Autores:

Armas Freimar

Rondón Karen

Tutor:

Prof. Cordero Howar

Barquisimeto, Marzo de 2011

Universidad Pedagógica Experimental Libertador

Instituto Pedagógico de Barquisimeto

Dr. “luís Beltrán Prieto Figueroa”

Departamento de Ciencias Naturales

Programa de Física

Software Educativo para el Estudio de la

Electrostática

BIENVENIDOS

Thales de Mileto William Gilbert

Benjamín Franklin Alessandro Volta

(Boston, 1706 - Filadelfia, 1790

(Mileto, actual Turquía, 624 a.C- 548 a.C.)

Filosofo griego y matemático,fue quien observo las primerasinteracciones eléctricas, cuandofroto el ámbar con una tela delana. Noto, que el ámbaradquiría la propiedad de atraercuerpo pequeños y livianos.

(Colchester, Inglaterra, 1544 - Londres, 1603)

Encontró que no solamente elámbar adquiría la propiedad deatraer cuerpos, sino también,existía otros materiales a losque llamo eléctricos porcomportarse como el ámbar. Secomprobó que al frotar doscuerpos diferentes ellos seelectrizaban.

Político y científico que en 1752realizo el famoso experimento dehacer volar una cometa en mediode un tormenta para demostrarque el rayo es de naturalezaeléctrica. Posteriormente inventoel pararrayos para proteger losedificios

(Boston, 1706 - Filadelfia, 1790) (Italia, 1745-1827))

Físico que en 1800 invento la pilaeléctrica a la cual recibió el n0mbrede pila voltalica. En 1775, con suinvención del electróforo, unsencillo aparato para producir yalmacenar cargas electrostáticas,contribuyo notablemente aldesarrollo de la electricidad estática.

Joseph John Thomson Charles-Augustin de Coulomb

Nació en Reino Unido.

Se graduó en Matemáticas.

Se convirtió en profesor de Física.

Descubrió el electrón.

Estableció un modelo

de la estructura de

átomo (errada).

Fue nombrado caballero

Recibió un premio

Nobel

Murió en

Reino Unido.

(1856)

(1880)

(1884)

(1897)

(1912)

(1908)

(1906)

(1940)

Nació en Angouleme, Francia.

Se graduó de Ingeniero Militar

Corresponsal de la academia de

ciencia en Paris.

Invento la balanza de torsión.

Publico un tratado sobre

la teoría de maquinas

simples.

Murió en Paris.

(1736)

(1761)

(1774)

(1777)

(1779)

(1806)

Michael Faraday Carl Gauss Robert Millikan

(Newington 1791-Londres

1867).Fue un físico y químico.

Estudio el electromagnetismo

y la electroquímica. En 1831

descubrió la inducción

electromagnética. Introdujo el

concepto de líneas de fuerza

para representar los campos

magnéticos.

(Alemania 1777-

Gottingen 1855).

Fue físico, matemático y

astrónomo, le dio sentido

matemático a lo propuesto

por Faraday dando a

conocer lo que hoy en día

se llama ley de Gauss.

(Morrison,E.E.U.U 1868 -

San Marino, id. 1953)

En 1923 le fue concedido

el Premio Nobel de Física

por los experimentos que le

permitieron medir la carga

de un electrón,

comprobando que la carga

eléctrica solamente existe

como múltiplo de esa carga

elemental.

ELECTROSTÁTICA

1. Estructura de la materia

2. Carga Eléctrica

3. Formas de

cargar un cuerpo

6. Conservación de la carga 4. Conductores y aisladores

5. Ley de Coulomb

7. Campo eléctrico

8. Líneas de un campo

eléctrico

Experimentos Aplicaciones GlosarioPreguntas

Referencias

ELECTROSTÁTICA

Es la rama de la física que se encarga del estudio de los efectos asociados

con las cargas eléctricas en reposo. El principio fundamental de la

electrostática es que los cuerpos con carga de igual nombre se repelen, en

tanto que los de cargas opuestas se atraen. Las cargas eléctricas en reposo

generan campos eléctricos.

