Introducción:

La materia en su estado natural es eléctricamente neutra, contiene cantidades iguales de “electricidad positiva” y “negativa”. Cuando se frota una barra de vidrio con un paño de seda hay una transferencia neta de “algo” entre ambos objetos. Lo que se transfiere se conoce como electricidad o carga eléctrica y en el frotamiento, los objetos se electrizan o cargan eléctricamente, alterándose de esta forma la neutralidad eléctrica entre ellos.

Los electrones pueden pasar de un cuerpo a otro cuando se ponen dos sustancias en contacto muy estrecho; es por ello que al frotar dos cuerpos se pueden transferir muchos electrones de un objeto a otro. Uno de los cuerpos tendrá un exceso de electrones, mientras que el otro sufrirá deficiencia de ellos.

Las cargas eléctricas pueden ser transferidas de un objeto a otro durante el proceso de frotamiento, pero también existen otros medios de efectuar esta transferencia. Los objetos que se hayan cargados influyen sobre otros objetos no cargados, que puede ser manifestada de dos formas: por inducción y por contacto.

Desarrollo:

-Material de laboratorio:

Péndulo electrostático. Electroscopio. Esfera metálica hueca. Paño de seda. Barra de vidrio. Barra de poliesterina. Esfera maciza con hilo aislante. Gancho soporte para barras.

-Procedimiento experimental:

1.- Frotar las barras con el paño de seda y acercarlas al péndulo electrostático.

2.- Acomodar entre la barra y el péndulo a la esfera metálica hueca, volver a frotar las barras y acercarlas a la esfera metálica hueca.

3.- Cortar una hoja de papel en tiras delgadas y colocarlas alrededor de la esfera metálica hueca. Con ayuda de una fuente eléctrica pasar corriente a través de la esfera, ir cambiando la intensidad de la corriente.

Cuestionario:

¿A que se le llama electrización por contacto?

La carga eléctrica que ha adquirido un cuerpo puede ser transferida a otro cuerpo si se pone en contacto con él, a este procedimiento se le llama “electrización por contacto”.

¿A que se le llama electrización por frotamiento?

Cuando se frotan dos objetos se pueden transferir muchos electrones de un cuerpo a otro, así un objeto se carga negativamente mientras que el otro se carga positivamente.

¿A que se le llama electrización por inducción?

La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo.Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro.Como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro.

¿Qué descubrió Benjamin Franklin de las cargas eléctricas?

Su afición por los temas científicos dio comienzo a mediados del siglo XVIII, y coincidió con el comienzo de su actividad política. Estuvo claramente influido por científicos coetáneos como Isaac Newton, o Joseph Addison (especialmente sus obras Ensayo sobre el entendimiento de Locke y El espectador). En 1743 es elegido presidente de la Sociedad Filosófica Estadounidense.A partir de 1747 se dedicó principalmente al estudio de los fenómenos eléctricos. Enunció el Principio de conservación de la electricidad. De sus estudios nace su obra científica más destacada, Experimentos y observaciones sobre electricidad. En 1752 lleva a cabo en Filadelfia su famoso experimento con la cometa. Ató una cometa con esqueleto de metal a un hilo de seda, en cuyo extremo llevaba una llave también metálica. Haciéndola volar un día de tormenta, confirmó que la

llave se cargaba de electricidad, demostrando así que las nubes están cargadas de electricidad y los rayos son descargas eléctricas. Gracias a este experimento creó su más famoso invento, el pararrayos. A partir de ahí, se instalaron por todo el estado (había ya 400 en 1782), llegando a Europa en la década de los '60. Presentó la teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad atmosférica, la positiva y la negativa, a partir de la observación del comportamiento de las varillas de ámbar, o del conductor eléctrico, entre otros.

Conclusiones:

Con la realización de los experimentos anteriores se demostró claramente ejemplo de las diferentes formas de transferencia de corriente.

Mediante ejemplos cotidianos como la frotación con diferentes tipos de tela en diferentes materiales pudimos identificar que es un material conductor, que es un material no conductor y como puede transferirse la corriente eléctrica.

