ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO JULIAN FELIPE SILVA COD PABLO EMILIO JACANAMIJOY

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1 ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO JULIAN FELIPE SILVA COD PABLO EMILIO JACANAMIJOY COD. TRABAJO PRESENTADO EN LA ASIGNATURA ELECTROMAGNETISMO BEEDCN54 PROFESOR: MARIO DUARTE UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA FACULTAD DE EDUCACIÓN PROGRAMA LICENCIATURA CIENCIAS NATURALES: FÍSICA, QUÍMICA Y BIOLOGÍA NEIVA, JUNIO

2 CONTENIDO Pag. OBJETIVOS RESUMEN ELEMENTOS TEORICOS PROCEDIMIENTOS RESULTADOS CONCLUSIONES BIBLIOGRAFIAS. 18 2

3 OBJETIVOS. Reconocer la forma de cómo se realiza la electrización de materiales y por frotamiento. obtener electricidad por fricción e identificar interacciones entre cuerpos cargados eléctricamente, explicar las propiedades que adquieren los cuerpos electrizados y demostrar habilidades para sintetizar conclusiones. 3

4 1. RESUMEN. Esta experiencia busca analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo a partir de las diferentes formas que existen para cargar un cuerpo neutro (fricción, inducción y contacto) y la distribución de la carga sobre una superficie esférica continua, intentando dar una explicación física al porqué de estos fenómenos utilizando para ello diferentes materiales y por medio de la práctica podremos determinar el comportamiento de las cargas al experimentar una carga eléctrica por frotamiento. Abstract. This experience seeks to analyze the physical phenomena that occur in the process of electrically charging a body from the different ways there are to load a neutral body (friction, induction and contact) and load distribution on a continuous spherical surface, trying give a physical explanation to why these phenomena using different materials for it and through practice we can determine the behavior of the loads to experience an electrical charge through friction. 4

5 2. ELEMENTOS TEÓRICOS. a. Que nombre recibe la electricidad obtenida del Ambar?. Rta. se obtenían pequeñas cargas (efecto triboeléctrico) que atraían pequeños objetos, y frotando mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa. i. que nombre recibe la electricidad generada al frotar el vidrio con la piel y la seda?. Rta. Al frotar estos materiales se descubre los electrones (carga negativa) y los protones (carga positiva), ambas con la misma intensidad de carga y se dice que el vidrio adquiere carga positiva al perder electrones y la seda adquiere carga negativa al perder electrones; aqui se dice que las cargas de sigos iguales se repelen y de signos contrarios se atraen. b. Cuales son las características de las cargas eléctricas?. Rta. A finales del siglo XIX se descubrieron unas partículas que tenían carga eléctrica negativa y que se llamaron electrones. Este descubrimiento hizo pensar a los científicos que los átomos no son indivisibles. Por lo tanto, debían tener una parte cargada positivamente ya que en su conjunto son neutros. Diversas experiencias permitieron descubrir que esa parte cargada positivamente es un denso núcleo alrededor del cual giran los electrones. Este núcleo, a su vez, está formado por dos tipos de partículas unidas firmemente, los protones y los neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga. c. como es el funcionamiento del electroscopio?. Rta. El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. Un electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro muy delgadas. El funcionamiento de este es muy sencillo y depende de la carga del cuerpo que se vaya a emplear. 5

