LABORATORIO FÍSICA No.1

LABORATORIO No. 1 FÍSICA II “ELECTROSTÁTICA”

SONIA CONSTANZA GÓMEZ B. DIANA CÁRDENAS FABIAN GUTIERREZ INTEGRANTES

JAIME BUITRAGO AGUIRRE DOCENTE

UNIVERSIDAD PILOTO DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA FÍSICA II – LABORATORIO BOGOTÁ D.C, FEBRERO 18 DE 2011

LABORATORIO No. 1 – ELECTROSTÁTICA

OBJETIVOS 1. Observar la presencia de la fuerza entre cargas eléctricas. 2. Deducir experimentalmente la existencia de los dos tipos de carga eléctrica (positiva y negativa). 3. Observar la diferencia del comportamiento de materiales conductores y materiales aisladores o dieléctricos.

MARCO TEÓRICO Para realizar la práctica, empleamos un instrumento conocido como Electroscopio, el cual se emplea para detectar la carga eléctrica y observar algunas de sus propiedades. Los materiales conductores, generalmente en los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo, y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de carga. Los materiales aislantes o dieléctricos, son aquellos en que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos. Al depositar una carga eléctrica en ellos, la electrización se mantiene localmente. La carga por contacto se da porque se transfiere gran cantidad de electrones porque la fricción aumenta el contacto de un material con el otro. Los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, pero los más externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La carga por inducción ocurre al cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargada.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1. Tomamos una barra de ebonita y la frotamos fuertemente contra un pedazo de lana, luego la acercamos a la esfera del electroscopio, sin tocarla.  Resultado: Las láminas de oro se repelen, y al retirar la barra de ebonita, nuevamente las láminas se atraen mutuamente.  Análisis: Al acercar la ebonita cargada negativamente (posee exceso de electrones) al electroscopio, la carga positiva es atraída hacia el extremo más cercano a la barra, mientras que la carga negativa se acumula en el otro extremo, distribuyéndose entre las dos láminas del electroscopio, pues hizo que los electrones se dirigieran hacia las láminas y que los protones se aproximen lo mayor posible al material. En definitiva, los dos extremos (láminas) del electroscopio quedaron cargados negativamente y como las cargas de un mismo signo se repelen las hojas del electroscopio se alejan. 2. Tomamos de nuevo la barra de ebonita y la frotamos contra el pedazo de lana o seda, luego tocamos con ella la esfera del electroscopio, y posteriormente la retiramos.  Resultado: Las láminas de oro nuevamente se repelen, y si retiramos la barra de ebonita, las láminas se atraen entre sí.  Análisis: Al tocar la esfera del electroscopio con la ebonita cargada negativamente, la carga positiva es atraída hacia el extremo más cercano a la barra, mientras que la carga negativa se acumula en el otro extremo , debido a que la ebonita le transfiere electrones al electroscopiodistribuyéndose entre las dos láminas del instrumento.

Así entonces, las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas negativamente y por tanto hubo una repulsión entre las hojas del electroscopio, puesto que la barra le transfirió electrones a este último, alejándose entre ellas. Al retirar la barra de ebonita las cargas positivas y negativas del electroscopio se redistribuyen, por tanto la fuerza de repulsión entre las láminas desaparece y éstas se atraen otra vez. 3. Ahora tomamos una barra de vidrio y la frotamos con un pedazo de paño, luego la acercamos a la esfera del electroscopio, sin tocarla. Inmediatamente después realizamos la misma operación, pero esta vez si tocamos la esfera del electroscopio.  Resultado: En los dos casos, las láminas de oro se repelen, y luego al retirar la barra de vidrio, las láminas se atraen nuevamente.  Análisis: Al tocar la esfera del electroscopio con la barra de vidrio cargada, o solamente acercarla, la carga negativa es atraída hacia el extremo más cercano a la barra, mientras que la carga positiva se acumula en el otro extremo, distribuyéndose entre las dos láminas del electroscopio. Así entonces, las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas positivamente y por tanto hubo una repulsión entre las hojas del electroscopio, por la transferencia de electrones de éste hacia la barra, alejándose. Al retirar la barra de vidrio las cargas positivas y negativas del electroscopio se redistribuyen, por tanto la fuerza de repulsión entre las láminas desaparece y éstas se atraen otra vez. Pregunta: Podría usted asegurar que estos hechos experimentales demuestran la existencia de dos tipos de carga diferentes?. Justifique su respuesta. Rta. En efecto podemos asegurar el razonamiento anterior, pues podemos comprobar que el electroscopio reaccionó con los dos tipos de materiales, sabiendo nosotros de antemano que la ebonita se carga negativamente con un trozo de lana y el vidrio se carga positivamente al frotarlo con un paño.

