra con una carga negativa m´as peque˜ na. res de los aisladores. Se puede cargar esferamediante metálica tocándola con la unabarra barra dede plástico con carExiste otra t´euna cnica la cual pl´astico ga eléctrica, como en la figura 21.5a. En este proceso, algunos de los electrones en puededeorientar otro cuerpo carga dedeja signo opuesto, exceso la barra se en transfieren de ésta a una la esfera, lo que a la barra con una carga negativa más pequeña. Existe otra técnica mediante cual la barra de plástisin perder algo de su propia carga. Estela procedimiento co puede orientar en otro cuerpo una carga de signo opuesto, sin perder algo de su se conoce como carga por inducci´ on. 798Este procedimiento se conoce ccomo a p í t ucarga l o 21 |por Carga eléctrica y campo eléctrico propia carga. inducción.

El cobre es buen conductor de la electricidad; el vidrio y el nylon son buenos aisladores. (a) El alambre conduce carga entre la esfera metálica y la barra de plástico con carga para cargar negativamente la esfera. (b) Después, la esfera metálica es repelida por una barra de plástico con carga negativa y (c) atraída hacia una barra de vidrio con carga positiva.

21.6 Carga de una esfera metálica por inducción.

UNSCH

5

La figura 21.6a muestra un ejemplo de carga por inducción. Se tiene una esfera metálica apoyada en un soporte aislante. Cuando se le acerca una barra con carga negativa, sin llegar a tocarla (Fig. 21.6b), el exceso de electrones de la barra repele los electrones libres de la esfera metálica, los cuales se desplazan hacia la derecha, alejándose de la barra. Estos electrones no pueden escapar de la esfera porque el soporte y el aire que la rodea son aisladores. Por consiguiente, se tiene un exceso de carga negativa en la superficie derecha de la esfera y una deficiencia de carga negativa (es decir, una carga positiva neta) en la superficie izquierda. Estas cargas en exceso se conocen como cargas inducidas. No todos los electrones libres se desplazan hacia la superficie derecha de la esfera. Tan pronto como se crea una carga inducida, ésta ejerce fuerzas hacia la iz-

Ingenier´ıa Civil 799

ores y cargas inducidas

La figura anterior muestra un ejemplo de carga por inducci´on. Se tiene una esfera met´alica apoyada en un soporte aislante. Cuando se le acerca una barra con carga negativa, sin llegar a tocarla (Fig.), el exceso de electrones de la barra repele los electrones libres de la esfera met´alica, los cuales se desplazan hacia la derecha, alej´andose de la barra. Estos electrones no pueden escapar de la esfera porque el soporte y el aire que la rodea son aisladores. Por consiguiente, se tiene un exceso de carga negativa en la superficie derecha de la esfera y una deficiencia de carga negativa (es decir, una carga positiva neta) en la 21.2 | Conductores, aisladores y cargas inducidas superficie izquierda. Estas cargas en exceso se conocen Por último,como advertimoscargas que un cuerpo con carga eléctrica ejerce fuerzas incluso inducidas.

jerce fuerzas incluso obre el tapete y luego adherido, pese a que ar un peine pasándocarga. ¿Cómo es po-

ura 21.6b la barra de nductora no obstante vas están más próxi, las cargas eléctricas una carga cerca. Esto gativa provoca un peslador neutro, efecto tivas del material esvas están más próxión más intensa que la or resultado una fuerdependen las fuerzas bién es atraído hacia s del aislador se desstán más próximas al e la repulsión que se o con carga de uno u carga. ne numerosas aplicaico de pintado que se metálico por pintar s gotitas de pintura a Cuando las gotitas se gno opuesto, como ia la superficie. Este a nubes de partículas ente liso.

scriba cómo utilizaa metálica.