6 Figura 2.1 Electroscopio. d. Cual es el funcionamiento de la balanza de torsion que uso Coulomb para establecer las interacciones entre cargas eléctricas? Rta. Este aparato permitió establecer y comprobar la ley que rige la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas, además de resultar muy útil en otros experimentos de gran importancia científica. Se basa en el principio demostrado por Coulomb que dice: la fuerza de torsión es proporcional al ángulo de torsión. El aparato se compone de una base de madera sobre la que se apoya una caja cilíndrica de cristal con una cinta graduada a su alrededor colocada a media altura y cerrada en su parte superior por una cubierta que está atravesada en su centro por un cilindro hueco de cristal que se prolonga hasta el interior de la caja. Este cilindro se cierra en su extremo superior por el micrómetro del aparato: dos tambores metálicos, uno graduado en su borde, con giro suave del uno sobre el otro. Sujeto a este elemento se encuentra un hilo muy fino de plata que pende por el interior de este cilindro hueco y se prolonga hasta el interior de la caja de cristal; en este otro extremo el hilo de plata sostiene una aguja o varilla horizontal de goma laca. Por un orificio en la cubierta se introduce una bolita aislada, con un mango de vidrio, que podrá ser electrizada convenientemente desde el exterior. El proceso consistía en medir los ángulos de torsión que subafría la varilla móvil unida al hilo de plata como resultado de la fuerza de atracción o repulsión con la esferita fija previamente electrizada, a partir de estos se deducían las fuerzas existentes entre ambos elementos debido a la carga eléctrica, quedando establecidas las variables de las que depende dicho valor y en que medida lo hace concluyendo en la conocida Ley de Coulomb. Figura 2.2 Balanza electrica de Coulomb 6

7 e. Cual es el valor de la constante de Coulomb. Rta. La fuerza eléctrica con la que se atraen o repelen dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de las mismas, inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y actúa en la dirección de la recta que las une. donde: F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión. En el S.I. se mide en Newtons (N). Q y q son lo valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios (C). r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m). K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. No se trata de una constante universal y depende del medio en el que se encuentren las cargas. En concreto para el vacío k es aproximadamente N m 2 /C 2 utilizando unidades en el S.I. f. Que se entiende por permitividad de espacio libre y cual es su valor?. Rta. Dado que la constante la ley de Coulomb K depende del medio, esta suele expresarse en términos de otra constante denominada constante dieléctrica o permitividad del medio (ε): En el caso del vacío se cumple que ε=ε 0, donde la permitividad del vacío (ε0) equivale a N m 2 / C 2. Para medios distintos del vacío, se utiliza una magnitud adimensional denominada constante dieléctrica relativa o permitividad relativa (ε r ), que se obtiene por medio del cociente entre la permitividad del medio (ε) y la permitividad del vacío (ε 0 ): εr = ε / ε0 7

8 2.7. Cuales son las características de conductores, semiconductores y aisladores? Rta. Los conductores son materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con facilidad. Los aisladores son materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con dificultad. Los semiconductores son materiales cuyas propiedades se encuentran entre la de los aisladores y conductores. Tabla 2.1 lista de conductores, aislantes y semiconductores. 8

9 2.8 Cual es la masa y carga eléctrica del protón, electrón y neutrón? Tabla 2.2 Relaciones masa - carga CUERPO MASA CARGA ELECTRICA PROTÓN 1.67 X 10^-27 Kg 1.67 X 10^-19 Coulombs ELECTRON X 10^-31 Kg 1.67 X 10^-19 Coulombs NEUTRON X 10^-27 Kg 0 9

10 3. PROCEDIMIENTO 3.1. El tubo de plástico con carga neta o sin carga se acercó lentamente a algunas virutas de madera que se encuentra en el mesón. Observar Figura 1. Figura 3.1. Visión macroscópica. No se observa ningún cambio o reacción por parte de los dos materiales. No ocurre nada La tela plástica sin carga se acercó lentamente a las virutas de madera, nuevamente no ocurre nada. Figura 2. Figura 3.2. Visión macroscópica, No se observa ningún cambio o reacción por parte de los materiales Se froto el tubo de plástico con la tela plástica por unos momentos (Figura 3.a), luego de esto se acercó el tubo plástico a las virutas. Se observa como las virutas de madera tiende ahora a acercarse al tubo de plástico y otras a pegarse a este (Figura 3.b). 10

