Práctica #1 Electricidad y Magnetismo

CAMPUS SUR 

Alumnos: Martínez Palacios J. Aarón  Díaz piedra Servando  Espinosa Ramírez c. Daniel  Fuentes manzanero Marisol  Herrera guerra José juan  Aguilar González Óscar Gabriel  Novelo Villafuerte Eric David  Profesor: Julián Rangel RANGEL  Grupo: TG03SS  Materia: Electricidad y Magnetismo  Titulo: practica #1  Número de Cuenta: 11261057  Practica 1 Electricidad y Magnetismo

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Fecha de Entrega: 29 de Septiembre 2012

1. Planteamiento del problema ¿Cómo identificar una carga positiva y una negativa? ¿Qué tipo de material da mayor carga? ¿Al manipular un material dos veces con otro se cargan negativa y positivamente?

2. Marco teórico La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos producidos por distribuciones de cargas eléctricas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la  postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo. La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen nu merosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseñanza moderna, como el hecho de que ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotamiento y atraen pequeños trozos de papel o pelo, por ejemplo un globo inflado que previamente se ha frotado con un paño seco. Electricidad estática

La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar 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 la electricidad obtenida por otros métodos. 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 superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Van Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia triboeléctrica. La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, en algunas pinturas de automóvil, en algunos aceleradores de partículas subatómicas, etc. Los pequeños componentes de los circuitos electrónicos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática.

3. Objetivo  

Investigar cuántos tipos de carga existen y cómo interaccionan entre sí. Determinar qué tipo de carga que posee cada cuerpo.

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CAMPUS SUR  Investigar dónde se deposita la carga eléctrica en exceso, que se coloca en un conductor cerrado y aislado, en condiciones electrostáticas; de igual forma, averiguar bajo las mismas condiciones, cómo es el campo eléctrico en el interior y exterior del hueco de un conductor cerrado.  Investigar cómo son las líneas de fuerza para las siguientes configuraciones de carga: Una carga puntual.  



Dos cargas puntuales del mismo signo.

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Dos cargas puntuales de signo contrario.

4. Hipótesis   

Sabremos la importancia de las cargas en cada uno de los objetos. Obtendremos las cargas de distintos materiales, que al ser manipulados obtienen dicha carga. De acuerdo a la carga que se obtenga el electroscopio nos ayudara a saber si están cargados dichos objetos.

5. Procedimiento Determinación de los tipos de carga que existen. 1. Coloca en el soporte giratorio una de las barras de ebonita. 2. Frota uno de los extremos de dicha barra con un pedazo de piel (también puede usarse franela, polietileno o seda) un par de veces para cargarla por fricción. 3. Verifica que la barra posea carga electrostática de acuerdo con la figura 1. La tira de polietileno deberá frotarse con la piel, en un sólo sentido y luego se colocará sobre el cordón, de modo que la parte frotada quede en el interior. (Funciona como un electroscopio).

Comprueba que todas las barras que se froten queden cargadas usando para tal fin el electroscopio. Si al acercar la barra al electroscopio (sin tocarlo), sus láminas se abren, significa que ha q uedado cargado. En caso de no ser así, vuélvelo a frotar hasta que la barra quede cargada. 4. De forma casi simultanea, carga la otra barra de ebonita frotando uno de sus extremos con el otro pedazo de  piel y asegúrate de que quedó cargada usando el electroscopio (tira de polietileno, previamente frotada). Estando ambas cargadas, acerca la barra libre a la que se encuentra en el soporte. El acercamiento entre las  barras debe ser por los extremos donde fueron frotadas.

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6. Ahora, repite todos los pasos indicados del uno al cinco, pero usando dos barras de plástico frotándolas con  pedazos de polietileno. 7. No olvides que al hacer el experimento con dichos materiales, debes comprobar que se encuentren cargados, utilizando la tira de polietileno previamente frotada. 8. Ahora coloca una barra de ebonita en el soporte y cárgala, frotándola con piel seda o franela. 9. De forma simultánea al paso anterior, carga una barra de plástico frotada con un pedazo de polietileno. 10. Una vez frotadas las dos barras, acerca la barra de plástico a la de ebonita. 11. Coloca una barra de vidrio en el soporte, tállala con seda y comprueba que quedó cargada usando la tira de polietileno previamente frotada. 12. De forma simultánea frota la barra de ebonita con piel, asegúrate de que se encuentra cargada usando el método ya mencionado.

Generador de Van De Graff  13. Enciende durante aproximadamente 10 minutos el generador de Van de Graff y posteriormente, estando apagado, toca su superficie con el electroscopio. 14. Carga la barra de ebonita con piel usando el método acostumbrado y acércala al electroscopio construido con la tira de polietileno previamente frotada.

