Facultad de Educación

Licenciatura en Ciencias Naturales y Educación Ambiental

Electromagnetismo

Informe de Laboratorio Nº 1

Electrización por Frotamiento

Presentado por:

Brenda Dayhana Delgado Ruiz 20132120771Yaritza Dayana Valencia Alvira 20141126303Yuri Katherine Guevara Useche 20132122780

Al Profesor Titular: Mario Arturo Duarte Rodríguez

Neiva 28 de Junio de 2016

1. RESUMEN En la presente práctica de laboratorio se desarrolló el tema de electrización por

frotamiento, con el fin de conocer cómo se realiza la electrización de distintos objetos por

contacto, en donde se establece mediante la interacción de los objetos, inducción en donde no

es necesario un contacto directo entre los materiales y frotamiento de donde se rozan los

materiales neutros para adquirir carga, utilizando así distintos materiales como papel, madera,

papel, papel aluminio, tubo plástico, agua, tela elástica e icopor, éstos materiales pueden

presentar diferentes características de conducción, semi-conducción y de aislamiento. Además

de mostrar el funcionamiento de distintos instrumentos tales como: jaula de Faraday y el

electroscopio, e identificado interacciones entre los objetos con carga eléctrica tal como la

tracción (entre cargas de signos opuesto) y repulsión (entre cargas de signos iguales),

explicado propiedades de carga, entre otros efectos externos

2. ORIENTACIÓN TEÓRICA

1. ¿Qué nombre recibió la electricidad que se obtenía del ámbar y del vidrio al ser

frotados con piel y con seda respectivamente?

La electricidad que se obtenía para materiales resinosos (ámbar, cera, caucho, etc.) al ser

frotados con piel o lanas se le denominó electricidad resinosa, y suele ser electricidad

negativa. (Murcia et al. 2014)

La electricidad que se obtenía para materiales vítreos se le denominó electricidad vítrea y

suele ser electricidad positiva. (Murcia et al. 2014)

2. ¿Cuáles son las características de las cargas eléctricas?

R// La carga eléctrica es una unidad fundamental que se responsabiliza de la interacción

electromagnética; sus principales características son:

• Dualidad de la carga: Las partículas cargadas se dividen en positivas y negativas de tal

modo que cargas del mismo signo se repelen, mientras que las cargas de signos apuestos se

atraen en un plano conductor. (Murcia et al. 2014).

• Conservación de la carga: durante un proceso físico la carga total presente en un

sistema aislado se conserva es decir la suma entre las cargas positivas y negativas no

presenta variación. (Murcia et al. 2014)

• Cuantificación de la energía: la carga eléctrica se presenta como un múltiplo de la

carga fundamental, o sea la carga del electrón. (Murcia et al. 2014).

3. ¿Cómo es el funcionamiento de un electroscopio?

Éste instrumento nos permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. Un

electroscopio sencillo consiste en una con una esfera en la parte superior (colector) y en el

extremo opuesto dos láminas de oro delgadas (aunque ahora común mente se utilizan láminas

de aluminio). (Universidad Distrital Francisco José de Caldas.2016).

El electroscopio no solo nos indica si un cuerpo está o no cargado eléctricamente, sino

que además ayuda a determinar el tipo de carga que se contiene. (Universidad Distrital

Francisco José de Caldas.2016)

Cuando un cuerpo está cargado de forma negativa, al encontrarse descargado (neutro). Al

acercar al conductor una barra de lacre electrizada negativamente, entran en jugo las leyes de

atracción y repulsión de las cargas.

Los electrones que se encuentran en el colector son expulsados al otro lado donde se

encuentran con las láminas móviles. El colector pierde electrones y ahora las láminas móviles

presentan gran cantidad de electrones por lo que ambas se repelen. Al alejar el lacre los

electrones de las láminas regresan hacia sus átomos regresando a su estado inicial.

(Universidad Distrital Francisco José de Caldas.2016)

4. ¿Cuál es el funcionamiento de la balanza de torsión que uso Coulomb para establecer

las interacciones entre cargas eléctricas?

R// Este aparato permite comprobar y evidenciar la ley de fuerza atracción o repulsión

entre dos cargas eléctricas. Esta balanza se base del principio enunciado de Coulomb que

enuncia: “la fuerza de torsión es proporcional al ángulo de torsión”. (Murcia et al. 2014).

