EXPERIMENTOS Nos. 3 y 4 FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS

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1 EXPERIMENTO 1: Electrostática EXPERIMENTOS Nos. 3 y 4 FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS Objetivos Obtener cargas de distinto signo mediante varios métodos y sus características Uso del electroscopio como detector de carga eléctrica. Visualizar y analizar el efecto jaula y efecto punta experimentalmente. Introducción Carga Eléctrica En general los cuerpos se encuentran en estado neutro, es decir contienen la misma cantidad de carga positiva como negativa. Para lograr un desequilibrio de carga es necesario poner en contacto dos cuerpos distintos. Es el exceso de carga de un cuerpo, ya sea positiva o negativa. Es la ausencia, pérdida o ganancia de electrones. Carga por Contacto: Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Por ejemplo, si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferirá la carga a este. Si el cuerpo es un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre si. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribución más o menos uniforme de la carga. Carga por inducción: Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra.

2 Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre. Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento de la cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Qué es un electroscopio? Dispositivo que sirve para detectar carga eléctrica de un objeto. Los electroscopios están en desuso debido al desarrollo de instrumentos electrónicos mucho más precisos, pero todavía se utilizan para hacer demostraciones. El electroscopio más sencillo está compuesto por dos conductores ligeros suspendidos en un contenedor de vidrio u otro material aislante. Efecto punta La densidad de carga eléctrica en un conductor es mayor en los bordes puntiagudos. Lo que implica que el modulo del campo eléctrico es mayor en esa región. Por qué? Esta propiedad fue aprovechada por Benjamín Franklin para diseñar el pararrayos. Jaula de Faraday El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electrostático en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo. Dicho efecto jaula se pone de manifiesto en numerosas situaciones de la vida cotidiana. Por ejemplo, es el responsable de que no funcionen bien los celulares en el interior de muchos ascensores, o dentro de un edificio con estructura de rejilla de acero. Procedimiento Experimental 1.- Realice un experimento que le permita demostrar: con los materiales disponibles en el laboratorio que los estados de la materia se pueden electrizar. que los cuerpos cargados eléctricamente se pueden atraer o repeler. con los materiales disponibles en el laboratorio que los cuerpos se pueden cargar por frotamiento.

3 que si se carga eléctricamente un electroscopio. Luego se pone en contacto utilizando distintos materiales con otro electroscopio, se observa que en algunas de estas situaciones se descarga y en otras no, con este método discrimine que materiales son aislantes y cuales son conductores. 2.- Observe experimentalmente el efecto jaula (Jaula de Faraday), En una pequeña jaula de metal con materiales conductores livianos suspendidos tanto por fuera como por dentro, se carga utilizando con el generador de Van der Graff. Observe como los electroscopios o péndulos que se encuentran dentro y fuera de la jaula. Anote sus observaciones y explique porqué. 3.- Observe experimentalmente el efecto punta. Coloque una aspa de tres brazos ubicada sobre un soporte que le permite girar, se carga eléctricamente por medio del generador de Van der Graff. Que sucede?, se puede observar que el aspa gira en sentido contrario a la dirección de las puntas de cada brazo. Explique porqué. 4.- Determine las formas en que se puede cargar un cuerpo y muestre experimentalmente cada una de ellas. Ver figuras anteriores. Análisis Experimental Considera cuatro objetos eléctricamente cargados. Se sabe que el objeto A repele al B, mientras que el A atrae el objeto C y este ultimo repele al D. Sabemos que el D esta cargado positivamente. Qué tipo de carga tiene el objeto B?. Cuando se desea tener una barra con carga (+), debe eliminar todas las cargas negativas? Si se acerca una barra electrizada a un electroscopio cargado positivamente, las láminas al principio se juntan y luego se separan, Qué carga tiene la barra? Qué debería suceder si se conectan por sus partes superiores dos electroscopios idénticos, igualmente cargados? EXPERIMENTO 2: Campo y potencial eléctrico Objetivos Visualizar y analizar experimentalmente líneas de campo eléctrico formadas por diferentes electrodos Introducción Decimos que en una región del espacio existe un campo eléctrico E. cuando al poner una carga en reposo en esa región, ésta experimenta una fuerza eléctrica dada por:. Por lo general el campo eléctrico se origina en las cargas eléctricas, ya sea cargas puntuales o distribuciones de ellas. Podemos decir que el campo eléctrico es una de las formas en que la presencia de cargas altera las propiedades del espacio que lo rodea. En el caso de una carga puntual el campo está dado por la Ley de Coulomb y es proporcional a la carga que lo produce e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia siendo su dirección radial. q E k r ˆ 2 r donde q se mide en Coulomb (C), r en metros (m) y k 9 10 Nm / C.

