Diseño y Construcción de un Electroscopio

Transcripción

1 ASIGNATURA: Física Electromagnética TEMA DEL PROYECTO: Electrostática Diseño y Construcción de un Electroscopio OBJETIVOS Con ayuda de un electroscopio observar la existencia de dos clases distintas de cargas eléctricas y algunas de sus propiedades. Reconocer por medio de un electroscopio los procesos de fricción, conducción e inducción. Identificar materiales aislantes y conductores y sus propiedades a nivel eléctrico INTRODUCCIÓN Esta guía de proyecto va dirigida a estudiantes de Ingeniería, se estudiará algunos conceptos de electrostática y dedicaremos nuestra atención a métodos experimentales, los cuales permiten observar la existencia de dos tipos de electricidad (vidriosa y resinosa) y dos clases distintas de cargas eléctricas (positivas y negativas). Se analizaran algunos mecanismos generales para cargar eléctricamente un cuerpo (fricción inducción y conducción) por medio del Electroscopio. MARCO TEORICO La Electrostática estudia las cargas eléctricas y sus características en reposo. Al frotar dos materiales de la serie de materiales indicados en Tabla 1 (Serie Triboeléctrica), el medio que esté en la parte superior de Tabla es propenso a quedar a cargado positivamente (cede electrones), respecto al medio que se encuentra en la parte inferior de la Tabla, el cual queda cargado negativamente (recibe electrones). Tabla 1. Serie Triboeléctrica + positivo Asbesto Pelo de conejo Vidrio Cabello Nylon Lana Seda Papel Algodón (prácticamente no se carga) Acero (prácticamente no se carga) Madera (ligeramente negativo) Ámbar Acrílico Goma sintética Poliéster Poliuretano Polietileno Polipropileno Cloruro de polivinilo (PVC) Teflón Goma de silicona -negativo

2 Uno de los métodos utilizados para cargar un objeto es: Rozamiento o fricción: Ocurre cada vez que un cuerpo se pone en contacto y frecuente movimiento contra otro (ver, figura 1); Particularmente cuando una barra de vidrio se frota con una seda esta se carga positivamente y cuando a una barra de resina se le ofrece fricción con una piel de animal (piel de conejo) esta se carga negativamente. Figura 1. Electrización por fricción Para saber si un cuerpo se encuentra cargado se necesita un aparato detector de carga, el instrumento más común para este propósito es el electroscopio, un instrumento compuesto de una barra metálica y una laminilla metálica como se indica la figura 2. Figura 2. Electroscopio Otros métodos para cargar eléctricamente un cuerpo son : Inducción: Cuando un cuerpo esta electrizado negativamente, las cargas positivas a su alrededor, tienden a ser atraídas y las negativas, repelidas. De este modo un cuerpo electrizado puede electrizar a otro sin perder ni recibir cargas eléctricas. La figura 3 indica el proceso en que un electroscopio que se carga por Inducción. El proceso inicia cuando el electroscopio esta eléctricamente neutro (numeral 1.), posteriormente al acercar la barra frotada (sin tocar el electroscopio) se distribuyen las cargas en el electroscopio alejándose las cargas negativas y se distribuye la carga negativa en la parte inferior de la varilla metálica y en la laminilla, y como consecuencia ésta se separa (numeral 2). Manteniendo la barra frotada cerca del electroscopio y tocando con un alambre metálico o posicionando el dedo en la esfera, las cargas de la varilla metálica y de la laminilla tienden a separarse de la barra cargada, y por tanto van a tierra; en consecuencia, se juntan de nuevo la varilla metálica y la laminilla (numeral 3). Retirando la conexión a tierra y quitando la barra, las cargas de la esfera tratan de alejarse unas de las otras, produciendo la separación de la laminilla de la varilla metálica. De esta manera el electroscopio queda cargado con cargas de signo contrario al de la barra acercada (numeral 4).

3 Figura 3. Proceso de Inducción con un Electroscopio Contacto: La carga por contacto se produce cuando existe contacto directo entre un cuerpo neutro con otro cargado eléctricamente, produciendo paso de electrones de uno al otro. Si el cuerpo está cargado positivamente, fluyen electrones desde el electroscopio hacia el cuerpo esto se debe a que el cuerpo busca neutralizarse, la figura 4 ilustra el proceso. Figura 4. Proceso de Conducción con un Electroscopio ACTIVIDAD PRELIMINAR (Los siguientes enlaces tienen el propósito de que fundamente teórica y experimentalmente su proyecto) La siguiente actividad tiene como objetivo, realizar un análisis preliminar a la Ley de Coulomb. Ingrese a la siguiente dirección: s/electroscopio.html