+ + + -

1. Estructura de la materia

Los átomos están compuestos de tres partículas

fundamentales: el electrón con carga negativa, elprotón con carga positiva y el neutrón que notiene carga. El núcleo del átomo se compone deprotones y neutrones, estos están unidos por unafuerza nuclear fuerte. Mas del 99.9% de la masade un átomo esta concentrada en el núcleo,alrededor de el giran los electrones.

¿Sabias que?

Un átomo neutro tiene el mismo número de electrones que de

protones.

Un ion positivo tiene un déficit de electrones.

Un ion negativo tiene un exceso de electrones.

Modelo atómico de Bohr

2. Cargas Eléctricas

Es una entidad física intrínseca propia

de cada elemento, determinada por dos

tipos: positiva y negativa, éstas

manifestaciones pueden ser de

repulsiones y atracciones, determinando

entre ellas las interacciones. Se puede

conceptualizar como la cantidad de

carga que pasa por la sección transversal

de un conductor eléctrico en un

segundo; interpretando entonces, que

existe una transferencia sobre la base de

que los electrones pueden ser extraídos

de los átomos de un objeto y fijados a

los de otro.

Los cuerpos que está en constante movimiento al aire

libre como por ejemplo los automóviles, se cargan en

gran manera, tanto así que pueden llegar a acumular

carga como para electrizar a otro cuerpo que lo toque.

¿Sabias que?

Cuando se lleva un carrito de supermercado el

cuerpo humano y el carrito se cargan, por el

rozamiento excesivo con el aire.

Los antiguos tejedores escogían lugares húmedos para

montar sus instalaciones, evitando así la acumulación de

cargas electrostáticas, es por ello que la humedad

favorece a la descargas.

3. Formas de cargar un cuerpo

Carga por inducción: Este proceso se realiza mediante la separación de

cargas en un conductor, producida por el acercamiento de un cuerpo

electrizado, donde la carga adquirida es de signo opuesto a la carga del

inductor, este también se puede realizar sin ninguna perdida de carga del

cuerpo cargado.

++

+

-

--

++

+

-

--

+

+

+

-

--

+ -

Carga por contacto: Esta se realiza mediante una transferencia directa de

la carga de un objeto a otro comunicándole así carga del mismo signo.

+ - + - + + + + + + +

Carga por frotamiento: Esta se realiza mediante una transferencia de

electrones de un cuerpo hasta otro, el que perdió electrones queda

cargado positivamente y el que gano electrones queda cargado

negativamente.

4. Conductores y aisladores

Conductor: Los metales se caracterizan por

su habilidad de transferir cargas muy

fácilmente de un objeto a otro, ya que ellos

poseen un gran numero de electrones libres

que pueden moverse a través del material, por

lo tanto son denominados conductores.

Aislante: son aquellos que se resisten

al fluido de los electrones, entre ellos

se encuentran el aire, el plástico, el

vidrio, entre otros.

5. Ley de Coulomb

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos

cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas en

inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Siendo K la constante de proporcionalidad:

En el SI la unidad de carga eléctrica es un Coulomb (1C)

¿Sabias que?

Coulomb empleo una balanza de torsión para medir la

variación de la fuerza con respecto a la separación y a la

cantidad de carga.

Fuerza Eléctrica Vs. Fuerza Gravitatoria

Es una fuerza de atracción y

repulsión, ya que pueden interactuar

los dos tipos de cargas, la positiva o

negativa.

Es una fuerza de atracción

solamente, donde la tierra atrae a

los cuerpos hasta el centro de ella,

manteniendo los cuerpos dentro sin

dejarlos escapar.

¿Sabias que?

La fuerza eléctrica es 10E 40

veces mayor que la gravitatoria.

