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Laboratorio de Electricidad y Electromagnetismo– FIS 003 Semestre: I- 2024
ELECTROSTÁTICA
Camila Mariel Rocha Jauregui Renan Andres Espinar Saavedra Par. 2-A, martes, de 12:30 a 14: 05 de marzo de 2024
Resumen. - Este informe describe un experimento diseñado para demostrar, de manera experimental, el proceso de carga y descarga de un cuerpo, centrándose en los métodos de fricción, contacto e inducción. Se llevaron a cabo mediciones utilizando una Jaula de Faraday, paletas generadoras de carga y esferas metálicas, entre otros componentes. Se abordaron los conceptos fundamentales de carga eléctrica, la estructura de la materia y se aplicaron los principios de conservación de la carga. Los resultados obtenidos proporcionaron una comprensión práctica de los fenómenos electrostáticos y sus interacciones entre diferentes materiales. Se discuten las cargas adquiridas por fricción, contacto e inducción, así como la interpretación física de los resultados. El informe concluye con recomendaciones para la inclusión de una variedad más extensa de materiales en futuros experimentos.
Índice de Términos. – Carga, Fricción, Contacto, Inducción.
1. Objetivos 1.1 Objetivo General. Demostrar de manera experimental el proceso de carga (fricción, contacto e inducción) y descarga de un cuerpo. 1.2 Objetivos específicos.
- Ensamblar correctamente el sistema experimental que involucra la Jaula de Faraday, paletas generadoras de carga, esferas metálicas y otros componentes, asegurando una configuración adecuada para las mediciones.
- Reconocer y utilizar las propiedades eléctricas de los materiales (conductor, aislante, semiconductor) para prever y explicar los resultados de los experimentos, estableciendo correlaciones entre las propiedades y la respuesta eléctrica.
- Observar y analizar las interacciones específicas entre distintos materiales al aplicar carga por fricción, identificando la transferencia de carga y las polaridades resultantes.
- Registrar las cargas adquiridas por diferentes materiales al entrar en contacto con una esfera cargada positivamente, utilizando la Jaula de Faraday para evaluar la distribución de carga.
- Analizar el proceso de carga por inducción utilizando esferas metálicas y aislantes, comprendiendo cómo un objeto neutro puede
adquirir carga sin un contacto directo con la fuente cargada.
2. Fundamento Teórico 2.1 Carga eléctrica. En una época tan remota como 600 A.C., los griegos de la antigüedad descubrieron que cuando frotaban ámbar contra lana, el ámbar atraía otros objetos. En la actualidad se dice que con ese frotamiento el ámbar adquiere una carga eléctrica neta o que se carga. La palabra “eléctrico” se deriva del vocablo griego elektron , que significa ámbar. Cuando al caminar una persona frota sus zapatos sobre una alfombra de nailon, se carga eléctricamente; también se puede cargar un peine si se lo pasa por cabello seco. Las varillas de plástico y un trozo de piel (verdadera o falsa) son especialmente buenos para demostrar la electrostática , es decir, la interacción entre cargas eléctricas en reposo (o casi en reposo). La Figura 1 muestra dos varillas de plástico y un trozo de piel. Se observa que después de cargar las dos varillas frotándolas contra un trozo de piel, las varillas se repelen. Cuando se frotan varillas de vidrio con seda, las varillas de vidrio también se cargan y se repelen entre sí (Figura 2). Sin embargo, una varilla de plástico cargada atrae otra varilla de vidrio también cargada; además, la varilla de plástico y la piel se atraen, al igual que el vidrio y la seda (Figura 3). Estos experimentos y muchos otros parecidos han demostrado que hay exactamente dos tipos de carga eléctrica: la del plástico cuando se frota con piel y la
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del vidrio al frotarse con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) sugirió llamar a esas dos clases de carga negativa y positiva, respectivamente, y tales nombres aún se utilizan. La varilla de plástico y la seda tienen carga negativa; en tanto que la varilla de vidrio y la piel tienen carga positiva.
