PRACTICA DE LABORATORIO N°1

EXPERIMENTO 1. Producción de carga eléctrica por contacto

I. OBJETIVOS:

Producir cargas eléctricas sobre materiales (varillas) por frotamiento.

Estudiar y mostrar los efectos que producen los cuerpos cargados eléctricamente.

II. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL

Estructura del átomo

La materia está constituida por átomos y éstos, a su vez, de otras partículas más

simples, que son esencialmente: electrones, protones y neutrones.

Los electrones poseen una masa despreciable en comparación con protones y

neutrones, los cuales, asociados entre sí generalmente, forman la parte reposada de

la materia; los electrones, por el contrario, constituyentes ligeros de ella, son su parte

dinámica, pudiendo, con más o menos facilidad, moverse en su interior y pasar de

unos cuerpos a otros.

Los componentes del átomo están agrupados dejando entre sí huecos

extraordinariamente mayores que su propio tamaño. En la materia la casi totalidad de

su volumen está vacío. Agrupados los constituyentes de la materia en contacto unos

con otros, el volumen de un cuerpo sería millones de veces menor que el que tiene

en realidad.

Manifestación dual de la carga. Cuerpos eléctricamente neutros:

Los protones, además de masa, tienen una propiedad especial a la que hemos

llamado electricidad positiva, la cual se manifiesta en la materia de una forma

particular; cuando a un cuerpo que tiene un exceso de protones sobre el de

electrones le acercamos otro con la misma propiedad se observa una mutua

repulsión entre ellos. Los protones se repelen entre sí. Parece que los electrones

tienen una propiedad idéntica ya que se observa la misma repulsión poniendo en

presencia de dos cuerpos con un exceso de número de electrones sobre el de

protones. Los electrones se repelen entre sí.

Sin embargo la causa que origina las repulsiones entre los electrones y entre los

protones es distinta ya que un cuerpo con un exceso de protones atrae a otro con un

exceso de electrones. Protones y electrones se atraen mutuamente.

A la propiedad de los protones que se manifiesta repeliendo a otros protones y

atrayendo electrones, se llama «electricidad positiva» y se dice que tienen «carga

positiva».

A la propiedad de los electrones que se manifiesta repeliendo a otros electrones y

atrayendo protones, se llama «electricidad negativa» y se dice que tienen «carga

negativa». Electricidades del mismo signo se repelen y de signo contrario se atraen.

Los protones o los electrones no ejercen atracción o repulsión eléctrica sobre los

neutrones. Los nombres de carga «positiva» o «negativa» son absolutamente

arbitrarios, el hecho de que a una carga la llamemos negativa no implica que tenga

algo de negativo; igual se podía haberles dado el nombre de «carga de derechas» y

«carga de izquierdas» y no por eso habría que considerar a la carga como un ente

político.

Supongamos una pareja protón-electrón, muy próximos entre sí como en la figura,

alejados de otro electrón y a la misma distancia de él. La atracción ejercida por el

protón p queda anulada por la repulsión correspondiente del electrón e.

Las cargas positiva y negativa de un protón y un electrón anulan sus acciones entre

sí.

Llamamos cuerpos neutros eléctricamente a los que tienen el mismo número de

protones que de electrones.

La materia es fundamentalmente neutra y no es común encontrar cuerpos cuya

carga neta tenga un valor apreciable.

Cuerpos con carga neta positiva o negativa

Cuando, por la causa que sea, un cuerpo neutro es abandonado por un cierto número

de electrones queda en él un exceso de cargas positivas. Cuerpo «cargado

positivamente» es aquel en el que existe un mayor número de protones que de

electrones.

Cuando un cuerpo en estado neutro recibe, por la causa que sea, un cierto número

de electrones, queda en él un exceso de cargas negativas. Cuerpo «cargado

negativamente» es aquel en el que existe un mayor número de electrones que de

protones

La electrización:

Es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar cómo se origina

la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y

los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones.

Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número de cargas

positivas y negativas.

Formas de electrización:

Electrización por fricción: La electrización por frotamiento se explica del siguiente

modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de

lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada

negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la

electrización del vidrio por la seda.

Electrización por contacto: La electrización por contacto es considerada como la

consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo

cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de

electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro

cuando ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se

hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva.

Electrización por inducción: La electrización por influencia o inducción es un efecto

de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo

cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las

cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente.

Conductores, aisladores y semiconductores:

Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las

fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio.

Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este movimiento de las

cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó

la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad

afecta finalmente a todo el cuerpo. Los primeros se denominan aisladores y los segundos

conductores. Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de

situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores

por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la

actual revolución tecnológica.