Este aparato está compuesto por una base de madera en la que se apoya un cilindro de

cristal dotado de una cinta graduada a su alrededor, colocada a media altura y serrada por

una cubierta a trasvasada en su centro por un cilindro hueco de cristal que va hasta el

interior de la caja. Este cilindro es cerrado en su parte superior por un micrómetro (dotado

de dos tambores metálicos uno graduado representa un giro suave sobre el otro). (Murcia

et al. 2014). A este elemento se sujeta un hilo de plata que pende en el interior del cilindro

hueco prolongándose hacia el interior de la caja de cristal; en este extremo el hilo sostiene

una aguja o varilla. Por un orificio en la cubierta se introduce una pequeña esfera con

mango de vidrio, que podrá ser electrizada desde el exterior. Este proceso ayuda a medir

los ángulos de torsión de una varilla móvil que está unida al hilo de plata, como resultado

de la atracción o repulsión con la esfera fija electrizada anteriormente. (Murcia et al. 2014)

5. ¿Cuál es valor de la constante de coulomb?

R// la constante de Coulomb es 8.987×109N .mC2

6. ¿Qué se entiende por permitividad del espacio libre? ¿Cuál es su valor?

R// Es una constante dieléctrica que describe como un campo eléctrico afecta y es

afectado por un medio. Su valor es 8.8541×10−12 Fm

. . Está determinado por la tendencia de

un material a polarizarse debido a la aplicación de un campo eléctrico lo que hace que se

elimine parcialmente el campo interno del material. (Murcia et al. 2014)

7. ¿Cuáles son las características de los conductores, aisladores y semiconductores?

R// Un conductor es un material a través del cual se transfiere fácilmente la carga.

(Universidad Distrital Francisco José de Caldas.2016).

Un aislante es un material que se resiste al flujo de carga. Un semiconductor es un material

intermedio en su capacidad para transportar carga. (Murcia et al. 2014)

Un semiconductor es un material que se encuentra en los conductores y los aislantes, por

lo que dependiendo de las condiciones en que se encuentren será su comportamiento en la

naturaleza. (Universidad Distrital Francisco José de Caldas.2016)

8. Elabore una lista de conductores, aisladores y semiconductores.

R// Conductores: Oro, plata, aluminio, cobre, hierro, bronce, zinc, níquel, platino, etc.

Aisladores: Vidrio, porcelana, cuarzo, teflón madera, carbón y materiales cerámicos.

Semiconductores: Silicio, germanio, etc. (Universidad Distrital Francisco José de

Caldas.2016)

9. ¿Cuál es la masa y la carga eléctrica del protón, del electrón y del neutrón?

R// Portón:

m=1,672621777×10−27Kg

q=1,602176487×10–19C

Electrón:

m=9,10938291×10−31 Kg

q=−1.602176565×10−19C

Neutrón:

m=1,674 92729×10−27 kg

q=0C

3. PROCEDIMIENTO

electrizaciòn por frotamiento

realizacion de la demostracion del tubo platico y la tela sin frotamiento

realizacion de la demostracion de electrizacion del tubo de platico con

la tela por frotamiento

acercamiento del tubo de plastico a las virutas de madera, trozos de papel

y papel aluminio, lamina de papel aluminio y lata metalica.

acercamiento del tubo de plastico a las bolas de icopor

acercamiento del tubo de plastico al chorro de agua

acercamiento del tubo de plastico al electroscopio

simulacion de la jaula de faraday

observacion del video

4. RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS

ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO

Figura 1. Acercamiento del tubo plastico y tela de seda sin frotamiento a las virutas de madera.

Al acercar el tubo de plástico y la tela de seda a la viruta de madera, trozos de papel,

trozos de aluminio y a la lata, no se observó ningún cambio en el comportamiento de los

diferentes materiales, tal como se pude observar en las figuras 1. Lo mismo ocurrió cuando se

pasó la mano por el tubo de plástico y este se acercó a los diferentes materiales.

El motivo de que no existiera cambio alguno y los materiales se mantuvieran en su lugar

se debe a que en su estado normal, no electrizados, los materiales utilizados poseen el mismo

número de electrones y de protones (es decir se encuentran con carga neutra), por lo que no

existen fuerzas de atracción entre los materiales utilizados (tubo de PVC, tela de seda y virutas

de madera).

Todo lo contrario sucedió cuando el tubo de plástico fue frotado por algún tiempo con la

tela de seda, ya que al acercarse el tubo se observó una atracción entre los diferentes

materiales y el tubo de plástico como se muestra en las figuras 5, 6, 7 y 8, 9.

Figura 5. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento a trozos viruta de madera.

Figura 6. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento tiras de papel

Figura 7. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento a pequeños trozos de

aluminio

Figura 8. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento a una tira de aluminio

Figura 9. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento a una lata de aluminio

Figura 10. Acercamiento del tubo plastico electrizado por frotamiento a esferas de icopor.

