UNIVERSIDAD DE LOS ÁNDES

Informe Nº1

Laboratorio Física II

Interacción de Cargas Eléctricas

                                      Alumno: Luis Manuel Méndez Rosales

                                       Cédula: V-009249160
                                     Profesor: Pablo Labrador

Fecha: 20 de Diciembre del 2017

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Introducción

          Este informe ha sido elaborado con el fin de dar a conocer los diferentes conocimientos adquiridos durante el desarrollo del laboratorio, donde iniciamos nuestro estudio de la electricidad y el magnetismo, el cual es un estudio difundido por todo el mundo físico. Las fuerzas electromagnéticas controlan la estructura de los átomos y de todos los materiales y otras ondas electromagnéticas como la luz se encuentran presentes en todas partes. La comprensión de estas fuerzas es uno de los grandes éxitos de la ciencia. Por lo tanto estudiaremos y ahondaremos en el estudio de la carga eléctrica y la ley de Coulomb. La ley de Coulomb es tan fundamental como la de la gravitación universal que es de atracción y tiene la misma forma, aunque esta puede ser de atracción y repulsión.

          Daremos un vistazo a los generadores de electricidad Estática, donde nos pondremos creativos para diseñar uno parecido y si el clima es propicio trataremos de cargar diferentes materiales para observar el comportamiento de las polaridades negativas y positivas, en esferas suspendidas, barras en equilibrio y el famoso electroscopio.

Inicio

Práctica Nº 1

Electrostática y Electrocinética. Fenómenos Electrostáticos

Objetivos Generales:

· Caracterizar los fenómenos relacionados con la interacción de cargas eléctricas.

· Aplicar las leyes fundamentales de los fenómenos electrostáticos.

I. INTRODUCCIÓN:

II. PRE LABORATORIO

Investigue los diferentes instrumentos diseñados por el hombre para producir electricidad estática. Proponga un instrumento creado por usted basado en cualquiera de estos instrumentos.

El Modelo a continuación se basa en el generador de electricidad estática Van Der Graaff, pero este dispositivo tiene su parte móvil o giratoria conectada mecánicamente a un molino hidráulico y la cinta de tela fue adherida a una rueda, la cual transmitirá la electricidad estática de una escobilla a otra. Entonces, el agua golpeará las aspas del molino haciéndolo girar, este movimiento se comunicará a través de una transmisión de madera a un rodillo circular también de madera, el cual estará forrado en su parte más externa por una banda de tela de poliester. Luego dos peines o colectores metálicos en forma de escobillas harán roce continuo con esta tela. La escobilla inferior tomará los electrones de la esfera metálica derecha y los transmitirá a la tela, la escobilla superior tomara los electrones de la tela y los depositará en la esfera metálica que recubre las escobillas y acumulará carga eléctrica estática, hasta que se esta sea lo suficientemente alta para saltar de una esfera a la otra en forma de arco eléctrico, manteniéndose este ciclo mientras gire el molino.

Procedimiento:

Observación del fenómeno:

Tenemos dos péndulos formados por un hilo de material aislante (hilo de algodón), del cual pende una pequeña esfera conductora (esfera de anime forrada con papel aluminio). Ambas se encuentran en posición vertical como lo indica la figura 1.A. Frotamos la barra de vidrio con seda y tocamos a P1 y frotamos una barra de plástico con el paño y tocamos a P2. Luego introducimos entre P1 y P2 la barra de vidrio como lo indica la figura 1.B. ¿Qué observa? Haga un Dibujo de lo observado, indicando las variables físicas que intervienen en la experiencia. Anote cualitativamente los resultados y explique lo observado.

1) En este dibujo podemos observar que la varilla de vidrio, la barra de plástico y las dos esferas se encuentran descargadas. Ahora procederemos a cargar la varilla de vidrio y la barra de plástico.

2) En este dibujo podemos observar que al frotar la varilla de vidrio con un trozo de seda, esta se carga positivamente. La variable que interviene es la carga en Coulomb de valor positivo.

3) En este dibujo podemos observar que al frotar la barra de plástico con un trozo de paño, este se carga negativamente. La variable que interviene es la carga en Coulomb de valor negativo.

4) En este dibujo podemos observar la varilla de vidrio y la barra de plástico cargadas con sus respectivas polaridades, después de haber sido frotadas.

5) Acercamos la varilla de vidrio con carga positiva a la esfera de la izquierda llamada P1 y hacemos contacto con ella, con lo cual se cargara con esta polaridad, también acercamos la barra de plástico con carga negativa a la esfera de la derecha llamada P2 y  hacemos contacto con ella, con lo cual se cargara con esta polaridad.

6) Podemos observar que entre las esferas ocurre una ligera atracción, la cual se hace más imperceptible en los días con clima húmedo.