4. De nuevo cogemos la barra de ebonita y la frotamos con un pedazo de lana, con ella tocamos la esfera del electroscopio; luego tocamos la esfera con el dedo (contacto a tierra).

 Resultado: Al tocar la esfera con la barra, las láminas de oro se repelen, y luego al poner el dedo en la esfera sin retirar la barra, las láminas se atraen entre sí.  Análisis: Posteriormente de haber cargado el electroscopio por contacto con una barra de ebonita, como se vio previamente, éste quedó con carga negativa (exceso de electrones); al hacer el contacto a tierra, tocando con el dedo la esfera del electroscopio, esto ocasionó que el exceso de electrones del electroscopio se dirigiera hacia la tierra. Como resultado de ello, el electroscopio de descargó (quedó con igual número de electrones y de protones). 5. Esta vez tomamos la barra de vidrio y la frotamos con un pedazo de paño, con ella tocamos la esfera del electroscopio y luego tocamos la esfera con el dedo (contacto a tierra).  Resultado: Al tocar la esfera con la barra de vidrio, las láminas de oro presentan efecto de repulsión, y luego al poner el dedo en la esfera sin retirar la barra, las láminas mantienen su repulsión.  Análisis: Sabiendo que por contacto con el vidrio (previamente cargado) el electroscopio queda cargado positivamente, al tocar con el dedo su esfera para generar contacto a tierra, el exceso de electrones que se tenía se compensa, debido a que éstos viajaron desde la tierra hacia el electroscopio. De ésta manera este último se descarga (queda con igual número de cargas). 6. Ahora nuevamente tomamos la barra de ebonita y la frotamos con un pedazo de lana, con ella tocamos la esfera del electroscopio y luego acercamos (sin tocar) la barra de vidrio cargada. Después la retiramos y en seguida acercamos otra barra de ebonita cargada.  Resultado: Al tocar la esfera con la barra de ebonita, las láminas de oro se repelen entre sí, al acercar la barra de vidrio a la esfera, las láminas tratan de atraerse levemente. Al retirar esta barra y acercar la otra barra de ebonita, las láminas de oro se vuelven a repeler mutuamente.

 Análisis: Como ya observamos, las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas del electroscopio, alejándose. Al acercar la barra de vidrio a la esfera del electroscopio, las láminas casi no se mueven, como consecuencia de la fuerza de atracción, ya que el electroscopio se encuentra con carga negativa y la barra de vidrio con positiva, por tanto la fuerza de repulsión es baja, porque hay un mayor número de electrones que de protones. Pero al acercarse ahora la barra de ebonita, las láminas se alejan como resultado de la fuerza de repulsión: el electroscopio se encuentra cargado negativamente y la ebonita también, y como las cargas del mismos signo se repelen, las láminas de oro se separan.

7. Ahora nuevamente tomamos la barra de vidrio y la frotamos con un pedazo de paño, con ella tocamos la esfera del electroscopio y luego acercamos (sin tocar) la barra de ebonita cargada. Después la retiramos y en seguida acercamos otra barra de vidrio cargada.  Resultado: Al tocar la esfera con la barra de vidrio, las láminas de oro se repelen; al acercar la barra de ebonita a la esfera, las láminas tratan levemente de atraerse. Al retirar esta barra y acercar la otra barra de vidrio, las láminas de oro se vuelven a repeler.  Análisis: Para este caso ya vimos que las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas positivamente y en consecuencia hubo una repulsión entre las hojas del electroscopio, alejándose. Al acercar la barra de ebonita a la esfera del electroscopio, las láminas casi no se mueven, por efecto de la fuerza de atracción, ya que el electroscopio se encuentra con carga positiva y la barra de ebonita con negativa, por ende la fuerza de repulsión es baja, porque hay un mayor número de protones que de electrones. Luego al acercarse ahora la barra de vidrio, las láminas se alejan como resultado de la fuerza de repulsión: el electroscopio se encuentra cargado positivamente y el vidrio también, y ya que las cargas del mismo signo se repelen, las láminas de oro se separan.

