II

II. Carga Elctrica

Objetivo

Con ayuda de mtodos experimentales sencillos, observar la existencia de dos clases distintas de cargas elctricas y algunas de sus propiedades.

Resumen Terico

La carga elctrica es una magnitud fsica caracterstica de los fenmenos elctricos. La carga elctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga elctrica. Una carga elctrica se manifiesta por las fuerzas de atraccin o de repulsin independientemente de la masa que se ejercen entre cuerpos cargados. De acuerdo con el principio de accin y reaccin, ejercen la misma fuerza elctrica uno sobre otro.Pueden definirse dos tipos de cargas elctricas:1. - una es la llamada positiva2. - la segunda es la negativaEn la prctica se pueden comprobar que las cargas del mismo signo se repelen. Las de signo contrario se atraen.En todos los fenmenos elctricos que se originan en el interior de un sistema aislado, vale la ley de conservacin, segn la cual la suma de las cargas elctricas positivas menos la de las cargas negativas se mantiene constante.Las cargas elctricas en movimiento en un conductor constituyen una corriente elctrica.La unidad prctica de la carga elctrica es el columbio (C). La carga del electrn es de 1.6x10-19 C.

HISTORIAEl concepto utilizado para referirse a las cargas elctricas es relativamente nuevo. Fue Alessandro Volta en 1793 quien lo introdujo por primera vez. Sin embargo ya en Grecia se conocan las manifestaciones elctricas del mbar que consiste en en su capacidad para atraer pequeos trozos de paja al frotarse.El francs Charles du Fay, en 1733, se encontraba experimentando con electricidad esttica, y descubri que dos bolas de corcho, electrizadas respectivamente con varillas frotadas de vidrio y resina, se repelan, de donde dedujo que haba dos fluidos elctricos distintos, que llam electricidad vtrea y electricidad resinosa. La hiptesis elaborada por Du Fay fue rechazada por Franklin en 1752, argumentando que haba un nico fluido, que poda encontrarse en los cuerpos por exceso o por defecto, siendo la atraccin resultado de poner en contacto el exceso con el defecto y la repulsin resultado de conectar exceso con exceso o defecto con defecto. Aun siendo falso el argumento, acert al nombrarlas electricidad positiva y negativa.Charles Coulomb, quien haba desarrollado en 1777 la balanza de torsin para medir distintos pesos. Obtuvo experimentalmente su clsica ley en funcin de la separacin de las cargas, en 1785, claramente inspirado por las leyes de la dinmica obtenidas por Newton, pero no tuvo ninguna manera de medir la cantidad de electricidad que en ellas haba.Volta, construy aos despus la primera pila electroltica, en la cual diferentes discos de metal producan una corriente elctrica. Experiment con distintos metales, y en 1793 los orden segn el efecto que una pila compuesta por discos de estos metales produca en su lengua. As construy la serie cinc - estao - plomo - hierro - latn - platino - oro - grafito. La pila construida con los metales ms alejados de la tabla aumentaba la percepcin gustativa. Al descubrir Oersted que la corriente elctrica ejerce una fuerza sobre una aguja imantada, se establecieron dos medidas distintas de carga, una para la electricidad esttica y otra para la electricidad en movimiento. Maxwell sera quien demostrara la equivalencia de ambas, demostrando que la interaccin electromagntica se propaga a la velocidad de la luz (o dicho de otra manera, que la luz es una radiacin electromagntica).ELECTROSCOPIO

El electroscopio es un instrumento cualitativo empleado para demostrar la presencia de cargas elctricas. El instrumento como tal lo utiliz por primera vez el fsico y qumico britnico Michael Faraday. El electroscopio est compuesto por dos lminas de metal muy finas colgadas de un soporte metlico en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor. Una esfera recoge las cargas elctricas del cuerpo cargado que se quiere observar; las cargas, positivas o negativas, pasan a travs del soporte metlico y llegan a ambas lminas. Al ser iguales, las cargas se repelen y las lminas se separan. La distancia entre stas depende de la cantidad de carga.Descripcin del Experimento

- Montaje

Para hacer esta prctica se dispone de los siguientes elementos:

. Barra de vidrio

. Barra de plstico

. Corcho

. Trozos de piel y seda

. Electroscopio

. Rotor Electrosttico simple

El corcho se suspende mediante un hilo formando un pndulo. Los trozos de piel y seda se utilizan para frotar el plstico y el vidrio, respectivamente, con el fin de producir la carga elctrica.

Procedimiento1.Frote la barra de vidrio con la seda y toque con dicha barra la esfera metlica del electroscopio. Describa lo que observa y d una explicacin fsica de lo sucedido. Escriba sus observaciones y anlisis.

Al frotar la barra de vidrio con la seda, esta recibe una carga por friccin, aunque desconocemos su signo. Luego al tocar el electroscopio que funciona como conductor de la carga logramos cargarlo por contacto, es por eso que los papeles con recubrimiento en oro se repelen, reflejando que han recibido la carga de la barra de vidrio.

2. Cargue el electroscopio como lo hizo anteriormente. Conecte uno de los extremos de un alambre de cobre a la esfera del electroscopio y el otro extremo del alambre a tierra. Observe y explique con razones fsicas lo que sucede.

Los papeles vuelven a su estado normal debido a que la carga haba ganado se conduce por el medio hasta llegar a tierra donde la carga se pierde. En esta puesta a tierra, la consideramos como un deposito casi infinito de carga.

