INTALACIONES Y MANTENIMIENTO ELECTRICOS

LABORATORIO DE ELECTROTECNIA DE CORRIENTE CONTINUA

PRACTICA No. 2

“Electrostática”

OBJETIVOS:

Al término de la práctica, el alumno:

Interpretara los fenómenos de la electricidad estática entre las cargas eléctricas, utilizando el péndulo eléctrico y el electroscopio.

ACTIVIDADES EXTRACLASE:

Para realizar la practica en el laboratorio, deberá dar lectura previa de su desarrollo y estudiar los temas en la bibliografía propuesta.

CONSIDERACIONES TEORICAS:

El término electricidad, y todos sus derivados, tienen sus orígenes en las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filósofo griego que vivió en el siglo sexto antes de Cristo. Tales estudió el comportamiento de una resina fósil, el ámbar -en griego elektron-, observando que cuando era frotada con un paño de lana adquiría la propiedad de atraer hacia sí pequeños cuerpos ligeros; los fenómenos análogos a los producidos por Tales con el ámbar o elektron se denominaron fenómenos eléctricos y más recientemente fenómenos electrostáticos.

La electrostática es la parte de la física que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga eléctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenómenos asociados a las cargas eléctricas en reposo. El desarrollo de la teoría atómica permitió aclarar el origen y la naturaleza de los fenómenos eléctricos; la noción de fluido eléctrico, introducida por Benjamín Franklin (1706-1790) para explicar la electricidad, fue precisada a principios de siglo al descubrirse que la materia está compuesta íntimamente de átomos y éstos a su vez por partículas que tienen propiedades eléctricas.
Como sucede con otros capítulos de la física, el interés de la electrostática reside no sólo en que describe las características de unas fuerzas fundamentales de la naturaleza, sino también en que facilita la comprensión de sus aplicaciones tecnológicas. Desde el pararrayos hasta la televisión una amplia variedad de dispositivos científicos y técnicos están relacionados con los fenómenos electrostáticos.

Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado. La electrización por frotamiento permitió, a través de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretación de las mismas cada vez más completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrostática.

Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana, se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de seda. Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar electrizadas se repelen entre sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio y viceversa.

Este tipo de experiencias llevaron a W. Gilbert (1544-1603) a distinguir, por primera vez, entre la electricidad que adquiere el vidrio y la que adquiere el ámbar. Posteriormente Benjamin Frankiin en el siglo XVIII explicó los fenómenos eléctricos a través de la teoría del "fluido eléctrico" existente en todos los cuerpos. El pensaba que en los cuerpos no electrizados (neutros) el fluido permanecía de manera equilibrada, pero cuando dichos cuerpos se electrizaban entre sí, el "fluido eléctrico" se transfería: el que quedaba con más fluido era electrizado positivamente (+) y el que resultaba con menos fluido se electrizaba de modo negativo (-). Llamó a la electricidad «vítrea» de Gilbert electricidad positiva (+) y a la «resinosa» electricidad negativa (-).
Las experiencias de electrización pusieron de manifiesto que:

“Cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo se repelen”

Una experiencia sencilla sirvió de apoyo a Franklin para avanzar en la descripción de la carga eléctrica como propiedad de la materia. Cuando se frota la barra de vidrio con el paño de seda, se observa que tanto una como otra se electrizan ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un tercer cuerpo cargado. Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la barra con el paño de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior. Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto paño-barra se comporta como si no lo estuviera, manteniendo una neutralidad eléctrica.

Se ha visto que existen en la Naturaleza dos tipos de cargas, positiva y negativa, y que la cantidad más pequeña de carga es el electrón (misma carga que el protón, pero de signo contrario). También se ha visto que existe una fuerza entre las cargas.  

La unidad natural de carga eléctrica es el electrón, que es:   La menor cantidad de carga eléctrica que puede existir.

Como esta unidad es extremadamente pequeña para aplicaciones prácticas y para evitar el tener que hablar de cargas del orden de billones o trillones  de unidades de carga, se ha definido en el Sistema Internacional de Unidades el culombio:  
Un Culombio es la cantidad de carga que a la distancia de 1 metro ejerce sobre otra cantidad de carga igual, la fuerza de 9 x 109 N.

