Campanas de Franklin

UNIVERS NIVERSIDAD DE CU C UENCA ENCA FACULTAD DE INGENIER ING ENIERÍA ÍA

ESC UELA UELA DE INGENIER ING ENIERÍA ELÉCT ÉCTRICA RICA LABOR ABORATO ATORIO DE FÍSIC ÍSICAA-EL ELECT ECTRICIDAD IC IDAD Y MAG MAGNETISMO ISMO TRABAJ O FINAL INAL GRUPO 8 INT INTEGRAN EGRANT TES: EDGAR DGAR GAR GARAY EDISON ORTEGA VICT VICTOR VIÑANZAC VIÑANZACA A

C AMPANAS MPANAS DE DE FR FRANKLIN 1. Objetivo Objetivo Gener G eneral al a ) Analizar y comprobar el funcionamiento del experimento de las campanas de Franklin

2. Ob Objeti jetivos vos Espec Específ ífic icos: os: a) b) c) d)

Comprobar funcionamiento campanas de Franklin. Desc Desc rib rib ir el princ princiip io de funcionami funciona miento ento de las campa ca mpanas nas de Fra nkli nklin. n. Demostrar las cargas eléctricas con ayuda de la electricidad estática Comprobar el principio de conservación de la carga, energía electrostática y fuerz fuerza elec tros trostáti tátic ca.

3. Introducción Benjamín Fr Franklin anklin des d esarr arrollo ollo un e xpe rimento p ara una demos de mostr trac ac ión c ualitati ualitativa va d e la carga eléctrica. El experimente denominado las campanas de Franklin se de sa rrolló en e n el si sig lo 18. 18. Fr Fra nklin nklin estudió estudió la elec ele c tricida tricida d p rod ucida uc ida p or los ra yos, yos, notó la presencia de cargas electrostáticas en la atmósfera cuando se aproximaba una tormenta, y diseñó un experimento en el que conectaba uno de los cables a su pararrayos y el otro a una bomba de agua de hierro, que hacía de tierra, este experimento consistió básicamente en poner una plancha metálica en un punto alto alto y co nectarl nectarla c on un ca ble a una c ampana y otr otra ca mpana se c onectó onec tó a tier tierrra y se situó a corta distancia de la primera campana. En medio, se ubicó un péndulo suspendido. Entonces cuando una nube cargada eléctricamente pasaba por enc ima del d el dis dispos po sitivo, tivo, por induc induc c ión c reaba ea ba una sep separac araciión de d e c argas que ha c ía que la campana primera atrajera al péndulo produciendo un sonido. Al tocar el péndulo la campana adquiría su misma carga y como cargas del mismo signo se repelen, el péndulo salía despedido hacia la segunda campana que estaba conectada a tierra, así que el péndulo se descargaba a tierra y quedaba neutro

con lo c ual era nuevamente atraído hac ia la primera campa na, y así un ciclo que hacía sonar a las dos campanas. Por lo que se denominó al experimento como las campanas de Franklin.[1]

4. Sustento Teórico 3.1.Carga eléctrica La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas sub-atómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos elec tromagnéticos siendo, a su vez, ge neradora de ellos. La interac c ión e ntre carga y ca mpo eléctrico e s la fuente d e una de las cuatro fuerzas fundamentales, la fuerza electromagnética. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por definición, los electrones tienen carga 1. Los protones tienen la c arga opuesta, +1, en o tras pa labras ambas ca rga s la d e los protones (positiva) y la de los electrones (negativa) son iguales, aunque de signo contrario. Entre los electrones y los protones se ejercen fuerzas de atracción, los protones que son de carga eléctrica positiva y se repelen entre sí. Los electrones son de carga eléctrica negativa y se repelen entre sí. Los neutrones no tienen carga eléctrica. En el Sistema Internacional de Unidades la unidad de carga eléctrica se denomina Culombio (símbolo C). Se define como la cantidad de carga que pasa por una sección en 1 segundo cuando la corriente eléctrica es de 1amperio. [2]

3.2.Cargas Positivas y Negativas Si se toma una varilla de vidrio y se frota con seda colgándola de un hilo largo (también de seda), se observa que al aproximar una segunda varilla (frotada con sed a) se p rod uce una repulsión mutua. Cualquier sustancia frotada con cualquier otra, en condiciones apropiadas, recibe carga en cierto grado. Sea cual sea la sustancia a la que se le comunicó carga eléc trica se verá que, si rep ele al vidrio, a trae rá a la ebo nita y viceversa. No existen cuerpos electrificados que muestren comportamientos de otro tipo. Es decir, no se observan cuerpos electrificados que atraigan o repelan a las barras de vidrio y de eb onita simultáneamente: si el cuerpo sujeto a ob servación atrae al vidrio, repelerá a la barra de ebonita y si atrae a la ba rra de ebonita, repelerá a la de vidrio. La conc lusión d e tales experienc ias es que sólo hay dos tipo s de carga y que c arga s similares se repelen y cargas diferentes se atraen. Benjamín Franklin denominó positivas a las que aparecen en el vidrio y negativas a las que aparecen en la ebonita. [3]

