electrizacion por frotamiento y fuerzas entre cuerpos cargados electricamente
TRANSCRIPT
ELECTRIZACION POR FROTAMIENTO Y FUERZAS ENTRE CUERPOS
CARGADOS ELECTRICAMENTE
JESSICA CABALLERO CASTILLO
DANIEL HERARD GORUTH
ROMARIO MOLINA CAMARGO
KEISY OSORIO SEGURA
ELVER
PRESENTADO A:
ALVARO PEREZ
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE
LABORATORIO DE FÍSICA III
BARRANQUILLA
FEBRERO 26 DE 2013
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CONTENIDO
TABLA TRIBOELECTRICA ............................................................................................................. 3
OBJETIVOS ................................................................................................................................ 4
MATERIALES ............................................................................................................................. 4
MARCO TEÓRICO....................................................................................................................... 7
ELECTRIZACIÓN ..................................................................................................................... 7
FORMAS DE ELECTRIZACIÓN................................................................................................... 8
ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO ....................................................................................... 8
ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO............................................................................................. 8
ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN ............................................................................................ 9
CONDUCTORES, AISLADORES Y SEMICONDUCTORES ............................................................... 9
DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA..............................................................................................10
CUESTIONARIOS .......................................................................................................................11
CONCLUSION ...........................................................................................................................15
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INTRODUCCION
El desarrollo de este laboratorio es muy importante para nosotros ya que
nos permite comprender las propiedades de las cargas eléctricas de una
manera práctica y teórica; en esta experiencia nos basamos únicamente en
la electricidad estática, específicamente en la electrización por frotamiento;
queremos entender en qué consiste este fenómeno teniendo en cuenta los
métodos por los cuales se produce la transferencia de electrones o
cargamos un cuerpo ya sea positiva o negativamente.
La electricidad se podría definir como propiedad fundamental de la materia
que se manifiesta por la atracción o repulsión entre sus partes, originada
por la existencia de electrones, con carga negativa, o protones, con carga
positiva.
También decimos que la electricidad es una forma de energía basada en
esta propiedad, que puede manifestarse en reposo, como electricidad
estática, o en movimiento, como corriente eléctrica, y que da lugar a luz,
calor, campos magnéticos, etc.
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UNIVERSIDAD AUTONOMA DEL CARIBE
TABLA TRIBOELECTRICA A continuación se presenta la susceptibilidad eléctrica (naturaleza electrostática), de
algunos materiales. Hay que advertir si usted está analizando dos materiales que sean ya
sea Vítreos (positivo) o resinosos (negativo) el que se encuentre hacia arriba de la tabla
triboeléctrica se comportará como vítreo y el que se encuentre hacia abajo se comportará
como resinoso.
Vítreo (Positivo)
Aire seco Amianto Vidrio Mica Cabello humano Nylon Lana Piel Plomo Aluminio Papel Algodón Acero Madera Ámbar Lacre Goma dura Níquel, Cobre Latón, Plata Oro, Platino Azufre Rayón de acetato
Poliéster
Celuloide
Orlón
Poliuretano
Polietileno
PVC
Silicio
Teflón
Resinoso (Negativo)
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OBJETIVOS
Determinar con un tubito de neón los tipos de carga que aparecen al frotar varillas de plástico.
Estudiar con un tubito de neón como se cargan una placa de policarbonato
y una hoja de acetato al frotarlas con un papel y al entrar en contacto una con otra.
Determinar los diferentes fenómenos de un cuerpo en un proceso de
electrización
Cargar un cuerpo ya sea por fricción, contacto o inducción
MATERIALES
Varilla de polipropileno, d = 8 mm, L = 175 mm
Varilla acrílica, d = 8 mm, L = 175 mm
Tubito de neón
Electroscopio (sin aguja)
Placa de policarbonato
Tubito de neón
Grapa para varillas redondas
Hoja de acetato
Hoja de papel áspero, seco
MONTAJE
Para que los resultados del experimento sean convincentes es necesario que los
alumnos utilicen papel limpio y seco, que froten con mucha fuerza y que el aula
esté suficientemente oscura.
Figura 2:
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Realización:
a) Sujete fuertemente la varilla gris (polipropileno) por un extremo, y frota enérgicamente el otro extremo con el papel.
b) Tome el tubito de neón por uno de los casquillos metálicos, y toque con el
otro casquillo el extremo de la varilla que ha frotado. Observe los electrodos de la lámpara.
c) Realice el mismo experimento con la varilla acrílica. d) Anote todas sus observaciones.
Montaje:
Ponga la grapa en el centro de la varilla de polipropileno, frote enérgicamente una de sus mitades con papel y cuélguela del electroscopio como se ve en la figura 2,
sin tocar con nada la parte frotada. Así usted ha montado una “balanza eléctrica”, con la que se pueden demostrar las cargas eléctricas.
El extremo frotado de la varilla será atraído y repelido por objetos cargados
eléctricamente.
Realización:
a) Coloque la hoja de acetato sobre la placa de policarbonato, y frótala enérgicamente con el papel. Coge las dos juntas y separa la hoja. Tócala
con uno de los extremos
Metálicos del tubito de neón. Observa los electrodos del tubito de neón. Repita el experimento, pero con la placa de policarbonato.
b) Realice el experimento igual que en el experimento a pero utilice la
“balanza eléctrica” para demostrar la carga. Aproxime la hoja y la placa al extremo frotado de la varilla que está colgada, y obsérvela.
c) Descargue la hoja de acetato y la placa por separado, cogiéndolas entre las
palmas de la mano y apretándolas fuerte. Coloca la hoja sobre papel, y frótela con el otro papel. Compruebe con la balanza y con el tubito de neón
la clase de carga que tiene. Lleve a cabo el mismo proceso con la placa.
OBJETIVOS:
Analizar las fuerzas que actúan entre cuerpos cargados.
Observar y diferenciar las fuerzas de repulsión y de atracción entre cuerpos cargados.
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MATERIALES:
Electroscopio (sin aguja metálica)
Varilla de polipropileno, d = 8 mm, L = 175 mm
Varilla acrílica, d = 8 mm, L = 175 mm
Grapa para varillas redondas
Placa de policarbonato
Hoja de acetato
Hoja de papel áspero, seco
CONCEPTOS RELACIONADOS:
Investigar sobre el funcionamiento del electroscopio, fuerzas eléctricas de atracción y de repulsión, electrización por frotamiento.
MONTAJE:
Ponga la grapa en el centro de una varilla de polipropileno, frote enérgicamente
una de sus mitades y cuélguela del electroscopio. La varilla debe quedar perpendicular al pie del electroscopio y horizontal (figura 1).
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MARCO TEÓRICO
ELECTRIZACIÓN
En física, se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro
Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere
cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado.
La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática.
Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo
rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.
Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un
material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es
más negativo en la serie triboeléctrica.
Un ejemplo de materiales ordenados de más positivo a más negativa es el siguiente:
Piel de conejo, vidrio, pelo humano, nylon, lana, seda, papel, algodón, madera,
ámbar, polyester, poliuretano, vinilo (PVC), teflón.
El vidrio frotado con seda provoca una separación de las cargas porque ambos materiales ocupan posiciones distintas en la serie triboeléctrica, lo mismo se
puede decir del ámbar y del vidrio. Cuando dos materiales no conductores entran en contacto uno de los materiales puede capturar electrones del otro material. La cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación
en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas
(entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la
humedad.
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FORMAS DE ELECTRIZACIÓN
Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se
produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en
contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del
cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine
también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente
próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo, como aprecio Tales de Mileto en el siglo sexto antes de Cristo.
ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO
La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del
vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en
contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga
eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.
ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO
La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en
contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan
transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga
negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.
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ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN
La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas negativas, con lo que
la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas
eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.
CONDUCTORES, AISLADORES Y SEMICONDUCTORES
Cuando un cuerpo neutro es electrizado, sus cargas eléctricas, bajo la acción de las fuerzas correspondientes, se redistribuyen hasta alcanzar una situación de equilibrio. Algunos cuerpos, sin embargo, ponen muchas dificultades a este
movimiento de las cargas eléctricas por su interior y sólo permanece cargado el lugar en donde se depositó la carga neta. Otros, por el contrario, facilitan tal redistribución de modo que la electricidad afecta finalmente a todo el cuerpo. Los
primeros se denominan aisladores y los segundos conductores.
Esta diferencia de comportamiento de las sustancias respecto del desplazamiento de las cargas en su interior depende de su naturaleza íntima. Así, los átomos de
las sustancias conductoras poseen electrones externos muy débilmente ligados al núcleo en un estado de semilibertad que les otorga una gran movilidad, tal es el caso de los metales. En las sustancias aisladoras, sin embargo, los núcleos
atómicos retienen con fuerza todos sus electrones, lo que hace que su movilidad sea escasa.
Entre los buenos conductores y los aisladores existe una gran variedad de
situaciones intermedias. Es de destacar entre ellas la de los materiales semiconductores por su importancia en la fabricación de dispositivos electrónicos que son la base de la actual revolución tecnológica. En condiciones ordinarias se
comportan como malos conductores, pero desde un punto de vista físico su interés radica en que se pueden alterar sus propiedades conductoras con cierta facilidad,
ya sea mediante pequeños cambios en su composición, ya sea sometiéndolos a condiciones especiales, como elevada temperatura o intensa iluminación.
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DESCRIPCION DE LA EXPERIENCIA
INICIAMOS la experiencia de ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO utilizando
instrumentos de un kit especializado para la realización de la experiencia, para ello
iniciamos por inflar un globo de látex, posteriormente cortamos pedacitos de papel
de cuadritos pequeños, después frotamos el globo inflado en el cabello humano,
luego acercamos el globo a los papeles en cuadritos, estos se adherían al globo
por efecto electrostático, aunque este efecto no duraba mucho ya que se
transferían las cargas del globo a los papeles ocasionando que se descargara la
energía estática que conservaba el globo.
La segunda experiencia se hizo con un bombillo de neón y cuadros de papel
plastificado
Primero frotamos rápido y durante 30 segundos un pedazo de papel blanco en un
cuadro de pastico transparente para poder generar electricidad estática en el
pedazo de papel transparente. Luego acercamos el bombillo de neón al cuadro de
plástico transparente previamente cargado electrostáticamente, se pudo observar
que el bombillo de neón ilumino durante una fracción de segundo. Descargando la
energía que conservaba el cuadro de plástico transparente…
La tercera experiencia fue suspender una vara de acrílico con un pedazo de
cordel. El cual se balaceo para que la vara se suspendiera horizontalmente, luego
tomamos otra vara del mismo material y largo, lo frotamos rápidamente durante 30
segundos con un pedazo de papel para que tuviera carga electrostática, luego
acercamos la vara previamente cargada electrostáticamente hacia la vara que
suspendía del cordel, lo que sucedió es que la vara que se suspendía del cordel
se fue alejando de la vara que estaba cargada electrostáticamente, y si
invertíamos la posición de la vara , la que suspendía del cordel trataba de
acercarse a la cargada electrostáticamente.
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CUESTIONARIOS
CUESTIONARIO. 1
¿Qué observaron al poner en contacto la lámpara de efluvios con la varilla de
polipropileno? (gris):
R/: al realizar este experimento observamos que por medio del método de
fricción la lámpara de efluvios se enciende por la transferencia de cargas que
hubo ya sean positiva o negativa, es decir, el cuerpo se carga positiva o
negativamente y esto hace que dicha lámpara se encienda.
¿Qué observaron al poner en contacto la lámpara de efluvios con la varilla
acrílica (transparente)?:
R/: De igual manera que en el experimento anterior observamos que la
lámpara de efluvio se enciende nuevamente por la frotación que se hizo con el
papel con una de las puntas de la varilla transparente.
¿Qué podría concluir sobre lo observado al poner en contacto la lámpara de
efluvios con la varilla de polipropileno y la varilla acrílica?
R/: Al igual que la varilla de polipropileno la lámpara encendió
Qué podría concluir sobre lo observado al poner en contacto la lámpara de
efluvios con la varilla de polipropileno y la varilla acrílica
Que los cuerpos adquieren carga cuando son sometidos a frotación, y al
colocarles la lámpara cerca, está mostro cambios porque las varillas le transmitieron carga eléctrica.