Así pues de esta definición resulta ser que :

1 Culombio = 6,23 x 1018 electrones

Como el culombio puede no ser manejable en algunas aplicaciones, por ser demasiado grande, se utilizan también sus divisores:

1 miliculombio = la milésima parte del culombio por lo que :

1 Cul = 1.000 mCul

1 microculombio = la millonésima parte del culombio por lo que :  

1 Cul = 1.000.000 mCul

De todo lo anterior concluimos que los electrones y los protones tiene una propiedad llamada carga eléctrica, los neutrones son eléctricamente neutros ya que carecen de carga. Los electrones tienen una carga negativa mientras que los protones la tienen positiva.

El átomo está constituido por un núcleo. Un átomo normal es neutro, ya que tiene el mismo número de protones o cargas positivas que de electrones o cargas negativas. Sin embargo, un átomo puede ganar electrones y quedar cargado negativamente, o bien puede perderlos y cargarse positivamente.

La masa del protón es aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón, pero la magnitud de sus cargas eléctricas es la misma. Por tanto la carga de un electrón neutraliza la del protón.

EQUIPO Y MATERIAL:

Péndulo eléctrico

Electroscopio (laminillas de aluminio)

Varilla de vulcanita (negra)

Varilla de lucita (transparente)

Trapo de seda (Lina)

Trapo de lana (grueso)

Nota: El péndulo eléctrico será construido por los alumnos

DESARROLLO:

Verifiquen el montaje de los componentes del péndulo eléctrico

El péndulo eléctrico, esta formado por un hilo conductor y una esfera de médula de saúco colgada del hilo. El hilo esta amarrado de un soporte metálico.

Electrizar negativamente la barra de vulcanita frotándola con un trapo de lana, y luego acérquese lentamente hasta hacer contacto con la bolita de saúco del péndulo eléctrico como se observa en la figura siguiente.

Cabe aclarar que en este caso la barra de vulcanita se quedo electrizada negativamente por que el trapo de lana cedió electrones a la barra

Conteste lo siguiente:

Establezca una hipótesis:

Al acercar la barrita de vulcanita previamente electrizada negativamente atraerá las cargas positivas de la bolita de saúco, entonces la bolita se electrizara negativamente al perder sus cargas positivas, y la barra de vulcanita al tener exceso de cargas positivas, se electrizara positivamente y mientras ocurre todo este proceso la bolita se pegara a la barrita.

Describa sus observaciones del experimento:

Se noto claramente el cumplimento de la ley de las cargas al ser cargas diferentes se atraen (la barrita de vulcanita con carga negativa, atrajo las cargas positivas de la bolita de saúco)

Explique la causa del fenómeno observado

La causa de este fenómeno es que la cargas positivas tienen una cierta fuerza que las atrae hacia las cargas negativas, hasta que se juntan; como se observa en el siguiente esquema:

Electrizar la barrita de lucita frotándola con un trapo seco de seda, y luego acérquese lentamente hasta hacer contacto con la bolita de saúco (previamente neutralizada) del péndulo eléctrico.

En este caso se debe aclarar que la barra de lucita adquirió una carga positiva debido a que el trozo de seda se atrajo la mayoría de los electrones

Conteste lo siguiente:

Describa sus observaciones del experimento

Se observa el mismo fenómeno solo que en esta ocasión las cosas se invirtieron, por que la barra al tener una carga positiva, atrajo las cargas negativas de la bolita de saúco, entonces la bolita adquirió una carga positiva, al tener un déficit de electrones; en cambio la barrita de lucita adquirió una carga negativa por tener un exceso de electrones, lo que provoco que ambas se atraigan.

Explique la causa del fenómeno observado

La causa es que las cargas negativas ejercen cierta atracción a las cargas postivas, lo que provoca que se unan.

2. Verifique el montaje de los componentes que integran el electroscopio.

El electroscopio consta de dos láminas delgadas aluminio que están fijas en el extremo de una varilla metálica que pasa a través de un soporte de ebonita.

