Electrización de cuerpos materiales
Transcript of Electrización de cuerpos materiales
Practica Nº 01 Electrización de cuerpos materiales
La electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido
por un cuerpo eléctricamente neutro al ser frotado dos cuerpos.
Practica Nº 01
Objetivos 1
Practica Nº 01 Electrización de cuerpos materiales
Objetivos
Demostrar la existencia de los dos tipos de carga: positiva
y negativa.
Demostrar experimentalmente el proceso de electrización
de los cuerpos materiales por frotación.
Identificar el tipo de carga alcanzado por los cuerpos
electrizados mediante el proceso de electrización anterior.
Demostrar experimentalmente los procesos de
electrización de cuerpos materiales por inducción y por
contacto.
Demostrar experimentalmente las manifestaciones de la
ley de Coulomb.
Teoría básica
Carga
Es una propiedad fundamental de todo cuerpo material, pues
teniendo en cuenta al modelo atómico de Rutherford, los
componentes fundamentales de la materia son los átomos. Los
átomos están formados por partículas más elementales o
subatómicas: electrones de carga negativa, protones de carga
positiva y neutrones que no tienen carga eléctrica. Los protones y
neutrones constituyen el núcleo del átomo y alrededor de este,
están girando los electrones.
Electrización de cuerpos materiales
La materia en un estado normal o neutro, contiene cantidades
iguales de electricidad positiva y negativa, esto es, el número de
protones es igual al número de electrones, sin embargo en ciertas
circunstancias un átomo puede ganar perder algunos electrones,
cargándose negativamente o positivamente. Estos electrones en
juegos se denominan electrones de valencia y se encuentran
débilmente ligados al núcleo. Se dice que si un cuerpo material se
le aplica un estímulo energético externo en forma de calor, luz o
energía eléctrica, sus electrones ganan energía; ello puede dar
lugar a que los electrones se muevan a un nivel superior de
Carga
fundamental
El valor de la carga
fundamental fue
determinado entre 1910
y 1917 por Robert
Andrews Milikan y en
la actualidad su valor
en el Sistema
internacional de
acuerdo con la última
lista de constantes del
CODATA publicada es:
Practica Nº 01
Teoría básica 2
energía. Un átomo que ha ganado energía se dice que se encuentra en un estado de excitación y por
ende en un estado inestable. Cuando un electrón se ha movido hacia la capa superior de un átomo,
la atracción producida por los protones del núcleo será mínima. Y si se aplica suficiente energía al
átomo, algunos de sus electrones ubicados en la capa exterior (o electrones de valencia) lo
abandonaran produciéndose el desequilibrio eléctrico quedando así el átomo cargado
positivamente; por consiguiente cuando decimos que un átomo está cargado eléctricamente nos
referimos a la carga neta; esto es al exceso o defecto de electrones.
La teoría establece también que se produce intercambio de electrones, cuando se frotan dos cuerpos
de la misma sustancia. Por ejemplo si se frotan dos trozos de vidrio, uno más pulido que el otro, el
menos pulido capta electrones.
La tabla de triboelectrica
Es una herramienta que podría resultar muy útil, para saber cómo se comportara un cuerpo al ser
frotado con otros diferentes, pues una misma sustancia puede en un caso perder electrones y en
otros ganarlo.
A continuación se suministra dicha tabla en la que según se observa qua cada una de las sustancias
mencionadas en ella, frotada con una de las que le preceden, se carga negativamente y con una de
las que le siguen se cargan positivamente. Ejemplo, si se frota la mica con vidrio, la mica se carga
negativamente; pero si se frota con lana se carga positivamente.
Otros procesos de electrización
Los cuerpos materiales pueden llegar a electrizarse no solamente mediante un proceso de frotación
entre cuerpos, sino también por otros procedimientos entre ellos: por inducción, por contacto, por
efecto fotoeléctrico y por emisión termoiónica.
+ Piel de conejo
- Vidrio +
+ Mica -
- Lana +
+ Marfil -
- Piel de gato +
+ Seda -
- Algodón
Practica Nº 01
Equipos y materiales 3
Equipos y materiales
Un transistor de campo
Un óhmetro
Un electroscopio casero(botella de Leyden)
Objetos materiales: tuvo PVC, mica, plástico, tecnopor.
Tabla triboelectrica
Procedimiento
1. Utilizando el detector electrónico (transistor de campo + Óhmetro), determine el tipo de
carga de los diferentes cuerpos materiales suministrados, después que estos han sido
frotados por pares. Repita el experimento para los pares de objetos obtenidos de las
diferentes combinaciones. Registrar sus observaciones en un cuaderno de campo.