Aprendimos que mediante la frotación la estructura de electrones de un cuerpo cambia, haciendo que en una zona especifica de su superficie se concentran una mayor cantidad de electrones y gracias a ello pueda atraer ciertos cuerpos neutros.

Bibliografía:

Manual de física experimental III.

Introducción teórica.

El campo eléctrico, en física, es un ente físico que es representado mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos y sistemas con propiedades de naturaleza eléctrica [ 1 ] . Matemáticamente se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual de

valor q sufre los efectos de una fuerza mecánica dada por la siguiente ecuación:

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva q desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica, dividido por esa carga. Matemáticamente se expresa por:

Considérese una carga de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba localizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:

De manera equivalente, el potencial eléctrico es =

Desarrollo experimental.

-Material utilizado:

Un generador electrostático. Un voltímetro electrostático. Una esfera conductora hueca. Un péndulo electrostático. Un electroscopio. Una vela. 4 cables caimán-caimán. 4 cables banana-caimán. Una sonda eléctrica con cable. Una cuba electrostática, aceite de ricino y aserrín. 4 juegos de electrodos.

1ª parte. “Detección del campo eléctrico indirectamente”. 1.- Conecte la esfera hueca a la terminal positiva del generador electrostático.2.- Active el generador eléctrico a su máximo.3.- Con el electroscopio verifique que la esfera hueca este electrizada.4.- Acerque el péndulo electrostático a la esfera hueca, sin que la esfera de esta toque la esfera hueca. Tome nota del efecto que se produce en el péndulo electrostático.5.- Repita la instrucción anterior en puntos radialmente simétricos a la esfera hueca. Para esto coloque la esfera hueca sobre la cartulina.6.- Acerque nuevamente el péndulo electrostático a la esfera hueca, pero esta vez que la esferita del péndulo toque la esfera hueca. A continuación separe el péndulo de tal forma que la esferita quede entre 8 y 10 cm de la superficie de la esfera hueca; observe y tome nota del efecto que produce.7.- Coloque el péndulo a una distancia donde se aprecia claramente el efecto observado en (P1.4). A continuación desactive el generador (no lo descargue). Observe y anote el comportamiento de la esferita del péndulo electrostático.

2ª parte. “Materialización de las líneas de fuerza”. 1.- Asiente el recipiente sobre el retroproyector, coloque dos electrodos semejantes en el recipiente, uno frente al otro separados unos 5 cm y conecte estos a las terminales del generador.2.- Vierta un poco de aceite en la región entre los electrodos a continuación disperse uniformemente un poco de aserrín sobre el aceite y active el generador electrostático.

3.- Enfoque el retroproyector y observando cuidadosamente analice la configuración e intensidad del campo eléctrico (de acuerdo a la correspondencia: mayor densidad de líneas mayor magnitud de campo eléctrico y viceversa) en las diferentes regiones que caracterizan el arreglo de electrodos.En una hoja aparte, anote sus observaciones.4.- Repita el procedimiento anterior para cada uno de los pares (juegos) de electrodos de que dispone, ponga especial atención en el arreglo de electrodos circulares concéntricos.

3ª parte. Comportamiento del campo eléctrico en las cercanías de un conductor esférico electrizado.1.- Conecte la terminal positiva del generador electrostático (GE) a la esfera hueca (EH). Conecte la terminal positiva del voltímetro electrostático (VE) a la zonda (Z) y su terminal negativa (tierra) a la terminal negativa del generador. Vea la figura y el diagrama anexos.2.- Active el generador a su máximo y espere a que se estabilice. Para verificar que está estabilizado bastará colocar la zonda a unos 18 cm de la esfera hueca, la estabilización de la aguja del voltímetro electrostático indicará que la carga en la esfera hueca es constante, es decir, la pérdida de carga en la esfera hueca es aproximadamente igual a su ganancia.3.- Una vez estabilizado el generador coloque la zonda a 30 cm del centro de la esfera hueca en la línea que forma la esfera hueca y el generador de la banda (ver diagrama).4.- Pase en dos ocasiones la flama de la vela (V) a 3 cm de la zonda (ver diagrama), procurando que esta operación la efectúe una sola personal, ya que la intervención de otra modificará la cantidad que se está midiendo. Observe y tome nota del comportamiento de la aguja indicadora del voltímetro electrostático.5 Vaya acercando la zonda a la esfera hueca, a intervalos de 2 cm repitiendo en cada paso la instrucción (4) Tome nota de los valores de la distancia que guarda la posición de la zonda con el centro de la esfera hueca y del potencial que indica el voltímetro electrostático.

