ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA

LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

  * ELECTROSTÁTICA

FECHA DE REALIZACION: °   SEPT 2011

FECHA DE ENTREGA: 8 SEPT 2011

GRUPO: 2CM10                                   EQUIPO: 1

PROFESOR: MARTINEZ MORALES MA SUSANA

ELECTROSTÁTICA

OBJETIVO:

Que el alumno:

  * Verifique que los cuerpos son susceptibles de electrizarse.

  * Identifique los diferentes procedimientos de electrización de los cuerpos.

  * Compruebe la existencia de los tipos de electrización que pueden adquirir los

cuerpos.

  * Diferencie los conductores de los aisladores.

  * Describa los aspectos de los campos eléctricos obtenidos entre electrodos de

diversas geometrías.

  * Concluya que en la región que rodea a un cuerpo electrizado existe una fuerza

de origen eléctrico que recibe el nombre de campo eléctrico.

Introducción teórica.

Para poder realizar con éxito una práctica primero debemos   tener los conceptos

teóricos necesarios, para saber que estamos haciendo, porqué suceden los

fenómenos que se presentan y que obtendremos como resultado o conclusión. Así

mismo, los resultados obtenidos en la práctica deben ser iguales o muy cercanos

a los que obtenemos mediante las formulas desarrolladas previamente. A

continuación se presentan algunos contenidos que nos serán de utilidad en la

práctica.

Carga eléctrica.

Es una propiedad fundamental de la materia, la

cual está asociada con partículas atómicas, el electrón y el protón; asociando una

carga negativa con el electrón y una carga positiva con el protón. El modelo del

átomo es comparado con el del sistema solar, ya que los electrones se ven como

si giraran alrededor del núcleo que contiene protones y otro tipo de partículas

eléctricamente neutras. La fuerza que conserva a los electrones en una órbita en

torno al núcleo esta suministrada por la atracción eléctrica. 

La carga de un electrón y la carga de un protón tienen la misma magnitud, aunque

signo opuesto. La carga del electrón se toma como la unidad fundamental de la

carga, dado que es la carga más pequeña que se ha observado en la naturaleza.

La unidad estándar para la carga es el Coulomb   (C).

Cuando las cargas interactúan una con otra, las direcciones de las fuerzas

eléctricas están dadas por la ley de las cargas: “Cargas semejantes se repelen, y

cargas diferentes se atraen”.

Posteriormente se tratara   también de carga neta, para ello conviene definirla.

Cuando hablamos de carga neta significa que tiene un exceso, ya sea de carga

positiva o negativa. Al tratar con cualquier fenómeno es importante tener en

cuenta el principio de la conservación de la carga: “La carga neta de un sistema

aislado permanece constante”. [4]

Electrización.

Cargar electrostáticamente es un proceso mediante el cual un aislante o un

conductor aislado reciben una carga neta.

*Carga por

fricción: es uno de los procesos de carga, cuando ciertos materiales se frotan con

un lienzo o piel, adquieren una carga eléctrica. La transferencia de carga se debe

al contacto y la naturaleza de los materiales y no únicamente a la fricción al ser

frotados. [3]

*Carga por contacto: Un cuerpo cargado negativamente puede transferir

electrones a otro, si los cuerpos se tocan.

*Carga por inducción: Se produce cuando un cuerpo hace tierra, dando así una

trayectoria para que los electrones puedan escapar, quedando una carga positiva

neta. Se debe comprender que la carga de un objeto no se remueve; la carga

puede moverse dentro del cuerpo para generar diferentes regiones de carga. En

este caso, la inducción forma una polarización, es decir, una separación de

cargas.[1]

Campo eléctrico.

