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Informe de Laboratorio 2013
Fenómenos Electrostáticos
Electrostatic Phenomena
Anuar Yuset Rizcala Yepesa, Carlos Antonio Camacho Cueter
b, Edgar de Jesús
Baena Guerrac, María José Sánchez Montalvo
d, Sebastián Muñoz Arredondo
e.
aFacultad de Ingeniería, Ingeniería Industrial, Universidad Tecnológica de Bolívar, T00032282
bFacultad de Ingeniería, Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Bolívar , T00031856
cFacultad de Ingeniería, Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Bolívar, T00031903
dFacultad de Ingeniería, Ingeniería Industrial, Universidad Tecnológica de Bolívar, T00022837
eFacultad de Ingeniería, Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Bolívar, T00031937
Grupo H- Subgrupo H2; Profesor Carlos Daniel Acuña Caldera
Resumen
El día martes 12 de febrero de 2013 se realizó la experiencia no. 1 que buscaba el
estudio de los fenómenos electroestáticos. Para ello se experimentó con ciertos
materiales de distintas propiedades que nos permitirían clasificarlos en conductores o no
de la carga eléctrica,requiriendo de fundamentos físicos previos de las cargas y los
campos eléctricos para el reconocimiento del fenómeno presente en cada materialyasí
poder distinguir el tipo de carga presente debido a la atracción y repulsión de los
materiales;se tuvo en cuenta el proceso o las formas para adquirir un cuerpo carga
eléctrica. Por otro lado, la experiencia no se pudo realizar con el generador de Van de
Graaf ya que se encontraba en reparación, por ende se trabajó con la bobina de Tesla
analizando los efectos que produce en bombillas, el ambiente y demás, asimismo se
trabajó después con la esfera de ionización. La experiencia culminó con la
comprobación de las teorías planteadas acerca de la naturaleza eléctrica y los fenómenos
que en ella se encuentran.
Palabras claves:Carga Eléctrica, Campo Eléctrico, Atracción y Repulsión, Bobina de
Tesla, Formas de Cargar un Cuerpo.
Abstract
On Tuesday February 12, 2013 was held the experiencia1 seeking to study electrostatic
phenomena. For this experiment with some different material properties allow us to
classify them into conductors or electrical charge, requiring prior physical basis of the
charges and the electric fields for the recognition of the phenomenon present in each
material and thus be able to distinguish the type this load due to the attraction and
repulsion of materials; took into account the process or ways to acquire a body electric
charge. Moreover, the experience could not be performed with the Van de Graaf
generator and that was under repair, is therefore working with Tesla coil analyzing the
effects produced in bulbs, the environment and so on, also is working after with the
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field ionization. The experience culminated in checking theories raised about the
electrical nature and phenomena found therein.
Keywords: Electric Load, Electric Field, Attraction and Repulsion, Tesla Coil, Ways to
Load a Body.
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1. Introducción
¿De qué está compuesta la materia?, la
materia está compuesta por una
partícula indivisible llamada átomo,
durante la historia se ha tenido
diferentes ideas sobre el átomo, Dalton
sugirió que el átomo es una esfera
sólida , Thompson expreso el átomo es
un positivo con incrustaciones
negativas, Rutherford dijo los
electrones giran alrededor del núcleo y
Bohr expreso que los electrones giran
alrededor del núcleo en niveles de
energía, esto nos ha llevado al modelo
atómico actual en el cual los electrones
(carga negativa) están por fuera del
núcleo , protones (carga positiva) y
neutrones (sin carga) conforman el
núcleo .
Un átomo dispone de carga eléctrica a
partir de ganar o de perder una cierta
cantidad de electrones a esto se le
conoce como ionización. Un cuerpo
(conjunto de átomos) puede ser cargado
por diferentes métodos entre ellos
conducción, fricción e inducción. En el
laboratorio se observó que sucede
cuando dos cuerpos se cargan, si tienen
cargas iguales se repelen y si poseen
cargas distintas se atraen.
2. Marco teórico
Teoría atómica moderna: Toda
materia del Universo está
formada por pequeñas partículas
llamadas átomos.
Carga eléctrica: Propiedad
intrínseca de las partículas,
perdida o ganancia de
electrones. Los efectos que
produce son atracción y
repulsión. Existen dos tipos de
cargas eléctricas: positivas y
negativas. Las cargas iguales se
repelan mientras que las
diferentes se atraen. El signo de
la carga depende del número de
electrones: si el número de
protones es mayor al de
electrones, entonces la carga es
positiva de lo contrario negativa.
Para que se considere que una
carga es eléctrica no debe estar
en estado natural (igual cantidad
de protones y electrones).
Ley de conservación de las
cargas: La cantidad de carga
eléctrica de un sistema aislado
es constante. La carga eléctrica
no se crea ni se destruye,
solamente se transfiere de un
cuerpo a otro.
