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LABORATORIO No. 1 ELECTROMAGNETISMO
FUERZA ELECTROSTÁTICA
ALBERNIA DELGADO JOHAN ALEXANDER
CORRALES ORTIZ CAMILO ANDRES
HERRERA ROCHA FABIO ESTEBAN
PAJARO CASTILLEJO ANGIE LORENA
FACULTAD DE INGENIERÍAS Y TECNOLOGÍAS
UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR
VALLEDUPAR- CESAR
2015
OBJETIVO
Cargar cuerpos eléctricamente por frotamiento y observar la fuerza entre cuerpos
cargados eléctricamente y además, determinar si un cuerpo posee carga eléctrica
usando el electroscopio.
MATERIALES
Dos barras de baquelita o PVC
Dos barras de vidrio
Dos barras metálicas
Dos pivotes de rotación
Dos paños de seda, lana
Un electroscopio
MARCO TEÓRICO
ELECTROSTATICA
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 culombios. 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. La ley se llama así en honor al físico francés Charles
de Coulomb.
CAMPO ELECTRICO
Es la región de espacio en la que se ejercen fuerzas atractivas y repulsivas.
Su causa son las cargas eléctricas que se sitúan en él.
La intensidad de un campo eléctrico es una magnitud vectorial que corresponde a la
relación entre la fuerza ejercida sobre la unidad de carga positiva situada en un
determinado punto del campo y la propia carga
FUERZA ELECTRICA
Es aquella que es estudiada por la llamada ley de Coulomb
CARGA ELECTRICA
La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas
subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas por
la mediación de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es
influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La
denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las
cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo
estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para
intercambiar fotones.
Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso
físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma
algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo.
TIPOS DE CARGA
Cargas positivas y negativas
Existen dos tipos de cargas eléctricas: positivas y negativas.
Positivas: en este caso la carga de protones será mayor a la de electrones, o bien el
objeto estará únicamente cargado por protones. Otra forma en la que se puede
encontrar descripta es cuando la carga total de un cuerpo es positiva. En este caso
debe realizarse una resta entre el número de protones existentes y el número de
electrones encontrados, donde para pertenecer a este grupo el resultado debería ser
positivo.
Por ejemplo si un átomo tiene los siguientes componentes eléctricos:
+ + – + – – – + + + +
Debería realizarse la siguiente resta: 7 (positivos) – 4 (negativos), y el resultado sería
igual a +3.
Negativas: por el contrario, se trata de la materia que posea mayor cantidad de
electrones que de protones, o que contenga solamente electrones. En este caso, la otra
explicación posible seria exactamente inversa a la anterior, por lo que la diferencia entre
la cantidad de protones y electrones hallados en el cuerpo debería dar un resultado
negativo.
+ + – + – – – – +
La resta seria: 4 (positivos) – 5 (negativos), lo cual daría por resultado – 1.
Por otra parte, una vez sabida esta clasificación, es importante destacar la existencia de
dos leyes por las cuales se rigen las cargas y sus combinaciones en un cuerpo. En
primer término se establece que: cargas iguales se repelen, es decir, si dos cuerpos
tienen cargas iguales (tanto sean positivas o negativas) se repelen por lo que será
imposible que se dé su unión. La segunda ley establece que: cargas opuestas se
atraen, por lo que en el caso de encontrarse un cuerpo con carga positiva y otro de
carga negativa, su unión seria inmediata.
CONDUCTORES:
Cualquier material que ofrezca poca resistencia al flujo de electricidad. Un buen
conductor de electricidad, como la plata o el cobre, puede tener una conductividad mil
millones de veces superior a la de un buen aislante, como el vidrio o la mica. El
fenómeno conocido como superconductividad se produce cuando al enfriar ciertas
sustancias a una temperatura cercana al cero absoluto su conductividad se vuelve
prácticamente infinita. En los conductores sólidos la corriente eléctrica es transportada
por el movimiento de los electrones; y en disoluciones y gases, lo hace por los iones.
AISLANTES:
Son materiales en los que las cargas se mueven con mucha dificultad y ofrecen una
elevada resistencia al paso de la electricidad.
Materiales: lana de madera, fibra de vidrio, yeso, caucho, Lucita, ebonita, porcelana y
algunos polímeros.
EL ELECTROSCOPIO
El electroscopio es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo está cargado
eléctricamente.
El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical de vidrio que tiene
una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy
delgado. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente
con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la
esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se
repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que
han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas.
Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su
posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo
de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan
significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De
lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Un electroscopio pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del
aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un
electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada
para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio
se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de
materiales radiactivos.
El primer electroscopio conocido, el versorium, un electroscopio pivotante de hojuelas
de oro, fue inventado por William Gilbert en 1600.
Figura 1: electroscopio
PROCEDIMIENTO
1. Frote 2 barras de baquelita o PVC con el paño de lana y dos barras de vidrio con un
paño de seda. Coloque una de las barras frotadas de PVC sobre uno de los pivotes y
una de las barras de vidrio sobre el otro pivote y acérqueles, a cada una de ellas,
primero la barra de vidrio frotada y luego la otra barra de PVC. Tome nota de lo
observado.
2. Acerque el plato del electroscopio a cada una de las barras frotadas. Observe si hay
deflexión en su hojilla.
3. Reemplace la barra en uno de los pivotes por una barra metálica. Acérquele primero
una de las barras de PVC frotadas, luego una de vidrio frotada y por último otra barra
metálica. Observe el tipo de interacción en cada caso.
