ELECTROSTATICAE. Soto¹; N. Fonseca²; L. Melo²; F. Roa²; L. Barreto2; D. Pérez2; R. Betancourth2

¹ Físico, Docente Fundación Universitaria del Trópico Americano, Facultad de Ciencias de la Educación y Estudios Transversos.

² Estudiante Fundación Universitaria Internacional Del Trópico Americano, facultad de Ingeniería.

RESUMEN: En este informe se analiza experimentalmente las características fundamentales de los efectos mutuos que se producen entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo, sabiendo que las cargas puntuales son cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables frente a otras dimensiones del problema. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones entre los cuerpos que la poseen.

PALABRAS CLAVES: Carga, Carga eléctrica, atracción, repulsión, conducción e inducción.

ABSTRACT: This report experimentally analyze the fundamental characteristics of the mutual effects that occur between bodies because of their electric charge, ie, the study of electric charges at rest, knowing that point charges are charged bodies whose dimensions are negligible compared to other dimensions of the problem. Electric charge is a property of matter responsible for electrostatic phenomena, whose effects appear as attraction and repulsion between bodies that have.

KEYWORDS: Cargo, Electric charge, attraction, repulsion, conduction and induction.

1. INTRODUCCIÓNEn el mundo de la física experimental encontramos el área del electromagnetismo la cual fue un descubrimiento muy importante, ya que estudia el mundo microscópico de la materia en los que encontramos partículas elementales a nivel atómico y por lo tanto llegamos a conceptos como la carga y descarga eléctrica de algunos objetos. Para llegar al concepto fundamental al concepto fundamental del electromagnetismo se empieza con el estudio de las cargas eléctricas en reposo, por lo tanto en este laboratorio se da un marco teórico fundamental de la electrostática y se realiza algunos experiencias con diferentes elementos de laboratorio como el electroscopio, el generador de Van de Graaff y la fuente electrostática, en otras con el fin de encontrar una explicación física de la carga y descarga eléctrica de los materiales.

2. MARCO TEÓRICO

Fig1: Las cargas del mismo signo se repelan y diferentes signos se atraen.

2.1. ElectrostáticaEs un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas a un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. (Fisica Net, 2006)

Foto 1: Frotamiento de dos materiales no conductores.

2.2. Ley de ColumbLa ley de Columb señala que la fuerza F (Newton, N) con que dos carga eléctricas Q y q se atraen o se repelen es proporcional al producto de las mismo inversamente proporcional al cuadro a la distancia r (metro, m) que las separa.

F e=K eq1q2r1−2

Ecuación 1: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo.

Donde ke es la constante de coulomb, la cual depende de la permisividad del espacio libre.(Franco, 2001)

3. Materiales de laboratorio Barra de vidrio Lamina de vidrio Barra de Ebonita Lamina de Madera Lamina de Metal Piel de gato Paño Confetis Bolas de icopor Hilos Electroscopio Generador de Van de Graaff Fuente electrostática

4. Montaje y Procedimiento

Foto 2: Montaje experimental para experiencias de fenómenos electrostáticos del laboratorio de Física de UNITROPICO

Verifique el material que se observa en la Foto 2.

Frote la barra de ebonita con la piel de gato, con la barra de ebonita cargada eléctricamente acérquela a los pedazos de papel, luego cargue el electroscopio por inducción y por conducción con la barra de ebonita cargada, repita el procedimiento con las bolas de icopor colgadas con hilos de seda y con hilos de algodón.

Frote la barra de vidrio con un paño, con la barra de vidrio cargada eléctricamente, cargue el electroscopio por inducción y por conducción.

Coloque en funcionamiento el generador de Van de Graaff y acerque el electroscopio conectando este a tierra.

Prenda la fuente electrostática y cargue el electroscopio por inducción y conducción.

Coloque sobre el electroscopio una lámina de vidrio y con el generador de Van de Graaff hacer pasar carga a través del vidrio.

Coloque sobre el electroscopio una lámina de madera, con el generador de Van de Graaff hacer pasar carga a través de la madera. (Soto & Camargo, 2013)

Coloque sobre el electroscopio una lámina de cobre, con el generador de

Van de Graaff hacer pasar carga a través de la lámina de cobre.

