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Fisica II, Intersemestral 2018

Fenomenos electrostáticos Electrostatic phenomena Carlos Andres Aguilar Vera1, Laura Andrea Ojeda Rodriguez2, Santiago Rojas3 1Grupo

1, Ingeniería en Automatización, Universidad Jorge Tadeo Lozano. 2Grupo 1. Ingenieria Ambiental, Universidad Central. 3Grupo 1, Ingeniería Ambiental, Universidad Central.

Fecha práctica 05-06-2018; Fecha entrega de informe 12-06-2018

Abstract In the development of the electrostatic phenomena laboratory, each bar of plastic, glass and metal was rubbed with a piece of rabbit skin, silk and cloth to be next to the confetti paper and thus observe which type of bar was electrically charged with greater intensity according to the type of material with which it had been rubbed. Under the above, a series of experiments were carried out by means of which it was possible to observe the loads that some materials take, it is determined how two bodies, like glass and plastic, by the friction process, take opposite charges, while the metal, despite being a conductor, is not loaded with any, we also determine the effect that certain bodies obtain when they are polarized due to the induction load exerted by a body charged to a neutral body, which by simple repulsion causes this effect With this type of charges we can recognize and identify how a body is discharged or loaded. According to the above, it was evidenced that between plastic-cloth and glass-rabbit skin there was a greater electrical interaction, however, in the metal bar the electric charge was insignificant. The next step was to use the previous data to identify what happened when approaching each of these bars with the rest and describe what was observed. Palabras claves: Electric charge, Electrostatic, Phenomena, Rabbit skin, Silk, Cloth, Glass, Plastic, Metal, Friction, Repulsion, Intensity, Polarizes, Neutral body.

1. Introducción El conocimiento es sumamente importante, puesto que el aprovechamiento de este genera habilidades y experiencia mediante una investigación. En el laboratorio vamos a observar el intercambio de electrones entre diferentes materiales (vidrio, metal, plástico) logrando evidenciar por medio de diferentes reacciones físicas causadas por las cargas que le suministre los materiales: paño, piel de conejo, paño.

2. Marco teórico La electrostática es la parte de la física que estudia la electricidad en reposo, se preocupa de la medida de la carga eléctrica, de la cantidad de electricidad presente en un cuerpo y, en general en todo tipo de materia, y de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. El desarrollo de la teoría atómica permitio aclarar el origen y la naturaleza de los fenómenos eléctricos: la nocion del

fluido eléctrico, introducida por Benjamín Franklin (17061790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios al descubrirse que la materia esta compuesta de atomos y estos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas. Como sucede con otros capítulos de la física, el interés de la electrostática reside no solo en que describe las características de unas fuerzas fundamentales de la naturaleza, y facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas. Desde el pararrayos hasta la televisión y una maplia variedad de dispositivos científicos y técnicos, que están relacionados con los fenómenos electrostáticos. Existen en la naturaleza dos tipos de cargas, positiva y negativa, y que la cantidad más pequeña de carga es el electron (misma carga que el proton, pero de signo contrario). Tambien se ha visto que existe una carga entre las cargas. La unidad natural de carga eléctrica es el electrón, que es llla menor cantidad de carga eléctrica quue puede existir en la naturaleza. Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades Página 1

eléctricas se dice que ha sido electrizado. La electrización por frotamiento permitió, a través de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretación de las mismas cada vez mas completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrostática. Las experiencias de electrización pusieron de manifiesto que: cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo positivas o negativas se repelen.

En este artículo se podrá determinar las características de 3 materiales con el fin de determinar y demostrar las reacciones físicas causadas por estas cargas eléctricas. Carga eléctrica. Los átomos están constituidos por un núcleo y una corteza (órbitas) En el núcleo se encuentra muy firmemente unidos los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. Alrededor del núcleo se encuentran las órbitas donde se encuentran girando sobre ellas los electrones. Los electrones tienen carga negativa.

Los átomos están constituidos por un núcleo y una corteza (órbitas) En el núcleo se encuentra muy firmemente unidos los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. Alrededor del núcleo se encuentran las órbitas donde se encuentran girando sobre ellas los electrones. Los electrones tienen carga negativa.

La carga eléctrica elemental es la del electrón. El electrón es la partícula elemental que lleva la menor carga eléctrica negativa que se puede aislar. Como la carga de un electrón resulta extremadamente pequeña.