Propiedades eléctricas de los
materiales conductores,
semiconductores y
dieléctricos: Los conductores
permiten el paso de carga
(metales), los semiconductores
permiten el paso de carga de
acuerdo a varias condiciones
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como el clima entre otros y los
dieléctricos oponen gran
resistencia al paso de carga
(madera, porcelana, etc).
Formas de cargar un objeto
(frotación, inducción,
conducción): Por frotación se
da cuando por medio de la
fricción de un material con otro
se transfieren electrones, por
inducción cuando un cuerpo
cargado previamente se acerca a
uno neutro donde las cargas del
neutro que sean diferentes al del
cuerpo cargado se atraerán y las
iguales se alejaran.
Campo eléctrico: Es una región
del espacio perturbada por
cargas en reposo, donde dicha
región ejerce fuerza sobre
cualquier carga que ella se lleve.
Posee igual sentido que la fuerza
eléctrica en cargas positivas,
pero diferente en negativas. Si la
carga es positiva entonces el
campo sale de la carga, aunque
si es negativa apunta hacia
dentro de la carga. El campo
existe si una carga de prueba
experimenta una fuerza
eléctrica. Un campo uniforme es
aquel campo que en cualquier
punto posee magnitud, dirección
y sentido constantes. No
depende de la carga de prueba.
Conexión a tierra: Como se
explico en la forma de cargar un
cuerpo por inducción: cuando un
cuerpo cargado previamente se
acerca a uno neutro donde las
cargas del neutro que sean
diferentes al del cuerpo cargado
se atraerán y las iguales se
alejaran; el cuerpo neutro se
conecta a tierra por donde las
cargas opuestas del neutro al del
cuerpo cargado toman como vía
de escape esa, dejando al cuerpo
neutro cargada según las cargas
que se atraen al cargado
previamente si se desconecta
dicho conexión a tierra.
Características y aplicaciones
del generador de Van de
Graaf: es una maquina
electroestática que acumula
grandes cantidades de carga
eléctrica utilizando una cinta
móvil (aislante) y las almacena
en una esfera metálica hueca. Se
utiliza para la producción de
rayos X, esterilizar alimentos y
para experimentos que tengan
que ver con la física de
partículas y nuclear. La forma
de cargar es por inducción ya
que la carga se dirige a la esfera
gracias a la cinta (no hay
contacto solo una aproximación
entre la esfera y la cinta), la
carga que se transporta se dirige
al terminal esférico nulo por
medio de una varilla metálica
que produce energía, generando
que las partículas de energía que
se encuentran en la esfera al
hacer contacto con otro cuerpo
similar (que genere energía)
absorba aquella produciendo
estática.
3. Metodología
Materiales
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3 Barras (vidrio, plástico y
acrílico).
Barra de vidrio
Barra de plástico
2 Esferas pequeñas(de icopor y de
aluminio).
Generador de Van de Graaf.
Generador de Van de Graaf
Bobina de Tesla
Bobina de Tesla
Esfera de ionización
4. Análisis
Antes de realizar el análisis total de la
experiencia hay que tener claro una
serie de conceptos y efectos los cuales
permitirá que el estudio sea más fácil de
comprender. Como uno de las
afirmaciones fundamentales, si un
cuerpo presenta en sus átomos igual
número de electrones como de protones
se dice que este no está cargado o esta
eléctricamente neutro. Sin embargo si
los átomos presentan algún desbalance
de electrones se dicen que están
cargados positiva o negativamente.Es
de saberse que al decir que un cuerpo se
está cargando negativa o positivamente
es porque lo que se transfiere de un
cuerpo a otro son los electrones que
poseen, de tal manera que si el cuerpo
posee más electrones que protones es
negativo, pero si tiene menos electrones
que protones es positivo, teniendo claro
que los protones siempre permanecerán
en el cuerpo (nunca se transfieren). Se
debe aclarar: para que dos o más
cuerpos interactúen eléctricamente, por
lo menos uno de ellos debe estar
cargado (ya sea positiva o
negativamente), y los otros pueden estar
cargado o en estado neutro. Cabe anotar
que los cuerpos con cargas eléctricas
iguales se repelen, con cargas eléctricas
diferentes se atraen y estando uno en
estado neutro y el otro electrizado se
verá un efecto de atracción. Adicional a
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ello, toda partícula que se presente
eléctricamente cargada generara un
campo eléctrico a su alrededor lo cual
permitirá la interacción con otras
partículas o cuerpos
Luego de realizar cada uno de los
procedimientos previamente planeados
a hacer se pudo notar una serie de
efectos al poner en interacción dos
cuerpos. Entre las experiencias hechas
en el laboratorio tenemos:
4.1. La interacción de la Barra de
Acrílico con Pedacitos de Papel
Una barra de acrílico (material
dieléctrico, es decir opone gran
resistencia al paso de carga) en estado
libre no se encuentra cargada (esta
neutra) y es por ello que al acercarlo a
los pedacitos de papel estos no se
mueven. Luego de frotar la barra con
paños de seda esta toma carganegativa
por la fricción que genera de tal forma
que el paño le trasfiere electrones
cargándolo, y al acercarlo a los papeles
estos también son cargador por medio
de inducción, ocasionando que las
pedazos de papel quedan cargados
positivamente, de tal manera que en su
interacción un cuerpo atrae al otro, para
nuestro caso la barra de acrílico atrae a
los pedacitos de papel, por su tamaño.