Dos cargas positivas se repelen entre sí, al igual que dos cargas negativas. Una carga positiva y una negativa se atraen (Young, 2009, p. 710).
FIGURA 1: INTERACCIÓN ENTRE VARILLAS
DE PLÁSTICO CUANDO SE FROTAN CON
PIEL
En la Figura 1, se puede apreciar que los objetos cargados negativamente se repelen entre sí (Young, 2009, p. 710).
FIGURA 2: INTERACCIÓN ENTRE VARILLAS
DE VIDRIO CUANDO SE FROTAN CON SEDA
En la Figura 2, se puede apreciar que los objetos cargados positivamente se repelen entre sí (Young, 2009, p. 710).
FIGURA 3: INTERACCIÓN ENTRE OBJETOS
CON CARGAS OPUESTAS
En la Figura 3, se puede apreciar que los objetos con carga positiva se atraen con los objetos que tienen carga negativa (Young, 2009, p. 710).
2.2 Carga eléctrica y la estructura de la materia. Cuando se carga una varilla frotándola con piel o con seda, como en las Figuras 1, 2 y 3, no hay ningún cambio visible en la apariencia de la varilla. Entonces, ¿qué es lo que realmente sucede a la varilla cuando se carga? Para responder esta pregunta, se debe analizar más de cerca la estructura y las propiedades eléctricas de los átomos, que son los bloques que constituyen la materia ordinaria de todas clases. La estructura de los átomos se describe en términos de tres partículas: el electrón , con carga negativa; el protón , cuya carga es positiva; y el neutrón , sin carga (Figura 4).
Los protones y los neutrones en un átomo forman el núcleo , pequeño y muy denso, cuyas dimensiones son del orden de 10 −15^ [𝑚𝑚]. Los electrones rodean al núcleo a distancias del orden de 10 −10^ [𝑚𝑚]. Si un átomo midiera algunos kilómetros de diámetro, su núcleo tendría el tamaño de una pelota de tenis. Los electrones cargados negativamente se mantienen dentro del átomo gracias a fuerzas eléctricas de atracción que se extienden hasta ellos, desde el núcleo con carga positiva. (Los protones y los neutrones permanecen dentro del núcleo estable de los átomos, debido al efecto de atracción de la fuerza nuclear fuerte , que vence la repulsión eléctrica entre los protones. La fuerza nuclear fuerte es de corto
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órdenes de magnitud, a partir de la adición de cantidades controladas de ciertos átomos.
Para comprender cómo se carga un conductor mediante inducción, se debe imaginar una esfera conductora neutra (sin carga) aislada de la tierra, como se muestra en la Figura 5a. En la esfera existe una cantidad igual de electrones y de protones, ya que la carga de la esfera es igual a cero. Cuando a la esfera se le acerca una varilla de hule con carga negativa, los electrones en la región más cercana a la varilla experimentan una fuerza de repulsión y emigran al lado opuesto de la esfera. Esto provoca que la región de la esfera cercana a la varilla se quede con carga positiva a causa del menor número de electrones, como se observa en la Figura 5b. (El lado izquierdo de la esfera de la Figura 5b queda con carga positiva, como si se hubieran trasladado a dicha región cargas positivas, pero se debe recordar que sólo los electrones tienen la libertad para moverse). Esto se presenta aun cuando la varilla no toque la esfera. Si el mismo experimento se realiza con un alambre conductor conectado de la esfera a la tierra (Figura 5c) algunos de los electrones en el conductor son repelidos con tal fuerza, por la presencia de la carga negativa de la varilla, que salen de la esfera a través