5. Análisis de resultados

5.1. Investigue cuales son las partículas elementales que se encuentra en la materia.

Las particulas elementales de la materia son aquellas que constituyen y hacen parte de su composicion, se llama particula elemental a particulas subatomicas como los protones, neutrones y los electrones, que hacen parte del atomo quien es la unidad básica de toda la materia, la estructura que define a todos los elementos y tiene propiedades químicas bien definidas. (Qumica y Fisica, 2007)

5.2. ¿Qué significa un cuerpo eléctricamente, positivo, negativo y neutro?

Todo cuerpo que presente propiedades que le permitan ser conductor puede recibir y trasmitir energía, cuando los cuerpo conductores de electricidad se cargan pueden presentarse de dos formas, la primera es cargado eléctricamente positivo, esto quiere decir que su carga es positiva y que allí encontramos protones, la segunda es eléctricamente negativo presenta una carga negativa y allí encontramos los electrones, por último es un cuerpo neutro que no tiene ninguna de las cargas anteriores (Qumica yFisica, 2007)

5.3. Explique físicamente la ley coulomb, de dos ejemplos con sus respectivos esquemas.

Charles Coulomb (1736-1806) midió las magnitudes de las fuerzas eléctricas entre objetos cargados mediante la balanza de

torsión, que el mismo invento; La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario. (Ruiza, Fernadez, Tamaro, &Duran, 2004)

Fig2: Ejercicio

En la Fig. 2 Dos cargas q1=4μC y q2=-8μC están separadas a una distancia de 4mm ¿Con que fuerza se atraen?

Datos:q1=4μC=4x106cq2=-8μC=-8x106Cr=4mmK=9x109N.m2/c2

Solución:

f=k q1q2r2

Remplazamos:

f=(9 x 109Nm2/C2)(4 X10−6C )(8 X 10−6C)

(4 X10−3m) 2=1800N

Ecuación 2: Ley de Coulomb

Fig3: Ejercicio

En la fig. 3 Determine la fuerza que actua sobre las cargas electrias q1=1x106C Y q2=2.5x106C que se encuentran en reposo y en el vacio a una distancia de 5 cm.

Datos:q1=1x106Cq2=2.5x106Cr=5cm=5x10-2mK=9x109N.m2/c2

Solución:

f=k q1q2r2

f=(9 x 109Nm2/C2)(1 X10−6C )(2.5 X 10−6C)

(0.05m) 2=9N

Ecuación 3: Ley de Coulomb

5.4. Investigue que es un material conductor, semiconductor y aislante dando cuatro ejemplos de cada uno de ellos.

Son materiales cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja. Los mejores conductores eléctricos son metales, como el cobre, el oro, el hierro y el aluminio, y sus aleaciones, aunque existen otros materiales no metálicos que también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como el grafito o las disoluciones y soluciones. salinas (por ejemplo, el agua de mar) o cualquier material en estado de plasma.

Cobre, oro, hierro, tantalio.

Semiconductor, material sólido o líquido capaz de conducir la electricidad mejor que un aislante, pero peor que un metal. La conductividad eléctrica, que es la capacidad de conducir la corriente eléctrica cuando se aplica una diferencia de potencial, es una de las propiedades físicas más importantes, los semiconductores puros se comportan como aislantes. Sometidos a altas temperaturas, mezclados con impurezas o en presencia de luz, la conductividad de los semiconductores puede aumentar de forma espectacular y llegar a alcanzar niveles cercanos a los de los metales.

Ejemplo:

-silicio-germanio-selenio-el arseniuro de galio

Se denomina aislante eléctrico al material con escasa conductividad eléctrica. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material, el aislante es el que posee más de 4 electrones en su última capa de valencia.

Plástico Cuarzo Madera Mica Vidrio Cerámica Porcelana

Losa hules

5.5. Explique físicamente los resultados obtenidos en el procedimiento 1.6.2 y 1.6.3 y escriba cual es el signo de la carga de la barra de ebonita y de vidrio.