F´ısica III

sobre objetos que no tienen carga en sí. Si se frota un globo sobre el tapete y luego se sostiene el globo contra el techo de la habitación, permanece adherido, pese a que el techo no tiene una carga eléctrica neta. Después de electrificar un peine pasándolo por el cabello, podemos recoger con él pedacitos de papel sin carga. ¿Cómo es posible que esto ocurra? Esta interacción es un efecto de carga inducida. En la figura 21.6b la barra de plástico ejerce una fuerza neta de atracción sobre la esfera conductora no obstante que la carga total de la esfera es cero, porque las cargas positivas están más próximas a la barra que las cargas negativas. Incluso en un aislador, las cargas eléctricas pueden desplazarse un poco en un sentido u otro cuando hay una carga cerca. Esto se muestra en la figura 21.7a; el peine de plástico con carga negativa provoca un pequeño desplazamiento de carga dentro de las moléculas del aislador neutro, efecto que se conoce como polarización. Las cargas positivas y negativas del material están presentes en cantidades equivalentes, pero las cargas positivas están más próximas al peine de plástico y, por tanto, experimentan una atracción más intensa que la repulsión experimentada por las cargas negativas, lo que da por resultado una fuerza de atracción neta. (En la sección 21.3 estudiaremos cómo dependen las fuerzas eléctricas de la distancia.) Observe que un aislador neutro también es atraído hacia un peine con carga positiva (Fig. 21.7b). En este caso las cargas del aislador se desLas cargas que están dentro de las plazan en sentido opuesto; las cargas negativas del aislador están más próximas al moléculas de un material aislante se puepeine y experimentan una fuerza de atracción más intensa que la repulsión que se den desplazar un poco. En consecuencia, ejerce sobre las cargas positivas del aislador. Así pues, un objeto con carga de uno u un peine con carga de cualquier signo otro atraesigno ejerce una fuerza de atracción sobre un aislador sin carga. a un aislador neutro. Por la tercera ley deLa atracción entre un objeto con carga y uno sin carga tiene numerosas aplicaNewton, el aislador neutro ejerce una fuerciones prácticas importantes, entre ellas el proceso electrostático de pintado que se utiliza za de atracción de igual magnitud sobre el en la industria automovilística (Fig. 21.8). El objeto metálico por pintar se conecta a la tierra, y se proporciona una carga eléctrica a las gotitas de pintura a peine. medida que éstas salen de la boquilla de la pistola rociadora. Cuando las gotitas se aproximan, en el objeto aparecen cargas inducidas del signo opuesto, como se muestra en la figura 21.6b, las cuales atraen las gotitas hacia la superficie. Este procedimiento reduce al máximo el rociado en exceso debido a nubes de partículas dispersas de pintura, proporcionando un acabado particularmente liso.

799

La atracci´on entre un objeto con carga y uno sin carga tiene numerosas aplicaciones pr´acticas importantes, entre ellas el proceso electrost´atico de pintado que se utiliza en la industria automovil´ıstica (Fig.). El objeto met´alico por pintar se conecta a la tierra, y se proporciona una carga el´ectrica a las gotitas de pintura a medida que ´estas salen de la boquilla de la pistola rociadora. Cuando las gotitas se aproximan, en el objeto aparecen cargas inducidas del signo opuesto, como se muestra en la figura, las cuales atraen las gotitas hacia la superficie. Este procedimiento reduce al m´aximo el rociado en exceso debido a nubes de part´ıculas dispersas de pintura, proporcionando un acabado particularmente liso.

Ejemplo

21.7 Las cargas que están dentro de las moléculas de un material aislante se pueden desplazar un poco. En consecuencia, un peine con carga de cualquier signo atrae a un aislador neutro. Por la tercera ley de Newton, el aislador neutro ejerce una fuerza de atracción de igual magnitud sobre el peine.

Se muestra en la figura la utilizaci´on de una barra con carga que da una carga positiva a Evalúe su comprensión la esfera met´alica. A partir de la situación que se muestra en la figura 21.6a, describa cómo utilizaría una barra con carga para dar una carga positiva a la esfera metálica.

y 21.6c)

21.8 Proceso electrostático de pintado (compare las figuras 21.6b y 21.6c)

UNSCH

6

Ingenier´ıa Civil

2.3 2.3.1

F´ısica III

Formas de Electrizaci´ on

Frotamiento

La electrizaci´on por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricci´on, los electrones externos de los a´tomos del pa˜ no de lana son liberados y cedidos a la barra de a´mbar, con lo cual ´esta queda cargada negativamente y aqu´el positivamente. En t´erminos an´alogos puede explicarse la electrizaci´on del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fen´omenos se pierden o se ganan electrones, pero el n´ umero de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al n´ umero de electrones aceptado por el otro, de ah´ı que en conjunto no hay producci´on ni destrucci´on de carga el´ectrica. Esta es la explicaci´on, desde la teor´ıa at´omica, del principio de conservaci´on de la carga el´ectrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teor´ıa sobre la base de observaciones sencillas.

2.3.2

Contacto

La electrizaci´on por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes a´tomos poseen un defecto de electrones, que se ver´a en parte compensado por la aportaci´on del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga el´ectrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesi´on de electrones.

2.3.3

Inducci´ on

La electrizaci´on por influencia o inducci´on es un efecto de las fuerzas el´ectricas. Debido a que ´estas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de UNSCH

7

 V V   V V   V V  xV   3  2  i   1  3  j   2  1  k z   z x   x y   y Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

otro neutro atraer´a hacia s´ı a las cargas negativas, con lo que la regi´on pr´oxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsi´on sobre los electrones at´omicos convertir´a esa zona en positiva. En ambos casos, la separaci´on de cargas inducida por las fuerzas el´ectricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

2.3.4

Radiaci´ on

En este proceso algunos materiales met´alicos tienen la propiedad de ceder algunos electrones cuando son incididos por luz de determinada frecuencia tienden a desprender sus electrones de sus u ´ltimos niveles produci´endose una corriente de electrones. Este fen´omeno se conoce como efecto fotoelectr´onico.

UNSCH

8

3

MATERIALES E INSTRUMENTOS.

.

Trocitos de papel.

.

Un pedazo de tela de fieltro.

.

Un pedazo de bolsa de pl´astico.

.

Dos barras de ebonita.

.

Dos barras de pl´astico.

.

Dos varillas met´alicas.

.

Alcohol.

.

Dos bolitas de algodon.

.

Un soporte universal con adimentos (varillas met´alica y nuez).

.

Un trozo de hilo.

.

Un pedazo de papel de aluminio.

.

Un generador de Van der Graff.

.

M´aquina wimshurst

.

Una pinza.

.

Una barra met´alica.

.

Un electroscopio.

.

Una pinza de sujeci´on.

.

Una esfera aislada.

UNSCH

9

Ingenier´ıa Civil

UNSCH

F´ısica III

10

Ingenier´ıa Civil

UNSCH

F´ısica III

11

4 4.1

PROCEDIMIENTO

PRIMERA PARTE

Generar cargas el´ectricas por frotamiento. Cualquier material puede ser electrizado por frotamiento adquiriendo ambos materiales polaridades distintas. Se limpian las barras (ebonita, pl´astico, y met´alica) con el algod´on impregnado de alcohol para quitar residuos de suciedad y grasa. se acerca cada una de las barras anteriores a unos pedacitos ligeros de papel, posteriormente, las barras se frotan con pedazos de tela, seda y pl´astico, acerc´andose nuevamente a los pedazos de papel. Generar cargas por inducci´on. Solo los materiales conductores pueden ser electrizados por inducci´on en este caso el cuerpo inducido(material conductor) adquiere la misma polaridad que el cuerpo inductor (cuerpo electrizado). Acercar una de las barras electrizadas a un material conductor (esfera met´alica aislada) sin llegar a ponerlo en contacto, manteniendo cerca la barra tocar con un dedo un extremo de la esfera y acercar a un electroscopio para si esta electrizado o no. Generar cargas por contacto. Esta forma de electrizaci´on permite transferir cargas de un lugar a otro para lo cual solo basta poner en contacto un cuerpo electrizado con otro cuerpo sin electrizar.

UNSCH

12

Ingenier´ıa Civil

4.2

F´ısica III

SEGUNDA PARTE

Se limpian nuevamente las barras con alcohol. Se cuelga una barra (ej. ebonita) sin frotar en el soporte universal y se le acerca otra barra del mismo material tambi´en sin frotar. Se frota una de las barra (por ejemplo con seda) y se acerca a la otra. Se limpian nuevamente las barras con alcohol. Se frotan las dos barras con el mismo material y se acerca una a la otra. Se repiten los pasos anteriores para las mismas barras pero eligiendo para la frotaci´on otros materiales (fieltro y posteriormente pl´astico). Se repiten los pasos anteriores para las barras restantes (pl´asticos y met´alicas).

4.3

TERCERA PARTE

En base a sus experimentos anteriores, en esta parte usted deber´a comprobar cuando est´a cargado un cuerpo, auxili´andose para ello del electroscopio que el profesor le presentar´a. Limpie nuevamente las barras. Toque con una de ellas (ej. ebonita) el electroscopio. Frote la barra con alg´ un material (ej. seda) y toque nuevamente el electroscopio. Repita los pasos anteriores para la misma barra pero frotada con los otros materiales (fieltro y pl´astico). Repita los pasos anteriores para las otras barras.

UNSCH

13

Ingenier´ıa Civil

4.4

F´ısica III

CUARTA PARTE

En esta parte usted determinar´a el tipo de carga que posee un cuerpo colgado, para esto, usted debe tomar como referencia un material del que se sabe con certeza la polaridad que adquiere cuando es frotado con cierto material, por ejemplo el vidrio adquiere polaridad positiva cuando es frotado con seda. Se limpia con alcohol la esfera del electroscopio. Se carga una de las barras de vidrio frotando con seda y se acerca al electroscopio lo m´as cerca posible pero sin llegar a tocarlo. Si las l´aminas se abren (debido a un fen´omeno el´ectrico llamado inducci´on) prosiga con el experimento, en caso contrario pruebe con otros materiales. Toda vez que las laminitas se abran, que uno de sus compa˜ neros toque con el dedo h´ umedo la esfera del electroscopio para despu´es retirarlo (preferentemente que su compa˜ nero coja la toma de agua con la otra mano). En todo momento usted debera mantener la barra cerca del electroscopio y la repetir´a hasta que su compa˜ nero retire el dedo. Observe que es lo que ocurre con las laminitas del electroscopio. Genere cardas por frotamiento en otros materiales (ebonita, acr´ılico) y aproxime al electroscopio sin llegar a tocarlo, si las laminillas se abren mas la polaridad del cuerpo es igual que del vidrio y si llegan a juntarse las laminillas la polaridad es contraria a la del vidrio. De esta manera podemos averiguar la polaridad el´ectrica de cualquier material.

UNSCH

14

5 5.1

CUESTIONARIO

Dibuje esquem´ aticamente los experimentos en sus

diferentes facetas anotando al pie de ellos las observaciones pertinentes de lo que observ´ o.

Frotamiento

Contacto

UNSCH

15

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

Inducci´ on

Radiaci´ on

UNSCH

16

Ingenier´ıa Civil

5.2

F´ısica III

Explique cada uno de los experimentos en forma

coherente acudiendo a una revisi´ on biblogr´ afica para esclarecer conceptos.

CARGAS ELÉCTRICAS Y FORMAS DE ELECTRIZACIÓN

´ DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA PRODUCCION ´ Y NEGATIVA Y ELECTRIZACI ON POR FROTAMIENTO A. PRODUCCIÓN DE CARGA POSITIVA Y ELECTRIZACION POR

5.2.1

FROTAMIENTO .

Limpiar las superficies de la varilla de vidrio y el electroscopio.

.

Disponga el equipo tal como se muestra en la Fig.

a) Limpiar las superficies de la varilla de vidrio y el electroscopio. b) Disponga el equipo tal como se muestra en la Fig.

Figure 5.1: Equipo utilizado en la experiencia: (a) Electroscopio, (b) varilla de vidrio o Fig. Equipo utilizado en la experiencia: (a) Electroscopio, (b) varilla de vidrio o plástico (c) electrización por pl´ astico (c) electrizaci´on por frotamiento frotamiento

c) Acerque la varilla de vidrio sin frotar al electrodo central del electroscopio. Se mueve. La varilla de vidrio se . Acerque ha cargado (pero no sabe con tipo de lasevarilla dequé vidrio sincarga). frotar al electrodo central del electroscopio. Se mueve. d) Ahora proceda a frotar vigorosamente la varilla de vidrio tela de seda yenuevamente acerque la varilla La varilla de vidrio se ha cargado (pero nocon se lasabe con qu´ tipo de carga). de vidrio al electrodo central del electroscopio como se muestra en la figura de abajo. e) Toque el electrodo central del electroscopio con la varilla de vidrio previamente frotada con seda para . Ahora proceda a frotar vigorosamente la varilla de vidrio con la tela de seda y transferir la carga.

nuevamente acerque la varilla de vidrio al electrodo central del electroscopio como se f) Paramuestra obtener más sobredeelabajo electroscopio habrá que repetir varias veces el proceso de frotación y en cargas la figura transferencia. .

Toque el electrodo central del electroscopio con la varilla de vidrio previamente frotada con seda para transferir la carga.

.

Para obtener m´as cargas sobre el electroscopio habr´a que repetir varias veces el proceso de frotaci´on y transferencia.

UNSCH

17

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

Figure 5.2: Varilla cargada acerc´andose al electroscopio

5.2.2

´ DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE DETERMINACION UN CUERPO.

.

Frote vigorosamente la varilla de pl´astico con la lana y acerque el extremo frotado al electrodo central del electroscopio sin tocarlo.

.

En presencia de la varilla frotada coloque su dedo en el lado opuesto del electro central.

.

Despu´es de cierto tiempo y en presencia de la varilla cargada retire el dedo del electrodo central

Figure 5.3: Cuerpo cargado positivamente .

Para descargar el electroscopio toque con un dedo el electrodo central.

.

Se repiten los pasos anteriores para los casos en que la varilla es de pl´astico (negro) y se frota con seda

UNSCH

18

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

.

Se frota vigorosamente la varilla de vidrio con la tela de seda gruesa (o con lanilla) y se le acerca sin tocar la esfera del electrodo del electroscopio. En caso de que las laminillas del electroscopio se abriesen m´as, la varilla de vidrio tendr´a carga del mismo signo que la del electroscopio. En caso contrario la varilla tendr´a signo opuesto.

.

Se repiten los paso anterior para el caso en que la varilla que se frota es la varilla de acr´ılico con lanilla.

5.2.3

ELECTRIZACION POR INDUCCION

.

Utilizando la m´aquina de Wimshurt cargar una esfera aislada por la base (recoger carga).

.

Luego poner en contacto con otra esfera aislada que est´a muy cerca de otra pero sin hacer contacto, de este modo pasamos carga por contacto a la esfera.

.

La esfera que se encuentra cargada reordena las cargas de la esfera cercana enseguida hacemos tierra en la esfera cercana como se aprecia en la imagen de este modo dependiendo del tipo de carga de la primera esfera hacemos que suban electrones de tierra o los repelimos por tierra cargando la esfera con carga contraria a la primera.

.

De esta manera cargamos la esfera por inducci´on luego para comprobar lo acercamos al electrodo para cerciorarnos que lo hemos cargado.

Figure 5.4: Esferas muy cercanas pero no en contacto.

UNSCH

19

Ingenier´ıa Civil

5.2.4

F´ısica III

ELECTRIZACION POR RADIACION.

.

Colocar el panel solar en presencia de la radiaci´on de ondas electromagn´eticas (luz).

.

luego las l´aminas de silicio reaccionan en presencia de la frecuencia ultravioleta generando un desprendimiento de electrones llamado efecto fotoel´ectrico (electricidad).

.

Colocar los cables el´ectricos del panel solar en el volt´ımetro para comprobar la cantidad de energ´ıa generada. (se gener´o aproximadamente 2.8 mini voltios)

Figure 5.5: Panel solar y volt´ımetro.