Fe >> Fg

6. Conservación de la carga

Este principio señala que no hay destrucción ni creación neta de carga

eléctrica, afirmando entonces que en todo proceso electromagnético la carga

total de un sistema aislado se conserva.

2. Sólo existe una separación

de las cargas

eléctricas

1. El número total de

protones y electrones no

se altera

3. No hay destrucción ni creación

de carga

eléctrica

4. La carga total se

conserva

PROCESO DE

ELECTRIZACIÓN

Según la conservación

de la carga, pueden

aparecer cargas

eléctricas donde antes

no había, pero siempre

lo harán de modo que

la carga total del

sistema permanezca

constante.

7. Campo eléctrico

Una carga puntual es

una carga eléctrica hipotética,

es decir, se considera posible

pero sin pruebas de poder

confirmarlo, es de magnitud

finita, contenida en un punto

geométrico carente de

toda dimensión. El campo

eléctrico es la región del

espacio que rodea una carga.

En el SI la unidad de campo

eléctrico es N/C Newton por

Coulomb.

En la distribución continua de carga se supone que los

objetos son aislantes y que la carga se esparce por su

superficie, formando entonces una distribución continua de

carga.

Según Resnick y otros señalan que: “se considera la carga

como una propiedad continua, la cual consiste en dividirla en

elementos infinitesimales y usar los métodos de calculo para

obtener la fuerza total”.

+ + + + -

-

--

-

8. Líneas de un campo eléctrico

Son líneas imaginarias (descubiertas por

Michell Faraday), que describen los cambios

en dirección de las fuerzas al pasar de un

punto a otro.

El campo eléctrico, como tiene magnitud y

sentido, se trata de una cantidad vectorial, y

las líneas de campo eléctrico indican las

trayectorias que seguirían las partículas

positivas si se las abandonase libremente a la

influencia de las fuerzas del campo.

El campo eléctrico será un vector tangente a

la línea de fuerza en cualquier punto

considerado.

¿Sabias que?

Las líneas del campo

eléctrico nunca se cruzan,

porque el vector de la carga es

unitario.

Un dipolo eléctrico es una

carga positiva y una negativa,

de igual magnitud y separadas

por alguna distancia.

Experimentos

Montaje #1: Campana de Franklin

Materiales a utilizar: 2 envases de aluminio (latas o vaso), 1 lapicero o varilla aislante,

2 clips o aros de lata, 15cm de hilo, 50cm de papel aluminio, 2 cables de aproximadamente

30cm,cinta adhesiva (teipe), fuente de poder (monitor).

Procedimientos:colocar los 2 envases en una superficie plana a una separación entre ellas de 7cm.

Unir a uno de los extremos del hilo el clip o el aro de lata y el otro extremo a la mitad del

lapicero o varilla.

Colocar este arriba de los envases sujetándolo con cinta adhesiva.

Sujetar en uno de los extremos del cable 1 un clip y el otro extremo unido con cinta

adhesiva al envase derecho (no olvides desnudar la punta del cable).

El cable 2 se debe desnudar en ambas puntas y colocar con cinta adhesiva uno de sus

extremos al envase izquierdo y el otro extremo conectado a tierra (de no existir conexión a

tierra se debe tomar la punta del cable, funcionando el cuerpo humano como tierra).

En el monitor se debe sujetar con cinta adhesiva el papel aluminio, para que así el clip del

extremo del cable 1 se conecte a ella.

Una vez realizado estos procedimientos se concluirá con el encendido.

En la figura A el montaje se

encuentra en estado neutro. En la

figura B al encender la pantalla la

lata o vaso derecho se carga de

forma negativa atrayendo a la

bolita, esta al tener un contacto con

la lata al cabo de un tiempo

adquiere carga de su mismo signo

repeliéndola y al hacer contacto con

la lata de la izquierda que esta

conectada a tierra la bolita se

descarga, repitiéndose el mismo

procedimiento.

