Laboratorio N°2 Electrostática

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Laboratorio N°2 Electrostática Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniel Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu.co

Resumen La electrostática es una rama de la física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen. De este modo; mediante la experimentación se comprueban y demuestran postulados teóricos referentes a la electrostática, que resaltan los procesos de electrificación y la manera en que se comportan ciertos materiales al someterlos a fricción, inducción y contacto.

A través de herramientas y materiales posibles de encontrar en casa, se realiza la experiencia cuyo fin es reconocer los procesos de electrización, y entender mediante métodos sencillos los procesos de repulsión y atracción que existen con distintos cuerpos.

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1. Introducción Para entender el comportamiento de diversos cuerpos y materiales se hace necesario el estudio de las cargas que posee un cuerpo, por medio de las diversas formas en la que pueden ser cargados o ser capaces de transmitir su energía o ser incapaces de ello y de esta forma comprender mejor sus usos y aplicaciones en el medio, el estudio de estos fenómenos será abordado a través de la electrostática.

La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática, la cual trata sobre los fenómenos relacionados con cargas eléctricas en reposo. Un átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro, ya que posee la misma cantidad de cargas positivas y negativas. Cuando se provoca un desequilibrio en las cargas de un átomo se produce un ion, si el átomo pierde una o algunas de sus cargas positivas adquiere carga negativa, si contrariamente el átomo pierde electrones quedar con un número mayor de cargas positivas, por lo que formar un ion positivo.

Por otro lado; la electrización por contacto consiste en cargar los cuerpos poniéndolo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán cargados con carga del mismo signo (+ o -). Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos.

De otra manera, la electrización por fricción o frotamiento se caracteriza por producir cuerpos electrizados con cargas opuestas. Esto ocurre debido a que los materiales frotados

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tienen diferente capacidad para -retener y entregar- electrones y cada vez que se tocan algunos electrones saltan de una superficie a otra.

A diferencia de la electrización por fricción; la electrización por inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Esto es justamente lo que pasa cuando atraemos pequeños trozos de papel mediante un objeto cargado por frotamiento. 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.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas.

De este modo; a continuación se muestran datos relevantes acerca de los materiales y su conductividad eléctrica: Tabla 1 Conductores, aislantes y semiconductores

Conductores

Aislantes

Semiconductores

Definición

Materiales que permiten el movimiento de cargas eléctricas.

Materiales que impiden el paso de cargas eléctricas.

Materiales que pueden permitir e impedir el paso de la energía eléctrica

Funciones

Conducir la electricidad de un punto a otro.

Proteger las corrientes eléctricas del contacto con las

Conducir electricidad, solo bajo condiciones

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Materiales

Oro, plata, cobre, metales, hierro, mercurio, plomo, polímeros entre otros.

personas y con otras corrientes

específicas y en un sentido

Goma, cerámica, plástico, madera, entre otros.

Silicio, germanio, azufre, entre otros.

Tabla 2 Conductividad y resistividad de los materiales

Elementos o materiales Plata Cobre Oro aluminio Latón Cinc Cobalto Níquel hierro Acero Platino Estaño plomo

Conductividad

resistividad

0,6305 0,5958 0,4464 03.767 0,1789 O,1690 0,1693 0,1462 O,1030 0,1000 00.943 0,0839 0,0484

0,0164 0,0172 0,0230 00.278 0,0590 0,0610 0,0602 0,0870 0,0970 O,1000 O,1050 O,1200 0,2815

2. Método Experimental Luego de establecer en mutuo acuerdo la asignación a cada uno de los integrantes los temas ya establecidos, cada uno se encargó del desarrollo de las experiencias que se explican a continuación.

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2.1 Electrización por fricción

Figura 1 Montaje experimento del esfero con los trozos de papel.

Para realizar el experimento se requiere un peine o esfero, trozos pequeños de papel o confeti, y cabello. Es importante que la persona que presta su cabello para la realización del experimento tenga el cabello totalmente limpio, para el óptimo desarrollo de la actividad.

Por consiguiente, ponemos los trozos de papel (o confeti) sobre una mesa totalmente seca.

De este modo; se procede a frotar intensamente el esfero (o peine) en la cabellera durante varios segundos, para luego aproximar el esfero (o peine) a los trozos de papel a una distancia inferior a 0.5 cm.

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2.2 Electrización por Contacto

Figura 2 Montaje experimento de los globos.

Para esta experiencia se requieren de 2 globos, nylon, 2 trozos de tela y dos trozos de lana en cualquier presentación. Luego de tener todos los materiales se procede a inflar dos globos en el tamaño que se prefiera, sujetando cada globo al nylon y de manera que queden suspendidos a la misma altura, después se frotan los globos con el trozo de tela, posteriormente se sueltan, y se introduce la mano en el espacio que queda entre los globos.

Finalmente se observa, analiza y registra lo sucedido.

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2.3 Inducción por Electroscopio.

Figura 3 Montaje experimento del electroscopio.