3. Frote la barra de plstico con el trozo de piel y toque con dicha barra la esfera metlica del electroscopio. Describa lo que observa y d una explicacin fsica de lo que sucede.

Al igual que en el proceso con la barra de vidrio, la barra de plstico recibo carga por friccin con la seda y luego el electroscopio se carga por contacto reflejndolo en la repulsin de los papeles conductores

4. Cargue el electroscopio nuevamente como lo hizo en 3. Conecte uno de los extremos del alambre de cobre a la esfera del electroscopio y el otro extremo del alambre a tierra. Observe y explique con razones fsicas lo que sucede.

Se repite el efecto cuando lo cargamos con la barra de vidrio. Los papeles vuelven a su estado normal debido a que la carga haba ganado se conduce por el medio hasta llegar a tierra donde la carga se pierde.

5. Frote la barra de vidrio con la seda, cargue el electroscopio y mantngalo cargado. Frote ahora la barra de plstico con la piel y toque la esfera del electroscopio con tal barra de plstico. Observe el resultado de este procedimiento y d una explicacin fsica de lo sucedido.

El electroscopio vuelve a su estado normal porque al cargar las barras por diferentes procesos, cada material brinda a las barras diferente intercambio de partculas al usar la seda y la piel, y aunque desconocemos el signo de esta carga sabemos que son contrarias.

6. Frote la barra de vidrio con la seda y acrquela al corcho que est suspendido en el hilo para cargarlo. Retire la barra de vidrio sin tocar el corcho. Frote la barra de plstico con la piel y acrquela al corcho sin tocarlo. Observe lo que sucede y explquelo con razones fsicas.

El corcho intenta hacer contacto con la barra de plstico debido a que recibi una carga de la barra de vidrio de signo contrario a la que le brinda la barra de plstico y como previamente conocamos las cargas de signo apuesto se atraen. Pero, an no identificamos el tipo de carga de cada barra.

7. Frote la barra de vidrio con la seda y cargue el corcho. Retire la barra sin tocar el corcho. Frote nuevamente la barra de vidrio con la seda y acerque la barra al corcho sin tocarlo. Observe que sucede y explquelo con razones fsicas.

Como el corcho no es buen conductor, recibe la carga del la barra pero no la esparce por todo su cuerpo, y cuando volvemos a acercar la barra de vidrio, el experimente repulsin en el punto cargado de igual signo y gira para evitarla, y se carga en una zona libre.

8. Cargue la barra de plstico y acrquela al rotor, sin tocarlo. Mueva la barra de modo que el rotor gire. Repita el procedimiento con la barra de vidrio. Explique por qu razn gira el rotor sin que se haya aplicado una fuerza mecnica.

9. Cargue el electroscopio por algn mtodo de su eleccin, de modo que las lminas queden permanentemente separadas. Prenda un fsforo, acrquelo a la esfera metlica del electroscopio y explique con razones fsicas lo sucedido.

El electroscopio vuelve a su estado normal ya que el fuego es un generador de carga y al acercarlo al electroscopio hace que se nivele el nmero de cargas positivas y negativas en l.

10. Un dispositivo que consiste en dos placas planas y paralelas, conectadas a una fuente de alto voltaje (unos 10000 voltios), entre las placas se coloca una esfera metlica suspendida en un hilo. Prenda la fuente de voltaje, observe lo que le sucede a la esferita y explquelo con razones fsicas. Anote sus observaciones y anlisis.

La esfera que cuenta con una carga estable, la distribuye debido a que las campanas estn cargadas una positiva y la otra negativamente. As la esfera es atrada hasta una de las campanas hasta que hace contacto y recibe la carga de la campana de tal forma que la esfera ahora experimenta repulsin de esta campana y atraccin hacia la campana de carga contraria y continuando con este proceso la bola ejerce el movimiento pendular.

Discusin y Preguntas

a. Proponga un experimento (y si es posible realcelo) para comprobar el principio de conservacin de la carga, utilizando los electroscopios.

Frotar una peinilla con el cabello, y acercarla al electroscopio. El efecto es similar al de la barra de plstico con la piel, la peinilla se carga por friccin, as que al contacto con el electroscopio los papeles se repelen.

b. Con base en todos los experimentos realizados en esta prctica explique en forma concisa si pudo discriminar el signo de las cargas elctricas.

Despus de analizar los experimentos concluimos que lo ms cercano a esta discriminacin fue la determinacin de cargas de signos contrarios, es decir, pudimos determinar cuando el sistema experimenta cargas que nivelan la perdida o ganancia de electrones pero no sabemos que proceso brinda los tipos de carga.

c. El hilo utilizado para amarrar el corcho sirve para mantenerlo suspendido y el conjunto se comporta como un pndulo. Qu otro papel importante desempea dicho hilo?.

La principal funcin del hilo es la de material aislante, pues no permite que la carga que recibe el corcho sea conducida por l hasta que se pierda en la distribucin de un sistema de carga muy grande.

Conclusiones

La carga depende de la prdida o ganancia de electrones de los tomos que compongan al objeto.

Las cargas del mismo signo se repelan y las cargas de signo contrario se atraen.

La carga elctrica se conserva.

Los objetos se pueden cargar por frotamiento, es decir que se cargan por friccin.

Los objetos se pueden cargar sin contacto fsico, es decir que se cargan por induccin.

Dependiendo de la resistencia al transporte de las cargas, clasificamos a los materiales conductores y aislantes.

Consideramos a la tierra como un almacn casi infinito de carga.