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Jaula de Faraday 15. Cubre la jaula de Faraday con papel aluminio. Ése será el conductor cerrado. 16. Colócala sobre una base aislante. 17. De una de las tapas suspende, mediante un hilo, la esfera forrada de papel aluminio próxima a la superficie interna de la jaula. En la parte externa del conductor, suspende mediante un hilo una esferita del mismo tipo. Ambas esferas serán nuestros detectores para averiguar cuál es el campo eléctrico dentro y fuera de la jaula.  En las siguientes actividades, la apreciación de los fenómenos dependerá de la humedad relativa del aire. Como una alternativa se sugiere el kit demostrador de campo electrostático, que aparece más adelante.

18. A continuación usa un alambre para conectar la jaula al generador de carga. 19. Para verificar dónde reside la carga en exceso que se proporciona a la jaula, coloca el electroscopio dentro de la misma, de tal forma que la esfera de este dispositivo toque la superficie interna de la jaula, tal como se indica en la Figura 3. Carga la jaula tal como se señala en el paso anterior y observa. 20. Enseguida, saca el electroscopio de la jaula y colócalo muy cerca de la superficie externa de la misma. Enciende el generador de carga y observa. Los alumnos tomarán fotografías de la configuración del campo eléctrico.

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Campo eléctrico 21. Ahora vierte aceite en la cuba electrostática hasta que éste alcance un milímetro de altura aproximadamente. 22. Para representar este tipo de carga, emplea una barra conductora con mango aislante, conéctala a la esfera del generador de carga mediante un alambre, tal como se indica en la Figura 4. Procura no encender aún el generador.

23. A continuación, coloca de forma vertical la barra conductora en la cuba electrostática, de tal modo que el extremo metálico quede sumergido en el interior del aceite y sujétalo por la parte aislante. 24. Enseguida, esparce semilla de pasto en la cuba con aceite, alrededor de la barra, procurando que quede distribuida lo más uniforme posible. 25. Acciona el generador durante aproximadamente 15 segundos cuidando de no hacer contacto eléctrico con el mismo, para evitar una descarga. 26. Para representar dos cargas puntuales, selecciona dos barras metálicas con mango aislante, similares a las usadas en el caso anterior. 27. Conecta las dos barras, mediante alambres, al mismo polo del generador, ya sea positivo o negativo. No enciendas aún el generador  28. Simultáneamente, vacía el aceite y la semilla de pasto en la cuba que fue usada en el caso anterior, en el vaso de precipitados. No tires el aceite al desagüe. 29. Limpia la cuba electrostática con papel secante.

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CAMPUS SUR  30. Al igual que en la primera configuración de carga que vimos, vacía aceite en la cuba hasta que éste alcance una altura de un milímetro aproximadamente. 31. A continuación coloca las dos barras conductoras de forma vertical, en la cuba electrostática, de tal modo que uno de sus extremos quede sumergido en el interior del aceite, de manera semejante a como se indica en la figura previa. 32. Enseguida, esparce semilla de pasto en la cuba con aceite alrededor de las barras, procurando que quede distribuida lo más uniformemente posible. 33. Acciona el generador durante aproximadamente 15 segundos, evitando hacer contacto eléctrico con el mismo, para evitar una descarga. 34. Observa la configuración que adopta la semilla de pasto y dibuja los patrones que formó la semilla para dos cargas puntuales del mismo signo.

6. Material, equipo y sustancias     

Dos barras de ebonita Dos pedazos de piel Dos barras de plástico Dos pedazos de polietileno Una barra de vidrio

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 Nota: adicionalmente se puede emplear franela o seda         

Un soporte Un electroscopio (electrómetro) Un generador de Van de Graff  Una Cuba electrostática. (Recipiente plástico de fondo plano de cualquier forma palangana-) Dos barras metálicas con mango aislante Una barra metálica pequeña. Una Jaula de Faraday Un vaso de precipitados de 250 mililitros. Una esferita pequeña forrada de papel aluminio



Como sugerencia, se recomienda al estudiante que lleve un equipo para tomar fotografías: Cámara fotográfica o teléfono celular. 3 m de alambre para conexión de teléfono (calibre 26) 2 m de alambre de cobre del No 14 para hacer diferentes figuras Aceite polish (aceite dieléctrico) Cinta adhesiva Semillas de pasto 2 hojas de papel milimétrico

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7. Resultados

 Experimento 1. Determinación de los tipos de carga que existen. A. Al acercar entre sí las barras de ebonita frotadas con piel (franela, polietileno o seda), ¿qué fenómeno se observa? Si se frota con el mismo objeto, toma la misma carga y se repelen.