La fuerza eléctrica se denomina fuerza de acción a distancia. En efecto decimos

que los limites de esta fuerza eléctricas son infinitos. Así una configuración de

cargas tendrá un efecto sobre una carga adicional colocada en cualquier sitio

cercano (o aun en cualquier lugar del espacio). Así mismo, resulta difícil tratar de

investigar una fuerza que actúa a través del espacio, por lo cual se introdujo el

concepto de campo. [3]

Conceptualmente un campo eléctrico se extiende hacia afuera de cualquier carga

eléctrica, permeando todo el espacio. El campo eléctrico indica la fuerza que

experimenta una carga en una posición determinada del espacio.

La magnitud del campo eléctrico (E), o la fuerza por unidad de carga, a una

distancia de r metros de una carga q coulombs   está dada por: 

E= Fq0= k q0qq0r2= kqr2 

Quedando así definido el campo eléctrico como el medio que rodea una carga

eléctrica donde se realizan los efectos de atracción y repulsión.

Los vectores de campo eléctrico apuntan fuera de la carga positiva y la magnitud

de los vectores decrece con la distancia de la carga. La conexión de los vectores

nos permite representar   gráficamente el campo eléctrico por líneas de fuerza. En

general, para una solo carga o configuración de cargas, entre mas juntas las

líneas de fuerza, mas fuerte será el campo eléctrico.

Para una configuración de cargas el campo eléctrico total en cualquier punto es el

vector suma de los campos eléctricos debidos a las cargas individuales.[1]

Para la practica también utilizamos un Generador de Van de Graaff. Este

Generador   lo desarrollo el físico estadounidense Robert Van de Graaff  

alrededor de 1930. Este tipo de Generadores son comúnmente utilizados para

realizar demostraciones en el salón de clases y pueden desarrollar diferencias de

potencial   superiores   a 50000 volts. 

El Generador trabaja de la siguiente manera:

Una banda de caucho, que se mueve por medio de un motor, corre verticalmente

alrededor de dos poleas. Cuando el Generador se enciende, el contacto friccional

con la polea inferior transfiere electrones

de la banda a la polea. La banda cargada positivamente se mueve asía arriba asía

la polea superior, en donde los electrones fluyen de la polea a la banda. Con un

funcionamiento continuo, las cargas se generan en ambas poleas. Después de un

corto tiempo, la carga generada es suficiente para ionizar el aire en la vecindad de

los electrodos metálicos. Cuando esto ocurre en el electrodo superior, los

electrones son extraídos de la esfera metálica y transferidos a la banda, misma

que los toman para la polea inferior.   Cuando la carga de la polea inferior, es

suficiente para ocasionar una descarga de ionización, el exceso de electrones   se

transfiere al electrodo inferior que está conectado a tierra. El efecto neto es que

los electrones son transferidos a la esfera metálica a la tierra, dejando a la esfera

una carga positiva. Un potencial eléctrico entre 50000 volts y 100000 volts es lo

suficientemente grande como para causar lo que se llama una descarga de corona

por medio de la ionización de las moléculas del aire alrededor de la esfera y de

algún objeto cercano. [4]

LISTA DE MATERIAL

1 Juego de accesorios de la cuba electrostática.

1 Péndulo eléctrico.

1Barra de vidrio.

1 Electrodo de prueba

1 Paño de lana.

1 Agitador.

4 Cables de conexión.

1 Generador de Van de Graaff.

1 Cuba electrostática.

1 Barra de Poliestireno.

1 Barra de Hierro.

1 Paño de nylon.

1 Soporte aislante

Aceite

de ricino.

DESARROLLO EXPERIMENTAL.

  * Primera parte.- Tipos de electrización.

Consiste en comprobar los diferentes tipos de electrización para un cuerpo; que

son: por frotamiento, por contacto y por inducción.

  * Electrización por frotamiento.

Para electrizar un cuerpo por este método, necesitamos frotar la barra de vidrio

con el paño de lana; lo que estamos haciendo con esto, es transferir los electrones

del cuerpo donde están más débilmente unidos al otro, en este caso el paño de

lana es el que transfiere los electrones a la barra de vidrio debido al material, de

este modo, la barra queda cargada negativamente. Posteriormente, para visualizar

más claro este efecto de electrización, se colocan pedacitos de papel y se acerca

la barra de vidrio; se puede observar que los pedacitos de papel se mueven y

existe una atracción, esto sucede ya que la barra adquirió una carga negativa.

Después, se procede de nuevo, a frotar la barra de vidrio con el paño de lana,

para que quede cargada negativamente y al aproximarla a la esfera de sauco del

péndulo podemos observar que, la barra de vidrio y la esfera de sauco se atraen.

Fig. 1.1

Fig. 1.1 La barra de vidrio y la esfera de sauco se atraen.

Para finalizar el experimento de electrización por fricción,   ahora frotamos la barra

de poliestireno con el paño de lana y la acercamos a la esfera de sauco, al hacer

esto podemos observar que la atracción entre ellos

es muy poca, apenas perceptible.

  * Electrización por contacto.

Para este tipo de electrización se debe frotar la barra de vidrio con el paño de

lana,   ahora se debe hacer contacto con el electrodo de prueba plano, y este a su

vez, acercarlo a la esfera de sauco. Se puede observar que a pesar de haber

cargado el electrodo negativamente, había una pequeña repulsión. Fig. 1.2

Fig. 1.2 Se repela la esfera de sauco.

  * Electrización por inducción.

Lo primero que se debe de hacer es montar la barra de metal en el soporte

aislante, y colocar enfrente de él el péndulo eléctrico, de tal manera que quede

alineada la barra de metal y la esfera de sauco.

Ahora cargamos de nuevo la barra de vidrio frotándola con el paño de lana, y la

aproximamos a la barra de metal (al otro extremo de donde está la esfera de

sauco), haciendo esto se puede observar que la esfera se mueve un poco, este

movimiento es causado por que los electrones primero los transferimos del paño

de lana a la barra de vidrio por frotamiento, después se transfirieron a la barra de

metal al aproximarla y como el metal es un buen conductor, pasa los electrones al

otro extremo de la barra, y como ésta está cerca de la esfera de sauco, genera

una pequeña atracción. Fig. 1.3

Fig. 1.3 La barra de metal y la esfera de sauco se atraen.

El experimento se repite solo que ahora cuando estamos aproximando la barra de

vidrio a la barra de metal, se

toca con un dedo la barra de metal. Observamos que ahora la esfera de sauco no

se mueve. Esto sucede porque al momento que tocamos la barra con nuestro

dedo hacemos una trayectoria para que los electrones escapen de la barra de

metal, mandándolos a tierra. Fig. 1.4

Fig. 1.4 La esfera de sauco no se mueve.

  * Segunda parte.-   Clases de Carga Eléctrica y Fuerzas de Origen Eléctrico.

Cargamos la barra de vidrio con el paño de lana y tocamos la esfera de médula de

sauco del péndulo con la barra, al hacer esto observamos que existe una fuerza

de repulsión entre ellas, al paso de unos cuantos segundos, podemos observar

que esta fuerza va disminuyendo, porque también la carga disminuía.

Posteriormente se descarga la esfera tocándola con los dedos y procedemos a

cargar la barra de poliestireno, frotándola con el paño de lana, realizado esto,

tocamos la esfera de sauco con la barra, haciendo esto también se observa una

fuerza de repulsión solo que esta es menor que la producida cuando utilizamos la

barra de vidrio.

Tocamos la esfera de sauco con la barra de vidrio cargada, observando que se

volvieron a repeler. Después al cargar la barra de poliestireno y acercarla a la

esfera de sauco (que quedo cargada) se observa que hay una fuerza de atracción

entre estas. 

  * Tercera parte.-   Conductores y Aisladores.

Sobre el soporte aislante se coloca la barra de poliestireno y en un extremo de

ésta se coloca el

péndulo de tal manera que la esfera de sauco quede en línea recta con la barra.

Cargamos la barra de vidrio con el paño de lana y la colocamos al otro extremo de

la barra de poliestireno, si observamos la esfera del péndulo, vemos que se aleja

por que como el poliestireno tiene una carga negativa, al momento que se toca

con la barra de vidrio cargada negativamente, el poliestireno es el que cede los

electrones y queda cargado positivamente; por lo tanto se crea una fuerza de

repulsión con respecto a la esfera. 

Después descargamos la barra de vidrio y repetimos el mismo procedimiento, solo

que cambiamos las barras de lugar; ahora la barra de poliestireno es la que

cargamos con el paño de lana   y la barra de vidrio es la que se coloca en el

soporte aislante, al tocar ésta con la barra de poliestireno, se observa que la

esfera de sauco es atraída a la barra de vidrio; esto sucede porque la barra de

poliestireno cargada, transfiere los electrones a la barra de vidrio y esta a su vez

atrae a la esfera que tiene una carga positiva.

  * Cuarta parte.- Espectros de campo eléctrico

Para esta parte de la práctica se nos fue brindada una cuba electrostática con

aceite de ricino, y aserrín. Al principio hubo un poco de problemas para observar

los espectros ya que el aceite era muy poco y no se alcanzaban a sumergir los

dispositivos, una vez que vertimos mas aceite, fueron más claros los espectros.

  * Arillo grande

y Lenteja.

En el primer experimento al conectar la lenteja, del porta electrodo a tierra, y el

arillo grande, del porta electrodos al generador, observamos que el aserrín se

mueve del arillo a la lenteja, quedando la mayoría de éste en el centro de la cuba.

Fig. 5.1 Esto sucede porque las líneas de fuerza eléctrica van de positivo a

negativo, en este caso el arillo está conectado a positivo y la lenteja a negativo.

Fig. 5.1 Arillo grande y lenteja.

  * Arillo grande y arillo chico.

Al conectar el arillo grande, del porta electrodo a tierra, y el arillo chico, del porta

electrodo a la esfera del generador, y poniendo a funcionar el generador,

observamos que el aserrín se mueve hacia afuera del arillo chico quedando la

mayoría de éste entre el arillo chico y el grande. Fig. 5.2 El arillo chico está

conectado a positivo y el arillo grande a negativo, por eso observamos que las

líneas de fuerza van del arillo chico al grande.

Fig. 5.2 Arillo grande y arillo chico.

  * Dos lentejas.

Al conectar una lenteja, del porta electrodo a tierra, y la otra, del porta electrodo al

generador, y poniendo a funcionar el generador, observamos que el aserrín se

mueve, quedando entre las dos lentejas, cerrando un circuito circular. Se observa

que el aserrín comienza a moverse de la lenteja conectada a positivo, hasta llegar

a la lenteja conectada a negativo. Fig. 5.3

Fig. 5.3 Dos lentejas.

  * Lenteja y placa

paralela.

Al conectar la lenteja, del porta electrodo a tierra, y la placa paralela, del porta

electrodo al generador, y poniendo a funcionar el generador, se observa que el

aserrín se mueve de la placa paralela a la lenteja cerrando un circuito, el cual va

de una amplitud más amplia (por el tamaño de la placa paralela) a una más

reducida (porque la lenteja es más pequeña). Fig. 5.4   Las líneas de fuerza en

este caso, se mueven de la placa paralela (conectada a positivo) a la lenteja

(conectada a negativo).

Fig. 5.4 Placa y lenteja.

  * Placas paralelas.

Al conectar una placa, del porta electrodo a tierra, y la otra placa del electrodo al

generador, y poniendo a funcionar el generador, observamos que el aserrín se

mueve quedando entre las placas. Fig. 5.5   Se observa que el aserrín comienza a

moverse de la placa conectada a positivo, hasta llegar a la placa conectada a

negativo.

Fig. 5.5 Placas paraleas.

Cuestionario

1. - ¿Qué es la carga eléctrica?

