Facultad de Ingeniería y Arquitectura

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ELECTROSTÁTICA

1. OBJETIVOS:

Observar y cuantificar la separación de cargas por fricción.

Observar y cuantificar la carga por contacto.

Observar y cuantificar la carga por inducción.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Cuando frota sus zapatos en una alfombra y luego toca la perilla metálica de la puerta, Ud. recibe

una descarga eléctrica estática. ¿Por qué sucede esto y porqué es más probable que ello ocurra en

un día seco que en un día húmedo? Por otro lado, los átomos en un cuerpo se mantienen unidos y

no se rompen, aunque las partículas fundamentales que la constituyen pueden estar moviéndose a

altas velocidades ¿Por qué?

La respuesta a todas estas preguntas la proporciona una parte fundamental de la física denominada

electromagnetismo, que no es más sino el estudio de las interacciones electromagnéticas las que

son muy intensas y sólo son superadas por las interacciones nucleares fuertes.

Las interacciones eléctricas implican la presencia de partículas las que poseen una propiedad

llamada carga eléctrica, un atributo de la materia que es fundamental como lo es la masa.

2.1. Interacción Eléctrica:

Después de que un peine de plástico se frota contra la piel, o se pasa a través del cabello seco,

adquiere la propiedad de atraer pequeños trozos de papel tal como se muestra en la figura 1a.

Si ahora con el peine tocamos una esfera pequeña suspendida de un hilo de seda y con la piel

tocamos la otra esfera también suspendida estas experimentan una atracción (figura 1b),

mientras que si con el peine tocamos las dos esferas suspendidas experimentan una repulsión

(figura 1c).

(a) (b) (c)

Figura 1: (a) Peine frotado con el cabello seco, (b) Repulsión eléctrica (c) Atracción eléctrica.

Otro ejemplo que muestra la interacción eléctrica es la frotación de dos varillas de vidrio con un

pedazo de seda, cuando esto ocurre las varillas de vidrio se repelen entre sí (figura 2a), por otro

lado si una varilla se frota con seda y una varilla de plástico se frota con piel y se acercan una a

la otra como se muestra en la figura 2b, se observa una atracción.

Estos experimentos sencillos y muchos otros similares permiten llegar a una importante

conclusión de que dos partículas pueden interactuar con una fuerza de largo alcance y que tenga

las siguientes propiedades:

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(i) Esta fuerza puede ser atractiva o repulsiva (la fuerza gravitacional es sólo atractiva)

(ii) Esta fuerza puede tener una magnitud mucho mayor que la fuerza gravitacional (la fuerza

gravitacional entre estas partículas es mucho más pequeña).

(a) (b)

Figura 2: (a) Repulsión entre varillas que tienen la misma carga, (b) Atracción entre varillas que tienen

carga de signo opuesto.

2.2. Formas de electrizar un cuerpo:

a) Por frotamiento:

Si se frotan dos materiales entre sí, los electrones de uno de ellos pueden ser expulsados de

sus órbitas e incorporarse al otro. El material que capta a los electrones tendrá carga

negativa, mientras el material que pierde electrones adquirirá carga positiva.

b) Por Contacto:

Cuando un cuerpo cargado positivamente (inductor) se acerca a un extremo de un cuerpo

“aislador”, se produce un reordenamiento de las cargas en dicho aislador ya que se produce

en él, un movimiento pequeño (menor que el diámetro atómico) por parte de los electrones.

c) Por Inducción:

Cuando un cuerpo cargado negativamente (inductor) se acerca a un cuerpo “conductor”, los

electrones libres del conductor serán repelidos hacia el otro extremo, de manera que un lado

del conductor (inducido) queda cargado positivamente y el otro lado negativamente.

3. MATERIALES E INSTRUMENTOS:

01 PC con el programa Logger Pro.

01 interface Vernier (figura 3).

01 Sensor de Carga (figura 4).

01 Pulsera puesta a tierra (figura 5).

01 kit electrostática: cubeta y jaula de Faraday,

disco de plástico, y plano a tierra (figura 6).

01 set de separador de carga (figura 7).

01 Paño de algodón y cable conector (figura 8).

Figura 3: Interface LabPro de Vernier. Figura 4: Sensor de Carga de Vernier.

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Figura 5: Pulsera puesta a tierra. Figura 6: Kit electrostática.

Figura 7: Separadores de carga (PVC y Nylon). Figura 8: Paño de algodón y cable conector.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

4.1. Datos experimentales:

Inserte la interface a la toma de corriente (figura 9).

Luego inserte la interface a la computadora (figura 10).

Luego inserte el sensor a la interface (figura 11).