B. Cuándo se acercan entre sí las barras de plástico frotadas con polietileno, ¿qué fenómeno se observa?  Al frotarla con polietileno se repelen.

C. Cuando se frota la barra de ebonita y se acerca a la barra cargada con polietileno, ¿qué fenómeno se observa?  Al frotar cada uno con material diferente se atraen.

D. De acuerdo con los experimentos anteriores, ¿cuántos tipos de carga existen y cómo interaccionan entre sí?  Negativa, Positiva y Neutral.

E. Acerca la barra de ebonita a la de vidrio, ¿la barra de vidrio adquirió el mismo tipo de carga que la  primera?

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 Experimento 2. Generador de Van De Graff  a.

¿Cómo puedes explicar que el electroscopio quede cargado al ponerlo en contacto con la superficie del Van de Graff?

 El electroscopio no tiene carga cuando se pone en contacto con la superficie de el generador se carga y esto lo podemos observar ya que se abren las placas.

 b. Cuando se cargó el electroscopio con el Van de Graff y se le acercó la barra de ebonita frotada con fieltro, ¿qué efecto observaste?  La barra le quita la carga

c.

¿Qué tipo de carga posee el generador de Van de Graff?

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del   peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra  y el rodillo superior hecho de metal.  El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna d e la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa.

d. ¿Por qué al acercar un cuerpo cargado al electroscopio sus láminas se abren y por qué al retirarlo se cierran? Haz un esquema que ilustre tu respuesta.  Porque el electroscopio se descarga, se abren por que se carga y son cargas iguales por lo tanto se repelen. Al momento de n o tener carga se vuelven a juntar.

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e.

¿Qué sucede si se toca el electroscopio con un cuerpo cargado? Haz un esquema que ilustre tu respuesta.

 El Electroscopio se carga.

.

f.

¿Por qué para realizar los experimentos que implican carga por frotamiento, se usan barras de vidrio, ebonita o plástico y no metálicas?

 Porque con el metal no se vería la reacción , ya que el metal es un conductor de energía.

g. Frota una barra de ebonita con polietileno, ¿qué tipo de carga adquiere? Carga Negativa

h. Si la barra de ebonita queda cargada negativamente al ser frotada con la piel (verificarlo), ¿cómo queda cargada la piel?  Negativa

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CAMPUS SUR  i.

A nivel atómico, ¿cómo se puede explicar el proceso de cargar un cuerpo por frotamiento?

 Electrización Por Frotamiento: Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Jaula de Faraday A. ¿Qué sucede con las láminas del electroscopio? La jaula de Faraday no permite la transferencia de cargas al cuerpo que se encuentra dentro de ella. Por lo tanto las láminas no se mueven. B. ¿Las láminas se abren? ¿Se nota alguna diferencia en el comportamiento del electroscopio dentro y fuera del conductor? Si cuando están adentro de la jaula no se mueven ya que no permite que entren las cargas, y si esta afuera de dicha jaula si obtienen carga ya que conduce electricidad. Campo eléctrico

A. Observa la configuración que adopta la semilla de pasto y dibuja los patrones que ésta formó para una carga puntual.

Análisis de Resultados 8. Conclusiones Mediante esta práctica pudimos observar y comprobar diferentes fenómenos como: es dependiendo del tipo de material de los cuerpos, la distribución de la carga eléctrica se comporta de manera diferente, en el conductor se distribuye en toda la superficie de manera uniforme, mientras que en el aislante solo en la parte en donde es cargado. Por otro lado, pudimos percibir las líneas de campo eléctrico gracias a las semillas de pasto, que sufrían una orientación al ser cargados eléctricamente los instrumentos, además, se observó como el recipiente que las contenía se movió debido a que se crea un par de fuerzas al cargar los instrumentos. Percibimos de igual manera, que la carga eléctrica en los cuerpos actúa solamente en la superficie exterior del cuerpo.

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CAMPUS SUR  Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que el proceso de adquirir cargas eléctricas consiste en ceder algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas posee un exceso y la otra un déficit de ese algo (electrones). Es lo que se logra al frotar la ebonita, el polietileno con distintos tipos de tela

10. Manejo y desechos de sustancias  No habrá desechos ya que no se usaran químicos y se utilizarán materiales que se pueden volver a usar.

11. Bibliografía consultada por los alumnos o o o

Serway, Raymond A. Jewett, John W. Thomson,  Electricidad y magnetismo , 2005. Sears, Francis. W. Pearson,  Física universitaria, 2004. Haliday, Davis, Resnick Robert,  Fundamentos de Física, CECSA, 2001

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