7) Al dirigir la barra de vidrio con carga positiva entre las dos esferas, podemos observar que P2 con carga negativa es atraída hacia la varilla de vidrio con carga positiva y a su vez P2 es repelida debido a su carga positiva. Con lo que podemos concluir que las cargas con signos diferentes se atraen y las cargas con signos iguales se repelen. La fuerza eléctrica entre las dos esferas, es directamente proporcional al producto de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa, tomando en cuenta la constante de proporcionalidad K.

ANEXO: En el siguiente vídeo podemos observar la animación completa de lo explicado anteriormente.

Barra de Torsión

Desarrollo de la experiencia:

1. Balanza de Torsión. Se suspende de un hilo, de forma horizontal y en equilibrio una barra de plástico la cual está atada al extremo de un soporte de madera, se acerca una barra de vidrio, una de acrílico, una de bolígrafo, y una de ebonita a uno de sus extremos alternadamente sin haber sido frotadas. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

En el siguiente dibujo podemos observar la balanza de torsión junto a la barra de vidrio, acrílico, plástico y ebonita. Como ninguna de las barras ha sido frotada, no tienen carga de ninguna polaridad. Por lo tanto la barra no fue atraída ni repelida por lo otros materiales.

Barra de torsión y cuatro materiales distintos: Vidrio, Acrílico, Plástico y Ebonita.

2) Se frota con seda un extremo de la barra de plástico suspendida de forma horizontal. Se acerca una barra de vidrio previamente frotada con seda a la barra de plástico ¿Qué se observa? ¿A qué se debe este fenómeno?

Al frotar un extremo de la barra de plástico esta queda cargada negativamente, luego se frota la barra de vidrio quedando con carga positiva, ambos materiales se atraen provocando el movimiento de la barra de torsión hacia la barra de vidrio. Esto ocurre porque la barra de plástico tiene carga negativa y la barra de vidrio tiene carga positiva y cargas diferentes se atraen. 

Frotando barra de torsión plástica

 ATRACCIÓN: Cargas diferentes se atraen.

3. Acerque la barra de vidrio previamente frotada con seda, al extremo que no fue frotado de la barra de plástico. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Se observó que en el instante que la barra de plástico ha sido frotada, un extremo tiene carga negativa y el extremo opuesto tiene carga contraria, es decir positiva, por lo tanto al acercar la barra de vidrio al extremo negativo, tenderá a atraer a la barra de plástico y al acercar la barra de vidrio al extremo positivo, la barra de plástico tenderá a repeler a la barra de vidrio. Esto ocurre, porque la barra de plástico se comporta en breves instantes como un imán con dos polos opuestos, Norte y Sur. A medida que pasa el tiempo la carga se disipa a lo largo de la barra. 

4. Se acerca un bolígrafo frotado con seda al extremo frotado del plástico. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Se observó que el bolígrafo o plástico cargado negativamente por frotamiento repele a la barra de torsión que también es negativa en uno de sus extremos. Esto ocurrió porque ambos materiales tiene carga negativa y estas a su vez se repelen.

REPULSIÓN: Cargas iguales se repelen.

5. Se acerca ahora un bolígrafo frotado con seda al extremo no frotado del plástico.¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? 

Se observó que el extremo de la barra torsión de plástico fue atraída por el plástico del bolígrafo, ya que este extremo tiene carga positiva.  Esto ocurre, porque la barra de plástico se comporta en breves instantes como un imán con dos polos opuestos, Norte y Sur. A medida que pasa el tiempo la carga se disipa a lo largo de la barra.

A continuación se presenta un vídeo con la animación que se explicó anteriormente.

Tabla 1 y 2

Tabla Nº 1:

Interacción de materiales frotados y no frotados con el paño de seda.

6) Sabiendo que el vidrio al frotarse con seda queda cargado positivamente, identifique el tipo de carga de los diferentes cuerpos frotados, de acuerdo a lo observado. Recomendación: acerque el vidrio cargado a la parte cargada del objeto que se encuentra suspendido y utilice la carga deducida para ese elemento como base para identificar la carga de los otros materiales.

Tabla Nº 2: Identificación del tipo de carga de las barras

Péndulo Electrostático

7) Construya un péndulo electrostático. Se frota con la lana una barra de plástico, se acerca sin tocar, a la bolita de icopor (anime) del péndulo electrostático (la bolita esta forrada de papel aluminio) ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? 
La barra de plástico frotada con lana al estar cargada negativamente, atrajo a la bolita de anime por estar neutra.
Esto ocurrió porque la carga negativa de la barra de plástico atrajo a la pequeña carga positiva de la bolita. Si la bolita hubiese estado cargada positivamente la atracción hubiera sido más fuerte. Como la bolita se encuentra en equilibrio o neutra la atracción es leve.

8) Repita el paso anterior pero ahora acerque hasta tocar. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Ahora al acercar la barra de plástico cargada negativamente a la bolita, se observa la misma atracción, pero al tocarla ocurre una repulsión.