A

B

Montaje #2: Electroscopio

Materiales a utilizar: 1 bola de aluminio, 1 botella de vidrio, 1 alambre de

15cm, 1 corcho que sirva de tapa para la botella, 5cm de papel aluminio ,

1pañito y 1 peine.

Procedimientos:

Se introduce el alambre en el corcho traspasándolo a 3cm, el extremo mas

largo debe doblarse en la punta dejándolo en forma de “u” y en él colocar dos

laminas de aluminio aproximadamente de 2x2 cm.

Introducir el corcho con sus materiales en la boca de la botella y a su vez

colocar en el extremo superior la bola de aluminio.

Una vez concluido estos procedimientos, acercamos una varilla previamente

cargada.

En la figura se observa que al

acércale una varilla previamente

carga esta le transfiere los excesos

de electrones que posee,

distribuyendo las cargas negativas

en ambas laminillas, es por ello que

se repelen. De lo contrario si se

juntan las laminillas es porque el

objeto inductor posee una carga

distinta a la del electroscopio, es

decir tiene signos opuestos

Materiales a utilizar: 1 globo, 1 pañito y trozos pequeños de papel.

Procedimientos:

Se infla el globo.

Se frota con el pañito el globo y se coloca rápidamente cerca de los trozos de

papel.

Montaje #3: Transferencia de carga por frotamiento

En la figura A se observa como

se frota el globo con un pañito

adquiriendo así carga y al

acercarla a los papeles como se

observa en la figura B, el globo

los atrae debido a la carga

eléctrica presente como se

observa en la figura C.

A

B

C

Aplicaciones

Impresora laser

Generador de Vant

de Graff

La pintura por

rociado

Preguntas

Lea detenidamente cada una de las preguntas e intente darle respuesta con los

conocimiento obtenidos adquiridos y reforzados mediante el software

educativo, por ultimo verifique su respuesta en la siguiente diapositiva.

1. ¿Qué establece el principio de la electrostática?

2. ¿Que ciencia estudia las cargas en reposo?

3. ¿Cuándo se dice que un ion es negativo?

4. ¿En cuantas formas aparece la carga eléctrica?

5. ¿Qué es un neutrón?

6. ¿Cuándo se dice que un ion es positivo?

7. ¿Quien fue el primero en observar las manifestaciones de electricidad al

frotar el ámbar?

8. En el sistema internacional ¿cual es la unidad de carga?

9. ¿Qué permite el conductor?

10.¿Por qué un globo se pega a la pared si se ha frotado previamente con lana?

Respuestas

Respuestas

1. Los cuerpos con carga de igual nombre se repelen, en tanto que los de

cargas opuestas se atraen. Las cargas eléctricas en reposo generan campos

eléctricos.

2. La electrostática.

3. Cuando posee un déficit de protones.

4. En dos, positiva y negativa.

5. Partícula elemental con carga neta cero.

6. Cuando posee un déficit de electrones.

7. Thales de Mileto

8. Coulomb (C)

9. El libre paso de los electrones, debido a los electrones libres propios del

material.

10. Porque posee un numero mayor de electrones luego de haberse frotado, a su

vez la pared esta neutra, por consecuencia el globo se adhiere a ella debido

a la diferencia de cargas que posee cada cuerpo.

11. ¿Por qué en tiempo húmedo falla el encendido de los automóviles?

12. A veces al bajar de un automóvil y tocar la carrocería se experimenta un

pequeño shock, ¿a que se debe? ¿sucedería este fenómeno en tiempo de

lluvia?

13. En el sistema internacional ¿Cuál es la unidad de intensidad de campo

eléctrico?

14. ¿Quién imagino las líneas del campo eléctrico?

15. ¿Qué nombre reciben las líneas imaginarias?

16. ¿Qué representan las líneas trazadas radialmente hacia afuera de una carga

positiva?

17. ¿Qué forma tienen las líneas eléctricas?