3.3.Origen de las Cargas Las cargas se originas por la existencia de un fluido eléctrico, que se transfiere de un cuerpo a otro. El frotamiento seria la causa de la transferencia, haciendo que un cuerpo quede electrizado positivamente mientras que el otro cuerpo quedaría electrizado negativamente, entonces con este concepto se dice que la carga eléctrica ni se crea ni se destruye si no, se transfiere. Un cuerpo no electrizado posee el mismo número de electrones que de protones. Cuando se frotan dos cuerpos hay una transferencia de electrones de uno hacia otro y el cuerpo que presenta exceso de electrones queda cargado negativamente, mientras que el que los perdió presenta un exceso de protones provocando la existencia de carga eléctrica positiva, en otras palabras se desplazan los electrones debido a la po sición que oc upan en el átomo y po r ende en la molécula que forma el material. Así, los protones quedan fijos en los núcleos

atómico s, mientras que los elec trones, más libres que los compo nentes nucleares, se desplazan de un lugar a otro. Otro aspecto importante del modelo de la electric ida d de Franklin es que la c arga eléc trica siempre se c onserva. Es decir, cuand o un c uerpo es frotado contra otro, no se crea carga en el proceso, sino que existe una transferencia de cargas entre un cuerpo y el otro. [2]

3.4.Aislantes y Conductores Hay ciertos metales o materiales en que los electrones más alejados de los núcleos respectivos adq uieren libertad de movimiento en el interior del sólido. Estas partículas se denominan electrones libres y son el vehículo mediante el cual se transporta la carga eléc trica. Estas sustanc ias se de nominan c onductores. Pero también existen ma teriales en los cuales los elec trones están firmemente unido s a sus respectivos átomos. En consec uenc ia, estas sustanc ias no p oseen electrone s libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos, estas son denominadas aislantes o dieléc tricos. El vidrio, la ebonita o el plástico son ejemplos típicos. Entre los bue nos conductores y los dieléctricos existen múltiples situac iones intermedias entre ellas destacan los materiales semiconductores por su importancia en la fabricac ión d e d ispo sitivos elec trónicos que son la b ase de la a ctual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se comportan como dieléctricos, pero sus propiedad es conductoras pueden ser alterada s con c ierta fac ilida d mejorando su conductividad en forma prodigiosa ya sea mediante pequeños cambios en su composición, sometiéndolos a temperaturas elevada s o a intensa iluminac ión.

3.5.Principio de la conservación "La carga eléctrica total en un sistema aislado (la suma algebraica de la carga positiva y negativa presente en un cierto instante) no varía nunca". El Principio de conservación de la energía indica que la energía no se crea ni se destruye; sólo se transforma de unas formas en otras. En estas transformaciones, la energía total permanece constante; es decir, la energía total es la misma antes y después de cad a transformac ión. En el caso de la energía mecánica se puede concluir que, en ausencia de rozamientos y sin intervención de ningún trabajo externo, la suma de las energías cinética y potencial permanece constante. Este fenómeno se conoce con el nombre de Principio de c onservac ión d e la energía mec ánica. [4]

3.6. Electricidad estática La electric ida d estática e s un fenómeno que se d ebe a una ac umulación de c argas eléctricas en un objeto. Esta a cumulac ión puede da r luga r a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la “electricidad estática" era algo diferente de las otras cargas eléctricas. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales. La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superfic ie d el otro ma terial que ofrec e niveles energéticos más favorables, o c uando partículas ionizadas se depositan en un material, como por ejemplo, ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. La cap ac ida d de elec trificac ión de los cuerpos por rozamiento se d enomina efecto triboeléctrico, existiendo una clasificación de los distintos materiales denominada sec uenc ia tribo eléc trica. Al frotar do s objetos no conductores se genera una gran cantidad de electricidad estática. Este efecto no se debe a la

fricc ión pues do s superfic ies no c onductoras pueden carga rse por efecto de po sarse una sob re la otra. Se deb e a que al frotar dos objetos aumenta el contacto entre las do s supe rfic ies. Habitualmente los aislantes son b uenos pa ra generar y para conservar cargas superficiales. Algunos ejemplos de estas sustancias son el caucho, el plástico o el vidrio.

