CARGAS ELECTRICAS

I. OBJETIVOS:

Experimentar y comprobar como se cargan los eléctricamente los cuerpos, mediante contacto, frotación e inducción

Observa el comportamiento de los cuerpos cargados (atracción o repulsión de cuerpos cargados eléctricamente)

Demostrar la existencia de la propiedad fundamental de la materia llamada carga eléctrica.

Conocer y corroborar los diferentes métodos para obtener carga eléctrica. Observar y aprender como funciona la maquina de tesla.

II. EXPERIMENTO

A. MODELO

La carga eléctrica es la propiedad intrínseca que poseen algunas partículas elementales, cualquier trozo de materia puede adquirirla; además la carga eléctrica no se crea ni se destruye, solo se transforma por el principio de conservación de la energía.

El primero en notar esta propiedad de la materia fue Tales de Mileto cuando observo que al frotar un paño con el ámbar adquiere la propiedad de atraer cuerpos, así que a todos los cuerpos que presentaba esta propiedad se les llamo “Eléctricos” del nombre ámbar (elektron).

También W. Gilbert en 1600 inventó el electroscopio y comprobó que no solo el ámbar tiene la propiedad de atraer cuerpos livianos después de ser frotados.

En 1750 B. Franklin propuso dos tipos de cargas y estableció que en un sistema aislado se cumple que la carga eléctrica no se crea ni se destruye, permanece constante.

Los dos tipos de cargas eléctricas existente son denominadas cargas positivas y cargas negativas. El cuerpo que no está cargado, eléctricamente es neutro, equivale decir que contiene igual número de cargas positivas y negativas.

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A.1. FORMAS DE CARGAR UN CUERPO

Por Contacto

Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva

Por Frotamiento

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.

Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño a al lápiz.

Por Inducción

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente

Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

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A.2. DISTRIBUCION DE LA CARGA ELECTRICA

Según las dimensiones de un cuerpo que se considere, la carga eléctrica puede distribuirse, de tres maneras:

1. Densidad lineal de cargas.- Cuando las dimensiones de longitud son mucho mayor que las otras dimensiones, este tipo de distribución se da en filamentos, cuerdas, alambres, entonces se define la densidad lineal de carga:

λ=QL

Ó λ=dQdx

2. Densidad superficial de cargas.- Cuando la superficie del cuerpo es predominante y en ella se deposita la carga, este tipo de distribución se da en discos, placas, planchas.

σ=QS

Ó σ=dQdS

3. Densidad volumétrica de cargas.- Cuando la carga se distribuye en todo el volumen del cuerpo y se puede dar en cilindros, cubos, esferas.

ρ=QV

Ó ρ=dQdV

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B. DISEÑO

Fig. 1 Péndulos Eléctricos

Fig.2 Electroscopio

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Fig.3 Maquina de RamsdenC. EQUIPOS Y MATERIALES

o Equipos:

La máquina de Ramsden:

Se utiliza para obtener carga eléctrica al hacer girar el cilindro. Durante el movimiento de rotación, el cilindro roza con las almohadillas, cediéndoles electrones, con lo que éstas quedan cargadas negativamente (para un funcionamiento óptimo de la máquina es imprescindible que esté completamente seca).

Fig.4 Maquina de Ramsden

Péndulo Eléctrico:

Es un sencillo dispositivo que se usa para poner de manifiesto ciertos fenómenos electrostáticos. Consiste usualmente en una pequeña esfera de tecnopor que pende de un hilo de seda y generalmente se utiliza un par de ellos para mostrar cómo interactúan entre sí.

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Fig. 5 Péndulo eléctrico

o El Electroscopio:

Es un instrumento utilizado para detectar la presencia de un objeto cargado aprovechando la separación de cargas por inducción.