Para el desarrollo de la experiencia del electroscopio, se requiere un recipiente de vidrio con tapa de plástico, 30 cm de alambre de cobre, tiras de papel aluminio, pinzas, tijeras y silicona, tubo de pvc y tela de lana. De este modo; primero se toma el recipiente de vidrio con tapa plástica, se cortan los 30 cm de alambre de cobre, se hace un orificio en la tapa del recipiente y se atraviesa por la tapa, para luego ajustar con silicona, y finalmente se arreglan las puntas del cobre, y se agregan las dos tiritas de láminas. Una vez listo el electroscopio se toma el tubo de pvc junto con la tela de lana y se empieza a frotar, hasta que el tubo empiece a electrizarse, esto se nota porque tiende a calentarse y hacer ruido de chispas. Cuando está listo el tubo se acerca lentamente a la cabeza del electroscopio hasta notar que las tiras comienzan a moverse. Es necesario aclarar; que para mejores resultados es aconsejable repetir varias veces el procedimiento para notar bien lo que estaba ocurriendo allí dentro.

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2.4 Electrización por Frotación e Inducción, Método Péndulo Electrostático

Figura 4 Montaje experimento péndulo electrostático

Para realizar el experimento se necesita una bolita de icopor recubierta de papel aluminio, hilo, funda plástica, tela de poliéster, un pedazo de acrílico (Regla) y una estructura para diseñar un péndulo, en este caso el diseño es en cartón. De esta manera; se ata un trozo de hilo a la bola de papel aluminio y se sujeta el otro extremo del hilo a un soporte de cartón.

Luego se procede; a electrificar la regla con la funda elástica por frotamiento o fricción, se acerca la regla a la bola de papel aluminio (péndulo electrostático) y se observa lo que sucede. Luego de realizar el experimento con la funda plástica, se utiliza la tela poliéster, igualmente, se procede a electrificar la regla con la tela por frotamiento o fricción y se acerca la regla al péndulo electroestático.

3. Resultado y análisis.

3.2 Electrización por fricción.

Es preciso afirmar que en el momento que el esfero (o peine) se frota en la cabellera, se carga negativamente (Ver fig. 1), Por otro lado, al acercar el esfero (o peine) a los trozos de papel, se identifica una atracción de cargas (Ver fig. 2), pues el esfero luego de presentar

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fricción con el cabello contrajo carga negativa, mientras que los trozos de papel se encuentran cargados positivamente, razón por la cual se ocasiona una atracción entre los dos materiales (Ver fig. 3).

Figura 5 Frotamiento del esfero en el cabello Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 6.Aproximación del esfero con los trozos de papel.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 7. Atracción entre el esfero y los trozos de papel.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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3.2 Electrización por contacto

Durante el desarrollo de la experiencia se evidencia el comportamiento de dos globos cargados siendo frotados, en la primera sección cada globo recibe una trasferencia de electrones por parte de la lana (Ver Fig. 5).

Figura 8.Sección inicial, globo en reposo.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 9. .Sección inicial, transferencia de carga a cada globo. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Al ser suspendidos uno frente al otro la distancia que los separa se marca como ondas que cada uno envía en su ataque (Ver Fig.7), esto es lo que ocurre cuando dos cuerpos son cargados eléctricamente bajo el mismo signo y para este apartado es la consecuencia del flujo de cargas negativas creando un campo eléctrico entre ellas.

Figura 10.Interaccion de los globos luego de ser cargado.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 11. Repulsión, estado final de los globos.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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Para la segunda sección se ha cambiado el material con que son frotados los globos, en este caso un trozo de Paño, el cual generó el mismo efecto y la misma interacción entre los globos, pero con un menor grado de intensidad, dado que la distancia que los separo fue menor que en el momento en que su trasferencia de carga se llevó a cabo con lana, lo cual radica en la composición y propiedades que distingues a estos dos materiales. (Ver fig.8).

Figura 12.Repulsion de globos frotados con paño. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

3.3 Electroscopio A partir del experimento y luego de haberlo realizado varias veces se pudo observar en primer lugar al frotar (Ver fig. 9) el tubo PVC (plástico) con la tela de lana (aislante), obtenemos un efecto de frotamiento, lo que ocurre aquí es que la tela de lana le sede electrones al tubo de PVC por lo tanto el tubo de plástico queda eléctricamente cargado.

Teniendo esto en cuenta las cargas son llevadas a través del cobre (Tabla N° 2. El mejor conductor) que las conduce hasta llegar al campo eléctrico (Ver fig. 10), así se puede llamar el recipiente, por él transmite cargas negativas a las láminas (metal) estas estaban inicialmente en un estado neutro, cuando el cobre transmitió las cargas los electrones libres

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en las láminas son repelidos por los electrones excedentes, lo que hacían ellas era separarse.

El campo eléctrico reacciona de alguna u otra manera, ya que como se pudo observar algunas láminas tocaron el vidrio y quedaron adheridas a las paredes del recipiente (Ver fig.