3.7. Ley de Coulomb La ley de Coulomb establece cómo es la fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales, constituye el punto de partida de la Electrostática como ciencia cuantitativa. Entendemos por ca rga puntual una c arga eléctrica loca lizad a en un punto geométrico del espa cio. Evidentemente, una carga puntual no existe, es una idealización, pero constituye una buena aproximación cuando estamos estudiándola interacción entre cuerpos cargados eléctricamente cuyas dimensiones son muy pequeñas en compa rac ión c on la d istanc ia q ue existen entre ellos. La Ley de C oulomb d ice q ue "la fuerza elec trostátic a entre dos carga s puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distanc ia que las sep ara, y tiene la direc c ión de la línea q ue las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son designo contrario".

3.8. Campo eléctrico Las cargas eléctricas originan influencias en el espacio físico que las rodea. Ese espa c io que rodea una carga eléc trica es sede de un ca mpo de fuerzas. El campo de fuerzas que sufre p erturba ciones se denomina campo eléc trico o elec trostático. Para medir el grado de perturba c ión q ue la c arga ejerce en su entorno se emplea una magnitud física que se llama intensidad del campo eléctrico, que es la fuerza que la carga ejerce sobre la unidad de carga eléctrica positiva colocada en el punto que se considere. Se define la intensidad de un campo eléctrico como el cociente que resulta dividir la fuerza entre la carga de prueba

5. Materiales: Laboratorio: Estudiantes: a) Dos latas de cola b) Dos pa lillos de madera c ) Papel aluminio d) 4 rodamientos e) Hilo f) Pegamento g) Peda zo d e madera para la b ase h) Alambre conductor i) Borneras  j) Raqueta mata mosquitos k) C inta aislante l) Lija m)  Talad ro n) Brocas

6. Procedimiento: Primero se debe pegar con cinta adhesiva los dos trozos de cable de aproximadamente 25 cm a los extremos de la raqueta mata mosquitos que actúa como generador de electrones, asegurando que haga buen contacto. Al otro extremo de ese c onduc tor se debe peg ar en alguna p arte d e la lata de refresco es decir sobre el aluminio p ara que haga b uen contacto también.

Para hac er el péndulo q ue será el que golpea rá las campa nas, hacemos bolitas de pa pel aluminio y las atamos a un trozo de hilo, y las suspende mos de un peda zo d e madera como se muestra en la imagen.

Para variar las distanc ias entre las latas le colocamos unos rod illos que nos permite ajustar la distancia entre cada lata.

7. Funcionamiento: Cuando encendemos y apagamos la raqueta mata mosquitos se crea un campo eléctrico y gracias al conductor que va hacia las latas, la misma queda cargada electrostáticamente. El pénd ulo no tiene c arga eléc trica, por lo que a l estar cargad a la lata d e la derec ha lo atrae. Una vez que el péndulo entra en contacto con la lata de refrescos, se carga, y lo hace del mismo signo. Es decir, tanto la lata como el péndulo tienen cargas del mismo signo o la misma polaridad. Al ser iguales, se repelen. Ahora tenemos un péndulo c argad o, y una lata sin c arga. Es por eso q ue el péndulo va hac ia ella. C uando entran en c ontac to, el péndulo c ede su ca rga a la lata.

8. Conclusiones: La acumulación de cargas atrae a la bolita de papel de aluminio que al tocar la lata, se carga de electricidad del mismo signo y por la repulsión eléctrica entre las carga s de la bo lita y de la lata, reb ota y se dirige hac ia la lata situada a la izquierda. La longitud del hilo de be ser sufic iente p ara pe rmitir que la bolita pueda tocar ambas latas en su movimiento o scilatorio. Para que se mueva la b olita de pa pel aluminio el ca mpo eléctrico c rea do entre las latas debe ser de suficientemente grande para originar la fuerza necesaria para produc ir una o sc ilac ión que permita el contac to entre la b olita y las latas.

9. Bibliografía. [1] “Experimento - C ampanas de Franklin - Doc umentos de Investiga c ión Sleeplessnights,” Buenas Tareas. [Online]. Available: http://www.buenastareas.com/ensayos/Experimento-Campanas-DeFranklin/ 46458678.html. [Accessed: 24-J ul-2015]. [2] “C ampana de Franklin,” Scribd . [Online]. Available: https:// es.scribd .com/ do c/ 79924641/C ampana-de-Franklin. [Ac cessed : 24-J ul-2015]. [3] F. Universitaria, “Novena Edición Tomo Ii,” Editor. Ad dison Wesley Longman Mé xico SA C V Franc is Sea rs-Zema nsky-Young –Free dma n Freynman Lect. Ohysics, vol. 2. [4] “I - C arga eléctrica ley de coulomb y principio de conservac ion de la carga ,” Scribd. [Online]. Available: https://es.scribd.com/doc/296909/I-Carga-electrica-ley-decoulomb-y-principio-de-c onservacion-de-la-c arga. [Ac cessed : 24-J ul-2015].