Electrizar negativamente la barra de vulcanita acérquese lentamente la barra a la esfera superior del electroscopio sin tocarlo como se observa en la figura

¿Que ocurre?

En este momento no ocurre nada solo hubo un arranque de electrones del soporte de ebonita con respecto a la barra de vulcanita, por lo cual la barra tiene una carga positiva en este momento, y el soporte una carga negativa como se ve en la figura 1

¿Qué pasa al retirar la barra de la esfera?

Se separaron las laminillas que conforman el electroscopio, hubo una pequeña abertura apenas perceptible entre ellas como se ve en la figura 2

Explique la causa del fenómeno observado

Lo que ocurrió es que al retirar la barrita las cargas negativas de la esfera de ebonita bajaron hacia las laminillas y al ser cargas iguales se rechazan por lo cual las lamillas se separan

Figura 1 Figura 2

Electrizar positivamente la barra de lucita. Toque la barra la esfera del electroscopio y luego retire la barra

¿Qué ocurre?

Lo que ocurrió al acercar la barra es que al tener carga positiva los electrones que poseía la esfera de ebonita fueron atraídos hacia la barra y por lo tanto esta adquirió una carga negativa por tener un exceso de electrones como se observa en la figura 3, entonces la esfera de ebonita adquirió una carga positiva por tener un déficit de electrones. Posteriormente al separar la barra la carga positiva de la ebonita bajo hacia las laminillas provocando que se separaran por tener un mismo tipo de carga en este caso positiva como se observa en la figura 4.

Explique la causa del fenómeno observado

Lo que ocurrió es que al retirar la barrita las cargas positivas de la esfera de ebonita bajaron hacia las laminillas y al ser cargas iguales se rechazan por lo cual las lamillas se separan

Figura 3 Figura 4

CUESTIONARIO

1.-¿Que es la Electricidad Estática?

Esto se refiere al momento en el que una carga eléctrica se encuentra estacionaria, o estática, esta produce fuerzas eléctricas sobre las otras cargas situadas en su misma región del espacio; cuando está en movimiento, produce además efectos magnéticos.

2.-¿Como se determina el tipo de carga eléctrica que tiene un cuerpo usando el electroscopio?

Midiendo la distancia a la que se separan estos conductores se puede calcular la cantidad de carga del cuerpo.

Electroscopio (esquema)

El electroscopio se emplea para detectar la presencia de cargas eléctricas, para determinar el signo de las mismas y para medir e indicar su magnitud. Este dibujo esquemático muestra las partes básicas del dispositivo: (a) y (a_) son láminas metálicas delgadas colgadas de un soporte metálico (b); (c) es un recipiente de vidrio, y (d) es una bola que recoge las cargas eléctricas. Las cargas (positivas o negativas) se conducen hasta las láminas a través del soporte metálico. Como las cargas iguales se repelen, las láminas se separan. La cantidad de carga se calcula midiendo la distancia entre las láminas.

La carga se puede determinar al separar el objeto de la esfera que recibe las cargas, ya que adquiere la carga contraria que tenia; es decir si al separarla tiene una carga positiva su carga inicial era negativa.

3.-¿QUE SE ENTIENDE POR ELECTRIZACION?

La electrización es el proceso mediante el cual un cuerpo adquiere una carga, esta electrización puede ser por:

A.- Electrización por Contacto

Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva.

B.- Electrización por Frotamiento

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros, ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

C.- Electrización por Inducción

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.
En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente
Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

4.-¿Cómo se carga un cuerpo por Inducción?

Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.
En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente
Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.

CONCLUSIONES

Esta práctica sirvió al alumno para establecer los principios más básicos de la electricidad, además nos demuestra las nociones de las cargas positivas y negativas, sus características y comportamiento, también nos demuestra como es que se puede medir una carga eléctrica y como se puede determinar si se trata de una carga positiva o negativa.

BIBLIOGRAFIA

Física 2 editorial Prentice Hall Autor: Ricardo León Cabrera

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http://www.uv.es/~bertomeu/material/museo/instru/electro/electro3.htm

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Física editorial Castillo Autor: Héctor H. Romo Marín

Biblioteca Temática Larousse, Tomo 31 Física, energía