La carga eléctrica elemental es la del electrón. El electrón es la partícula elemental que lleva la menor carga eléctrica negativa que se puede aislar. Como la carga de un electrón resulta extremadamente pequeñaLos materiales poseen ciertas propiedades, las cuales generan ciertas características que son aprovechadas las cargas eléctricas.

Fuente: (Electrotecnia, s.f.) TRANSFERENCIA DE CARGAS Transferencia por contacto. Se puede efectuar la transferencia de la carga de un objeto hacia otro mediante el contacto entre ambos. Por ejemplo, una barra de vidrio cargada positivamente cuando se pone en contacto con una bola de médula de sauco cargada negativamente, se produce una corriente eléctrica entre ambas buscando el equilibrio de electrones. Transferencia por conducción. Supongamos una esfera de metal que ha sido cargada negativamente, y un conductor de cobre unido a otra esfera de metal descargada o neutra. Los electrones de la esfera cargada se trasladan a la otra esfera a través del conductor, igualando las cargas. Dos cuerpos, en este caso uno cargado negativamente y el otro neutro, proveen la fuerza necesaria para que haya movimiento de electrones (flujo de corriente) a través de un conductor. Siempre que la corriente fluya a través de un cuerpo descargado, cesa de ser electricidad estática para convertirse en electricidad dinámica. La fuerza que hace

Fuente: (Natureduca, s.f.) 2

que los electrones se muevan por un conductor, en forma de corriente eléctrica, se denomina fuerza electromotriz, voltaje o diferencia de potencial. Cuando existe diferencia de potencial entre dos cuerpos que están conectados a un conductor, los electrones fluirán por éste. Este flujo se efectúa desde el cuerpo cargado negativamente hacia el otro cuerpo hasta que las cargas se compensen y la diferencia de potencial deje de existir.

Polarizacion de la carga. Por inducción un lado del átomo o molécula se hace ligeramente mas positivo o negativo que el lado opuesto por lo que decimos que el átomo está eléctricamente polarizado. Si, por ejemplo, la barra es negativa, entonces el lado positivo del átomo o molécula se orienta hacia la barra y el lado negativo queda orientado en sentido contrario. Se presenta el fenómeno de polarización cuando trozos de papel neutros son atraídos por un objeto cargado o cuando se coloca un globo cargado en una pared. (Angelfire, 2012)

Transferencia por inducción. La transferencia electrostática de cargas por inducción se produce cuando un cuerpo que está cargado la transfiere a otro sin que exista contacto físico entre ellos.

Fuente: (Angelfire, 2012)

3. Metodología Los materiales y equipo utilizados en esta práctica de labo-ratorio son: 1 Electroscopio  2 Barras de PVC  2 Barras de metal  2 Barras de vidrio  2 pivotes para rotación  1 paño de seda, paño y piel de gato.

Fuente: (Natureduca, s.f.) Electroscopio. Dos láminas conductoras delgadas pueden girar y abrirse, como las hojas de una puerta colgadas de un gancho. Ambas están en contacto mediante un conductor que puede ser el propio eje de giro. Al cargarlas ambas se separan por efecto de la repulsión electrostática. Acercando distintos cuerpos al conductor podemos ver si están cargados y comparar su carga con la ya depositada en el electroscopio.

Teniendo en cuenta lo expuesto en la guía de laboratorio, se lleva su mismo orden. (Universidad Central, 2018) Concepto de carga eléctrica

Fig. 1. Atracción de trozos de papel

Fuente: (Tecnoedu, 2015) 3

Frotamos la barra de plástico con piel de gato y la acercamos a papel confeti.

Tocamos la barra de plástico con la mano en la región donde se encuentran los papeles

Utilizamos también paños y seda para frotar la barra de plástico.

Frotamos la barra de plástico y dejamos que algunos trozos de papel se adhieran a ella.

Fig. 2. Polarizacion por efecto de inducción. Carga por contacto A continuacion presentamos la metodología para desarrollar la practica de carga por contacto

Después de frotar la barra de plástico con piel de gato, colócamos sobre el soporte aislante

Enseguida acercamos otra barra de plástico. Igualmente frotamos por el lado que frotó la primera barra

Repetimos el procedimiento anterior, pero utilizando dos barras de vidrio y luego dos barras metálicas

Luego acercamos por el lado no frotado de la primera barra

Frotamos la barra de plástico y toque con ella la cabeza metálica del electroscopio.

