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]
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