Informe Laboratorio Física II (Electroscopio)

Informe 2. 1. Título: Electroscopio 2. Objetivos: General: Producir, observar y analizar fenómenos electroestáticos Específicos: · Estudiar el comportamiento de un material que ha sido cargado eléctricamente, a partir del uso de un electroscopio · Determinar que material adquiere electrones en el proceso de carga entre dos objetos. · Describir el comportamiento físico en términos de los dos tipos de carga eléctrica. · Llegar a una aproximación al concepto de carga eléctrica y sus propiedades por la vía experimental. 3. Marco teórico: Todos los cuerpos estan compuestos de átomos, los cuales a la vez, estan compuestos de partículas subatómicas, llamadas electrones, protones y neutrones. Los electrones giran en órbitas alrededor de un núcleo compuesto de protones y neutrones, similar a como lo hacen los planetas alrededor del sol. En el año 600 a.C. los griegos notaron que al frotar ámbar con lana, el ámbar cuando se acercaba a ciertos objetos los atraía; estos fueron los primeros pasos para descubrir un nuevo tipo de fuerza, la cual en la actualidad es conocida como fuerza eléctrica; y gracias a los avances cientificos y tecnologicos,se sabe que esta fuerza está ligada con el comportamiento de las partículas subatómicas, especialmente con la de los electrones, de ahí la palabra electricidad. Mas adelante se noto que el ambar no solo atraia ciertos objetos, si no tambien repelia otros, y este comportamiento no era exclusivamente del ambar, tambien se presentaba en otros como el vidrio, el plastico, los metales e inclusive la piel humana; todas estas observaciones permitieron que se distinguieran dos clases de comportamiento de la misma fuerza; cuando atre y cuando repele, lo cual sirvió de base a Benjamin Franklin para concluir que los objetos al ser rozados uno con otro, intercambiaban electrones quedando “cargados” eléctricamente, es decir uno perdia y el otros aceptaba electrones, clasificando al que acepta electrones con carga negativa, al que cede electrones con carga positiva, y cuando no cede ni acepta con carga neutra, esta clasificación es la que se usa en la actualidad. “Cargas Iguales se Repelen, y Cargas Contrarias se Atraen” Hoy en dia, podemos saber que pasa exactamente a nivel microscópico cuando se frota un material con otro, y predecir el comportamiento que este tendrá después, a este fenómeno de cargar eléctricamente un material, se le conoce como ELECTRIZACIÓN, y existen diversos métodos para lograrlo, en este informe nos enfocaremos en tres de estos métodos: por fricción, por conducción y por inducción.

Carga por Conducción: Este concepto se refiere a la transmisión de electrones entre superficies en busca de un equilibrio eléctrico dinámico. Cuando se tiene un objeto previamente cargado negativamente éste puede ceder parte de sus electrones, al entrar en contacto con un objeto de carga neutra, hasta alcanzar el equilibrio dinámico; dándole a éste una carga negativa. Para el caso contrario, es decir, cuando el objeto previamente cargado tiene un déficit de electrones, éste tiende a aceptar o atraer electrones buscando un equilibrio de carga, dándole al objeto neutro una nueva carga positiva. Carga por Inducción: Igual al método anterior, en este interactuan un objeto cargado previamente y otro con carga neutra. En este método de carga, se acerca el objeto cargado previamente al objeto con carga neutra sin haber contacto, debido a la influencia de la carga del primer objeto, los electrones se reorganizan en el segundo objeto, dejando una concentración negativa en un lado y una concentración positiva al otro lado de este. Por ejemplo, si se tiene una varilla con carga negativa, y esta se acerca a una esfera con carga neutra, la influencia de los electrones de la varilla repelen a los electrones de la esfera, dandole a si una concentración de carga negativa al extremo más alejado de la varilla, y una concentración de carga positiva en el extremo más próximo a la varilla, luego se procede a conectar la esfera a la tierra mediante un material conductor, trasladando los electrones concentrados de la esfera hacia la tierra, y al momento de retirar la varilla y el material conductor, la esfera queda con carga positiva. Carga por Fricción: Cuando dos objetos de distinto material se frotan generando fricción, al nivel microscópico se esta realizando un traspaso de electrones de uno de los objetos hacia el otro, debido a que los átomos de la superficie de estos dos objetos entran en contacto, y por lo tanto, los electrones que estan más alejados del núcleo de su respectivo átomo, pueden ser fácilmente cedidos o traspasados a los átomos del otro objeto, quedando uno de los objetos con un exceso de electrones (carga negativa) y el otro con un déficit (carga positiva). El criterio para saber cual material cede electrones y cual acepta, depende de muchas variables, como son la estructura atómica del material, la electronegatividad, etc. Estos aspectos se han estudiado a profundidad y se han organizado los resultados de forma coherente en la tabla que se presenta a continuación (Tabla No.1), denominada como serie triboeléctrica (del griego “tribos” significa rozamiento) [1]. La cual esta desarrollada con base en el estudio del Efecto Triboeléctrico, el cual consiste en un fenómeno ocasionado por las características atómicas de los diferentes materiales y su comportamiento al ser puestos en contacto puesto que se refiere a la adquisición de carga por intercambio de electrones a partir del contacto de dos superficies seguido por su inmediata separación [2].

en está se indica de acuerdo a su ubicación la afinidad de este por los electrones. se transfieren electrones de los materiales ubicados en la parte superior de la tabla a la inferior.