5.2.5

LAS CAMPANITAS DE FRANKLIN.

.

Primero colocar dos cables a los extremos de cargas diferentes de la m´aquina de wimshurst.

.

Luego ponerlos en contacto con los extremos superior e inferior de las campanitas de franklin, pues el extremo superior e inferior est´an aislados entre si y no genera corto circuito.

.

Encender la m´aquina de Wimshurst y las campanitas comienzan a tintinear.

UNSCH

20

Ingenier´ıa Civil

F´ısica III

Figure 5.6: M´aquina de wimshurst y campanillas de Franklin.

1

• Esto ocurre debido a que el p´endulo no tiene carga el´ectrica, por lo que a l estar cargada las campanillas de la derecha lo atrae. Este fen´omeno es el mismo cuando acercamos el famoso peine cargado a los trocitos de papel. Una vez que el p´endulo entra en contacto con la campanilla, se carga, y lo hace del mismo signo y la misma polaridad. Al ser iguales se repelen. Ahora tenemos un p´endulo cargado y una campanilla al lado izquierdo de carga contraria por eso el p´endulo es atra´ıda hacia ella. Cuando entran el contacto, el p´endulo cede su carga a la campanilla y se vuelve a cargar con la carga de la campanilla y del mismo modo por ser de la misma carga se repelen, de esta forma una y otra vez continuando el ciclo.

UNSCH

21

6

CONCLUSIONES

1 Los electrones se conservan, por lo tanto no se crean ni se destruyan solo se trasladan.

2 Las cargas el´ectricas no son engendradas ni creadas, sino que en el proceso de adquirir cargas el´ectricas unas ceden y otras ganan electrones de modo que hay una equivalencia en transferencia de electrones.

3 Se comprueba experimentalmente que los cuerpos con cargas el´ectricas de igual especie se repelen mientras que los tiene cargas de distinto signo se atraen.

4 En todo cuerpo conductor, las cargas se distribuyen superficialmente buscando las zonas de mayor convexidad. En este caso la distribuci´on de las cargas es uniforme.

5 Los fen´omenos de electrizaci´on son por frotamiento, por contacto, por inducci´on, y radiaci´on los cuales alteran el equilibrio de cargas el´ectricas que se encuentran en los cuerpos.

6 Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es m´as positivo .Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es m´as negativo.

UNSCH

22

Bibliography [1] M. W. Zemansky, F. W. Sears . F´ısica Uiversitaria. Decimo Primera Edici´on. [2] MARCOLAIN SAN JUAN, R. PEDRO Compendio de F´ısica moderna Imprenta del Hospicio Provincial, Zaragoza, 1920, p´aginas 177-178. [3] Paul A. Tipler F´ısica Vol.II Edici´on en espa˜ nol, Editorial Revert´e S.A. (1984) [4] A. Olivos y D. F´ısica electricidad para estudiantes de ingenier´ıa 1ra Edici´on, Ediciones Uninorte (2008) [5] Arnold L. Reimann F´ısica electricidad, magnetismo y Optica Edici´on en espa˜ nol, Coma˜ nia editorial continental S.A. (1975) [6] J. Wilson y A. Buffa F´ısica 5ta Edici´on, Pearson Education (2003) [7] PLA CARGOL, JOAQUIN Pr´ acticas elementales de F´ısica y Qu´ımica Editores Dalm´au Carles, Pla. S. A. Gerona. Madrid. 1942. Pag 110 [8] M.W. Zemansky, F. W. Sears . F´ısica Universitaria. D´ecimo Primera Edici´on. [9] R.A. Serway F´ısica para Ciencias e Ingenier´ıa. Quinta edition, 2002. [10] Electroscopio URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Electroscopio [11] F´ısica Fundamental URL: http://www.angelfire.com/musicals/cargasf/Electrosc [12] Electroscopio URL: pdf4/electroscopio/electroscopio.pdf

www.monografias.com/trabajos-

[13] Carga el´ectrica URL: html.rincondelvago.com/carga-electrica.htm

UNSCH

23