8. Carga de un electroscopio por Inducción. Nuevamente tomamos la barra de ebonita y la frotamos con un pedazo de lana, la acercamos a la esfera del electroscopio sin tocarla. Luego, sin retirar la ebonita tocamos la esfera con el dedo; retiramos el contacto a tierra y finalmente la barra de ebonita.  Resultado: Al acercar a la esfera la barra de ebonita, las láminas de oro se repelen; al hacer el contacto a tierra con el dedo, las láminas mantienen su repulsión. Al retirar el dedo, las láminas de oro continúan con su efecto de repulsión y cuando finalmente retiramos la barra de ebonita, el electroscopio mantiene su carga.  Análisis: Como ya vimos, las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas del electroscopio, alejándose. Cuando se hace contacto a tierra el electroscopio queda cargado positivamente, ya que sus electrones se dirigen desde éste hacia la tierra. Por ello, al quitar el dedo de la esfera, el electroscopio mantiene su carga positiva, debido a la pérdida de electrones, y consecutivamente, al retirar la barra de ebonita, el electroscopio sigue manteniendo la misma carga: el electroscopio quedó con carga positiva.

9. Carga de un electroscopio por Inducción. En esta ocasión tomamos la barra de ebonita y la frotamos con un pedazo de lana, la acercamos a la esfera del electroscopio sin tocarla. Luego, sin retirar la ebonita tocamos la esfera con el dedo; retiramos la barra de ebonita y finalmente el contacto a tierra.  Resultado: Al acercar a la esfera la barra de vidrio, las láminas de oro se repelen; al hacer el contacto a tierra con el dedo, las láminas mantienen su repulsión. Al retirar el dedo, las láminas de oro continúan con el mismo efecto (repulsión) y cuando finalmente se retira la barra de vidrio, el electroscopio mantiene su carga.  Análisis: Para esta situación ya habíamos observado que las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas positivamente y en consecuencia hubo una repulsión entre las hojas del electroscopio, alejándose. Cuando se hace contacto a tierra el electroscopio queda cargado positivamente, ya que sus electrones se dirigen desde éste hacia la tierra. Por

ello, al quitar el dedo de la esfera, el electroscopio mantiene su carga positiva, debido a la pérdida de electrones, y consecutivamente, al retirar la barra de ebonita, el electroscopio sigue manteniendo la misma carga: el electroscopio quedó con carga positiva. 10. Carga de un electroscopio por Inducción. Ahora tomamos la barra de vidrio y la frotamos con un pedazo de paño, la acercamos a la esfera del electroscopio sin tocarla. Luego, sin retirar la barra de vidrio tocamos la esfera con el dedo; retiramos el contacto a tierra y finalmente la barra de vidrio.  Resultado: Al acercar a la esfera la barra de ebonita, las láminas de oro se repelen; al hacer el contacto a tierra con el dedo, las láminas mantienen su repulsión. Al retirar la barra de ebonita, las láminas de oro continúan con su efecto de repulsión y cuando finalmente retiramos el dedo, el electroscopio mantiene su carga.  Análisis: Como ya vimos, las dos láminas de oro (extremos) del electroscopio quedaron cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas del electroscopio, alejándose. En seguida, al realizar el contacto a tierra las láminas se atrajeron entre sí (retoman su estado normal), ya que los electrones del electroscopio se dirigen hacia la tierra, y al retirar la barra de ebonita, los electrones se dirigen ahora hacia el electroscopio y éste mantiene su estado inicial, sin carga. El electroscopio queda con un número igual de electrones y de protones.