Tabla 1. Cargas de la barra de acrílico y
el papel
Carga
Barra de acrílico Negativa (-)
Papel Neutro
Interacción de la barra de acrílico con
los pedacitos de papel
4.2. La interacción de Barra de
Plástico con Pedacitos de Papel
Una barra de plástico en estado libre no
se encuentra cargada y por ello tampoco
hace cambiar su posición a los papeles
cuando se acerca. Al frotar la barra con
paños de seda ocurre lo mismo que con
la barra de acrílico, es decir, esta se
carga negativamente por el contacto con
el paño y hace que los pedazos de papel
se atraigan a la barra por la carga que
adopta de forma inducida de tal manera
que ambos cuerpos quedan con cargas
opuestas permitiendo la atracción entre
ellos.
Tabla 2. Cargas de la barra de plástico
y el papel
Carga
Barra de plástico Negativa (-)
Papel Neutro
4.3. La interacción Barra de Plástico
con Barra de Vidrio
Luego se puso en interacción la barra de
plástico con una barra de vidrio colgada
con un hilo (aislante o dieléctrico),
estando ambos cuerpos en su estado
natural (no han sido frotados). Se pudo
ver que al acercar uno al otro no ocurre
nada, esto es debido a que ambos
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cuerpos están en estado neutro de tal
forma que no fuerza que ejerza una
repulsión o atracción entre ellos. Luego
de frotar uno de los extremos de la barra
de vidrio y la barra de plástico, se puede
ver que la barra de vidrio es atraída por
la barra de plástico, es decir ambas
están cargadas. De acuerdo a
investigaciones el vidrio al frotarse
comienza a cargarse positivamente. Con
lo anterior es válido afirmar que la barra
de platico toma carga negativa al ser
frotada, ya que el efecto de atracción se
presenta con la interacción de un cuerpo
cargado positivamente y otro cargado
negativamente (cuerpos con cargas
opuestas).
Tabla 3. Cargas de la barra de vidrio y
plástico
Carga
Barra de vidrio Positiva (+)
Barra de plástico Negativa (-)
Interacción entre la barra de vidrio y la
barra de plástico
4.4. La interacción de Barra de
Acrílico con la Barra de Vidrio
Al realizar el mismo procedimiento
anterior con una barra de acrílico en vez
de una de plástico el efecto que ocurre
es el mismo para cada caso. Estando
ambos sin frotar no sucede nada, pero al
frotar un extremo de la barra de vidrio y
la barra de acrílico, una se acerca a la
otra. Sin importar hacia qué lado se está
acercando la barra de acrílico cargada a
la otra que está colgada (barra de vidrio
cargada) siempre tenderán a unirse. Por
último la barra de acrílico también toma
carga negativa, así como la de plástico,
ya que para todo caso la barra de vidrio
al frotarlo con seda se carga
positivamente.
Tabla 4. Cargas de la barra de vidrio y
acrílico
Cargas
Barra de vidrio Positiva (+)
Barra de acrílico Negativa (-)
Electrización por frotamiento de la
barra de vidrio
4.5. La interacción de una Barra de
Acrílico con una Bolita de
Aluminio
En un principio al acercar una barra de
acrílico a una bolita de aluminio,
estando ambas en estado neutro no
ocurre ningún efecto entre ella ya que
no están cargadas. Luego de cargar la
barra de acrílico y al acercarla a la
bolita de aluminio (en estado neutro)
esta comienza a presentar movimiento,
debido a la inducción electrostática. En
donde en un principio tienden a
acercarse mientras las cargas se
reubican, y luego se alejan, debido a
que el cuerpo cargado (barra de acrílico)
hace que las partículas del cuerpo
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neutro (bolita de aluminio y que
adicional a ello es conductor) se repelan
haciendo que ambos cuerpos sean
alejados.
4.6. La interacción de una Barra de
Acrílico con una Bolita de Icopor
En cuanto a la bolita de icopor se
comprobó que este es de material
aislante, ya que la carga negativa del
acrílico no se transfirió al icopor porque
este último ocupo resistencia al paso de
las cargas, y con ello a pesar del
contacto la bolita siempre será atraída
debido a la interacción de un cuerpo con
carga eléctrica y uno neutro.