Figura 9: Conexión de la corriente al interface. Figura 10: Conexión de la interface a la PC.

Luego, conecte el kit electrostático y el sensor de carga como se muestra en la figura 12,

siguiendo los siguientes pasos.

Coloca sobre una tabla de madera el plano de puesta a tierra.

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Colocar el disco de plástico que sujeta la cubeta y la jaula de Faraday en el plano de

puesta a tierra.

Coloque la cubeta y la jaula de Faraday en el disco.

Conecte el cable negro del sensor de carga con respecto al plano puesta a tierra.

Conecte el cable rojo del sensor de carga en la cubeta de Faraday.

Ajuste el interruptor de rango del sensor de carga a la posición +/– 10 V.

Conecte un cable de puesta a tierra entre la caja y el plano de tierra.

Figura 11: Conexión del sensor a la interface.

Figura 12: Conexión del sensor de carga y cable conector a la jaula.

Para evitar la descarga del sistema, conecta la pinza de la pulsera puesta tierra al plano de

puesta a tierra, y luego conecte el cable a tierra a su muñeca. Conecte a tierra el sistema y

descarga el sensor de carga pulsando y manteniendo pulsado el botón de reinicio en el

sensor. Esta pulsera se mantendrá en la muñeca en todas las pruebas (figura 13).

Figura 13: Conexión del sensor de carga y cable conector a la jaula.

Enciende la computadora y luego abra el programa Logger Pro 3.8.5.1.

Presiona el icono de colección de datos, , y en la ventana “muestras por segundo” coloca

10. Luego en la ventana “duración” coloca 60.

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Este equipo es capaz de medir cantidades muy pequeñas de carga. A medida que avance con

el experimento, el equipo puede accidentalmente o intencionalmente generar una carga.

Para colocar el sensor a cero, ya sea en la cubeta de Faraday o en el sensor, se mantiene

pulsado el botón de reinicio en el sensor (figura 14).

Para descargar los separadores de carga, aplique cada separador de carga en un paño de

algodón húmedo (figura 15). No frote el separador de carga y la tela de algodón en conjunto,

ya que esto podría dar lugar a una acumulación de carga en el disco.

Inserte los separadores de carga en el cubo de Faraday uno a la vez para verificar que son

eléctricamente neutros. Esto se realizará al iniciar todas las pruebas.

Figura 14: Puesta a cero del sensor. Figura 15: descarga de los separadores de carga.

a. Carga por fricción:

Junte y frote los separadores de carga de PVC (barra con disco gris) y Nylon (barra con

disco blanco), a continuación, manténganlo separados.

Click en , para iniciar la recolección de datos.

Inserta el separador de carga de Nylon (figura 16) en el centro de la cubeta sin tocar la

cubeta. Espere 4 ó 5 segundos, luego retírela. Espere un par de segundos.

A continuación, inserta el separador de carga de PVC (figura 17) en el centro de la cubeta

y esperar 4 ó 5 segundos. Retirar y esperar un par de segundos.

Por último, posiciona los dos separadores de carga en la cubeta (figura 18), tenga cuidado

de mantener los separadores de carga separados y no tocar la cubeta. Espere 4 ó 5

segundos, luego retire los dos separadores y detener la recolección de datos.

Figura 16: Separador de nylon. Figura 17: Separador de PVC. Figura 18: Ambos separadores.

Etiqueta los eventos marcados para cada uno de los separadores de carga. Para ello

selecciona Examinar, , selecciona un punto cuando está neutro, presiona el botón “D”

del teclado. luego cuando se aumenta y disminuye la carga.

Registra los datos en la tabla 1.

Repita los pasos anteriores para 4 casos.

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Tabla 1: Valores de la carga en los separadores de carga y la cubeta de Faraday.

Carga PVC (nC)

Carga Nylon (nC)

Carga Cubeta (nC)

b. Carga por Contacto:

Junte y frote los separadores de carga de PVC (barra con disco gris) y Nylon (barra con

disco blanco), a continuación, mantenga separado.

Click en , para iniciar la recolección de datos.

Inserta el separador de carga de Nylon en el centro de la cubeta sin tocar la cubeta.

Espere 4 ó 5 segundos, luego retírela. Espere un par de segundos.

Ahora frote ligeramente el separador de carga de Nylon a lo largo del borde superior de la

cubeta (figura 19), luego remuévalo de la cubeta. Detener la recolección de datos.

Figura 19: Frotamiento del separador de nylon con la cubeta de Faraday.

Etiqueta los eventos marcados para cada región. Para ello selecciona Examinar, ,

selecciona un punto cuando insertaste el separador, presiona el botón “D” del teclado,

luego antes y después de poner en contacto el separador con la cubeta de Faraday.