11. Unimos dos electroscopios por medio de un alambre de cobre y luego acercamos una barra de ebonita cargada a uno de ellos. Después acercamos la barra a la mitad del alambre entre los dos electroscopios.  Resultado: Al unir dos electroscopios con alambre y acercar a la esfera de uno de ellos la barra de ebonita, las láminas de oro de los dos instrumentos se repelen simultáneamente, e igual sucedió cuando la ebonita la acercamos a la mitad del alambre que los une.  Análisis: Para ambos casos, las láminas de oro (extremos) de los dos electroscopios quedaron cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas de cada uno de los electroscopios, alejándose.

Esto ocurrió ya que la barra de ebonita posee carga negativa y al acercarse al electroscopio o al alambre las cargas de éstos se vuelven a distribuir de manera tal que lo protones, debido a la fuerza de atracción, queden lo más cerca posible a los electrones de la ebonita y que los del electroscopio o el alambre se alejen por la fuerza de repulsión. Además, esto ocurre en ambos electroscopios gracias al alambre, un material conductor, en el cual la carga eléctrica se puede mover a través de él.

12. Esta vez unimos dos electroscopios por medio de una cuerda de hilo y luego acercamos una barra de ebonita cargada a uno de ellos. Después acercamos la barra a la mitad de la cuerda entre los dos electroscopios.  Resultado: Al unir dos electroscopios con la cuerda de hilo y acercar a la esfera de uno de ellos la barra de ebonita, las láminas de oro de los dos instrumentos se repelen simultáneamente, e igual sucedió cuando la ebonita la acercamos a la mitad del alambre que los une.  Análisis: Para ambas situaciones, las láminas de oro (extremos) de los dos electroscopios quedaron cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas de cada uno de los electroscopios, alejándose. Pero hay una diferencia: la intensidad con la que las láminas de ambos electroscopios se repelen es menor que cuando se efectuó el experimento con el alambre; esto se debe al material, puesto que la cuerda no conduce la carga eléctrica tan bien como el alambre lo hizo en el anterior procedimiento.

13. Ahora unimos los dos electroscopios por medio de una regla de madera y luego acercamos una barra de ebonita cargada a uno de ellos. Después acercamos la barra a la mitad de la regla ubicada entre los dos electroscopios.  Resultado: Al unir dos electroscopios con la regla de madera y acercar a la esfera de uno de ellos la barra de ebonita, las láminas de oro de los dos instrumentos se repelen al mismo tiempo, e igual sucedió cuando la ebonita la acercamos a la mitad de la regla de madera que los une.  Análisis: En los dos experimentos, como ya lo observamos en los casos anteriores, las láminas de oro (extremos) de los dos electroscopios quedaron

cargadas negativamente al contacto con la ebonita y ocurrió una repulsión entre las hojas de cada uno de los electroscopios, alejándose. Nuevamente hay una diferencia: la intensidad con la que las láminas de ambos electroscopios se repelen es menor que cuando se realizó el experimento con la cuerda de hilo y por tanto, el alambre de cobre; esto también sucede por causa del material, ya que la cuerda no conduce la carga eléctrica igual que la cuerda de hilo ni tan bien como el alambre lo hicieron en los anteriores casos.

CONCLUSIONES  Al observar como las laminillas de oro y como se distanciaban una de otra, por acción de aproximar objetos eléctricamente cargados con anticipación, se puede concluir que efectivamente existen fuerzas eléctricas, que interactúan de forma repulsiva y atractiva.  Al interactuar cuerpos de distinta carga eléctrica, es posible comprobar la existencia de cargas eléctrica contrarias positiva y negativa.  Al observar el comportamiento de las laminillas de oro de dos electroscopios unidos por cierto material, aproximándoles un objeto eléctricamente cargado a una de ellas es posible concluir y verificar que existen diferentes grados de conductividad eléctrica.  En base al comportamiento observado en los electroscopios unidos por algún material, sobre las laminillas de oro, cuando se les aproxima una carga eléctrica, se concluye que los materiales más conductores en su orden son: el alambre de cobre, la madera y por último la cabuya o piola; esto teniendo en cuenta el grado de separación que se observo entre las laminillas al aproximarles el objeto eléctricamente cargado.  Se puede inferir que para descargar un cuerpo, y ponerlo en equilibrio eléctrico, basta con generar un contacto a tierra, y ésta se encarga de neutralizar el cuerpo.