Repetimos con la barra de vidrio

Tocamos el electroscopio con un material plástico

Cargamos por cualquier método el electroscopio

Carga por inducción A continuacion presentamos la metodología para desarrollar la practica de carga por inducción

Frotamos la barra de plástico y acercamos al electroscopio.

Repetimos el procedimiento anterior con la barra de vidrio

Fig. 3. Electrizacion por frotamiento

4. Datos, resultados y análisis 4.1. Carga eléctrica En este primer paso se observaran algunos hechos del comportamiento básico de las cargas eléctricas y magnéticas, esto se hará comprobando mediante el frote de diferentes tipos de barra con distintos tipos de material de frotado, pasándolos por papel picado, los resultados fueron cualificados y dispuestos en la siguiente tabla.

Observamos y explicamos lo sucedido

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Tabla No. 1 Descripcion de la práctica de la carga eléctrica

Plastico

Tipo de Barra

Material frotado

Intensidad de frotado

Distancia

Piel de conejo

Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Media Baja

Baja Baja Baja Media Media Media Baja Media Alta Baja Media Alta Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja Baja

Paño

Seda

Vidrio

Piel de conejo Paño

Seda

Metal

Piel de conejo Paño

Seda

Intensidad del fenómeno Baja Media Media Alta Alta Alta Nulo Media Alta Media Media Alta Nula Baja Baja Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula Nula

Fig. 5. Fricción seda y tubo de vidrio.

Es clave mencionar, que estos valores se tienen en cuenta con las siguientes características: Tabla No. 2 Intensidad del frotado

Intensidad del frotado Numero de frotados

Baja 3

Fig. 6. Materiales (Piel de gato y electroscopio).

Media

Alta 6

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De lo anterior se evidenció que entre plástico-paño y vidriopiel de conejo hubo mayor interacción, lo cual nos permite deducir que hubo una transferencia de electrones entre la barra frotada con el papel confeti, esto se debe a que el paño ionizo y la barra permitieron que haya un intercambio de energía entre los materiales.

Fig. 7. Tubo PVC con papel confeti.

Fig. 4. Montaje Piel de gato

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Tabla No. 3 Comportamiento de los materiales

Barra base Plastico

Vidrio

Metal

Material frotado Paño

Piel de conejo

Piel de conejo

Frotar

Descripcion

Distancia

Plastico

Se repele

Metal

Se atrae

Vidrio

Se atrae

Plastico

Se atrae

Muy cerca Muy cerca Muy cerca Cerca

Metal Vidrio

No ocurre nada Se atrae

Plástico

Se atrae

Metal

No ocurre nada Vidrio No ocurre nada Fuente: (Aguilar, Ojeda, & Rojas, 2018)

Fig. 8. Tubo PVC con papel confeti.

No ocurre nada Muy cerca Muy cerca No ocurre nada No ocurre nada

Después de cargar las dos barras de plástico frotándolas contra el paño de billar, vemos que las barras se repelen. Cuando frotamos barras de vidrio con la piel de conejo, las varillas de vidrio también se cargan y se repelen entre sí. Pero una barra de plástico cargada atrae a una barra de vidrio también cargada. Esto ocurre ocurre debido a la transferencia de electrones de un cuerpo a otro por medio del frotamiento entre dichos cuerpos.

Fig. 9. Electroscopio.

4.2. Atraccion y Repulsion

El hecho de frotar una barra de plástico con un trozo de piel o una barra de vidrio con un trozo de seda nos permite demostrar y entender mejor la electrostática. Y es justamente eso uno de los objetivos principales de esta práctica de laboratorio. Para empezar, tomamos una de las barras, la frotamos con su respectivo trozo de piel o tela; en otro plano, situamos en un soporte cada uno de los materiales restantes cargados respectivamente. Finalmente acercamos la barra que frotamos inicialmente con la barra que está situada en el soporte y analizamos lo sucedido. Esto se hizo con cada uno de los materiales. Los resultados fueron cualificados y dispuestos en la siguiente tabla:

Fig. 10. Montaje de cada una de las barras en el soporte.

En la primer parte del experimento, al frotar la barra plastica (PVC) con la piel de gato y acercándola a pequeños trozos de papel, se evidencia una atracción entre estos dos cuerpos. 6

Eso ocurre por el frotamiento entre ellos, lo que da oportuni dad a un intercambio de electrones, el cual el acrílico cede los electrones al portador de cargas de cuero quedando este con una carga positiva. Al frotar la barra con seda no genera atracción alguna, debido al cambio de material y ser aislante. Con el material de paño de genera una atracción leve o media.

