GUÍA Nº 1 ELECTROSTATICA 1.- Introducción Los fenómenos eléctricos son conocidos desde la Antigüedad. Los griegos sabían que frotando un trozo de ámbar ( ελεκτρυ en griego) éste se electrificaba y atraía trozos de paja o plumas. Posteriormente en el siglo XV, William Gilbert descubre que la electricidad es un fenómeno que se da en todos los cuerpos incluso en las personas. Sólo en 1785 Charles Coulomb establece una ley cuantitativa de las fuerzas eléctricas. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas de signos opuestos llamadas positivas y negativas. Usualmente los cuerpos son eléctricamente neutros y mediante algunos procesos físicos se les puede hacer perder o ganar cargas eléctricas quedando de esta forma cargado eléctricamente. Estos procesos son: carga por frotamiento, carga por inducción y carga por contacto. Carga Eléctrica Carga por frotamiento En la vida diaria es frecuente observar fenómenos eléctricos que se producen por frotamiento. Por ejemplo al peinarnos o cepillarnos el pelo pueden generarse chispas eléctricas que a veces se detectan por el ruido que producen. Lo mismo ocurre cuando nos quitamos un jersey o una camisa de fibra sintética. Según las sustancias se pueden considerar cargas dos tipos de carga: positivas y negativas. Se puede comprobar que cuerpos con cargas iguales se repelen y cargas de distinto tipo se atraen. La explicación de los dos tipos de carga en los cuerpos está en la naturaleza eléctrica de la materia. En los átomos hay igual número de protones (carga +) que de electrones (carga -). Cuando dos cuerpos se frotan, parte de los electrones de uno de ellos pasa al otro quedando cargado positivamente mientras el que los recibe queda cargado negativamente. Los protones no participan porque están en el núcleo. Conductores y aislantes Los metales permiten moverse la carga eléctrica son los conductores y los que no dejan pasar las cargas eléctricas los aislantes. En un lugar intermedio están los semiconductores como el silicio y el germanio con los que se construyen diodos, transistores, chips... Carga por inducción Si frotamos un bolígrafo y luego lo acercamos a un papel vemos que lo atrae. Al acercar el bolígrafo al papel las cargas del bolígrafo repelen a las del mismo signo del papel y atraen a las de signo opuesto. En el papel se ha inducido una carga de signo opuesto a la del bolígrafo y ambas se han atraído. Lo mismo ocurre con un globo cargado por frotamiento con un jersey. Cuando se acerca el globo a una pared en la pared se induce una carga de signo opuesto a la del globo y la fuerza entre cargas de signo opuesto mantiene al globo en la pared. También un peine que se ha frotado en el pelo atrae a un chorrito de agua al aparecer en el chorro una carga de distinto signo a la del peine 2.- Aprendizajes Esperados a) De acuerdo al programa de estudios
2.1.- Criterios de Evaluación a) Experimentar cualitativamente con fenómenos de carga por frotamiento, conducción e inducción b) Reconocer las propiedades más relevantes de los mismos. 3.-Materiales a) Set de Electrostática b) Barras de vidrio, plástico, pvc, etc. c) Péndulos d) Generador de van de Graff e) Penacho f) Taburetes aisladores g) Punta metálica h) Tubo fluorescente i) Cinta aislante j) Molinillo con soporte aislante k) Esfera conductora conectada a tierra 4.- Actividades 4.1.- Procedimiento 1 EXPERIENCIA I: CARGA POR FROTAMIENTO a) Frote la barra de pvc o de plástico con un paño y acérquela a distintos materiales como trocitos de papel, motitas de algodón, esferitas de aluminio, etc. Describa y explique lo que observa. b) Repita usando ahora una barra de vidrio. Hay algún cambio? c) Frote la barra de pvc y acérquela a un fino chorro de agua, Qué ocurre? Explique el fenómeno. d) Construya los esquemas de distribución de las cargas para cada forma de cargar eléctricamente cuerpos. EXPERIENCIA II: EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS a) Cargue una barra de pvc frotándola con algún otro objeto y toque un péndulo descargado por algunos segundos. Luego separe la barra del péndulo y vuelva a cargar la barra y acérquela al péndulo cuidadosamente sin tocarlo y describa lo que ocurre. Explique el fenómeno. b) Cargue dos péndulos por contacto con la barra de pvc. Luego acerque los péndulos lentamente. Explique lo observado. c) Cargue primero un péndulo y enseguida colóquelo muy cerca, pero sin tocar la barra metálica como muestra la siguiente figura:
d) Luego cargue la barra de pvc y toque el extremo libre de la barra metálica. Explique lo que sucede con el péndulo. 4.2.- Procedimiento 2 GENERADOR DE VAN DE GRAAFF El propósito del generador de Van de Graaff es depositar una gran cantidad de carga eléctrica positiva sobre un domo metálico conductor. El generador, que utiliza la electrización por frotamiento y por inducción, actúa como un grifo de cargas que se almacenan en el domo del generador. 2.1 Procedimiento: Pelos de punta a) Con el generador detenido, un compañero subido sobre una silla aislada pone la mano sobre el domo y en la otra sujeta el penacho de papeles. Se pone en marcha el generador. El cuerpo de la persona que sujeta el penacho se va cargando y las hojas del penacho acaban por separarse y eventualmente los pelos se ponen de punta (se le acerca un espejo para que pueda verse). Para facilitar el proceso se debe agitar la cabeza para que se deshagan las hebras de pelo, hay que asegurarse que no se quita la mano del domo, no se toca a nadie ni a ninguna cosa, ni se baja de la silla. Si se infringen estas normas se siente un calambre desagradable. Esto ocurre porque al hacerlo se completa la conexión eléctrica y hace de tierra. La
electricidad estática, en lugar de permanecer en el cuerpo pasa ahora a tierra. b) Se repite el experimento con varios asistentes, subidos a sillas aislantes y agarrados de la mano, antes de poner en marcha el generador. El último sujeta el penacho de papeles que se repelen cuando el generador se pone en marcha. Eventualmente los pelos de los agarrados de la mano se ponen en punta. Campo Eléctrico El espacio que rodea a una carga o conjunto de cargas queda perturbado por la presencia de las mismas que ejercen su acción a distancia. Se dice que en el espacio hay un campo eléctrico y la perturbación se aprecia porque, si en el espacio se pone una carga de prueba (que por convenio se supone positiva) experimenta una fuerza. En los experimentos que siguen se puede apreciar que la carga sobre el domo del generador produce ionización en las moléculas que están próximas, en las del aire o en las de un tubo fluorescente próximo al domo. 2.2 Procedimiento Ionización del gas de un fluorescente a) Se pone en marcha el generador de Van de Graaff y se coloca muy próximo un fluorescente que se sujeta por un extremo y se aproxima sobre el otro. Apagando la luz puede apreciarse como el fluorescente se enciende. 2.3 Procedimiento Viento eléctrico a) Se coloca con cinta aislante un conductor con forma de punta sobre el domo del generador y apuntando radialmente hacia fuera utilizando la cinta aislante o la plastilina. Al acercar una vela encendida a la aguja se observa como se desvía la llama e incluso la vela se apaga. b) Se detiene el generador y se descarga con una punta metálica. Un asistente toca el domo subido sobre un taburete aislado. Se pone en marcha y después estira su dedo hacia una vela encendida que de nuevo oscila. En esta ocasión el dedo hace de punta. 2.4 Procedimiento Un molinillo eléctrico a) Se conecta el generador y se aproxima el molinillo al domo del generador. Cuando este se pone en marcha, el molinillo empieza a girar cada vez con mayor velocidad. b) La distribución de la carga sobre el domo del conductor es uniforme debido a su forma esférica. Esto no ocurre para los objetos con forma irregular o no simétrica. Por esta razón las partes estrechas siempre tienen mayor concentración de cargas que las partes anchas. El efecto será máximo para los objetos en forma de punta. En la punta que se ha colocado sobre el domo la carga en la punta será tan intensa que ionizará las moléculas del aire próximo. Los iones negativos se desplazarán hacia el domo del generador para neutralizar su carga (que se supone que es positiva). Los iones positivos, sin embargo, se alejan (debido a la repulsión electrostática) de la carga del generador y no se neutralizan. A medida que el generador funciona proporciona más y más iones positivos a alta velocidad. Los iones repelidos forman un viento llamado viento eléctrico que sopla alejándose del generador.
c) En el molinillo la carga fluye desde el domo hacia las puntas. Esta carga distribuida forma una nube de iones en el aire. Cada punta negativa es repelida por la nube de iones asociada haciendo que gire. 2.5 Procedimiento Chispas y Rayos a) Se hacen saltar chispas entre el domo y una esfera conductora conectada a tierra simulando rayos b) La esfera conectada a la base del generador (a tierra) se coloca a unos pocos centímetros del domo del generador de Van de Graaff. Cuando se conecta, el domo queda cargado negativamente y la esfera conectada a tierra queda cargada positivamente por inducción. Como ocurre con la parte baja de una nube y el suelo. Salta una chispa y las dos esferas pierden sus cargas. También se oyen chasquidos. Las chispas equivalen a los rayos y los chasquidos son los truenos. c) Varias veces a lo largo de esta sesión se ha descargado el domo del Van de Graaff con un objeto conductor en punta que se sujeta con la mano. d) Con el sistema funcionando, una punta conectada a tierra se orienta hacia el domo del Van de Graaff desde una distancia de varias veces la distancia entre el domo y la esfera conectada a tierra. La punta descarga al domo, evitando la construcción de una carga y la consiguiente descarga. Aquí se está simulando un pararrayos. 4.2.- Cálculo y Resultados a) Por qué algunos cuerpos son buenos conductores de la electricidad, como el cobre? b) Y por que otros son malos conductores de la electricidad, como el vidrio? c) Qué hace la diferencia? d) Investigue acerca de la teoría de bandas: banda de valencia y bandas de conducción. 4.3.- Investigación Previa al Experimento: Rayos Truenos En una tormenta eléctrica, las nubes de tormenta están cargadas. La parte superior de la nube es positiva y la parte baja es negativa. El cómo la nube adquiere esta carga no se ha explicado bien todavía. La parte de abajo una nube lleva carga negativa. Aparecen, por inducción, cargas positivas sobre el suelo, edificios, palos de barcos, banderas, cimas de montañas o árboles. Se supone que desde la parte baja de la nube aparece un zigzag de segmentos o escalones de carga eléctrica negativa formada por segmentos en zigzag o escalones. Cuando el zigzag está a una distancia de unos 45 metros de una carga positiva sobre el suelo, desde el suelo un chorro serpenteante de carga positiva sube para encontrarse con el y se produce un rayo. También se producen rayos entre las nubes. Un rayo se produce en medio segundo. En ese tiempo, el rayo calienta el aire circundante a una gran temperatura. El aire cercano se expande y vibra, produciendo el sonido que escuchamos como el trueno. El sonido viaja más lentamente que la luz, por lo que parece que el trueno ocurre después.
En 1752 el científico y hombre de estado, Benjamin Franklin, realizó un experimento para demostrar que los rayos eran electricidad. Durante una tormenta en Filadelfia, Pensilvania, Franklin y su hijo Guillermo hicieron volar una cometa casera con un cable metálico unido a ella. Franklin pensó que un rayo incidiría sobre el alambre, fluiría sobre el cable de una cometa hasta una llave atada cerca del extremo. La cometa entró en una nube de lluvia. Franklin vio saltar una chispa. El experimento funcionó. El rayo tenía que ver con la electricidad. Franklin fue afortunado. Si el rayo hubiera sido más intenso hubiera podido resultar herido. Posteriormente Benjamin Franklin desarrolló el pararrayos una punta metálica unida a los cimientos del edificio que se quiere proteger por una conducción de cobre o aluminio introducido en el suelo. El funcionamiento de los pararrayos se conoce mal, no atraen a los rayos sino que proporcionan un camino de baja resistencia hacia el suelo que puede conducir enormes cantidades de electricidad procedentes de los rayos. 5.- Bibliografía 1. R. Serway, Vol. II, Física, Editorial Mc Graw Hill, 2005 2. Tipler,.Fisica, Editorial McGraw - Hill, 1999 3. Sears y Zemansky, Fisica General, Editorial Aguilar S.A., España, 1980