Fig. 6 Electroscopio

o Materiales:

Fig.7 Barras de vidrio y baquelita Fig. 8 Paños de lana y de seda

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Fig. 9 Secadora Fig. 10 Péndulo Eléctrico

D. VARIABLES INDEPENDIENTES

Secadora Barras de vidrio y baquelita Paños de lana y seda

E. VARIABLES DEPENDIENTES

Máquina de Ramsden Péndulos eléctricos Electroscopio

F. PROCEDIMIENTO

I. Experimentación con el Electroscopio:

1. Con el tubo de plástico, acercamos al electroscopio y observamos que no había reacción alguna.

2. Luego frotamos el tubo de plástico con el paño de lana y lo volvimos a acercar al electroscopio. Esta vez observamos que en el interior de este, los pedazos de aluminio se separaron.

3. Para obtener otro resultado, frotamos el tubo de plástico al contacto con el electroscopio, seguidamente retiramos el tubo. Al hacer esto, observamos que los pedacitos de aluminio se separaron de manera más fugaz, pero al retirarlo se mantuvo por un corto tiempo para finalmente volver a su estado original.

4. Como un tercer resultado utilizamos el tubo de plástico frotado con el paño de lana y cargamos por inducción al electroscopio. Esto genero que los pedazos de aluminio contenidos dentro se separaran y cuando pusimos en contacto nuestro dedo con el electroscopio volvió su estado original rápidamente. Finalmente cuando retiramos el dedo, dichos pedazos se separaron de manera leve y despacio.

II. Experimentación con Los péndulos eléctricos:

1. Frotamos el tubo de plástico con el paño de lana, este acto ocasiono que cada péndulo adquiriera una carga. Seguidamente los acercamos y observamos que estos se separaban.

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2. Volvimos a repetir el proceso anterior, pero esta vez con la barra de vidrio. Llegamos a observar que en esta ocasión los péndulos se separaban pero ligeramente mas despacio.

3. Y otra vez repetimos el proceso ya antes mencionado con la baquelita y el resultado fue una separación inminente de los péndulos.

4. En este caso para obtener una atracción de los péndulos frotamos con el paño de lana y cargamos un péndulo por contacto y el otro, por inducción. Al terminar los acercamos y comprobamos que si se atraen.

5. Repetimos el proceso anterior, pero ahora con una barra de baquelita. Llegamos a observar en este caso que se separaban ligeramente.

6. Finalmente el proceso mencionado antes, lo repetimos de nuevo y esta vez con la barra de vidrio y la baquelita. El resultado fue que presentaban una atracción ligera.

III. Experimentación con la máquina de Ramsden:

Al hacer girar la manivela y acercar el péndulo se observo como rápidamente la bolita se pegaba al barril giratorio, luego para que la parte superior funcione tuvimos que utilizar el secador para eliminar las zonas húmedas, después de esto, giramos la manivela rápidamente y al acerca nuestro dedo a la parte superior de la máquina de Ramsden se observó como una chispa blanca azulada, que produjo un pequeño cosquilleo al dedo.

IV. Experimentación con la maquina de tesla:

Para esta experiencia se estuvo bajo la supervisión del profesor ya que nos presento una maquina que necesitaba corriente eléctrica de 220v la cual contaba con una bobina la cual se encontraba con un alambre de cobre saliendo de la bobina, para dicho experimento acercamos el dedo a medio centímetro de dicho cable y esperamos que el profesor enchufara el aparato; una vez realizado esto observamos un destello de luz azulado seguidamente de un sonido.

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G.CUESTIONARIO

1. Grafique y explique analíticamente lo observado en los pasos seguidos en procedimiento.

El electroscopio

a. Para neutralizar el electroscopio colocamos un dedo en uno de los extremos y en el otro acercamos una carga positiva (vidrio). Repetimos este paso en cada material que cambiamos en reemplazo del vidrio.

b. Acercamos el tubo al electroscopio sin encontrar reacción, pues ninguno de estos cuerpos había sido cargado previamente y la proporción de electrones y protones que puedan tener es muy escasa.

c. Frotamos el tubo de plástico y se acerco al electroscopio, se noto que los papelitos dentro de este se separaron. Esto se debió a que el electroscopio quedo cargado positivamente y ambos papelitos quedaron con cargas idénticas.

d. Reemplazamos el tubo por el vidrio de la misma forma y obtuvimos el mismo resultado en la experiencia. Las cargas se repelieron ligeramente por lo que deducimos que el electroscopio fue cargado positivamente Posteriormente hicimos el mismo paso haciendo uso de la baquelita, obteniendo el mismo resultado, aunque con mucha dificultad. Como se menciono antes, los movimientos eran casi imperceptibles, probablemente por ser muy débiles o con escasa cantidad de partículas energizadas.

Fig. 11 Procedimiento para el electroscopio

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Los péndulos eléctricos

Si lo acercamos al péndulo eléctrico, la bolita es atraída y si el cuerpo la toca entonces se repelen. La explicación es que al acercar el cuerpo cargado, aparece una cierta acumulación de carga de signo opuesto en el lado más próximo de la bola cuya atracción por la del cuerpo provoca el acercamiento del péndulo; al tocarse, parte de la carga del cuerpo se transfiere a la bola, acumulándose cierta carga, ahora del mismo signo, en la bola lo que origina la repulsión. Cargamos cada péndulo por conducción, y aunque estos mostraron movimientos poco visible se pudo comprobar la repulsión).

El cambio del material usado con el péndulo (vidrio, tubo, baquelita) solo determina el tipo de carga. En nuestros tres casos (positivos) hubo una pequeña repulsión. No pudimos conseguir que alguno de nuestros materiales tengo carga negativa para comprobar la atracción.

Fig. 12 Procedimiento para los péndulos

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La máquina de Ramsden

Para usar la máquina de Ramsden tuvimos que hacer uso de una secadora para eliminar la humedad del ambiente aplicada al instrumento.

En esta humedad se encuentran partículas ionizadas de H2O que alteran la carga, por ello debemos eliminar esa humedad. Sin quitar la secadora (La humedad es constante, al dejar de secar inmediatamente se volverá a humedecer) haremos girar la perilla para generar la carga en la parte superior de la rueda, donde hay una serie de “puntas” conductoras donde ésta carga se almacenará. Luego de esto, acercamos nuestro péndulo (previamente cargado positivamente) para poder identificar el tipo de carga en la máquina de Ramsden. En nuestra experiencia las cargas se repelieron, por lo cual pudimos concluir que la carga generada al girar la perilla fue positiva.

Fig. 13 Procedimiento para la máquina de Ramsden

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2. Si dos esferitas conductoras y sin carga que penden de dos hilos de seda, se les acerca en su plano una barra cargada eléctricamente, con la cual no entran en contacto, ¿Qué es lo que observaría? Grafique y explique detalladamente.

Al acercarle la barra cargada a las esferitas se observa que estas son atraídas hacia la barra pero a la vez se repelen entre si ya que se han cargado con el mismo signo, lo cual se demuestra en la figura

siguiente.

Fig. 14 Grafica de atracción de las bolitas

3. ¿Por qué el cuerpo humano es buen conductor de electricidad? Explique.

El cuerpo humano posee aproximadamente un 70% de agua ionizada que es un buen conductor de electricidad. Por esto cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen del grado de intensidad de dicha descarga.

4. ¿Cómo se manifiesta la presencia de cargas eléctricas? Explique detalladamente

Se manifiestan mediante la atracción o la repulsión que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una delas cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética.

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5. Estas experiencias indican por sí solas ¿Qué tipo de partículas se mueven? ¿Por qué?

Las únicas partículas que se mueven son los electrones que se encuentran en los niveles mas alejados de cada átomo ya que la fuerza que existe entre el núcleo y ese electrón es muy débil requieren poca energía para moverse a diferencia de los protones que se encuentran en el núcleo atómico.