Ley de Coulomb:

Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o repulsión entre

dos cuerpos estacionarios que, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen

la misma fuerza eléctrica uno sobre otro. La carga eléctrica de cada cuerpo puede

medirse en Coulomb. La fuerza entre dos partículas con cargas q1 y q2 puede calcularse a

partir de la ley de Coulomb. Según la cual la fuerza es proporcional al producto de las

cargas dividido entre el cuadrado de la distancia que las separa. La constante de

proporcionalidad K depende del medio que rodea a las cargas.

Carga eléctrica:

Es una propiedad inherente de las partículas elementales; electrones y protones, por la

cual se dan las interacciones entre ellos, átomos, iones, moléculas y partículas

electrizadas.

III. MATERIALES Y EQUIPOS.

Una varilla de vidrio.

Dos varillas de plástico.

Un trozo de seda.

Una plataforma con soporte.

IV. METODOLOGÍA.

A) PRODUCCION DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA

a. Limpiar las superficies de la varilla de vidrio y el electroscopio.

b. Disponga el quipo tal como se muestra en la fig. 02.

c. Acerque la varilla la varilla de vidrio sin frotar el electrodo central del electroscopio.

¿Observe que sucede a las laminilla del electroscopio?. Registre sus

observaciones.

d. Ahora procede a frotar vigorosamente la varilla de vidrio al electrodo central del

electroscopio como se muestra en la fig. 03. ¿Qué le sucede a las laminillas del

electroscopio? Registre lo observado.

e. Toque el electrodo central del electroscopio con la varilla de vidrio previamente

frotada con seda para transferir la carga. Registre sus observaciones.

f. Para obtener más carga sobre el electroscopio habrá que repetir varias veces el

proceso de frotación y transferencia. Registre sus observaciones.

g. Para descargar el electroscopio toque con un dedo el elctrodo central.

h. Repita los pasos anteriores para los casos en que la varilla es de plástico (negro) y

se frota con seda.

i. Repita el proceso para el caso en que la varilla es de acrílico y se frota con seda.

B) DETERMINACION DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO.

a) Frote vigorosamente la varilla de plástico con la lana y acerque el extremo frotado

al electrodo central del electroscopio sin tocarlo. ¿Qué le sucede a las laminillas del

electroscopio?

b) En presencia de la varilla frotada coloque su dedo en el lado opuesto del electro

central.

c) Después de cierto tiempo y en presencia de la varilla cargada retire el dedo del

electrodo central. ¿Se cargado las laminillas?.

d) Se frota vigorosamente la varilla de vidrio con la tela de seda gruesa (o con lanilla)

y se le acerca sin tocar la esfera del electrodo del electroscopio. En caso de que

las laminillas del electroscopio se abriesen más, la varilla de vidrio tendrá carga

del mismo signo que la del electroscopio. En caso contrario la varilla tendrá signo

opuesto.

e) Repita el paso anterior para el caso en que la varilla que se frota es la varilla de

acrílico con lanilla.

C) ATRACCION Y/O REPULSION ELECTRICA

a. Friccionar fuertemente la varilla de pl{astico de color negro A con la seda y luego

colocarlo en la plataforma giratoria con soporte, como se muestra en la fi. 05.

Ubicar su centro de gravedad y permitir que gire libremente.

b. Friccionar la varilla de plástico negro B con la tela de seda y luego acercar a la

varilla de plástico colocada en la plataforma giratoria. Hacer gira la varilla A en

varias vueltas.

c. Friccionar la varillla del vidrio C con la tela de seda y luego acercarlo a la varilla A,

haciéndolo girar varias vueltas. Evite tocar la varilla de vidrio con la de plástico

mientras gira; estas debe ser guiada por la varilla de vidrio.

d. Friccionar la varilla de acrílico D con la tela de seda y luego acérquelo a la varilla A

haciéndolo girar varias vuelta; evitando tocarla. Registre sus observaciones.

e. Repita el experimento para varias combinaciones de las varillas.

V. CALCULOS Y RESULTADOS

A. Producción de carga.

5.1. Al acercar la varilla de vidrio sin frotar al electroscopio. ¿Qué ocurre con las

laminillas del electroscopio?¿Qué implica esto?.

Al acercar la varilla de vidrio observamos que no ocurre nada con las hojuelas esto se

debe a que la varilla se encuentra en estado neutro (no electrizado), el numero de

protones es igual al número de electrones.

5.2. Al acercar la varilla de vidrio previamente frotada con seda al electroscopio sin

tocarlo. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Ha adquirido alguna

propiedad la varilla de vidrio?.

La barra de vidrio, al ser frotada con una tela de seda adquiere una carga positiva y al

acercarle al electroscopio lo polariza, es decir hay una separación de cargas, el

electroscopio ya no se encuentra en un estado neutro, adquiere una carga que puede ser

positiva o negativa esto dependerá del tipo de barra que se está acercándose al

electroscopio y como el electroscopio adquiere una carga entonces las hojuelas

adquieren una carga opuesta al electroscopio, y es por ello que estas se abren.