11), causando un efecto de atracción, por lo cual se puede decir que estas paredes también son alteradas, con cargas contrarias a la de las láminas (metales). Finalmente al tocarlo con la mano, automáticamente se descargaban y el sistema quedaba nuevamente neutro. Lo que se comprobó y observó este método es de inducción (es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo), ya que cuando el cuerpo con carga eléctrica se aproxima a otro neutro causando un desequilibrio en las cargas de este último debido a la repulsión generada por las cargas del material cargado, produce este fenómeno, comprobado por el experimento.

Figura 13. Flotamiento de la tela sobre el tubo.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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Figura 14. Contacto del tubo con el cobre.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 15.Separación de las láminas. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

3.4 Péndulo Electroestático Al momento de frotar la regla con la funda plástica, se va a producir un desequilibrio eléctrico en los dos materiales, uno va a perder electrones y el otro va a ganar electrones.

Cuando se acerca la regla cargada negativamente al péndulo electrostático (ver fig. 12), este es inicialmente atraído por la regla, en pocas palabras, la funda le cedió electrones a la regla y la bola de aluminio como está cargada positivamente se atraerán por ser cargas opuestas (ver fig. 12) , pero después de un determinado tiempo se pierde la atracción debido a que la

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regla va perdiendo la carga y esta le cede electrones a la bola de aluminio y se va estabilizando la carga. Ahora tenemos los dos materiales cargados con la misma polaridad negativa; cuando se acerca la regla de nuevo al péndulo electroestático se repelará (ver fig.

13), ya que los dos cuerpos tienen igual carga. Luego de tener el péndulo electrostático cargado con energía negativa acercamos la funda plástica (ver figura 14), la cual queda cargada positivamente por la pérdida de electrones, la cual quedará con carga positiva y al ser positiva atraerá la bola de aluminio tratando de recuperar las cargas que perdió para volver a su equilibrio eléctrico. ¿Por qué sucede que una cede y la otra toma electrones?, porque son materiales de diferente naturaleza, ambos son polímeros, pero tienen diferentes características.

Figura 16. Atracción del acrílico con el péndulo electrostático al ser frotado con la funda plástica.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc

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Figura 17. Repulsión de los dos materiales al tener la misma carga negativa.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Figura 18. Atracción de la funda plástica con el péndulo electroestático.

Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Luego se utiliza la tela poliéster, igualmente se procede a electrificar la regla con la tela por frotamiento o fricción (ver fig. 15), pero sucederá lo contrario con la funda plástica, es decir la tela de poliéster le quitará electrones a la regla. Que sucede; que al acercar la regla a la bola de aluminio se van atraer (ver fig. 16), porque la bola de aluminio está cargada negativamente y la regla positivamente; pero inmediatamente el péndulo electroestático va

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a adquirir carga positiva y se va a repelar con la regla (ver fig. 17) porque también tiene carga positiva. Ahora la tela de poliéster que gano electrones, es decir que tiene “carga negativa” se aproximara a la bola de aluminio que tiene carga positiva y se atraerán. Con esto se evidencia que las cargas eléctricas iguales se repelan y las cargas eléctricas diferentes se atraen, es lo que se conoce como la ley de columna.

Figura 19. Electrificación del acrílico con tela poliéster Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Figura 20. Atracción del acrílico con el péndulo electrostático al ser frotado con la tela poliéster Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

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Figura 21. Atracción de la tela poliéster con el péndulo electroestático Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc

4. Conclusiones 

Un cuerpo que se encuentre sin carga eléctrica, este puede ser cargado por inducción al acercarse a otro cuerpo cargado, sin tocarse.



Cuando el acrílico es frotado por la tela poliéster o la funda plástica, se va a producir un desequilibrio eléctrico en los dos materiales; uno va a perder electrones y el otro va a ganar electrones.



Se estudió el comportamiento de dos cuerpos cargados igual eléctricamente, que dio como resultado el fenómeno de repulsión entre ellos, producto de la interacción de sus cargas los objetos se separaron a la vista, a esta conducta de las cargas se le conoce como electrización por contacto.



Se aprendió que gracias al desarrollo de las investigaciones basadas en el estudio de las partículas que hay en los átomos, fue posible clasificar materiales conductores, semiconductores y aislantes de corriente eléctrica que hoy en día permite que funcionen muchos de los procesos vinculados a nuestra vida cotidiana.

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

Se comprobó que el cobre es uno de los materiales con la mejor eficacia de conductividad.



El campo magnético donde se trabaje también tiene cargas que van a alterar los materiales cargados de alguna u otra manera.



Las tiras de aluminio por estar cargadas atraen las paredes del recipiente que esta neutro, por gravedad las tiras por ser más livianas van a ellas.

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Bibliografía ANONIMO. Electrización. (2014, Otoño). ELECTROTECNIA. www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/cargaycampoelectricos/conten idos/01d56993080930f36.html .27/06/2020.

SEARS-ZEMANSKY. Física universitaria. Vol. 2. Undécima edición. Pearson Educación.2004. https://concepto.de/electrostatica/#ixzz6QjAZnY7Y Anexos /Video En el siguiente link se puede visualizar un video con la evidencia experimental desarrollada en cada experimento de electroestática. https://youtu.be/aS7fxFhEP7s