2. El detector electrónico presenta un apéndice alámbrico que sobresale de uno de los
terminales del transistor que ante la presencia de un campo eléctrico variable en el espacio
circundante produce una corriente eléctrica en el circuito del detector y que obliga la aguja o
puntero del Óhmetro en la dirección de derecha a izquierda. El campo variable aparece
cuando se acerca o se aleja un cuerpo material que previamente por frotación ha sido
cargado. Se conviene, que el objeto material está cargado negativamente si se mueve la aguja
de la escala del Óhmetro cuando este se acerca al filamento; por el contrario si el objeto
material cargado se acerca al filamento y no se mueve la aguja, pero la mueve cuando esta se
aleja, entonces estará cargado positivamente.
3. Seguidamente elija un par de cuerpos materiales, frótelos y con uno de ellos, experimente
primero el proceso de carga por inducción del alambre de cobre con laminilla de papel
metálico de la botella de Leyden, aproximando el cuerpo cargado al bulbo (espiral) del
alambre de cobre en su parte superior. Observe y registre dichas observaciones.
4. Trate de descargar el alambre de cobre de la botella de Leyden acercando al bulbo (espiral)
de la parte superior el cuerpo con carga contraria hasta que las laminillas del papel metálico
de la parte inferior estén en su posición de equilibrio (juntas). Seguidamente, experimente el
proceso de carga por contacto tocando con un cuerpo cargado el bulbo superior del alambre
de cobre de la botella. Observe que sucede con las laminillas de papel metálico de la parte
inferior y explique lo sucedido.
5. Con las observaciones realizadas, según en la parte (1), intente construir la tabla
triboelectrica, semejante a la encontrada en la bibliografía, pero con los materiales que Ud. ha
realizado.
Practica Nº 01
Registro de datos 4
Registro de datos
MATERIAL SIGNO MATERIAL SIGNO
Tubo pvc - Tecnopor +
Tubo pvc + Mica -
Plástico - Tuvo pvc +
Plástico + Mica -
Tecnopor + Mica -
Plástico - Tecnopor +
Procesamiento de datos Procederemos crear nuestra tabla triboelectrica con los datos registrados en la anterior tabla.
Análisis de los resultados Tras realizar todo el experimento, hemos comprobado que por medio de la frotación de dos cuerpos
hemos obtenido nuestro objetivo buscado cargas positivas y negativas, habiendo realizado todo el
procedimiento mencionado con anterioridad.
Conclusiones y recomendaciones
Al concluir con nuestra experiencia pudimos comprobar que existen distintas formas de cargar los
cuerpos y dependiendo del material la carga puede ser negativa o positiva, dentro de ellas
encontramos por inducción, fricción y por contacto. Cada una de ellas con un comportamiento
especifico. También se pudo comprobar que la carga no se destruye o se elimina solo cambia de
cuerpo pero sigue existiendo y esto gracias a los tipos de materiales. Siendo esta práctica aceptable
ya que los cuerpos físicos se comportaron de acuerdo a lo esperado y cumpliéndose en su totalidad
la teoría que es la ley de coulomb.
+ Tecnopor
- Tubo pvc +
+ Plástico -
- Mica
Practica Nº 01
Cuestionario 5
Cuestionario
¿Cuáles son las dimensiones del átomo?
El tamaño o volumen exacto de un átomo es difícil de calcular, ya que las nubes de electrones no
cuentan con bordes definidos, pero puede estimarse razonablemente en 1,0586 × 10–10 m.
Describa en forma resumida la evolución del modelo atómico desde sus inicios hasta
nuestros días
Teoría atómica de Dalton (1808)
“La mínima parte de la división de la materia es el átomo y se
caracteriza por ser indestructible, indivisible e impermeable” -
actualmente falso
“Un elemento está formado por átomos similares,
especialmente de igual masa, tamaño y otra cualidad, pero
difieren de los átomos de otros elementos” – actualmente falso
“por más violenta que sea una reacción química, el átomo
permanece indestructible e impenetrable”- actualmente falso
“una combinación química es un reordenamiento de los átomos
en proporciones numéricas simples” – actualmente falso
Modelo atómico de Joseph John Thomson (1896)
“el átomo es una esfera compacta dentro de la cual se encuentran
incrustados los electrones, la carga positiva, se distribuye
homogéneamente a través de toda la esfera”. A este modelo se le llamo
el “Budín de pasas”
Practica Nº 01
Cuestionario 6
Modelo atómico de Rutherford (1904)
Distribuir los protones
Considera al átomo como un “sistema planetario” en
miniatura
El átomo posee un núcleo diminuto y positivo, donde se
concentra casi toda la totalidad de su masa (99.9%)
El diámetro del átomo: m
El diámetro del núcleo: m
Modelo atómico de Niels Bohr (1913)
Los electrones giran alrededor del núcleo en niveles
circulares de energía. La fuerza de atracción electrostática es
contrarrestada por la fuerza centrífuga de su movimiento
circular
Un electrón no puede estar en cualquier lugar, solo en
lugares con valores específicos de energía
El electrón, al moverse alrededor del núcleo, solo hace en
orbitas de energía estacionaria, es decir, de energía constante
El electrón solo emite energía cuando se acerca al núcleo y
absorbe energía cuando se aleja de el
Modelo atómico de Bohr – Sommerfield (1913)
Formula la existencia de los subniveles de energía. Sostuvo también que
los electrones además se seguir orbitas circulares seguían también orbitas
elípticas
Concepción actual del átomo (Modelo atómico de Schrödinger)
“El átomo es la mínima porción en que se puede dividir un elemento
químico, porción hasta donde el elemento conserva sus propiedades y se
manifiesta como un sistema material y energético”
Practica Nº 01
Cuestionario 7
¿Qué es el Big Bang y el Big Chunch, los agujeros de negros, y los agujeros de gusano?