5.3. ¿Qué sucede con las laminillas del electroscopio cuando Ud. toca la esfera

central?. Explique

Cuando la barra de vidrio que está cargada positivamente toca al electroscopio notamos

que las hojuelas se abren y eso significa que las hojuelas tienen cargas iguales y es por

ello que se repelan entre sí.

5.4. Si Ud. remplazó la varilla de vidrio por una de plástico o una de acrílico

previamente frotada. ¿Cuáles fueron sus observaciones?. Explique

La barra de plástico al ser frotada con una tela de lana adquiere una carga negativa y al

acercarle al electrodo lo polariza es decir hay una separación de cargas, el electroscopio

ya no se encuentra en un estado neutro, adquiere una carga que puede ser positiva o

negativa esto dependerá del tipo de barra que se está acercándose al electroscopio y

como el electrodo adquiere una carga entonces las hojuelas adquieren una carga

opuesta al electroscopio, y es por ello que estas se abren.

B. Tipo de carga que tiene un cuerpo

5.1.Tomando como referencia la carga del vidrio cuando se frota con seda.

¿Qué tipo de carga adquiere la varilla de vidrio cuando se frota con seda?.

Al frotar la varilla con una tela de seda esta se carga positivamente y cuando se le acerca

al electroscopio, se induce una separación de cargas en la cual el electroscopio adquiere

una carga negativa y las hojuelas una carga positiva.

5.2. ¿Qué tipo de carga tiene la varilla de acrílico?.

La barra de plástico al ser frotada con una tela de lana adquiere una carga negativa, si se

acerca una barra cargado negativamente hacia el electroscopio entonces la carga del

electrodo sería positivo y mientras que de las hojuelas sería negativo.

5.3. Describa brevemente el proceso de la figura 03 y la figura 04

En la figura 3, como dijimos anteriormente, la barra de vidrio o de plástico al ser frotada

con una tela de seda, o una tela de lana respectivamente adquiere una carga (positiva o

negativa) y al acercarle al electroscopio lo polariza es decir hay una separación de cargas

,el electroscopio ya no se encuentra en un estado neutro, adquiere una carga que puede

ser positiva o negativa esto dependerá del tipo de barra que se está acercándose.

C. Atracción y o repulsión de cargas.

5.1. Al acercar la varilla B a la varilla A, ¿Existe atracción o repulsión?. ¿Porqué gira

la varilla A?.

Si se toma una varilla de plástico y se la frota, colgándola de un hilo largo, se observa que

al aproximar la segunda varilla se produce repulsión mutua. Estos hechos se explican

diciendo que al frotar una varilla se le comunica carga eléctrica y que las cargas en las

dos varillas ejercen fuerzas de repulsión entre sí.

5.2.¿ Girará la varilla A descargada al acercársele la varilla B cargada?. ¿Porqué?

Si, ya que la varilla B está cargada, entonces por inducción atrae las cargas de signo

contrario en A y por ende hace que esta gire.

5.3.¿Qué sucede si se toca la varilla A cargada con la varilla B también

cargada?. ¿Explique el fenómeno?.

Si en el proceso de frotamiento se cargaron similarmente con casi la misma cantidad de

carga entonces no existiría trasferencia de electrones pero en la practica siempre existe

una diferencia por lo cual existirá un transferencia y fuerzas de atracción hasta que

queden cargados igualmente.

5.4. Responda a las preguntas anteriores si se usa las varillas A; C y D.

Como se vio en la práctica, la varilla de vidrio al acercarse con la de plástico hace que

esta gire y es guiada por la misma ya que al ser de signos contrarios existe una fuerza de

atracción.

5.5. ¿Qué sucede cuando toca con la mano la región cargada de la varilla?. Explique

Al tocar la varilla con la mano pierde el efecto que tenia esto es porque al estar en

contacto se está dando una transferencia de electrones y como resultado final la varilla

queda descargada (neutro).

5.5. Describa dos ejemplos de cada una de las formas en que se puede

cargar eléctricamente un cuerpo (diferentes de los realizados en el laboratorio).

Primero podría ser utilizando un simple globo frotándolo en el cabello largo por un tiempo

medio se produce la electrización que provoca que el globo atraiga al cabello y esto es lo

que pasa el globo adquiere una carga eléctrica positiva al perder un determinado número

de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por el cabello, con

lo cual se satura de cargas negativas.

Segundo seria por por radiación, bueno por ejemplo al incidir con una linterna sobre una

placa metálica bien pulida un haz de luz (radiación electromagnética) a alta frecuencia se

produce un desprendimiento de fotoelectrones y queda finalmente cargada.

5.6. Explique por qué algunas de las combinaciones barra-tela utilizadas en la

práctica producen interacción más intensas que otras. Idea use la teoría atómica.

Por ejemplo para la barra de plástico y lañase explica que por efecto de la fricción, los

electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de

plástico, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En

términos análogos puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera

de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones

cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado

por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica.

Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga

eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de

observaciones sencillas

5.7. ¿Explique por qué el chorro de agua es atraído por la barra cargada?.

Cuando frotamos un objeto de plástico o de otro material en un paño de lana por un

período de tiempo determinado, ocurre un fenómeno de migración de electrones. En uno

de los cuerpos que forma parte del proceso de frotación, se efectúa una pérdida de

electrones, lo que permite que dicho cuerpo obtenga una carga negativa y el otro cuerpo

gane electrones obteniendo una carga positiva.

El agua es un elemento de carga neutra que cuenta con una peculiaridad, sus moléculas

son asimétricas, es decir, no están distribuidas de manera uniforme en el elemento

teniendo un extremo positivo y otro negativo como si tuviese polos. Esto, genera un

campo magnético que al ser acercado a una carga eléctrica se alinea con dicha carga, de

manera, que el polo del chorro de agua opuesto a la carga que acercamos es atraído por

esta carga, y el flujo de agua es desviada por un efecto electroestático muy interesante,

pudiendo desviar el chorro de agua sin tocarlo.

VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

6.1 CONCLUSIONES

a) Hemos visto que cuando se frota una barra de vidrio con seda, aparece en la

barra una carga positiva. Las medidas muestran que aparece en la seda una carga

negativa de igual magnitud. Esto hace pensar que el frotamiento no crea la carga sino que

simplemente la transporta de un objeto al otro, alterando la neutralidad eléctrica de

ambos. Así, en un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no

se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción

ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva, tal como pensó

Franklin.

b) Algunos materiales, como el plástico (por ejemplo, un bolígrafo), el vidrio (por

ejemplo, varillas) y el caucho (globos), se electrizan por frotamiento intenso con facilidad.

Después de haber sido electrizados se ejercen entre sí fuerzas eléctricas de atracción o

de repulsión. También ejercen fuerza eléctrica sobre otros objetos no electrizados. Estas

acciones no se observan sólo en objetos en estado sólido, sino que afectan también a

líquidos y gases. Resulta bastante espectacular observar, por ejemplo, cómo se desvía el

agua que mana de un grifo cuando se le acerca un peine previamente frotado.

c) Entre objetos del mismo material, previamente frotados del mismo modo (por

ejemplo, dos globos frotados con el cabello o las bolitas de dos péndulos eléctricos

previamente frotadas con piel de gato), se ejercen siempre fuerzas de repulsión. Un

objeto frotado y otro neutro se ejercen fuerzas atractivas (por ejemplo: después de frotar

un globo, se puede dejar "pegado a la pared" durante un buen rato; con un bolígrafo o una

regla de plástico, previamente frotados, se atraen trocitos de papel; etc.)

6.2 SUGERENCIAS

a) Solo sugeriríamos no tocar los cuerpos que se están cargando ya que el cuerpo

volvería a estar eléctricamente neutro por la transferencia de electrones con el cuerpo

humano.

VII. BIBLIOGRAFIA

Bibliografía Básica:

1. SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Fisica Universitaria", Vol. I y II, Pearson, 1999

2. SERWAY-J "Física para Ciencias e Ingeniería" Vol Editorial Thomson

3. TIPLER-MOSCA: "Física para la Ciencia y la Tecnología" Vol 2A, Electricidad y Magnetismo, Editorial Reverté, 2005

4. TIPLER-MOSCA: "Física para la Ciencia y la Tecnología" Vol 1C, Termodinámica, Editorial Reverté, 2005

Bibliografía de Consulta:

1. J.P.McKELVEY y H.GROTCH: "Física para Ciencias e Ingeniería", Tomos I (Calor) y II (Electromagnetismo), Ed. Harla, México, 1981

2. M.ALONSO y E.J.FINN: "Física", Addison-Wesley Iberoamericana, México, 1995

3. S.M.LEA y J.R.BURKE: "Física: La naturaleza de las cosas", Tomos I (Calor) y II (Electromagnetismo), International Thomson Editores, México, 1999

4. P.A.TIPLER: "Física", Ed. Reverté S.A., Barcelona, 1983

5. A.F.KIP: "Fundamentos de Electricidad y Magnetismo", Mc Graw Hill, México, 1988

6. M.ZEMANSKY, Calor y termodinámica. 3ra.Edición. Aguilar, Madrid, 1968.

7. E.M.PURCELL: "Electricidad y Magnetismo", Berkeley PhysicsCourse Vol. 2, Ed. Reverté S.A., Barcelona, 1969