11 Figura 3.3. a) Frote del tubo de plástico con la tela plástica b) Virutas de madera unidas al tubo de plástico. Al inicio no se presentó ningún cambio entre los primeros materiales (tubo, tela y virutas), en donde el tubo de plástico y la tela plástica poseían un número total de protones igual al número total de electrones, por ello la carga total es igual a cero y el cuerpo en su totalidad es eléctricamente neutro (Young y Freedman, 2005). Por otro lado se podría decir que al frotar la tela con el tubo este último adquirió una carga negativa, pues toma electrones de la tela en cuanto a la tela adquiere una carga positiva de la misma magnitud ya que ha perdido el mismo número de electrones que gano el tubo de plástico. Por último, el tubo de plástico ahora posee una carga negativa lo que provoca que las virutas de madera se adhieran a él, ya que las virutas presentan en sus moléculas cierta cantidad de carga (+) lo que explica al atracción de cargas de distintos signos Con ayuda de los dedos, se quitó las virutas de madera las cuales estaban unidas al tubo de plástico (Figura 4. a), luego acercamos nuevamente el tubo a las virutas (Figura 4. b). Figura 3.4. a) Los dedos le cedieron cierto tipo de carga a las virutas de madera esto se dio al momento que hicieron contacto ahora b) Las virutas de madera se encuentran nuevamente en el mesón y ya no son atraídas por el tubo de plástico. Para que las virutas de madera se atraigan al tubo de plástico (Figura 3.b) es necesario que el tubo se frote una vez más con la tela y se acerca otra vez a las virutas, las cuales podrían ser consideradas como un material aislante. 11

12 3.5 Se repite los procedimientos anteriores pero esta vez con pedacitos de aluminio, luego con tiras de papel y por último con una tira grande de aluminio. Como se observó anteriormente los materiales que no posee carga alguna, no se atraerán ni se repelaran entre sí ya que se encuentran en un estado de carga neta cero. Lo anterior fue ilustrado en las Figura 1 y 2. Figura 3.5. a) El tubo de plástico ahora cargado atrae a los pedacitos de aluminio b) de igual modo atrae a la tiras de papel, c) y por último también atrae a la tira grande de aluminio. Lo anterior es algo similar a lo ya visto y mencionado pero con distintos materiales y sus respectivas formas. Por ello se resume que para este caso se observa fuerza de atracción por materiales que posee cargas de distintos signos Se acercó el tubo de plástico ya frotado con la tela plástica a un tarrito metálico o lata. Figura 6. 12

13 Figura 3.6. Se observa una fuerza de atracción por parte de ambos materiales un tanto fuerte lo cual ha provocado el movimiento del tarrito metálico en dirección al tubo de plástico. 3.7 Ahora se acercó el tubo de plástico nuevamente frotado por la tela plástica a un chorrito de agua. Figura 7. Figura 3.7. Se observa como el chorrito de agua tiende a acercarse al tubo de modo que forma una especie de curva. Esto ocurre por la carga que gano el tubo al momento de ser frotado por la tela, ya que el agua como otros materiales también posee electrones y una respectiva carga de signo contrario con respecto al tubo lo que ha provocado la atracción entre ellos Se froto el tubo de plástico con la tela plástica y se aproximó a las cercanías del electroscopio en la parte superior de este cerca del alambre de cobre el cual funciona como conductor y el corcho como aislante. Figura Se observa que en la parte inferior de las dos láminas de aluminio que se encuentra juntas ahora tiende a separarse ya que el tubo de plástico cargado y por medio del cobre como conductor ha trasmitido esta misma carga a ambas láminas lo que ha provocado que se repelen por poseer cargas similares Se acercó el tubo de plastico cargado por medio de la tela a las dos bolitas de icopor sostenidas por un hilo formando un sistema de péndulo electrostático (figura 9.a), luego se 13