4.7. El análisis del Generador de Van
de Graaf
A pesar de que no se vio en función el
generador de Van de Graaf, se analizó
el funcionamiento del mismo. La
función del generador es formar cargas
eléctricas por medio de la ionización del
aire donde estas cargas son
transportadas por la correa (o cinta
móvil) a la parte interna de la esfera
hueca de tal forma que esta mantenga
toda la carga. Entre su principal función
esta la creación de grandes voltajes.
4.8. El análisis de los efectos de una
bobina de Tesla y de la bola de
ionización
La Bobina de Tesla fue otro de los
generadores analizados, en la cual se
pudo notar una alta generación de carga
capaz de encender una bombilla al
acercarla. Este efecto es causado debido
a que el campo eléctrico del generador
es muy grande, permitiendo que el aire
que lo rodea se ionice (proporcional al
campo que tiene), es decir, la bobina de
tesla hace que el aire se cargue de igual
forma a él, de tal manera que al acercar
la bombilla, tanto los gases del medio
como los que presenta este cuerpo en su
interior se ionizan de tal manera que se
enciende a cierto nivel, así como
también muestra destellos de corriente o
rayos (color morado) en el interior
hueco de la misma. Este mismo efecto
ocurre en la Bola de Ionización, la cual
es un una bola de cristal, que en su
interior tiene una bobina, de tal manera
que se ionizan los gases del interior de
la misma, de tal forma que presenta
rayos morados que van desde la bobina
generadora hasta la parte cilíndrica del
cristal (en su interior).
Efecto de la bobina de Tesla
5. Conclusiones
Para concluir, se comprendió la
naturaleza de la fuerza eléctrica por
medio del concepto de carga eléctrica,
estas nos permitieron dar vivencia de las
formas en que se logra cargar un
material o cuerpo, ademásse descubrió
los tipos de carga eléctrica presentes en
los materiales y las propiedades que
obtienen tras el paso de carga (aislantes
o dieléctricos, conductores o
semiconductores); por otro lado, gracias
a la bobina de Tesla y la esfera de
ionización se analizó el concepto de
campo eléctrico generado por una carga
y los distintos efectos que generan.
Finalmente, se comprendió el porqué de
los fenómenos eléctricos y la
interacción que posee en nuestro diario
vivir para el avance de la sociedad y del
universo físico.
Informe de Laboratorio 2013
6. Referenciasbibliográficas
[1]Ana Luisa, María José, Laura,
Sergio, Carlos y Miguel Lorenzo,
Electricidad y magnetismo, [en línea],
http://www.slideshare.net/yanago/electri
cidad-y-magnetismo-8339126, citado el
17 de febrero de 2013.
[2] Campo y potencial eléctrico de una
carga puntual, [en línea],
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elec
magnet/campo_electrico/campo/campo.
htm#Concepto de campo, citado el 17
de febrero de 2013.
[3] Carga y corriente eléctrica, [en
línea],
http://www.educarchile.cl/Portal.Base/
Web/VerContenido.aspx?ID=133074,
citado el 17 de febrero de 2013.
[4] De León Hernández, Ana Sofía,
Leyva Dávila, Adalgiza Elizabeth,
Oviedo Elizondo, Cynthia Elizabeth,
Velásquez Martínez, Lizbeth Margarita,
Modelo atómico moderno, [en línea],
http://www.youtube.com/watch?v=ErtF
ZalJJWY, citado el 17 de febrero de
2013.
[5]Definición de ionización, [en línea],
http://definicion.de/ionizacion/, citado
el 17 de febrero de 2013.
[6]Electricidad I, [en línea],
http://www.ing.unlp.edu.ar/cys/DI/Elect
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2013.
[7]Electroestática, [en línea],
http://html.rincondelvago.com/electrost
atica_4.html, citado el 17 de febrero de
2013.
[8]Generador de Van de Graaf, [en
línea],
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es
/FISICA/document/fisicaInteractiva/sac
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f/GeneradorEVG_Trabajo.htm, citado el
17 de febrero de 2013.
[9]Ionización del aire, [en línea],
http://www.famafabre.com/cat/documen
tos/ionizacion.pdf, citado el 17 de
febrero de 2013.
[10]M.Sc. Vásquez García, Optaciano
L. Manual de prácticas de laboratorio
de física III, [en línea],
http://fisica2ficunasam.zonalibre.org/La
boratorio%20N%C2%B01.pdf, citado el
17 de febrero de 2013.
[11] Pardo, Carmen Maritza, Cargas
eléctricas en reposo, [en línea],
http://www.slideshare.net/viteriange/car
gas-electricas-en-reposo-presentation-
757738, citado el 17 de febrero de 2013.