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.