Material Intensidad

Barra de pvc – trozos de papel Piel de gato Seda Paño Alta Nula Media Fig. 11. Barra PVC

En el mismo proceso, solo cambiando la barra de pvc por una barra de metal y de vidrio, se evidencia lo siguiente:

Material Intensidad Material Intensidad

Bara de metal – trozos de papel Piel de gato Seda Nulo Nulo Bara de vidrio – trozos de papel Piel de gato Seda Nulo Nulo

-

Paño Nulo

Al momento de frotar la barra de metal y al frotarlo al electroscopio no se presenta ningún movimiento en la varilla. (figura 2)

Paño Media

Si existe una diferencia en la reaccion de los materiales al frotarlos con diferentes superficies. Al poner la mano sobre la barra de plástico pvc, con los papeles en adhesion se desprenden unos pocos trozos de papel, debido a que la mano en contacto con la barra, hace un intercambio de electrones, perdiendo carga esta. En la etapa de frotar las barras de plástico con la piel de gato, y dejar una sobre el soporte y la otra igualmente frotada con piel de gato, acercándolas por el mismo extremo sucede que repelen, lo que significa que están cargadas con el mismo tipo de carga. En el caso contrario la fuerza que ejercen es nula, ya que se encuentran neutras las cargas.

Fig. 12. Barra Metal

-

Al frotar la barra de vidrio y al acercarlo al electroscopio se observó un movimiento mínimo de la varilla. (figura 3)

Repitiendo el procedimiento anterior, pero utiizando barras de metal y de vidrio, no se generaron fuerzas algunas, ni de atracción ni repulsión. Carga por inducción Montaje con el Electroscopio: Al frotar cada una de las barras y llevarlas al electroscopio observamos lo siguiente: -

Cuando se froto con la barra de PVC y se acercó al electroscopio se flexiono la varilla, lo que quiere decir es que existe una carga positiva y por tanto se crea un campo magnético. (figura 1) Fig. 13. Barra de Vidrio

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Por consiguiente, se puede mencionar de la experiencia realizada con las barras metálicas al momento de ser frotadas, las cargas pueden moverse libremente en ella, mientras que en las barras de plastico y vidrio ocurre lo contrario.

cargada negativamente, pero si apunta al lado contrario esta cargada positivamente. 6.2. ¿Por qué razón un disco fonográfico atrae polvo exactamente después de que se ha frotado para limpiarlo?

Es decir, al frotarlas no es permitida la circulación de la carga debido a que en estos materiales los electrones están unidos a sus respectivos átomos el cual no poseen electrones libres y será imposible su desplazamiento.

Porque al momento de ser frotado el disco genera electricidad estatica, lo cual hace que muchas partículas en este caso de polvo sean atraídas hacia él.

5. Conclusiones 

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



6.3. ¿Por qué los camiones que transportan fluidos inflamables arrastran una cadena por el suelo?

De lo anterior se puede concluir que la materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.

Debido a que el camión está en constante fricción con el aire, el camion queda cargado positivamente y para que no se descargue al momento de transportar estos fluidos y genere una explosión ya que que las llantas son de caucho, se le adapta una cadena que actúa como polo a tierra haciendo que las descargas lleguen a ella y no queden dentro del camión.

Al someter un cuerpo en frotación con determinada superficie, 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. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

6.4. ¿Puede inducirse carga en un aislador del mismo modo que un conductor? No puesto que, al ser un aislador, esta diseñado para que los electrones no fluyan por él.

Todo cuerpo tiende al equilibrio eléctrico, es decir, tiene igual cantidad de cargas positivas que de negativas. Un cuerpo en estas condiciones se dice que es neutro.

6.5. Una barra cargada atrae partículas de polvo de corcho seco que, despues de tocar la barra, frecuentemente se separan de ella con violencia. Explicar este comportamiento.

Existen varios métodos para que un cuerpo adquiera una carga. Además, la carga por frotamiento ocurre cuando se frotan dos cuerpos de ciertos materiales entre sí.



La carga por contacto se genera cuando un cuerpo electrizado toca a un cuerpo neutro. Por otra parte, la carga por inducción se produce cuando se acerca un cuerpo cargado a un cuerpo neutro.



Se concluye que cargas iguales se repelen y cargas opuestas se atraen.



Los protones se mantienen en el núcleo del átomo debido a la fuerza nuclear pero los electrones son partículas subatómicas capaces de moverse de un átomo a otro.