Esto ocurre porque la bolita (con leve carga positiva) es atraída a la barra cargada negativamente y al hacer contacto, la bolita se carga también negativamente, quedando ahora los dos materiales con el mismo tipo de carga negativa, ocasionando así una repulsión.

9) Se frota de nuevo la barra de plástico y se acerca cuidadosamente por la parte inferior de la bolita del péndulo electrostático, tratando de no tocar. Sin retirar la barra, toque por la parte superior a la bolita de icopor con el dedo índice (conexión a tierra). ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

La barra de plástico frotada con lana al estar cargada negativamente, atrajo a la bolita de anime por estar neutra y al tocarla con la mano dejó de ser atraída.

Esto ocurre porque la bolita fue llevada a tierra a través de la mano, con lo que perdió su carga.

El siguiente vídeo muestra las tres condiciones del Péndulo Electrostático:

Tabla Nº 3: Interacción de los materiales frotados con lana

Péndulo Electrostático 2

10. Con conocimiento de los tipos de cargas deducidos para los materiales en la parte 6 se cargan las bolitas de dos péndulos electrostáticos con el mismo tipo de carga. Se acerca una frente a otra. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Las dos esferas se repelen.

Al cargar las dos esferas con la carga del plástico frotado, obtenemos repulsión en ellas al tratar de juntarlas.

11. Se cargan dos péndulos electrostáticos de globo con el mismo tipo de carga. Se acerca uno frente a otro. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Los dos globos se repelen.

Al cargar los dos globos con la carga del acrílico frotado, obtenemos repulsión en ellos al tratar de juntarlos.

12. Se cargan dos bolitas de péndulos electrostáticos, pero ahora con cargas de signos diferentes ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Las dos esferas se atraen.

Al cargar una esfera con la carga del acrílico frotado y la otra esfera con la carga de la ebonita frotada, obtenemos atracción entre ellas al acercarlas.

Tabla Nº 4: Interacción de los tipos de cargas con péndulos electrostáticos

Electroscopio

13. Se frota un bolígrafo en el cabello y luego se acerca a la parte superior de un electroscopio, sin llegar a tocarlo. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Las placas del electroscopio se separan con la presencia de la carga del bolígrafo, pero al alejarlo las placas vuelven a su posición inicial. Esto ocurre porque la carga del bolígrafo se deposita en las placas y al ser iguales se repelen y esta carga no permanece en las placas del electroscopio después de alejar el bolígrafo.

14. Se repite el paso anterior pero ahora si se toca con la barra cargada a la parte superior del electroscopio. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Las placas de electroscopio se separan con la presencia de la carga del bolígrafo, pero al alejarlo las placas permanecen en esa posición. Esto ocurre porque la carga se induce en las placas conductoras del electroscopio al hacer contacto.

15. Se frota la barra de plástico en el cabello, se acerca sin tocar, a la parte superior del electroscopio mientras se hace contacto a tierra con el dedo índice de la otra mano. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Las placas de electroscopio se separan con la presencia de la carga del bolígrafo, pero al tocar con la mano la parte superior del dispositivo, las placas vuelven a su posición inicial. Esto ocurre porque la carga presente en el electroscopio se va a tierra a través del cuerpo.

Vídeo sobre el electroscopio y las esferas al cargarse.

Tabla Nº 5: Interacción de los materiales frotados con el cabello y el electroscopio

16. Se carga el electroscopio con carga negativa y luego se acerca un cuerpo también negativo ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Cuando el electroscopio se cargó con la polaridad negativa del plástico de un peine y luego acercamos un trozo de ebonita frotada, también con carga negativa, las placas del electroscopio se separaron. Esto ocurrió porque al estar el electroscopio cargado negativamente le fue acercada una carga de la misma polaridad, con lo que podemos deducir que la carga del electroscopio y la carga del material acercado son iguales. 

17. Se repite el paso anterior, pero ahora se acerca un cuerpo cargado positivamente. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?

Cuando el electroscopio se cargó con la polaridad negativa del plástico de un peine y luego acercamos un trozo de acrílico frotado, de carga positiva, las placas del electroscopio se acercaron o se unieron. Esto ocurrió porque al estar el electroscopio cargado negativamente le fue acercada una carga de diferente polaridad, con lo que podemos deducir que la carga del electroscopio y la carga del material acercado son opuestas o diferentes. 

Tabla Nº 6: Interacción de los tipos de carga con el electroscopio.

Vídeo Anexo sobre la experiencia de Laboratorio

Fórmulas:

CONCLUSIONES:

  La carga ni se crea ni se destruye solo se transfiere.

    Cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen.

    Los materiales tienden a tomar una respectiva carga cuando son frotados.

  El electroscopio es útil para indicarnos la presencia y los tipos de cargas que existen alrededor nuestro.

  El Van Der Graff es un dispositivo generador de carga estática.

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Bibliografía:

MANUAL PARA EL LABORATORIO DE FÍSICA II. Labrador, Pablo

Wikipedia: https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff

Fishbane. Capítulo 22

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