Resultados:

V (V)

R (m) .30

En base al primer par de datos generamos los siguientes del campo eléctrico.

V (V) 6100 6428.57 6923.07 7500 8181.81 9000 10000 11250 12857.14R (m) .30 .28 .26 .24 .22 .20 .18 .16 .14

Graficamos con los siguientes datos:

X V(V) 6100 6428.57 6923.07 7500 8181.81 9000 10000 11250 12857.14Y 1/r(m) 3.333 3.571 3.846 4.166 4.545 5 5.555 6.25 7.142

Y obtenemos:

Ley Física:

Error experimental.

Campo eléctrico:Con la ecuación de campo eléctrico obtenemos el campo eléctrico en cada punto.

E(V/m) 20000 22959.18 26627.21 31250 37190.08 45000 55555.55 70312.5 91836.73Graficamos con los siguientes datos.

X E (V/m)20000 22959.18 26627.21 31250 37190.08 45000 55555.55 70312.5 91836.73

Y 11.11 12.75 14.79 17.36 20.66 25 30.86 39.06 51.02

Obtenemos:

Ley Física.

Error Experimental:

Conclusiones:En la realización de la práctica la primera vez obtuvimos datos erróneos, con los cuales no pudimos trabajar en el desarrollo de la práctica.Algunas de las causas posibles por las cuales no obtuvimos bien los datos pueden ser que no supimos manejar el equipo adecuadamente, alguna condición climática, algún desperfecto en el equipo, un error en las formulas o la notación de los datos.Las primeras partes de la práctica fueron exitosas ya que aprendimos a base de ejemplos las linead del campo eléctrico y como se puede detectar el campo eléctrico con la esfera hueca cargada y la de unicel siendo el material neutro que recibe electrones.

Introducción teórica.

Capacitor de Placas Planas Paralelas. Para entender algunos de los factores que determinan el valor de la capacitancia de un dispositivo consideraremos un capacitor conformado por un par de placas planas paralelas, como se muestra en la figura 1. Si +s y -s son las densidades superficiales de carga eléctrica en las superficies de área A, las cargas eléctricas en las placas tienen magnitudes +Q y – Q, respectivamente, con Q = sA. Como las cargas eléctricas en las placas son de diferente tipo, tienden a atraerse, por lo que quedan depositadas en las superficies internas del capacitor. En el problema 2.16 se obtuvo la diferencia de potencial eléctrico para este dispositivo (ec. 2.65):

en donde d es la distancia de separación entre las placas, y e0 es la permitividad eléctrica del vacío. Sustituyendo la expresión para la densidad de carga en términos de la carga eléctrica, tenemos:

Figura 1. Capacitor de placas planas paralelas con cargas de diferente tipo, y líneas de campo en su interior. por lo que al compararla con la expresión 1, encontramos que la capacitancia para el capacitor de placas planas paralelas es:

(3) En otras palabras, la capacitancia depende:

i) de factores geométricos de los conductores, como lo son el área en donde está depositada la carga eléctrica y la distancia de separación entre las placas; y,

ii) de las características del medio en el que se encuentran inmersos los conductores,

representadas en este caso por la permitividad eléctrica del vacío e0. 

Desarrollo experimental.

-Material utilizado:

1. Capacitor Experimental de placas planas y paralelas.2. Multímetro digital M-4650 CR.3. Dos cables de conexión para medición de capacidad.4. Diez placas de acrílico5. Un flexómetro.6. Paño de lana.7. Voltímetro electrostático.8. Punta de prueba.9. Barra de acrílico10. 2 cables banana-caimán (1m)

Primera parte.1. Ensamble el circuito mostrado en la figura.