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Experimento Nº 2
Anote todo lo observado en los pasos uno, dos y tres del experimento 2.
Cuando colocamos la hoja de acetato sobre la placa de policarbonato y
la frotamos enérgicamente con un trozo de papel, de inmediato las
separamos y lo que observamos al tocar con uno de los extremos
metálicos de la lámpara de efluvio es que esta enciende por la
transferencia de cargas que se produjo por el método de contacto.
De igual manera que en el anterior pero acá utilizamos la balanza
eléctrica para demostrar la carga, es decir, aproximamos el trozo de
papel y la placa al extremo frotado de la varilla que está colgada y lo que
observamos es que esta es atraída por la cantidad de carga que
obtuvieron el trozo de papel y la placa al ser frotados enérgicamente.
En este experimento observamos que tipo de cargas son transferidas al
cargar y descargar eléctricamente el trozo de papel y la hoja de acetato.
Evaluación:
1. ¿En qué consiste la electrización por frotamiento?
La electrización por frotamiento se presenta, Por efecto de la fricción, los
electrones externos de los átomos de un objeto son cedidos al otro, con lo cual
uno queda cargado negativamente y otro positivamente. En términos análogos
puede explicarse la electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos
fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones
cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones
aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción
de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio
de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a
dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.
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2. ¿Qué puede concluir de lo que ha observado sobre las cargas de las dos
varillas?
Podemos concluir que la varilla puede ser cargada electrostáticamente como
un imán, con sus polaridades en sus extremos ya que al acercar un lado de la
varilla a la otra se atraen pero si una se invierte de posición se repelen esto es
a causa de la posición en la que están organizadas las cargas en la varilla.
3. ¿Qué puedes decir acerca de la carga de la hoja y de la placa por el tubito
de neón?
Que aunque ambas superficies no son conductores estos pueden almacenar
un tipo de carga, que permite que se transfieran cargas electrostáticas de un
cuerpo al otro.
4. Compare los resultados de este experimento con los del primer
experimento.
Mientras en el primero se apreciaba la atracción de uno de los objetos por
causa de la electrostática, en el otro se pudo apreciar la descarga eléctrica que
puede conservar un objeto cargado electrostáticamente.
5. ¿Qué clase de carga han visto en los dos objetos frotados, la hoja y la
placa? ¿concuerdan los resultados con los de la segunda y tercera parte
del experimento?
Se ha visto carga estática y eléctrica, y los resultados no concuerdan ya que
dependiendo de cómo estén cargados los objetos, estos se atraerán y cederán
o recibirán cargas electrostáticas o eléctricas.
6. ¿Cómo se puede explicar la diferencia de los resultados?
En la primera fase del papel no había un elemento que condujera la carga de
manera que encendiera algún elemento, pero en la segunda si porque se hizo
reaccionar un tubo de neón, que es un elemento conductivo y que emite luz al
atravesarle una corriente, en este caso la corriente electrostática.
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Electroscopio y su funcionamiento
El electroscopio es un instrumento que se utiliza para establecer si un cuerpo
está electrizado y el signo de su carga.
El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera
en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio
muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de
vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar
un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas
con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia
una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión
electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la
esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse
el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las
laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de
carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el
electroscopio tienen signos opuestos.
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CONCLUSION
Después de haber terminado la experiencia y de haber investigado con más
profundidad el tema de electrización y transferencia de cargas por los métodos
más comunes como frotación, inducción y por contacto; pudimos inferir que los
electrones externos de los átomos de los materiales utilizados en la experiencia
son liberados y cedidos a la lámpara de efluvios, con lo cual este quedo cargado
negativamente (por la transferencia que se hizo la lámpara de efluvio enciende) y
los demás materiales quedaron cargados positivamente, en cualquiera de estos
fenómenos se gana o se pierde electrones, por el numero de electrones cedidos
por uno de los cuerpos en contacto siempre va hacer el numero de electrones
aceptados por el otro; de aquí concluimos que la electricidad ni se destruye ni se
produce sino que se transfiere. Esta es la explicación del principio de conservación
de la carga eléctrica formulado por el señor Benjamín Franklin con anterioridad
basado en observaciones sencillas.