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DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIN FSICA
ESTUDIOS GENERALES CIENCIAS
Guas de Laboratorio de Fsica 3
Revisado y modificado por: E. Rubn Snchez Alcntara
2014-1
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Estudios Generales de Ciencias 2014-1 Laboratorio de Fsica 3
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CAPTULO 1
ELECTROSTTICA
1.1 OBJETIVO Aprender a realizar esquemas de distribucin de
cargas elctricas entre un cuerpo cargado
elctricamente y un cuerpo neutro. Estudiar los procesos de
electrizacin por contacto e induccin. Aprender a utilizar el
multmetro digital.
1.2 INTRODUCCIN TERICA
CARGA ELCTRICA
La carga elctrica es una magnitud fsica de la materia, que
corresponde a la propia naturaleza de algunas de sus partculas
subatmicas. La carga elctrica se manifiesta mediante fuerzas de
atraccin y repulsin entre las partculas subatmicas que conforma la
materia.
El trmino elctrico, tiene su origen en las experiencias
realizadas por Tales de Mileto, un filsofo griego que vivi en el
siglo sexto antes de Cristo. Tales de Mileto estudi el
comportamiento de una resina fsil, el mbar (en griego electrn),
observando que cuando un pedazo de mbar era frotado con un pao de
lana adquira la propiedad de atraer pequeos cuerpos ligeros.
Figura 1.1 Atraccin elctrica de una pluma por un pedazo de mbar
luego de ser frotado con un pao de lana.
Las fuerzas de atraccin y repulsin entre cargas elctricas se dan
debido a que existen dos tipos de partculas subatmicas que se
denominan: carga elctrica positiva (magnitud fsica con signo
positivo) y carga elctrica negativa (magnitud fsica con signo
negativo). Las cargas elctricas de igual signo se repelen entre s,
mientras que las cargas de signos distintos se atraen entre s.
Figura 1.2 Atraccin y repulsin entre cargas elctricas.
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CONSERVACIN DE LA CARGA ELCTRICA
Una de las ms importantes caractersticas de la carga elctrica es
que, en cualquier proceso fsico que se efecta bajo un sistema
aislado, la carga total siempre se conserva.
LEY DE COULOMB
La electrosttica es la que estudia de las cargas elctricas en
reposo, teniendo como una de sus leyes fundamentales, la ley de
Coulomb.
La Ley de Coulomb dice que: la fuerza electrosttica entre dos
cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa, y acta en la direccin de la lnea que las une. Entindase por
carga puntual a una carga elctrica localizada en un punto geomtrico
del espacio.
2qQF =kr
e
Q y q: son las cargas elctricas, expresadas en coulomb (C). r:
la distancia de separacin entre las cargas, expresada en metros. k:
constante elctrica. El valor de esta constante elctrica (k) en el
vaco es aproximadamente 9x109 N.m2/C2
La fuerza electrosttica es de repulsin si las cargas son de
igual signo, y de atraccin si son de signo contrario".
Figura 1.3 Esquema de las fuerzas de atraccin y repulsin entre
cargas elctricas.
ELECTRIZACIN
La electrizacin es el efecto de ganar o perder (transferencia)
cargas elctricas en un cuerpo neutro (igual cantidad de cargas
negativas que positivas) por acciones de frotacin, contacto o
induccin entre cuerpos. Existe otras acciones para electrizar un
cuerpo pero no se realizarn en el laboratorio.
Electrizacin por frotamiento (efecto triboelctrico)
El efecto triboelctrico es un tipo de electrizacin generado por
el frotamiento directo entre dos cuerpos de diferente material. La
fuerza de las cargas producidas se diferencian de acuerdo a la
naturaleza de los materiales, la aspereza superficial, la
temperatura, la tensin, entre otras.
En la tabla 1 se muestra algunos materiales triboelctricos donde
se asocian la carga que pueden adquirir por frotamiento. De acuerdo
a la tabla uno, si usted frota dos materiales de la secuencia, el
que est en la posicin ms alta se cargar positivamente, mientras que
el que se site ms
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abajo se cargar negativamente. Adems cuanto ms separados estn
los materiales en la tabla, ms intensa es su electrizacin por
frotamiento. Tabla 1. Secuencia triboelctrica de algunos
materiales.