El Big Bang
es un modelo científico que trata de explicar el origen
del Universo y su desarrollo posterior a partir de
una singularidad espaciotemporal, es decir, el Universo se
originó en una singularidad espaciotemporal de
densidad infinita matemáticamente paradójica. El espacio se
ha e xpandido desde entonces, por lo que los objetos
astrofísicos se han alejado unos respecto de los otros.
El Big Crunch
Es una de las teorías que se barajaban en el siglo XX sobre
el destino últi mo del universo, hoy descartada a favor de un
modelo de universo en expansión permanente, es decir, si el
universo tiene una densidad crítica superior a 3 átomos por
metro cúbico, la expansión del universo, producida en teoría
por la Gran Explosión (o Big Bang) irá frenándose poco a
poco hasta que finalmente comiencen nuevamente a acercarse
todos los elementos que conforman el universo, volviendo al
punto original en el que todo el universo se comprimirá y
condensará destruyendo toda la materia en un único punto
de energía como el anterior a la Teoría de la Gran Explosión.
El agujero negro u hoyo negro
Es una región finita del espacio en cuyo interior existe una
concentración de masa lo suficientemente elevada para
generar un campo gravitatorio tal que ninguna
partícula material, ni siquiera la luz, puede escapar de ella. Sin
embargo, los agujeros negros pueden ser capaces de emitir
radiación de rayos X, lo cual fue conjeturado por Stephen
Hawking en los años 1970 y demostrado en 1976 con el
descubrimiento de Cygnus X-1.
Practica Nº 01
Cuestionario 8
El agujero de gusano
Es una hipotética característica topológica de un espacio-
tiempo, descrita por las ecuaciones de la relatividad general, la
cual es esencialmente un "atajo" a través del espacio y
el tiempo. Un agujero de gusano tiene por lo menos dos
extremos, conectados a una única "garganta", pudiendo
la materia 'desplazarse' de un extremo a otro pasando a través
de ésta. Hasta la fecha no se ha encontrado ninguna evidencia
que el espacio-tiempo conocido contenga estructuras de este
tipo, por lo que en la actualidad son sólo una posibilidad
teórica.
¿Porque el modelo atómico de Rutherford trajo por tierra al modelo atómico de
Thompson?
Si bien el modelo de Thomson explicaba adecuadamente muchos de los hechos observados de la
química y los rayos catódicos, hacía predicciones incorrectas sobre la distribución de la carga
positiva en el interior de los átomos. Las predicciones del modelo de Thomson resultaban
incompatibles con los resultados del experimento de Rutherford, que sugería que la carga positiva
estaba concentrada en una pequeña región en el centro del átomo, que es lo que se conoció
como núcleo atómico. El modelo siguiente fue el modelo atómico de Rutherford.
Otro hecho que el modelo de Thomson había dejado por explicar era la regularidad de la tabla
periódica de Mendeleiev. Los modelos de Bohr, Sommerfeld y Schrödinger finalmente explicarían
las regularidades periódicas en las propiedades de los elementos químicos de la tabla, como
resultado de una disposición más estructurada de los electrones en el átomo, que ni el modelo de
Thomson ni el modelo de Rutherford habían considerado.
Ampliar el concepto de las partículas cargadas y describa su clasificación de acuerdo
con la teoría subyacente de las investigaciones actuales. ¿Cuáles de ellas son hoy en
día las más elementales, y cuál es su papel dentro del átomo?