Como gran parte de los fenómenos eléctricos están ligados a las propiedades de los materiales usados, su estudio no es desligable del tema que concierne a este documento. De manera general se clasifican como aislantes o conductores; donde se habla de los primeros como aquellos en los que los electrones estan ligados a los átomos próximos y no se pueden mover. Mientras que en los conductores los electrones pueden moverse libremente, esto se presenta gracias a que en este tipo de materiales los electrones más externos presentan enlaces más débiles que los internos pues ostentan una carga nuclear efectiva menor. El enlace de los electrones de cada átomo individual se reduce debido a la interacción con los átomos próximos lo que hace que uno o más de los electrones externos de cada átomo queden en libertad para moverse y transportar carga.[1] Teniendo claros los conceptos presentados con anterioridad es posible entonces comprender el funcionamiento del elemento esencial de ésta practica el Electroscopio [3]: El electroscopio es un dispositivo sencillo utilizado para mostrar las caracteristicas de la carga electrica, a continuación se presenta un esquema de este:

- Proceso de Carga por Inducción: Cuando un objeto cargado negativamente es acercado al la zona A (Figura.1) del electroscopio, los electrones en esta son repelidos creando una ausencia de carga negativa (generalizada como carga positiva) en la región. Las carga negativas que fueron repelidas de la zona A se transmite entonces a la parte inferior haciendo que la lámina se separe (como se muestra en la Figura.2), por las fuerzas de

repulsión.

Si por el contrario el objeto que es acercado al electroscopio se encuentra cargado positivamente, los electrones de la zona B se ven atraídos a este lo que genera a su vez una ausencia de carga negativa en la zona B tanto en el extremo fijo como en el móvil generando que estos se repelan, como se ilustra en la Figura 3.

- Proceso de carga por conducción: En los procesos de carga por inducción se plantea necesario el contacto entre el objeto cargado y el electroscopio.En el caso de estar cargado negativamente el exceso de electrones es transmitido al electroscopio cargándolo negativamente lo que hace que la lámina sea repelida. Si por el contrario es positiva, la ausencia de electrones en el objeto generará atracción de estos hacia el objeto y el contacto permitirá su transmisión haciendo que luego de retirar el objeto el electroscopio presente ausencia de electrones, lo que se traduce en que queda cargado positivamente haciendo que la lamina ascienda. Es precisamente por lo expuesto anteriormente que un electroscopio brinda información únicamente de si el objeto que se acerca presenta una carga neta o no. No especifica si es negativa o positiva. Para determinar el tipo de carga usando un electroscopio es necesario tener otro objeto del cual se conosca la carga.Así por ejemplo: se conoce que al rozar una tela con un fragmento de vidrio este adquiere una carga positiva así que, se toma el objeto cargado a evaluar y se pone en contacto con el electroscopio asi se dara una transferencia de cargas por conducción y el electroscopio quedará cargado. Posteriormente se toma el fragmento de vidrio del cual se conoce ostenta una carga positiva, y se acerca al electroscopio si la lámina es repelida se determina entonces que el objeto que se está evaluando posee una carga positiva, si por el contrario la lámina desciende se interpreta que posee una carga negativa.

4.

Instrumentación

Para la realización de esta experiencia, usamos un electroscopio que básicamente consiste en un recipiente aislante el cual tiene, por su centro, una varilla conductora y en su extremo dos placas de material igualmente conductor que se mueven (se separan y se juntan) al electrificarse bien sea por inducción o por conducción.(Figura.1) Para verificar la veracidad de esto, utilizamos distintos materiales para frotarlos unos con otros y a través del electroscopio poder ver la conducción de carga eléctrica. A continuación se mencionan los materiales que intervinieron en la actividad: · · · · · · · · · ·

5.

Tubo PVC barra de acrilico Disco de aluminio Barra de vidrio Tela-poliester Paño de algodón Lamina de acrilico Madera Lamina de acrilico Lamina

de

acetato

Procedimiento:

Para la realizacion de esta experiencia se debe tener en cuenta el siguiente procedimiento 1. Con los materiales presentados con anterioridad se procede a frotar, en orden, diferentes combinaciones de estos elementos . 2. Se toma el material que ha sido frotado y se acerca a la parte conductora del electroscopio. 3. Se observa el efecto producido.

6.

Datos y análisis

Mediante el contacto de algunos de estos materiales a partir del rozamiento se pudo conseguir que varias de las combinaciones efectuadas se cargaran eléctricamente lo cual se pudo observar mediante la separación de la láminas presentes en el electroscopio. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos Tabla No.2 parejas de objetos frotados con su respectiva reacción al electroscopio de mayor a menor.