Mayor carga positiva + Aire Piel humana Cuero Vidrio
Mica Pelo humano Lana Seda Aluminio Papel (pequea carga
positiva) Algodn (sin carga)
0 Acero (sin carga) Madera (pequea carga negativa) mbar Acrlico
Globo de goma Resinas Oro, Platino Polister Polietileno (cinta
scotch) Polipropileno Vinilo (PVC) Mayor carga negativa -
Electrizacin por contacto
Este tipo de electrizacin se produce cuando se pone en contacto
un cuerpo con otro que est previamente electrizado. En este proceso
ambos cuerpos quedan cargados por cargas del mismo signo.
Electrizacin por induccin Este tipo de electrizacin se produce
cuando un cuerpo previamente cargado (el inductor) es acercado a un
cuerpo conductor, neutro y aislado (el inducido) sin tocarlo, el
cuerpo inducido experimentar separacin de cargas (acumulacin de
cargas positivas en una zona del cuerpo y acumulacin de cargas
negativas en una zona opuesta a la anterior). Luego el cuerpo
inducido es conectado a tierra por un alambre conductor,
transfiriendo las cargas elctricas de un tipo de
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signo, de tal forma que el cuerpo inducido adquirir una carga de
signo contrario al del inductor. Finalmente el cuerpo inductor es
alejado del cuerpo inducido que ya est cargado elctricamente.
ELECTROSCOPIO
El electroscopio es un instrumento que es utilizado para
determinar la presencia de carga elctrica en un cuerpo.
Figura 1.4 Esquema de un electroscopio cuando se acerca un
cuerpo electrizado.
En la figura 1.4 se muestra un esquema de un electroscopio
bsico, que consiste en una esfera metlica unida a una varilla
metlica vertical y en el extremo inferior de la varilla se colocan
dos lminas metlicas livianas. Parte de la varilla y las lminas
metlicas se encuentran en un frasco de vidrio transparente. Al
acercar un objeto electrizado a la esfera, las cargas elctricas en
la varilla se distribuyen de acuerdo al signo de sus cargas en
zonas opuestas y las lminas metlicas al quedar cargadas con el
mismo signo se repelen entre s. Si se aleja el objeto electrizado
de la esfera, las lminas vuelven a su posicin normal.
Cuando un electroscopio se electriza con carga de un signo
conocido, puede determinarse el tipo de carga elctrica de un objeto
aproximndolo a la esfera. Si las lminas se separan significa que el
objeto est cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio,
y si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos
opuestos.
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Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a
la conductividad elctrica del aire producida por su contenido en
iones. MULTMETRO DIGITAL
Es un instrumento que permite medir parmetros elctricos tales
como: corriente, voltaje, resistencia, capacitancia, entre otros
dependiendo las funciones incorporadas por cada fabricante. Las
medidas que se pueden realizar, pueden ser con corriente continua o
con alterna, y en diferentes escalas de acuerdo al fabricante.
Para medir estos parmetros elctricos se sigue dos
configuraciones comunes para la conexin de sus terminales (conexin
en serie y conexin en paralelo).
Por ejemplo, para medir la corriente que pasa por la resistencia
R1 en el circuito de la figura 1.6 se selecciona en el multmetro la
funcin ampermetro (funcin para medir corriente) y se conectan sus
terminales en serie con la resistencia R1. Para medir el voltaje al
que est sometido la resistencia R1 en el circuito de la figura 1.6
se selecciona en el multmetro la funcin voltmetro (funcin para
medir corriente) y se conectan sus terminales en paralelo con la
resistencia R1.
Figura 1.5 Identificacin de las partes del multmetro YF-3503
(GND: significa tierra elctrica).
Figura 1.6 Esquema de las conexiones de un ampermetro y
voltmetro en un circuito elctrico.
1.3 MATERIALES Dos globos Bolitas de tecnopor
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1 metro de hilo delgado Un pedazo de lana o papel peridico Un
tubo de PVC Un electroscopio Un soporte universal Una regla
milimetrada Multmetro digital YF-3503 Cinco cables con bananas
conectoras Una dcada resistiva METRIX / x10 Una dcada resistiva
METRIX / x100 Fuente de poder de corriente continua regulada*(marca
EXTECH)
1.4 PROCEDIMIENTO
Experimento 1: Fuerza electrosttica entre cargas del mismo
signo
1. Infle dos globos con aire y haga un nudo en sus terminales
para que el aire no salga. Luego una los globos mediante un hilo
delgado.