Cuando una partícula cargada penetra en un medio material, experimenta una serie de colisiones
con los átomos constituyentes. Sin embargo, dado “el vacío” relativo existente en el interior del
átomo, las colisiones mecánicas por choque directo entre la partícula y los electrones o núcleos, son
muy improbables. En realidad, el proceso predominante es la Colisión Coulumbiana: proceso de
interacción debido a las fuerzas eléctricas producidas entre la partícula incidente y los electrones y
núcleos del medio absorbente. Esta interacción produce una pérdida casi continua de la energía de la
partícula, hasta llegar a su detención.
Los procesos que contribuyen a la pérdida de energía de una partícula en su interacción con
medios materiales son:
A) Colisión Elástica.
En este tipo de colisión, se conserva tanto la energía cinética como la cantidad de movimiento. En
estos casos, la partícula se desvía de su trayectoria, cediendo parte de su energía en forma de energía
cinética. En estas colisiones, no se produce en el medio ninguna alteración, ni atómica ni nuclear.
Practica Nº 01
Cuestionario 9
B) Colisión Inelástica.
Aquí se conserva la cantidad de movimiento, pero NO la energía cinética. La partícula, al sufrir estas
colisiones con los átomos del medio, modifica su estructura electrónica, produciendo excitación,
ionización o disociación.
C) Colisión Radiactiva.
Si la partícula cargada se frena por la acción de una deceleración tangencial, o se desvía de la
trayectoria por la acción de una aceleración normal, se emite radiación electromagnética.
¿Que son las fuerzas nucleares?
Es aquella fuerza que tiene origen exclusivamente en el interior de los núcleos atómicos. Existen
dos fuerzas nucleares, la fuerza fuerte que actúa sobre los nucleones y la fuerza débil que actúa en el
interior de los mismos.
Investigar sobre el proceso de liberación de energía nuclear. ¿Cómo se consigue y
como se cuantifica?
Energía liberada durante la fisión o fusión de núcleos atómicos. La energía de cualquier sistema, ya
sea físico, químico o nuclear, se manifiesta por su capacidad de realizar trabajo o liberar calor o
radiación. Hasta el siglo xix, el principal combustible era la leña, cuya energía procede de la energía
solar acumulada por las plantas. Desde la revolución industrial, los seres humanos dependen de los
combustibles fósiles —carbón o petróleo, que también constituyen energía solar almacenada. Parte
de la energía liberada como calor mantiene el combustible adyacente a una temperatura
suficientemente alta para que la reacción continúe.
¿Para qué se utiliza la botella de Leyden?
La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose
como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura
interna. La armadura externa está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella
actúa como un material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. El nombre de
condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que
asimilaban ésta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado
como la botella de Leyden.
¿En qué consiste el fenómeno de la polarización y en qué casos se produce?
Polarización es el proceso por el cual en un conjunto
originariamente indiferenciado se establecen características o
rasgos distintivos que determinan la aparición en él de dos o más
zonas mutuamente cargadas.
El fenómeno de la polarización se produce en estos casos:
Polarización electroquímica: modificación de las características de
una celda electroquímica por el uso de la misma.
Polarización eléctrica
Polarización social
Polarización política
Practica Nº 01
Cuestionario 10
Polarización electromagnética o de luz
Polarización (Psicología)
Polarización química: facilidad con que se puede distorsionar la densidad electrónica de un átomo o
molécula.
En que consiste el proceso de carga por inducción, por contacto, por efecto
fotoeléctrico y por emisión termoiónica. Describa brevemente cada proceso.
Carga por inducción
Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor
aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los
electrones de valencia en la superficie del conductor hace que
estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo
cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva,
lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y
esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor
sigue siendo cero (neutro)
Electrización por contacto
Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un
conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al
otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió
electrones o negativamente si los ganó.
Carga por efecto Fotoeléctrico
Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conduc tor al ser irradiado por luz u otra
radiación electromagnética.
Carga por emisión termoiónica
Es la ionización producida por el calor. A altas temperaturas los
electrones que vibran cada vez más fuerte, pueden escapar del cuerpo;
este quedará por tanto positivo.
Practica Nº 01
Bibliografía 11
Bibliografía STEPHEN HAWKING – LEONARD MLODINOW, Brevísima Historia del Tiempo
BIBLIOTECA SALVAT DE GRANDES TEMAS, La Nueva física, Salvat Editores S.A. Barcelona –
España 1973.
M.ALONSO – E. FINN, Campo y Ondas, Volumen2, Fondo Educativo Interamericano, Madrid –
España 1970.
M.ALONSO – E. FINN, Física Cuántico y Estadística, Volumen 3, Fondo Educativo
Interamericano.
RED DE INTERNET.