14 acercó al tubo una sola bolita de icopor (figura 9. b) y por último se paso el tubo previamente frotando por el centro del péndulo electrostático (figura 9.c). Figura3. 9. a) Se observó una fuerza de atracción. Las dos esferas han sido atraídas por el tubo de plástico que se encuentra electrizado negativamente b) en este caso se observa que nuevamente la bolita de icopor tiende a atraerse al tubo pero solo una la cual fue escogida y a su vez despegada c) y en este último caso las bolitas al inicio fueron atraídas y pegadas al tubo pero al momento de pasar él tubo previamente en el centro ninguno de estos tres objetos tiende a acercarse ya que posee la misma carga, el tubo el cual posee una carga eléctricamente negativa a pasado dicha carga a ambas bolitas de icopor lo que ha provocado una repulsión en los objetos empleados y de este modo se demuestra una parte del enunciado de la Ley de Coulomb el cual dice que cargas con signos similares se repelan La bola de icopor ahora envuelta en aluminio también presenta una fuerza de atracción frente al tubo de plástico. Las bolas o esferas de icopor tienden a moverse una vez más hacía el tubo de plástico con el fin de recuperar las cargas que ha perdido, es decir se moverán hasta tal punto que hará contacto con el tubo de modo que recupere su carga neta. Ya que en cualquier proceso de carga esta no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo a otro (Young y Freedman, 2005). Para finalizar se dice: que los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados por las fuerzas eléctricas que a su vez depende de la distancia. Las interacciones electrostática se rigen por una relación sencilla que se conoce como ley de coulomb (más conveniente describirla con el concepto de campo eléctrico) Young y Freedman,

15 3.11 Jaula de Faraday: Figura 10. Se observa como la Jaula de Faraday elimina el paso de la carga eléctrica producida por el Tubo de plástico hacia las tiritas de papel internas por ello las tiras internar no tiende a atraerse al tubo, por otro lados las tiras de papel externas o las que se encuentra por fuera de la jaula si tiende a sufrir una fuerza de atracción por parte del tubo plástico. Una jaula de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos, se emplean para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo. 15

16 4. RESULTADOS. A través del simulador se pudo demostrar los fenómenos que se presentan en la electrización por frotamiento, ya que por medio de la experiencia se pudo notar que al frotar el globo con la franela del saco, el globo gana los electrones (-) del saco y al acercarlos a la pared que presenta tanto electrones como protones se ve que el globo es atraído por las cargas positivas que presenta la pared (protones) y las cargas negativas (electrones) son repelidas por las cargas negativas presentes en el globo. Se realizó también cargando dos globos y se notó que estos se repelen por presentar el mismo signo de cargas (-) demostrando así el enunciado de Coulomb el cual dice que las cargas de signo contrario (+ - / - + ) y las cargas de signos iguales se repelen ( - - / + + ). 16

17 5. CONCLUSIONES. Las cargas que poseen los mimos signos se repelan entre sí; por ejemplo, una carga (+) rechaza a otra carga (+) del modo que no se podrán acercar entre ellas. Por otro lado las cargas de distintos signos se atraen entre sí, ejemplo una carga (+) atraerá a una (-) hasta el punto de hacer contacto. Esto se ve reflejado en los materiales en el momento de aplicarles determina carga. En cualquiera caso estos fenómenos pierden o ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Un material puede llegar a poseer una carga eléctrica, entre ellas positiva, negativa o neutra, esta misma puede perderse o adquirirse por medio de frotamiento, contacto o inducción empleando diferentes materiales. Estos materiales podemos hallarlos en la vida cotidiana, cómo lo es una tela, tubo, icopor, pelo, aluminio, entre muchos otros. La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos de la tela plástica son liberados y cedidos al tubo de plástico, con lo cual éste queda cargado negativamente y la tela plástica positivamente. Gracias al frotamiento de dos materiales; como lo son la franela y el plástico, se presenta la particularidad de que estos ganan o pierden electrones debido a su composición; es por ello que el plástico gana electrones o el vidrio los pierde, pero debemos tener presente que los electrones cedidos son los mismos a los electrones aceptados dando así la conservación de la energía y la ganancia de electricidad de los cuerpos, ello también nos explica el efecto de imantación el cual se debe a la ganancia de electrones del metal debido a una descarga eléctrica. Un ejemplo lo podríamos ver en la brújula por la energía que genera el polo norte. 17

18 6.BIBLIOGRAFIA. BEAUR, Wolfgang y WESTFALL, GARY. Física: para Ingeniaeria y Ciencias con física moderna. 2ª edición. Vol. 2. Mc Graw Hill Educacion. Young, Hugh D, Freedman, Roger A Física Universitaria con Física Moderna. Volumen a edición. Editorial Pearson. 18