4 En la Figura 1 se ha representado este campo en forma de líneas radiales orientadas hacia fuera y en la Figura 2 se muestra la forma que tiene el campo eléctrico (línea continua) cuando tenemos dos cargas de igual magnitud y signos opuestos. Figura 1. Representación de las líneas de campo para una carga puntual. El campo eléctrico es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, radial y si la carga es positiva, su sentido es hacia fuera. Figura.2. Líneas de campo (trazo continuo) debidas a dos cargas puntuales, una positiva a la izquierda y una negativa a la derecha. Las líneas de puntos representan las equipotenciales para esta configuración. El potencial corresponde a otra forma de describir y estudiar el problema eléctrico en forma absolutamente equivalente a como lo hacemos con el campo eléctrico. El potencial es una magnitud que está íntimamente relacionada con la energía (energía potencial eléctrica) y por lo tanto es un escalar. Además, campo eléctrico y potencial están relacionados entre sí, de hecho, el campo eléctrico es siempre perpendicular a las superficies o líneas de igual valor del potencial o equipotenciales (líneas punteadas que en la Figura 2), apunta en la dirección en que el potencial decrece y la magnitud del campo eléctrico es igual a la razón entre la diferencia de potencial entre dos equipotenciales muy cercanas y la distancia que las separa, esto es (ver Figura 2): Materiales 1 generador de Van der Graff 1 electroscopio Barras de plástico ( PVC) y vidrio Pelotitas de plumavit Piso aislador 2 péndulos electrostáticos

5 1 cubeta con vaselina liquida 2 Electrodos paralelos 1 Electrodo puntual 1 Electrodo cilíndrico grande 1 Electrodo cilíndrico chico 2 Cables Montaje Figura 3. Montaje experimental El montaje con el que trabajará se ha representado en la Figura 3 que corresponde al caso de una carga positiva a la izquierda y una negativa a la derecha, similar a lo representado en la Figura 2. La punta de prueba le permite visualizar la configuración de campo eléctrico correspondiente a dos cargas de distinto signo. Procedimiento experimental Electrodos puntuales Para visualizar las líneas de fuerza del campo eléctrico entre los dos electrodos mostrado en la Figura 2 el procedimiento a seguir es el siguiente: Coloque dentro de una cubeta con vaselina electrodos puntuales y conéctelos al generador de Van der Graff, deposite en forma uniforme sémola en la superficie y haga funcionar el generador. Otros electrodos Cambie los electrodos puntuales por los electrodos planos como se le indica en la figura. Reemplace por dos electrodos concéntricos y estudie lo que ocurre en cada zona determinada por ellos, en la figura se colocó un sólo electrodo.

6 Análisis Experimental 1. Explique que entiende por línea de fuerza y que características tienen 2. Dibuje y analice las diferentes configuraciones de campo eléctrico para diferentes electrodos. 3. Analice que sucede con el campo eléctrico cuando se colocan dos placas paralelas 4. Cuál es la característica del campo eléctrico de cada una de las tres zonas determinadas por los electrodos concéntricos? Comente brevemente.