Registra los datos en la tabla 2.

Repita los pasos anteriores para 4 casos.

Tabla 2: Valores de la carga en el separador de nylon y la cubeta de Faraday.

Carga Nylon (nC)

Cubeta antes (nC)

Cubeta después (nC)

c. Carga por Inducción:

Descargue la cubeta poniendo a tierra.

Adjuntar un segundo cable de tierra al plano de puesta a tierra, dejando desconectado el

otro extremo. Utilizará esto más adelante para poner a tierra la cubeta.

Junte y frote los separadores de carga de PVC (barra con disco gris) y Nylon (barra con

disco blanco), a continuación, mantenga separado.

Click en , para iniciar la recolección de datos.

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Inserta el separador de carga de Nylon en el centro de la cubeta sin tocar la cubeta.

Espere 4 ó 5 segundos, luego retírela. Espere un par de segundos.

Vuelva a insertar el separador de carga de Nylon en el centro de la cubeta sin tocar la

cubeta, ahora ponga a tierra la cubeta tocando brevemente con el segundo cable de

conexión a tierra (figura 20), no toque con su mano la cubeta. Espere 4 ó 5 segundos,

luego retire el separador de carga. Espere un par de segundos.

Figura 20: Frotamiento del separador de nylon con la cubeta de Faraday.

Ahora inserta el separador de cargas de Nylon en el centro de la cubeta sin tocar la

cubeta. Espere 4 ó 5 segundos, luego retírela. Detener la recolección de datos.

Etiqueta los eventos marcados para cada región. Para ello selecciona Examinar, ,

selecciona un punto cuando insertaste el separador, presiona el botón “D” del teclado,

luego antes y después de poner a tierra la cubeta de Faraday.

Registra los datos en la tabla 3.

Repita los pasos anteriores para 4 casos.

Tabla 3: Valores de la carga en el separador de nylon y la cubeta de Faraday.

Antes Después Antes Después Antes Después Antes Después

Carga Nylon (nC)

Cubeta (nC)

4.2. Procesamiento de Datos:

a) Carga por fricción:

Medimos el valor de la carga ganada y perdida en los separadores de carga, para ello

utilizamos la siguiente ecuación. Y con los datos de la tabla 1, llenamos la tabla 4.

Tabla 4: Carga por fricción.

(nC)

(nC)

b) Carga por contacto:

Medimos el valor de la carga del separador de Nylon y la carga en la cubeta, para ello

utilizamos la siguiente ecuación. Y con los datos de la tabla 2, llenamos la tabla 5.

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Tabla 5: Carga por contacto.

(nC)

(nC)

c) Carga por inducción:

Medimos el valor de la carga ganada y perdida en la cubeta, para ello utilizamos la

siguiente ecuación. Y con los datos de la tabla 3, llenamos la tabla 6.

Tabla 6: Carga por inducción.

(nC)

(nC)

5. RESULTADOS:

a) Carga por fricción:

(nC)

(nC)

b) Carga por contacto:

(nC)

(nC)

c) Carga por inducción:

(nC)

(nC)

6. CONCLUSIONES DEL LABORATORIO:

1. Cuando frotaste los separadores de carga ¿Qué sucedió con la carga del separador de nylon?

¿Qué sucedió con la carga del separador de nylon?

a. Carga por contacto:

2. Utilizando la siguiente fórmula ¿Cuántos electrones pasaron de un separador a otro en el

primer caso?

b. Carga por fricción:

3. ¿Qué sucedió con la carga de la cubeta de Faraday cuando pusiste en contacto con el

separador de carga de nylon?

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4. ¿Qué hubiera sucedido con la carga de la cubeta si hubieras colocado el separador de carga

de PVC?

c. Carga por inducción:

5. ¿Qué sucedió con la carga de la cubeta de Faraday cuando insertaste el separador de carga

de nylon y pusiste en contacto con el cable de puesta a tierra?

6. ¿Qué hubiera sucedido con la carga de la cubeta si hubieras colocado el separador de carga

de PVC?

7. ¿Cumple con la teoría estudiada?

7. REFERENCIA BIBLIOGRÁFICA:

[1] Raymond A. Serway; Física Tomo II; Editorial McGraw–Hill.

[2] Miguel Ángel Hidalgo Moreno; Laboratorio de Física; Editorial PEARSON EDUCACIÓN.

[3] Tipler Mosca; Física para la ciencia y la tecnología Vol. II; Editorial Reverte.

[4] Halliday - Resnick; Fundamentos de Física; 8ª. Edición; Vol. 2; Grupo Editorial Patria; 2009