2. Coloque una placa de acrílico entre las paletas del capacitor y comprímalas para oprimirla.

3. Retire la placa del capacitor y mida la distancia que quedo abierto.4. Active el voltímetro y registre la medida.5. Desconecte el voltímetro unos cuantos segundos, enseguida conecte otra vez y

registre la medición.6. Repita el paso anterior y registre las distancias con las capacitancias.

Resultados:

d(cm) C1(nF) C2(nF) C3(nF) C(nF)0.6 0.111 0.111 0.111 0.1111.2 0.066 0.065 0.066 0.065666671.8 0.052 0.052 0.052 0.0522.4 0.044 0.044 0.044 0.0442.8 0.041 0.04 0.04 0.040333333.4 0.038 0.038 0.038 0.0384.1 0.035 0.035 0.035 0.0354.6 0.034 0.034 0.033 0.033666675.1 0.032 0.032 0.032 0.0325.7 0.03 0.03 0.03 0.03

Realizamos la transformación 1/d en metros, así como transformamos la capacitancia promedio de nanofaradios a faradios.

1/d(1/m) C(F)

166.66

83.33

55.55

41.66

35.71

29.41

24.39

21.73

19.60

17.54

Ley Física:

Línea de mejor ajuste:

X=1/d (1/m) Y=mx+b (F)166.6666667 1.10947E-1083.33333333 6.62517E-1155.55555556 5.13532E-1141.66666667 4.39039E-1135.71428571 4.07113E-1129.41176471 3.7331E-11

24.3902439 3.46377E-1121.73913043 3.32158E-1119.60784314 3.20727E-1117.54385965 3.09657E-11

Comparando la Ley Física:

Obtenemos:

Error Experimental:

Segunda parte.Desarrollo:

1. Colocar una placa de dieléctrico y acerque las placas del capacitor hasta que ajusten a este. Mida la separación de las placas y anótelas en la tabla.2. Encienda el capacitor y mida la capacitancia del capacitor Cd, anotando el valor en la tabla.3. Siga introduciendo las palcas de acrílico disponibles, mida la separación de las palcas así como al capacitancia.

d (m) Cd (F)0.007 2.69E-100.013 1.55E-100.018 1.14E-100.024 9.6E-110.031 8E-110.036 7.2E-110.042 6.4E-110.047 6.1E-110.053 5.5E-110.058 5.3E-11

Graficaremos con los siguientes datos:

1/d (1/m) Cd (F)142.857143 2.69E-1076.9230769 1.55E-1055.5555556 1.14E-1041.6666667 9.6E-11

32.2580645 8E-1127.7777778 7.2E-1123.8095238 6.4E-1121.2765957 6.1E-1118.8679245 5.5E-1117.2413793 5.3E-11

Obtenemos:

Ley Física:

Línea de mejor ajuste:

1/d (1/m) Y=mx+b142.8571429 2.6803E-1076.92307692 1.5514E-10

55.55555556 1.1856E-1041.66666667 9.4783E-1132.25806452 7.8674E-1127.77777778 7.1003E-1123.80952381 6.4209E-1121.27659574 5.9873E-1118.86792453 5.5749E-1117.24137931 5.2964E-11

Comparando la Ley Física:

Despejamos:

Obtenemos la permitividad del acrílico.

Error Experimental:

Conclusiones:En la práctica presente armamos un capacitor de placas planas y paralelas, además de que conocimos sus propiedades, una importante y muy notoria en la práctica fue que mientras se incrementaba la separación entre sus placas, la capacitancia iba disminuyendo.El resultado de los datos obtenidos indican que la capacitancia se mide con unidades muy pequeñas por lo cual es importante utilizar los submúltiplos que más nos convengan en la notación de los datos.Con los resultados del error experimental obtenido tanto en la permitividad del acrílico como la del capacitor, se nota un elevado índice de error, entre las posibles razones de tan grande error pueden ser la poca experiencia al manejar voltímetros y no esperar a que se estabilizaran, tomar varias lecturas del mismo valor, alguna interferencia entre las placas de los capacitores entre muchos otros más.Los capacitores de placas paralelas son importantes dentro del campo de la electrónica, ya que ellos son parte importante de los circuitos integrados.