2. Electrice por frotacin la superficie de los globos usando un
pedazo de lana o papel peridico. Luego ubica los globos sobre una
varilla de madera que est fijo al soporte universal, tal como se
muestra en la siguiente figura.
3. Mida las longitudes L y d con una regla.
4. Dibuje el DCL del globo y usando la ley de Coulomb determine
la carga elctrica de los globos considerando que estas son iguales.
La masa del globo con aire ser proporcionada por su JP.
5. Repita los pasos 2,3 y 4 por segunda vez.
Experimento 2: Fuerza electrosttica entre un cuerpo cargado y un
cuerpo neutro Un cuerpo neutro como un cuerpo que tiene igual carga
elctrica negativa que positiva.
1. Coja un tubo de PVC y electrice este por frotacin con un
pedazo de lana o papel peridico. Luego acerque el tubo de PVC a un
conjunto de bolitas de tecnopor, y describa en su hoja de
resultados lo que llega a observar.
2. Vuelva electrizar el tubo de PVC con el pedazo de lana o
papel peridico y acrquelo a un conjunto de trozos pequeos de papel
aluminio. Describa en su hoja de resultados lo que llega a
observar.
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Experimento 3: Electrizacin por induccin y contacto en un
electroscopio
ELECTRIZACN POR CONTACTO
1. Coja un tubo de PVC y electrice este por frotacin con un
pedazo de lana o un peridico. Luego acerque el tubo de PVC al
contacto metlico exterior (similar la esfera de metal que se
muestra en la figura 1.4) del electroscopio sin tocarlo. Describa
en su hoja de resultados lo que llega a observar.
2. Luego acerque el tubo de PVC al contacto metlico exterior
(similar la esfera de metal que se muestra en la figura 1.4) del
electroscopio hasta tocarlo. Describa en su hoja de resultados lo
que llega a observar.
4. Toque el contacto metlico exterior del electroscopio para
descargarlo.
ELECTRIZACN POR INDUCCIN
5. Repita el paso 1 luego acerque el tubo de PVC cargado al
contacto metlico exterior del electroscopio sin tocarlo.
6. Toque con su dedo de la mano por un instante el contacto
metlico exterior del electroscopio para descargarlo.
7. Retire el tubo de PVC y describa en su hoja de resultados lo
que llega observar.
Experimento 4: Uso del multmetro digital
1. Su JP le instruir sobre las caractersticas bsicas del
multmetro digital YF-3503 (medidas elctricas que se pueden
realizar, incertidumbre de lectura).
2. Ahora ubique la fuente poder y gire la perilla reguladora de
voltaje en sentido antihorario (girar suavemente hasta que llegue a
su tope), tal como se muestra en la Figura 1.7 Luego presione el
interruptor para encender la fuente poder.
.
Figura 1.7 Fuente poder usada, identificando el interruptor de
encendido y la perilla de regulacin del voltaje.
SI EL LED ROJO DE LA FUENTE PODER SE ENCIENDE, APAGUE LA FUENTE
Y LLAME INMEDIATAMENTE A SU JEFE DE PRCTICA.
3. Seleccione la funcin voltmetro y la seal DC en el multmetro.
Usando los cables con conectores tipo banana, conecte estos a los
terminales de la fuente poder y a los del multmetro digital (ver
Figura 1.8). Luego encienda el multmetro colocando el interruptor
en la posicin ON.
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Figura 1.8 Multmetro en funcin voltmetro midiendo el voltaje de
la fuente poder.
4. Ahora gire la perilla reguladora de voltaje de la fuente
poder en sentido horario hasta que la lectura del voltmetro indique
5 voltios aproximadamente. Una vez hecho el ajuste de voltaje, debe
apagar la fuente poder y retirar los conectores tipo banana de la
fuente.
5. Ahora sin encender la fuente poder arme el circuito elctrico
que se muestra en la figura 1.9. Su JP le explicar acerca del
funcionamiento de las dcadas resistivas.
Figura 1.9 Esquema del circuito elctrico para medir corriente y
voltaje con un multmetro digital YF-3503.
6. Con ayuda de su JP y de la figura 1.6 mida la corriente y
voltaje en las resistencias R1 y R2.