4 METODOLOGÍA A UTILIZAR Cada grupo de trabajo (máximo de cuatro estudiantes) redactará el informe adjunto y responderá de manera previa únicamente los objetivos y el cuestionario. Todos los integrantes del grupo deben tener conocimiento del presente documento (objetivos, marco teórico, procedimiento experimental, cuestionario). El docente impartirá en laboratorio durante los primeros 15 minutos una clase magistral introductoria relacionada con los temas propuestos. Durante la clase el docente realizara preguntas y aplicara pruebas experimentales al prototipo que validaran su óptimo funcionamiento. En laboratorio el grupo de trabajo debe resolver el procedimiento, tomando las medidas y los cálculos respectivos para su prototipo a medida que se desarrolla la guía. Finalizada la clase el grupo de trabajo debe entregar el documento adjunto finiquitado. MATERIALES, EQUIPOS Y REACTIVOS A UTILIZAR Materiales y Equipos Materiales Estudiante 1 Barra de vidrio Es responsabilidad del equipo de trabajo traer el 1 Barra de resina prototipo terminado y funcionando para realizar la toma de datos en la primera sesión de Trozos de piel y seda laboratorio. Se recomienda aislar el electroscopio en un recipiente de vidrio. PRECAUCIONES Y MANEJO DE MATERIALES El estudiante deberá repasar los conceptos antes mencionados, se le hará entrega de los elementos, verifique el estado de los mismos en el momento en que se le entreguen. PROCEDIMIENTO 1. Construya un prototipo semejante o parecido al indicado en la figura 4. Figura 4. Electroscopio de bajo costo 2. Frote la barra de vidrio con la seda y toque con dicha barra la esfera metálica del electroscopio. Describa lo que observa y dé una explicación física de lo sucedido. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 2). 3. Cargue el electroscopio como lo hizo anteriormente. Conecte uno de los extremos de un alambre de cobre a la esfera del electroscopio y el otro extremo del alambre a tierra. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 3).

5 4. Retirando la conexión a tierra y quitando la barra de vidrio. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 4). 5. Repita el procedimiento 2,3 y 4 ahora con la barra de plástico. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 5). 6. Frote la barra de plástico con el trozo de piel y sin tocar acerque la barra a la esfera metálica del electroscopio. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 6). 7. Cargue el electroscopio nuevamente como lo hizo en 6. Conecte uno de los extremos del alambre de cobre a la esfera del electroscopio y el otro extremo del alambre a tierra. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 7). 8. Repita el procedimiento 6 y 7 ahora con la barra de vidrio. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 8). 9. Frote la barra de vidrio con la seda, cargue el electroscopio y manténgalo cargado. Frote ahora la barra de plástico con la piel y toque la esfera del electroscopio con la barra de plástico. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 9). 10. Cargue el electroscopio por algún método de su elección, de modo que la lámina y la laminillas queden permanentemente separadas. Prenda un fósforo, acérquelo a la esfera metálica del electroscopio y explique con razones físicas lo sucedido. Grafique la situación observada y escriba sus análisis de igual forma como se hace en el marco teórico. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 10). NOTA: Todos los resultados deben ser BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA consignados en el informe del proyecto PASCO. Guías de laboratorio FEYMAN, Richard. Física v1. Editorial Addison Weslley. México, SEARS, Francis y ZEMANSKY, Mark. Física Universitaria. V1. Pearson Educación, SERWAY, Raymond. Física. V1. Editorial Mc Graw Hill, México, 2001.

6 INFORME DEL PROYECTO ESTUDIANTES: GRUPO: NOTA: CARRERA: Formule tres objetivos que desee cumplir con el proyecto RESULTADOS Numeral 2. Gráfica 2 Análisis de Resultados:

7 Numeral 3. Gráfica 3 Análisis de Resultados: Numeral 4. Gráfica 4

8 Análisis de Resultados: Numeral 5. Gráfica 5 Análisis de Resultados:

9 Numeral 6. Gráfica 6 Análisis de Resultados: Numeral 7. Gráfica 7

10 Análisis de Resultados: Numeral 8. Gráfica 8 Análisis de Resultados:

11 Numeral 9. Gráfica 9 Análisis de Resultados: Numeral 10. Gráfica 10 Análisis de Resultados:

12 CUESTIONARIO 1. Explique el principio físico de cómo funciona su prototipo. 2. Explique que es un material conductor y aislante teniendo presente el proceso de conducción en el electroscopio. 3. Con base en la información de la figura explique cómo se comporta el papel (trozos de papel) en el ámbito eléctrico? Fundamente su respuesta experimentalmente.

13 4. Explique en detalle el concepto de tierra tanto para conducción como para inducción. 5. Establezca diferencias entre la conducción y la inducción CAUSAS DE ERROR Y ACCIONES PARA OBTENER MEJORES RESULTADOS:

14 CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA