Introduccion

En una época remota 600.ac el filósofo griego Tales de Mileto observo que cuando se frotaba el ámbar con lana, atraía objetos pequeños, tales como pluma, pajitas u otros objetos pequeños. Al observar este fenómeno denomino a este material como electrón. Al pasar un aproximado de nueve siglos la idea de la atracción llego a manos de otro filosofo William Gilbert,(1540-1603) en que se encargó de realizar diferentes estudios tanto de la parte magnética como la eléctrica, demostrando que diferentes tipos de ámbar al frotar adquiere una propiedad atractiva e introdujo los términos : fuerza eléctrica y polos magnéticos y además en ese tiempo un físico alemán Otto von Guericke creo la primera máquina capaz de producir una descarga eléctrica , la cual era un globo de azufre al que le hacían fricción.

Luego de dos siglos, el conocimiento de la atracción eléctrica incrementa unos ejemplo son por físico francés Cisternay du Fay el cual es el primero en postular la existencia de dos tipos de cargas eléctricas , el científico estadounidense Benjamin Franklin con su modelo que postula la conservación de las cargas. Y un tiempo después los electrones, que gracias a George Johnstone Stoney lo indico como la unidad fundamental de la cantidad de electricidad. Eran los que se transferían en el proceso de frotamiento. Cuando el vidrio se frota con seda dejando el vidrio positivo y la seda negativa, y cuando el ámbar se frota con el cuero se transfiere electrones desde cuero hacia el ámbar.

Marco teórico

1. Carga eléctrica

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. 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.

Historia

Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar con una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeñas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de Mileto (639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.

El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó que algunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los términos electricidad y carga eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó (+) y (-).

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.

Detalles experimentales

1. Materiales

Equipo de electrostática U8491500; consta de:

Un tablero de destellos. Cubierta de electrodos esféricos. Rueda con punta. Barra de fricción de plástico, con clavijero de 4 mm. Soporte de depósito. Rodamiento de agujas con clavija de conexión. Soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de saúco. Clavija de conexión en pantalla de seda en varilla. Trozos de médula de saúco. Tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas. Cadenas de conexión. Esfera conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con

electrodos de punta. Pie de soporte. Varilla de soporte aislada, con manguitos de soporte y de conexión y juego de

campanas.

Paño de seda

Péndulos de tecnoport

Electroscopio

Barras de acetato y vinilita

Máquina de Wimshurst, modelo U15310.

Máquina de Wimshurst, modelo U15310.

Electroscopio Péndulo eléctrico

2. Procedimiento

Se inicia la experiencia con una demostración simple; Se carga una barra de acetato, al frotarlo con una franela, y al acercarlo a un trozo de papel, este es atraído por la barra.

Se realiza la misma demostración pero esta vez frotando un tubo de vinilo con un paño de seda y acercarlo al péndulo de tecnoport , este será atraído al vinilo (tanto la barra de acetato como el vinilo al friccionar estos se cargar es decir adquieren una polaridad la cual atrae al tecnoport o al trozo de papel ya que estos tienen una polaridad distinta)

Este mismo principio se observa en la máquina de Wimshurst , la cual pasamos a identificar.Acercar las barras de electrodos y luego proceda a girar la manivela en sentido horario, de esa manera cada barra de carga; cuando la tensión sea máxima se observara una línea luminosa instantánea entre los electrodos, al cual se le llama “plasma”.

Al acercar el electroscopio a la máquina de Wimshurst, encendida, esta indica la presencia de carga; a pesar de no estar en contacto directo con la máquina. (Debido a que el aire es altamente ionizable por la abundante presencia de nitrógeno).

Armar un sistema con un soporte metálico es cual es cardado por la máquina de Wimshurst, por medio de una cadena metálica, (la máquina de Wimshurst tiene dos agujeros para conexiones externas, cada una cerca de una barra de electrodo; estas barras deben estar alejadas para que no se produzca una pérdida de carga, creación del plasma). En la parte superior de soporte se coloca una rueda de puntas, las cuales al darle

carga empiezan a girar.

Equipo de electrostática U8491500

Barras de acetato, vinilito y

vidrio

Cambiamos la rueda por un soporte de gancho, en el cual colgamos a manera de péndulo, dos bolitas de tecnoport; las cuales al obtener la misma carga, se produce una repulsión mutua.

En vez del soporte de gancho, colocar una clavija de conexión en pantalla de seda; el cual al ganar carga, los filamentos de seda se separan lo más posible unos de los otros.

Se instala un juego de campanas sobre el soporte; este requiere de otra cadena adicionalmente, la cual se adhiere al segundo orificio de la máquina de Wimshurst. De esta manera la esfera al ser cargadas se separan, tocando de esta manera las campanas laterales y una vez descargadas regresan a su posición original, tocando ambas a la campana del medio.

Al igual que la conexión del juego de campanas, el tablero de destellos requiere también de la segunda cadena; una vez que se carga el tablero, cuando la tensión es alta, se descarga encendiéndose unos destellos entre cada placa.

El trabajo con el péndulo eléctrico es más simple; el péndulo consta de un soporte del cual cuelga una esfera de tecnoport; al cual se le irán acercando barras de diferente materiales, previamente cargados por fricción con franela o seda; de esta manera sabremos que material fue cargado al atraer o repeler la esfera de tecnoport.

Cuestionario

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, explique.