5.5.1.1. Al frotar una barra de ebonita con un paño de piel de gato se produce un traspaso de electrones de la piel a la barra; la barra de ebonita adquiere carga negativa y la piel adquiere una carga positiva, experimentalmente se comprobó al acercar la barra hacia el papel (confeti) el cual esta neutro, este se carga por inducción y es atraído hacia la barra de ebonita.(Sanchez, Lozano del Aguila, &Vallecillo, 2008)

Foto 3: Barra de ebonita con carga

5.5.1.2. Al frotar una barra de vidrio con un paño de piel de gato se produce un traspaso de electrones de la piel a la barra, adquiriendo cargas positiva para el vidrio y negativa para la piel. Para comprobarlo experimentalmente acercamos el vidrio cargado hacia el papel (confeti) pero no hubo reacción alguna. (Sanchez, Lozano del Aguila,& Vallecillo, 2008)

Fig2: Bolas de icopor con la barra de vidrio

5.6. Explique físicamente los resultados obtenidos en el procedimiento 1.6.4, 1.6.5, 1.6.6, 1.6.7 y 1.6.8 y realice los dibujos de cada experiencia

5.6.1.1. Al acercar el electroscopio con el generador de Van de Graaff, se obtuvo una carga eléctrica y la repulsión respectiva entre laminas al cargarse positivamente, al entrar el electroscopio en contacto con la lámina del generador de Van de Graaff se cargó la lámina interna positivamente y se repela con la otra lamina que ya estaba cargada positivamente.

Foto 4: Electroscopio con el generador van de graaff

5.6.1.2. Al prender la fuente e intentar cargar el electroscopio se esperaba que este se cargara positivamente y que las láminas internas se repelieran puesto que las dos estarían cargadas

positivamente, debido a que las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen. Con ayuda de la fuente se intentó cargar el electroscopio pero después de varias pruebas no se observó ningún resultado.

Foto 5: Electroscopio con la fuente electrostática

5.6.1.3. Al colocar la lámina de vidrio entre el generador de Van de Graaff y el electroscopio no observamos ningún cambio ya que el vidrio es un material aislante, que presenta una composición quimica la cual no permite el flujo de corriente, y el voltaje del generador de Van de Graaff es muy bajo como para cargar toda la superficie del vidrio y así obtener un flujo hacia el electroscopio en superficie atreves del vidrio es imposible.

Foto 6: Electroscopio con vidrio

5.6.1.4. Con la lámina de madera se observó una repulsión muy leve, pero de la mismas forma la madera presenta algunas propiedades aislantes que no permiten el flujo de energía las cuales no permitieron que el generador de Van de Graaff cargara completamente el electroscopio.

Foto 6: Electroscopio con madera

Con la lámina de metal, como todos los metales son excelentes conductores de energía era de esperarse que como ocurrió este permitió el traspaso de energía hacia el electroscopio, presentando la repulsión esperada.

Foto 7: Electroscopio con aluminio

6. Conclusiones

La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto.

la carga por fricción se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro.

Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado.

Las cargas eléctricas solo se pueden producir por parejas.

7. Bibliografía8.

Fisica Net. (5 de 11 de 2006). Recuperado el 14 de 2 de 2015, de http://www.fisicanet.com.ar/fisica/f3_electroestatica.php

Qumica y Fisica. (15 de 10 de 2007). Recuperado el 15 de 02 de 2015, de http://www.quimicaweb.net/grupo_trabajo_fyq3/tema7/tema7.html

Franco, A. (17 de 6 de 2001). Física con ordenador. Recuperado el 14 de 02 de 2015, de http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/fuerza/fuerza.htm

Ruiza, M., Fernadez, T., Tamaro, E., & Duran, M. (14 de 8 de 2004). Biografias y Vidas. Recuperado el 14 de 2 de 2015, de http://www.biografiasyvidas.com/biografia/c/coulomb.htm

Sanchez, M., Lozano del Aguila, A., & Vallecillo, A. (23 de 7 de 2008). Departamento de Fisica. Recuperado el 16 de 02 de 2015, de http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Campo-electrico/Electrico3.htm

(2013). Guia de laboratorio Fisica experimental -2- Eectricidad Termodinamica. En E. Soto, & J. Camargo, Fisica experimental -2- Eectricidad Termodinamica (págs. 1-6). Yopal: Unitropico.