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo (neutro, sin cargas). Cuando el cuerpo electrizado se acerca al cuerpo neutro, hay una interacción eléctrica entre las cargas del objeto electrizado y las del cuerpo neutro y esta interacción es la que causa esa reacción. 6.6. Al caminar con rapidez sobre una alfombra, con frecuencia se experimenta un “chispazo” al tocar la manija de una puerta, ¿Cuál es la causa de esto? Si se camina sobre un tapete el cuerpo recoge electrones y cuando toca algo metálico, como es la manija de la puerta o cualquier otra cosa con carga positiva, la electricidad produce una pequeña descarga entre el objeto y sus dedos

6. Anexos 6.1. Si usted carga un peine de bolsillo, al frotarlo con una bufanda de seda, ¿puede determinar si el peine se carga positiva o negativamente? Explique.

6.7. Usted tiene una varilla de plástico y un pedazo de piel, llega al laboratorio y se encuentra un electroscopio que mantiene deflectada su aguja. ¿Cómo determina la clase de carga que hace deflectar la aguja? ¿Cómo haría si unicaminete tiene el peine?

Una forma de determinar sería usando un electroscopio sin embargo este método no es el mas practico y casero, una forma mas casera de determinar esto seria mediante el uso de una brújula, si la punta del norte de la brújula apunta hacia el peine esta

Se podría acercar una carga positiva, la del peine cargado y la carga positiva hace deflectar la aguja mucho más que cuando se le acerca una carga negativa puesto que hace el efecto contrario unir la aguja ya que queda cargado positivo el electroscopio y las láminas de negativo se juntan más.

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6.8. Usted frota una varilla de plástico con una piel y mediante el electroscopio comprueba que ya no tiene carga, de acuerdo con esto, ¿se cumple la ley de conservación de la carga? Explique.

Bibliografía

Aguilar, C., Ojeda, L., & Rojas, S. (2018). Fenómenos electrostáticos. Bogotá. Angelfire. (2012). POLARIZACIÓN DE LA CARGA. Electrotecnia. (s.f.). Carga eléctrica. Natureduca. (s.f.). Electrostática y fuentes de energía eléctrica. Pulido, B., (2010) Carga Eléctrica. El Rincon del Vago. Extraído el 03 de febrero de 2015 de http://html.rincondelvago.com/carga-electrica.html Tecnoedu. (2015). Electroscopio. Universidad Central. (2018). Fenómenos electrostácticos. Guia de laboratorios de Fisica II. (2013). Electricidad Estática. CIENCIA POPULAR.com. Extraído el 03 de febrero de 2015 de http://www.cienciapopular.com/experimentos/elect ricidad-estatica (2012). Fuerza Eléctrica. ICARITO. Extraído el 03 de febrero de 2015 de http://www.icarito.cl/enciclopedia/articulo/segundo -ciclo-basico/ciencias-naturales/fuerza-ymovimiento/2012/10/61-9593-9-sexto-basicofuerza-electrica.shtml (2012). Electroscopio. Kangie-fisica.blogspot.com. Extraído el 03 de febrero de 2015 de http://kangiefisica.blogspot.com/2012/02/electroscopio.html (2012). Controles dinámicos para la estática. AndiColor. Extraído el 03 de febrero de 2015 de http://andicolor.com/controles-dinamicos-para-laestatica/

La ley de la conservación de la energía afirma que la cantidad total de energía en cualquier sistema físico aislado (sin interacción con ningún otro sistema) permanece invariable con el tiempo, aunque dicha energía puede transformarse en otra forma de energía. En resumen, la ley de la conservación de la energía afirma que la energía no puede crearse ni destruirse, sólo se puede cambiar de una forma a otra, por ejemplo, cuando la energía eléctrica se transforma en energía calorífica en un calefactor. 6.9. Cuando usted acerca la varilla cargada a un electroscopio cargado positivamente, las hojas se cierran. ¿Cuál es la carga de la varilla? Haga un diagrama de los movimientos de cargas presentes en el electroscopio. Se logra identificar que si el electroscopio está cargado positivamente como dice al estar cargada de forma negativa la varilla lo que hace es que se cierren las hojas del mismo. A continuacion se presenta un diagrama por el cual al alejarse el cuerpo cargado el electroscopio permanecerá cargado, pero al probar el cuerpo se determina si es o no conductor tocándolo con el electroscopio, si es conductor las laminillas dejaran de repelerse.

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