Es una propiedad fundamental de la materia, la cual está asociada con partículas

atómicas, el electrón y el protón; asociando una carga negativa con el electrón y

una carga positiva con el protón. 

2.- ¿Cuántas clases de carga identifico en este experimento?

Electrización por contacto

Fricción 

Inducción

3.- ¿Cómo se comportan las cargas eléctricas entre sí?

A través de lo aprendido mediante la ley de cargas:

Cuando las cargas son de igual signo

se repelen es decir que son fuerzas electrostáticas de repulsión.

Cuando las cargas son de signo opuesto se atraen es decir que son fuerzas

electrostáticas de atracción.

La  fuerza de atracción y repulsión de las cargas depende de la separación entre

ellas, de acuerdo con la ley de Coulomb.

4.- ¿Qué interpretación se da al principio de la conservación de la carga eléctrica

cuando se carga la barra de vidrio por frotamiento con el paño de lana?

Al frotar la barra de vidrio con el paño de lana, este adquiere una carga positiva de

igual valor que la de la barra de vidrio, es decir, si la carga total antes de frotarse

la barra de vidrio   y el paño era cero, después de frotarse la suma que cargas de

ambos cuerpos también será cero.

5.- ¿Cómo se podría usar una barra, cargada negativamente para cargar por

inducción dos barras metálicas, de manera que una quede con carga positiva y

otra con carga negativa?

Colocamos dos cuerpos metálicos sobre soportes de plástico acercamos una

varilla cargada positivamente a uno de los cuerpos, los electrones del metal son

atraídos por la varilla y una parte de éstos se desplaza hacia el cuerpo dejando en

el cuerpo un déficit de electrones, es decir, una carga positiva. La carga eléctrica

de los cuerpos se ha redistribuido por inducción. Si los cuerpos se separan en

presencia de la varilla; los dos cuerpos quedan con cargas iguales y opuestas.

6.- ¿Cuál es la diferencia entre

un conductor y una aislador?

Un conductor es aquel material que tiene   la propiedad de permitir el movimiento

de cargas eléctricas mientras que un aislador impide el movimiento de estas

cargas.

7. -¿Cómo afecta el medio ambiente a estos experimentos?

La temperatura puede evitar que los cuerpos se carguen con facilidad como en

casos de ambiente húmedo es difícil realizar, ya que se forma una delgada

película de humedad que evita que se genere una carga.

8.- ¿Cómo se descubrió que la carga eléctrica estaba cuantizada?

Porque sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del

electrón.

9.- Explique ley de coulomb

La ley de Coulomb nos relaciona dos cargas y la distancia que hay entre ellas para

poder calcular la fuerza de atracción o repulsión que ejercen. Se describe como

sigue: “La fuerza es proporcional al producto de las cargas dividido entre el

cuadrado de la distancia que las separa, en el medio que las rodea”.

F=k q1q2r2

10.- Defina los siguientes términos.

a) campo: un campo de fuerza es creado por la atracción y repulsión de cargas

eléctricas esto es generado por el flujo eléctrico

b) polarización: modificación de la distribución de carga que ocurre en un material

aislador por efecto de un campo eléctrico.

c) dipolo: dos cargas de signos opuestos e igual magnitud cercanas entre sí.

d) ionización: es separar los electrones de la molécula neutra través   de alguna

energía como los rayo

x o luz ultravioleta.

e) carga puntual: es un pequeño espacio del cuerpo cargado.

f) gradiente potencial: es el cociente resultante de dividir la variación eléctrica de

un punto A menos un punto B entre la variación de la distancia de los puntos hacia

la carga.

11.- ¿Por qué las líneas de fuerza no se cruzan?

Porque el campo es tangente a la línea de fuerza así que nunca se puedan cortar.

13.- ¿Qué es una superficie equipotencial?