18. ¿Qué tipo de fuerzas se llevan a cabo en las interacciones eléctricas?

19. ¿Para que se emplea el electroscopio?

20. Si dos cuerpos se cargan por frotamiento ¿que tipo de carga adquirirán los

cuerpos?

Respuestas

11. En tiempos húmedos tiende a haber mas moléculas de oxigeno en el

ambiente, por lo que una porción de la chispa que se efectúa en los dos

electrodos se desvía, haciendo el encendido del automóvil un poco mas lento.

12. La carrocería del automóvil por ser un conductor se electriza por el constante

rozamiento con el aire, y como se encuentra aislado del suelo debido a los

cauchos que no son conductores, al salir del automóvil y tocar la carrocería el

cuerpo humano por ser un buen conductor la descarga pasara a través de el

hasta tierra. En un día de lluvia esto no sucedería, ya que la humedad

aumenta de gran manera la conductividad, ocurriendo así la propia descarga

en el ambiente.

13. Newton/ Coulomb.

14. Michell Faraday.

15. Líneas de campo eléctrico.

16. Representan la dirección del campo en cualquier punto sobre la línea.

17. Son curvas.

18. Repulsivas y atractivas

19. Para detectar la presencia de carga eléctrica.

20. De signos opuestos.

Aislador: material con resistividad eléctrica muy elevada.

Átomo: Parte mas pequeña de un elemento que puede intervenir en una reacción

química. Los átomos consisten en un núcleo pequeño denso de carga positiva formado

de neutrones y protones, con electrones en una nube en torno al núcleo. Todo s los

átomos de un elemento dado tienen el mismo numero de protones. Los electrones que

rodean al núcleo se agrupan en capaz, es decir, en orbitas principales en torno al núcleo.

Carga eléctrica: Es la perdida o ganancia de electrones que poseen un átomo. Hay

dos tipos de carga que por convención se han llamado positiva y negativa.

Glosario

Electrón: Partícula elemental de carga negativa (-1,602192 x10¯ ¹⁹ C) y masa en

reposo de 9,109558x10¯³¹ kg). Los electrones se encuentran en todos los átomos en

capas entorno al núcleo. Son emitidos desde el núcleo en una forma de desintegración

beta.

Electroscopio: Instrumento para detectar diferencia de potencial eléctrico; también

puede detectar la presencia y el signo de una carga eléctrica.

Electrostática: Estudio de los efectos asociados con las cargas eléctricas en reposo.

Interacción: Efecto mutuo entre dos o mas sistemas o cuerpos de manera que el

resultado global no es simplemente la suma de los efectos separados.

Ion: Partícula cargada formada por un átomo o grupo de átomo que ha perdido o

ganado electrones.

Molécula: Átomo único o grupos de átomos reunidos por enlaces químicos. Es la

unidad mas pequeña de un compuesto químico que puede tener existencia

independiente.

Neutrón: Partícula elemental con carga cero y masa en reposo de 1,67492x10¯²⁷ kg.

Los neutrones son nucleones que se encuentran en todos los nuclidos excepto el ¹H. Los

neutrones aislados son inestables y se desintegran con vida media de unos 12 minutos.

Protón: Partícula elemental con una carga positiva (+1,602192 x10¯ ¹⁹ C) y masa en

reposo de 1,672614x10¯²⁷ kg. Los protones son nucleones que se encuentran en todos

los nucleidos.

Referencias

Biografías y vidas [Documento en línea] Disponible:

http://www.biografiasyvidas.com/biografia/t/thomson.htm

[consulta: 2011, Febrero 25]

Biografías y vidas [Documento en línea] Disponible:

http://museovirtual.csic.es/salas/magnetismo/biografias/coulomb.ht

m [consulta: 2011, Febrero 25]

Portal Planeta Sedna [Documento en línea] Disponible:

http://www.portalplanetasedna.com.ar/faraday.htm [consulta: 2011,

Febrero 23]