RESULTADOS
Tabla 1
Interacción entre diferentes tipos de materiales cargados eléctricamente
MATERIALES INTERACCIÓN
PVC Vs PVC Repulsión
PVC Vs VIDRIO Atracción mínima
VIDRIO Vs VIDRIO Repulsión
METAL Vs METAL
No hubo interacción
PVC Vs METAL Atracción
METAL Vs VIDRIO Atracción Fuente: elaboración propia (2015)
Tabla 2
Interacción de materiales cargados eléctricamente con el electroscopio
MATERIAL INTERACCIÓN CON EL ELECTROSCOPIO
PVC SI
VIDRIO Mínima
METAL NO
Fuente: elaboración propia (2015)
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Para entender la interacción entre las cargas de los diferentes materiales es necesario
tomar como base su capacidad de conducción de la electricidad. El PVC es un material
aislante, por lo que las cargas se mueven con dificultad sobre su superficie y demora
cargado más tiempo de tal manera que es posible ver la interacción entre dos barras
de este material cargados eléctricamente. Las dos barras de PVC cargadas por
frotamiento adquieren el mismo tipo de carga, razón por la cual se repelen.
Por el contrario, el metal es un material conductor, por lo que las cargas se mueven con
facilidad sobre su superficie y debido a ello se descarga rápidamente. Esa facilidad con
la que se descarga el metal impide que se observe la interacción entre barras de metal.
Sumado a lo anterior el soporte sobre el cual se ubicaba una de las barras también era
metálico ayudando esto a descargar el material. Por tal razón no se observó ningún
efecto cuando se acercaron las barras de metal.
Cuando se aísla el soporte, con un paño de lana, se puede observar la interacción entre
la barra de metal y otros materiales como el vidrio y el PVC, dado que se impide la
perdida de la carga a través del soporte, que es metálico.
PREGUNTAS PARA EL ANÁLISIS
1. Explique a qué se debe la atracción o repulsión de las barras.
Inicialmente las barras fueron cargadas por frotamiento, de esta manera, al acercar las
barras cargadas, de acuerdo al tipo de carga que ha adquirido cada una de ellas, se
atraerán o se repelerán. Si ambas barras tienen el mismo tipo de carga se repelen,
como sucede cuando se acercan dos barras del mismo material, si por el contario se
acercan dos barras con cargas contrarias habrá atracción, como sucede cuando se
acerca una barra de vidrio y una barra de PVC.
2. ¿Qué puede decir sobre los tipos de carga que aparecen sobre las barras de PVC y de vidrio?
Al frotar la barra de PVC esta se carga negativamente y al frotar una barra de vidrio
esta se carga positivamente, razón por la cual al acercar dos barras de PVC o de vidrio
se repelen, y al acercar una barra de vidrio a una de PVC, ambas cargadas, se atraen,
debido a la ley de cargas iguales y cargas contrarias.
3. ¿De qué tipo es la carga que aparece en la hojilla del electroscopio al acercarle un cuerpo cargado?
La carga que aparece en la hojilla del electroscopio es positiva. Si a un electroscopio
cargado positivamente se le acerca (sin tocarlo) otro cuerpo cargado también
positivamente, las láminas se separan más (acción entre cargas del mismo nombre) y si
se acerca un cuerpo cargado negativamente las cargas se juntan.
4. ¿Por qué las dos barras metálicas no interaccionan entre ellas, pero si interaccionan con las barras de baquelita o de vidrio?
Esto ocurre debido a que el metal es un material conductor que posee un gran cantidad
de carga libre por cantidad de volumen, por ello es posible transportar carga fácilmente
de un lugar a otro a través de ellos, es decir que cuando se le acerca un cuerpo
cargado positivamente este atrae las cargas negativas y por ende se atraen.
5. La teoría afirma que sólo existen dos tipos de carga eléctrica (negativa y positiva), esto implica que si un cuerpo A atrae eléctricamente a otro cuerpo cargado B y también atrae a un tercer cuerpo cargado C, entonces los cuerpos B y C deben repelerse eléctricamente. ¿Cómo se explica entonces, que en el punto 3 del procedimiento, la barra metálica se atrae con la barra de PVC frotada y con la de vidrio frotada pero las barras de vidrio y PVC no se repelen si no que se atraen? ¿Falla la teoría?
La teoría no falla ya que el vidrio por naturaleza está cargado negativamente y el PVC
positivamente, por esto se atraen, y en el caso de ser frotados también se atraen por
tener cargas contrarias.
CONCLUSIONES
Se pudo constatar que es posible cargar eléctricamente un cuerpo por frotamiento, ello
se pudo evidenciar en la interacción que se dio entre las diferentes barras frotadas al
acercarlas entre ellas o al electroscopio. También fue posible intuir el tipo de carga que
posee una barra según su interacción, es decir, al observar atracción o repulsión entre
dos barras es posible asumir que son iguales o contrarias.
Otro fenómeno que se pudo evidenciar en la práctica fue la naturaleza conductora o
aislante de algunos materiales, y la relación que hay entre dicha naturaleza y su
interacción. Por ejemplo, entre las dos barras de metal no hubo interacción, debido ello
a su naturaleza conductora, y no debido a que no se cargan sino que su carga se
escapa fácilmente.
BIBLIOGRAFÍA
Alonso, M. Finn, J.E, fisica; volume 2, Addison-Wesley Iberoamericana, Mexico,
1995.