Objeto frotado

Material con el que se frotó

Reacción de las láminas del electroscopio

Disco de aluminio

Lámina de acrilico

Separación

Lamina de acrilico

Tela-Poliester

Separación

Tubo de PVC

lamina de acetato

Separación

Tubo de PVC

lamina acrilico

de

Separación

Barra de acrílico

lamina de acetato

Separación

Tubo de PVC

Tela - algodon

Separación

Tubo de PVC

Tela-poliester

Separación

Tubo de PVC

Disco de aluminio

Separación

Tubo de PVC

alambre cobre

de

Separación

Disco de aluminio

tela

de

Separación

Vidrio

Tubo de PVC

No reaccionó

vidrio

lamina de acetato

No reaccionó

Vidrio

Tela-algodon

No reaccionó

vidrio

Tela-poliester

No reaccionó

Vidrio

Disco de aluminio

No reaccionó

Madera

Tubo de PVC

No reaccionó

algodon

Madera

Tela-algodon

No reaccionó

Madera

Tela-poliester

No reaccionó

lamina de acetato

Tela-poliester

No reaccionó

Basándose en la serie triboeléctrica planteada en el marco teórico se puede conocer quien esta recibiendo los electrones y eso se estima dependiendo de la locación de cada material en la serie, es decir, quien está más arriba en la serie será el que cargue negativamente el otro material, ademas de esto, tendrán mayor carga los materiales que están más separados en dicha serie. Como se puede observar, los objetos que produjeron una respuesta más alta en el electroscopio fueron el disco de aluminio con lámina de acrílico lo cual concuerda con la teoría planteada por la serie triboeléctrica en cuanto a que la separación entre ellos es vital para la cantidad de carga eléctrica vayan a tener, pero no lo cumple al pie de la letra puesto que hay otras parejas que estan más separadas y mostraron un menor efecto (por ejemplo, el Tubo de PVC y el disco de aluminio), esto se debe a que el efecto triboeléctrico también depende del ambiente en el que este ademas de de la fuerza aplicada en la fricción para conseguir la mayor respuesta posible. Hay casos en donde es coherente la teoría siendo este el caso del disco aluminio y la tela de algodon quienes están muy cerca y dieron una respuesta muy tenue en el electroscopio. Otro caso en el que debería tener una buena respuesta en el electroscopio es la combinación de la madera y la tela de poliéster los cuales dieron un resultado que contradice la serie triboeléctrica puesto que entre ellos hay una gran separacion de posicion, sin embargo no se observó respuesta alguna por parte del electroscopio. Lo anterior se podría explicar en los factores que no se tuvieron en consideración como es el caso del ambiente y el estado en el que estaban los objetos ademas del tiempo de rozamiento que se produjo entre ellos, aunque no se descarta la presencia de errores de tipo personal en el desarrollo de la práctica.

7.

Conclusiones

-

-

-

8.

Contando con la base teórica proporcionada por las series Triboeléctricas fue posible identificar el sentido de la transferencia de las cargas, teniendo en consideración el material utilizado. Se logró determinar como es el comportamiento de los electrones de un objeto en el proceso de carga por fricción. La práctica permitió la observación del fenómeno de transferencia de carga eléctrica, tanto por inducción, conducción como por fricción. Identificando cada una de estas modalidades Se determinó que el fenómeno observado en el material cuando este es cargado (por conducción o inducción) es producto de una redistribución de sus electrones. Se presentó el electroscopio como una herramienta para la identificación de la presencia de carga en un objeto más no para la identificación de esta. Para este propósito se ilustraron dos procedimientos (mediante el uso de una objeto de carga conocida como referencia y bajo la literatura con la implementación de las series Triboeléctricas).

Bibliografia:

Hugh D. Young y Roger A. Freedman, “Cap 21: Carga electrica y Campo electrico” en el libro de “Fisica Universitaria con Fisica Moderna” (12a Edicion) , Editorial PEARSON EDUCATION, Mexico 2009. WALES, Jimmy. Electrizacion. Wikipedia, La Enciclopedia Libre. Massachusetts, (EE.UU). 2013. Disponible en: http://es.wikipedia.org/wiki/Electrizaci%C3%B3n [1] Paul Allen Tipler, Gene Mosca “Física para la ciencia y la tecnología” : Electricidad y Magnetismo, Volumen 2, Parte 1 Ed. Reverté. New York 2003. [2] Física Uson. Serie triboeléctrica. [Online]. Disponible en: http://www.tochtli.fisica.uson.mx/electro/triboelectrica.htm (Consultado el 6 de Octubre del 2013) [3] Jerry D. Wilson, Anthony J. Buffa, Física. (Quinta Edición), Editorial .PEARSON, México 2003. [4] Yau-Jong Twu, “AP Physics B Lessons with Ms.Twu: Static Electricity 2: Electroscope, Charge by Conduction vs Induction” [Video en linea] Disponible en: http://www.youtube.com/watch?v=Letm4xj6N50&list=PLYrW2nhT2lUWILUYxzWeYrFhckhdqrcM (consultado en 4 de Octubre de 2013).