Las superficies equipotenciales son aquellas en las que el potencial toma un valor

constante. Por ejemplo, las superficies equipotenciales creadas por cargas

puntuales son esferas concéntricas centradas en la carga, como se deduce de la

definición de potencial (r = cte).

14.- Dos cargas, de magnitud y signos desconocidos, están separados una

distancia d. la intensidad del campo eléctrico es cero en un punto situado entre

ellas, en la línea que las une. ¿Qué se puede decir respecto a las cargas?

Que forman un dipolo eléctrico.

15.- Explique la ley de Gauss.

La ley de Gauss relaciona el flujo eléctrico a través de una superficie cerrada y la

carga eléctrica encerrada por esta superficie. De esta misma forma, también

relaciona la divergencia del campo eléctrico con la densidad de carga. 

CONCLUSION

En esta práctica se pudo comprobar todo lo que vimos en clase, que las cargas de

signo igual se repelen, las de signo igual se atraen, que estas fuerzas se

comportan de

manera diferente, aprendimos lo práctica que es la electrostática. Que con ciertos

materiales se puede lograr una buena conducción de electricidad, como son plata,

cobre, aluminio, carbono etc. En general los metales son buenos conductores,

mientras la mayor parte de los no metales no lo permiten, es decir son aisladores,

como son caucho, polietileno, vidrio, pvc, etc.

Lo que más nos pareció interesante fue el experimento de los pedacitos de papel

con la barra de vidrio pues nos surgieron muchas preguntas y nos dimos cuenta

que se obtienen si vemos qué es lo que pasa en el interior de los pedacitos de

papel (aislador).

La respuesta es esta en que   a diferencia de las cargas en los cuerpos metálicos,

las cargas en los pedacitos de papel o en cualquier otro aislador no pueden

emigrar a través del material. En lugar de esto, los electrones se encuentran

ligados a los átomos o moléculas del material, dentro del átomo tienen cierta

libertad de movimiento, de manera que su distribución dentro del átomo puede

cambiar.la carga negativa de los átomos es repelida por la carga negativa de la

barra de vidrio y la positiva de los átomos es atraída la fuerza es mayor que la

repulsión.

Además no pareció muy interesante la práctica ya que en nuestra vida diaria se

nos puede llegar   a presentar un problema de este tipo y nos han dado las

herramientas necesarias para resolverlo. Además de ayudarnos a perfeccionar los

conocimientos

sobre el tema.

Podemos decir que los objetivos fueron cumplidos, aprendimos no solo

teóricamente, sino prácticamente, que podemos cargar eléctricamente los

cuerpos, y los diferentes tipos de electrización que hay. Además, logramos ver los

espectros de los campos eléctricos que las diferentes figuras realizaban, y se pudo

observar cómo se mueven las líneas de fuerza en el campo eléctrico. 

Reforzamos nuestro aprendizaje, con nuestras investigaciones y con los

experimentos que realizamos, ahora no tenemos solamente los conceptos

teóricos, sino también prácticos.

Bibliografia

[1] Teoria electromagnética, campos y ondas.

    Carl T. A. Johnk

    Limusa Noriega Editores.

[2] Campos electromagnéticos

    Ediciones UPC, S.L. . 

    Alfa Omega 

[3] Electromagnetismo y óptica

    Carlos Gutiérrez Aranzeta

    Limusa Noriega Editores.

[4] Fisica   

    Segunda Edición

    Jerry D. Wilson   

    Prentice Hall Hispanoamericana, S.A.

Índice:

Portada: ………………………………………………………………………………

Página   1       

Objetivos: ……………………………………………..……………………………..

Página   2

Introducción teórica:…………………………………………………………………

Página   3       

Lista de material y equipo ultilizado:

……………………………………………….Página   6

Desarrollo experimental:……………….……………………………………………

Página   7

Cuestionario:

………………………………………………………………………….Página   17

Conclusiones:…………………………………………………………………………

Página   20

Bibliografía:……………………………………………………………………………

Página   21