En este caso de electrificación por contacto, podemos observar que la esfera cargada atrae las cargas de signo contrario de la esfera sin carga y repele los del mismo signo, quedando finalmente cargada de signo contrario a la esfera que le indujo la carga inicial.

2. En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.

En el presente experimento podemos acercar a la esfera de un electroscopio, muchas barras cargadas por distintos procedimientos y de cargas opuestas, entonces podemos observar que las laminillas del electroscopio se abren y cierran indeterminadamente debido a la diversidad de cargas que se están superponiendo sobre un punto, en ese caso, la esfera del electroscopio.

3. Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

Si, pues al poner en contacto dos cuerpos y al intercambiar carga entre ellos, notamos que el cuerpo cargado repele las cargas del mismo signo del otro cuerpo, por lo que éste queda cargado con signo contrario al primero.

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

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.

Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

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).

Carga por el Efecto Fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética.

Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua.

Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.

Porqué casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

6. En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r. ¿Qué sucederá?

Mientras que las esferas no se pongan en contacto por algún medio físico permanecerán estáticos.

7. Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada ¿Qué es lo que se observará?. ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Al momento en que las esferas entran en contacto, la esfera cargada transmite carga hacia la otra, quedando al final las dos esferas con la misma carga, debido a que las dos esferas son idénticas (mismo radio)

Analizando el sistema de cargas

Qinicial=Q final

Q+0=Qf+Q f

Qf=Q2

8. Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Como las cargas tienes diferentes radios, aplicamos:

Q1r1

=Q2r2

Q1(2 r )2

=Q2(r)2

Q1=4Q2

Analizando el sistema de cargas

Qinicial=Q final

Q+0=Q1+Q2

5Q2=Q

Q2=Q5;Q1=

4Q5

9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

Realizando el D.C.L en la esfera 1

T sin α=Mg

T= Mgsinα

…….(a)

FE=T cos α

K q2

d2=Mgcot α

q=√Mg cotα∗d2K

Reemplazando datos:K=9∗109 N∗m2

C2 ,M=5∗10−3 kg ,d=16∗10−2m, g=9.81

m

s2 ,

cotα=0.299

q=2.04∗10−7C

10. Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?

Al inicio, cuando las laminillas se cierran se está proporcionando carga positiva al electroscopio, pero como luego las laminillas se repelen podemos decir que ha adquirido una carga de signo contrario, es decir, el electroscopio tiene carga negativa.

11. Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.

Es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio que permite almacenar cargas eléctricas. Históricamente la botella de Leyden fue el primer tipo de condensador (eléctrico).

Fue creado independientemente por el científico alemán Ewald Georg von Kleist, y por Pieter van Musschenbroek. Este último trabajaba en la Universidad de Leiden y en 1746 efectuó un experimento para comprobar si una botella llena de agua podía conservar cargas eléctricas. Esta botella consistía en un recipiente con un tapón al cual le atraviesa una varilla metálica que queda sumergida en el líquido. La varilla tiene una forma de gancho en la parte superior al cual se le acerca un conductor cargado eléctricamente. Durante la experiencia un asistente separó el conductor y recibió una fuerte descarga al aproximar su mano a la varilla.

Un año más tarde el británico William Watson descubrió que aumentaba la descarga si la envolvía con una capa de estaño. Siguiendo los nuevos descubrimientos, Jean Antoine Nollet tuvo la idea de reemplazar el líquido por hojas de estaño, quedando desde entonces esta configuración de la botella que se utiliza actualmente para experimentos. Watson pudo transmitir una descarga eléctrica de manera espectacular produciendo una chispa eléctrica desde una botella de Leyden a un cable metálico que atravesaba el río Támesis en 1747. Las botellas de Leyden eran utilizadas en demostraciones públicas sobre el poder de la electricidad. En ellas se producían descargas eléctricas capaces de matar pequeños ratones y pájaros, entre otros animales.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador. La varilla metálica y las hojas de estaño o aluminio 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.

12. Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

En los generadores electroestáticos, el volumen de los gases dentro de los condensadores siempre se reduce, esto se debe a que durante las descargas eléctricas se dan reacciones quimicas. Estos olores extraños fueron denominados por el cientifico van Marum como ‘el olor de la materia eléctrica’.

13. Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones

En Electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue descubierto hace 200 años por Benjamin Franklin, al observar que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado.

Actualmente se sabe que esto se produce debido que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

14. Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.

Experimentos básicos: se usa para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

Aceleración de electrones para esterilizar alimentos. Aceleración de electrones para esterilizar materiales usados en procesos industriales o

científicos. Generar rayos X mediante grandes flujos de energía. Fines educativos y de instrucción en temas de cargas eléctricas, etc.

Conclusiones

En esta experiencia se pudo observar y comprender, varios sucesos físicos en donde se llegó a la conclusión que los electrones, son los causantes de generar cargas eléctricas. Además en este laboratorio se puede comprobar los principios de la electrostática que postulan; “Los electrones no se crean ni se destruyen, se redistribuyen de un material a otro”. De esta manera, se tiene que los electrones que pierde un cuerpo, son ganados por otro. Un cuerpo cargado eléctricamente influye sobre otro cuerpo o carga.

Bibliografía

Guía de Laboratorio de Física III-UNMSM http://es.wikipedia.org/wiki/Poder_de_las_puntas http://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaf http://en.wikipedia.org/wiki/Wimshurst_Machine