6. ¿Cómo identifica la carga eléctrica que tiene el tubo de plástico al frotarse con lana?

Una vez frotado el tubo con la lana lo acercamos al electroscopio el cual nos indicara si está cargado o no moviendo las láminas que se encuentran en su interior.

7. ¿Qué diferencias existen entre las fuerzas eléctricas y las fuerzas gravitatorias? Explique las semejanzas y diferencias.

La fuerza gravitatoria se da en cuerpos con masa, de manera que a mayor masa la atracción es mayor. En este tipo de fuerza no existe la repulsión.

Las fuerzas eléctricas se dan en cuerpos con carga eléctrica. Si sus cargas son opuestas, estas se atraen; pero si son de cargas idénticas, en este caso se repelen.

Además ante la fuerza de gravedad es imposible oponer resistencia y con respecto las fuerzas eléctricas, estas son modificadas de acuerdo al medio donde se encuentren los cuerpos.

8. ¿Por qué un peine cargado atrae trocitos de papel?

Esto sucedes ya que el peine es un aislante esto quiere decir que los electrones que posee no pueden viajar a través de el para emparejarse.

Ahora si el peine está cargado positivamente atraerá partículas negativas o neutras y esto es lo que sucede en nuestro caso, atrayendo a los trocitos de papel de esta manera la carga del peine vuelve a estar en equilibrio.

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9. ¿Por qué en el laboratorio de física FIEE los experimentos electrostáticos visibles? ¿Qué hace para obtener mejores resultados? Explique.

La explicación se obtiene luego de realizar la experiencia de la máquina de Ramsdem que al hacer girar una de sus perillas la parte superior de la máquina de mango metálico quedaba cargado, pero al entrar en contacto con nuestras manos no nos quitaba carga y esto se debía a la humedad del ambiente es decir las moléculas de agua presente en el medio compensan la falta de electrones de la máquina. Para obtener mejores resultados usamos una secadora para calentar el área de trabajo y desaparecer la humedad, al hacer esto notamos que al acercar nuestros dedos ocurre una pequeña descarga debido a la compensación de electrones por parte del mango metálico de la máquina de Ramsdem tal y como debería ser el experimento.

III. CONCLUSIONES

De la experiencia realizada en el laboratorio hemos podido concluir en lo siguiente:

o Se hace visible el flujo de electrones mediante la utilización de la

máquina de tesla

o Existen factores ambientales que influyen en la energización de los

cuerpos. En nuestra experiencia pudimos observar como la humedad influía en la carga del material.

o La única forma certera de conocer cuando una carga es positiva es

frotando con seda a una barra de vidrio. A partir de este conocimiento podremos deducir el tipo de cargas en otros cuerpos.

o Existen tres formas de cargar un cuerpo: Frotación, inducción y contacto.

o Los movimientos de repulsión y los de atracción siempre están sucediendo entre cuerpos cargados, por más que estos sean imperceptibles a la vista humana.

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o El mayor riesgo que se corre al manipular electricidad no está en la tensión, está en la intensidad de la corriente y el tiempo de contacto que se mantiene en contacto con ésta.

IV. BIBLIOGRAFIA

o Lic. Humberto Leyva Naveros/ Electrostática y Magnetismo/ Tercera

Edición /Pág. 1-6.o Serway R/Física Volumen II /Tercera Edición/Pág. 107-109.

o Martinez Lopez/Física 3/Quinta Edición/Pág. 157-159.

V. ENLACES

o http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica

(Visitado 06/01/13 )o http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/

Fuerzasycargaselectricas.html (Visitado 07/01/13)o http://webdelprofesor.ula.ve/ciencias/labdemfi/electrostatica/html/

contenido.html (Visitado 07/01/13)o http://es.answers.yahoo.com/question/index?

qid=20090528085658AAlMHiO (Visitado 05/01/13)o http://www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/

cargaycampoelectricos/contenidos/01d56993080931b38.html (Visitado 06/01/13)

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