Como sabemos algunos materias atraen electrones con mayor eficiencia que otros, estos

son llamados materiales electroafines, en este caso la barra de plastico representa este tipo de

material ya que al hacer el respectivo frotamiento entre la barra de plástico y la tela de seda,

no se crea carga en este proceso , lo que sucede es una transferencia de carga de la seda, a

la barra de platico (electrizada) por conducción, donde en este hubo un exceso de electrones

adquiriendo así una carga negativa y una deficiencia de electrones en la seda, la cual quedo

con una carga positiva.

Ya cargada negativamente la barra de plástico, se acerca a los trozos de papel, viruta de

madera, trozos de aluminio, lata, bolas de aluminio, bolas de icopor, tiras de papel y de

aluminio (figuras 5, 6, 7, 8, 9 y 10) lo que sucedió es que estos se atraen, gracias a que la

barra de plástico induce una distribución de carga sobre las diferentes superficies, por la

realineación de las cargas en las moléculas de este. La inducción ocurrida entre un cuerpo

cargado como la barra de plástico y un material no conductor como el papel que desplaza los

electrones dentro de la misma molécula haciendo una reacomodación de cargas debido a

que las cargas opuestas se atraen creando que tenga una carga más positiva en un lado que

en el otro. Esto se explica de acuerdo con la fuerzas electrostáticas que fueron descritas por

Franklin con las siguientes observaciones: dos cuerpos diferentes se frotan, se atraen entre sí

con una fuerza no gravitatoria debido a que se han desarrollado cargas eléctricas de diferente

signo (positivas y negativas) respectivamente, dos materiales de igual carga no se atraen sino

que por el contrario se repelen. (James y Brush. 1996) De esta manera tenemos un movimiento

de cargas en los trozos que son neutros.

Figura 11. Acercamiento del tubo de plastico electizado en medio de las esferas de icopor

Como anteriormente el tubo de plástco se había acercado a una de las esferas de icopor,

esta esfera experimentó una perdida de protones por lo que quedó cargada negativamente

afectando además a su similar; y al acercar el tubo electrizado en medio de las esferas, por la

ley de cargas ocurre una repulsión de las mismas debido a que todos lo materiales se

encuentran cargados negativamente, y esto se ve reflejado en el alejamiento de las esferas al

acercar el tubo de plástico.

Figura 12. Acercamiento del tubo de plastico al pequeño chorro de agua

Al acercar el tubo electrizado al chorro de agua, vemos que ocurre una atracción entre los

mismos, ya que ambos objetos están cargados eléctricamente con diferentes signos. Al acercar

el tubo al agua, aunque ésta es neutra, realizamos una inducción electrostática por lo que

cambia la orientación de las cargas en su interior y como consecuencia el chorrito se aproxima

al tubo de plástico.

Electroscopio

Figura No. 13. Acercamiento del tubo electrizado al electroscopio (carga por inducción)

Al acercar el tubo que se encuentra cargado eléctricamente por frotamiento, al electroscopio

se puede apreciar que al aproximar la esfera del electroscopio sin tocarlo (electrización por

inducción), la varilla se cargan eléctricamente también, transmitiendo las cargas hasta las tiras

de aluminio, las cuales se separan, detectando así la presencia de un campo eléctrico y

mostrando además la repulsión de las cargas ya que éstas son de signos iguales, los cuales

van perdiendo su carga al estar al aire libre, debido a un pequeño número de moléculas que

están siendo ionizadas continuamente bajo la acción de los rayos cósmicos. (James y Brush,

1996).

Jaula de Faraday:

Ver el siguiente video, el cual servirá como guía para para entender el funcionamiento de la

jaula de Faraday.

Link del video: https://www.youtube.com/watch?v=yVzTIDYkl7Y

La jaula de Faraday ofrece protección de campos eléctricos externos, el funcionamiento de esta

se basa en las propiedades de un conductor de equilibrio electrostático, lo que quiere decir que

sus electrones no se encuentran en movimiento; el campo eléctrico dentro de un conductor es

nulo ya que la presencia de los campos forzaría que los electrones se movieran.

Según la ley de Gauss cuando el campo en el interior es nulo es porque sus electrones se

encuentran en el exterior; mientras que cuando el campo en el exterior es nulo es que los

electrones han cambiado de posición, lo cual actúa una fuerza descrita por el producto de la

carga y el vector eléctrico, debido a la carga negativa del electrón la fuerza que ejerce la

misma causara que los electrones se muevan en sentido contrario.

La distribución que hay en las cargas polarizara el conductor del campo interno contrario en el

sentido del campo externo y anula su efecto.

En este experimento se puede decir que las ondas de radio que se encuentra en la jaula son

ondas electromagnéticas, lo cual se conforman de una onda eléctrica que se mueve en un solo

plano creando un campo eléctrico y una magnética que se encuentra perpendicularmente a la

onda eléctrica, que provoca el campo magnético.

Al entrar el campo magnético en contacto con la jaula causa una corriente en el conducto

mediante inducción magnética, provocando un campo magnético opuesto a la de onda

entrante, esto causa la interrupción en el radio.

5. CONCLUSIONES Cuando se ponen en contacto dos materiales no hay cabio alguno entre los mismos, ya

que estos no se encuentran electrizados por lo que presentan naturaleza neutra.

• Al frotar la tela de seda con el tubo de plástico ocurre una transferencia de electrones,

por lo que éste queda cargado negativamente y permite la electrización por conducción.

Al poner dos objetos en contacto ocurre una transferencia de carga del objeto

electrizado hacia el que se encuentra neutro por lo que existe una reorganización de la carga

eléctrica debido a la fuerza eléctrica ejercida (atracción o repulsión).

6. BIBLIOGRAFÍA Martin,T y Serrano, A. 2011. Electrostática. Universidad Politécnica de Madrid.

Tomada de: http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/

campo_electr.html

Murcia., J. Ule., D y Lasso., N. 2014. Electrización por frotamiento. Facultad de

Ciencias Exactas. Universidad Surcolombiana. Colombia.

James G y Brush S. 1996. Introducción a los conceptos y teorías de las ciencias físicas. Segunda edición. Editorial Reverté S.A. Barcelona.

Serway, A. Raymond., Jewett, W. John. 2009. Física para Ciencias e Ingeniería con

Física Moderna. Volumen II. Séptima Edición. Editorial Cengage Learning.

Universidad Distrital Francisco José de Caldas. 2016. Grupo de Investigación de

Sistema de Potencia Análisis de Circuito 1. Sede Facultad Tecnológica Bogotá-Colombia.

• Weston, Francis., Sears, A. Lewis., Freedman, A. Roger. 2005. Física Universitaria con

Física Moderna. Volumen II. Tercera Edición. Editorial Pearson Education.

7. Anexo

Figura 14. Simulación (electrización de diferentes objetos)

Figura 15. Objetos en estado de equilibrio (neutras).

Normalmente los objetos no están cargados todo el tiempo, o estos comúnmente están en equilibrio o buscan el equilibrio.

Figura 16. Electrización por frotamiento

Al rozar el globo al saco de lana esta tiene buena conducción y por ello deja libre electrones que pasaran al globo cargándolo negativamente porque el rozamiento entre estos dos objetos

Figura 17. Cuerpos eléctricamente cargados

El globo al ser frotado con el saco de lana, queda cargado negativamente robándole por completo los electrones al saco de lana y dejándolo completamente positivo.

Figura 18. Objetos presentando atracción.

Gracias a que el globo queda cargo eléctricamente negativo y el saco positivamente, el globo es atraído por el saco mostrando así una gran fuerza que hala al globo al saco de seda rápidamente.

Figura 19. Electrización por inducción

Debido a las características de los materiales, se puedo apreciar como el saco dejó ir con facilidad los electrones por contacto y rozamiento, pero en el caso de la barra de la derecha, donde sin ni siquiera tocarla, esta reordena y empuja los electrones (electrización por inducción) F

Figura 20. Electrización por contacto

Al entrar en contacto la barra de la derecha con la bomba, se logra ver que no se transfiere ningún electrón ni del globo a la barra ni de la barra a la bomba debido a este material es aislante y tiene los electrones fuertemente ligados al átomo.

Figura 8. Cuerpos en estado neutro.

Como el anterior los cuerpos en estado neutro ni se atraen ni se repelen entre si y aunque estén en contacto ni acepta no dona electrones porque está en equilibrio y no necesita de ninguno más.

Figura 21. Repulsión de globos por carga del mismo signo

Al repartir los electrones del saco a dos globos, ambos quedan con exceso de electrones y eso hace que los dos globos se repelen entre sí.

Figura 22. Atracción de los globos por objetos cargados de signo contrario.

La fuerza de atracción de los globos y los objetos de eléctricamente positivo, es grade al igual que la repulsión entre los globo por ser de signos igual, generando que cada uno busque si equilibrio y siendo arrastrados cada uno por un objeto

Figura 23. Material neutro y aislante

El globo neutro, ni se siente traído, ni repelido por ninguno de los objetos eléctricamente cargo, ni al estar en contacto con el globo cargado eléctricamente negativo atrae electrones de globo amarillo hacia el verde