del alambre hacia la tierra. El símbolo al extremo en la Figura 5b indica que el alambre está conectado a tierra, como un depósito, al igual que la tierra, que puede aceptar o proveer de electrones con libertad sin que se produzca un efecto significativo sobre sus características eléctricas. Si el alambre a tierra se retira (Figura 5d), la esfera conductora se queda con un exceso de carga positiva inducida, ya que tiene menos electrones de los que necesita para cancelar la carga positiva de los protones. Cuando la varilla de hule se aleja de la esfera (Figura 5d), esta carga positiva inducida se queda en la esfera desconectada de la tierra. Observe que, durante este proceso, la varilla de hule no pierde su carga negativa. Para cargar un objeto por inducción no es necesario que tenga contacto con el objeto que induce la carga, a diferencia de cuando un objeto se carga por frotamiento (por conducción), en donde sí se requiere el contacto entre ambos objetos. Un proceso similar a la inducción en los conductores se presenta en los materiales aislantes. En la mayoría de las moléculas neutras, el centro de la carga positiva coincide con el
centro de la carga negativa. Sin embargo, en presencia de un objeto con carga, estos centros en el interior de cada molécula, en un material aislante, se desplazan ligeramente, lo que resulta en que un lado de la molécula tenga una carga más positiva que el otro. Este realineamiento de la carga en el interior de las moléculas produce una capa de carga sobre la superficie del material aislante, como observa en la Figura 6. El conocimiento de inducción en los materiales aislantes, será de ayuda para explicar por qué un peine que ha sido frotado contra el cabello, atrae fragmentos de papel eléctricamente neutros, como se muestra en la Figura 7.
FIGURA 5: CARGA DE UN OBJETO
METÁLICO MEDIANTE INDUCCIÓN (ES
DECIR, SIN QUE UN OBJETO TOQUE OTRO).
En la Figura 5, se puede apreciar a) Una esfera metálica neutra, con igual cantidad de cargas positivas y negativas. b) Al acercar una varilla de hule cargada, los electrones en la esfera neutra se redistribuyen. c) Al conectar la esfera a tierra, algunos de sus electrones se fugan a través del alambre a tierra. d) Al eliminar la conexión a la tierra, la esfera queda con demasiada carga positiva que no está distribuida de manera uniforme. e) Al retirar la varilla, se redistribuyen los electrones restantes y se tiene una distribución uniforme positiva neta sobre la esfera (Serway, 2009, p.644)).
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FIGURA 6: DISTRIBUCIÓN DE CARGA SOBRE
LA SUPERFICIE DE UN MATERIAL AISLANTE
En la Figura 6, se puede observar un objeto con carga de la izquierda induce una distribución de carga sobre la superficie de un material aislante debido a la realineación de las cargas en las moléculas.
FIGURA 7: UN PEINE CON CARGA
En la Figura 7, se puede observar un peine con carga atrae fragmentos de papel debido a que las cargas en las moléculas del papel se realinean.
3. Procedimiento 3.1 Medidas de carga por fricción o frotamiento. En el desarrollo de esta primera parte del laboratorio, se emplearon diversos materiales, entre ellos una Jaula de Faraday. Dicha jaula estaba conectada, a través de cables, a un electrómetro (que es un voltímetro de impedancia infinita), que a su vez estaba conectado a una fuente de alimentación de 0 a 1000 [V]. Asimismo, también se utilizaron 5 paletas generadoras, productoras y/o portadoras de carga. La
Figura 8 muestra una representación detallada de la disposición aproximada de los materiales y componentes utilizados en esta parte del experimento y la Figura 9 muestra el material presente en cada paleta:
FIGURA 8: DISPOSICIÓN MATERIALES
MEDIDAS DE CARGA POR FROTACIÓN
En la Figura 8, se puede observar una Jaula de Faraday conectada a un electrómetro por medio de cables banana- caimán positivo y negativo.
FIGURA 9: MATERIALES DE LAS PALETAS
En la Figura 9, se puede observar, de izquierda a derecha a una paleta con un material de cuero, una paleta con un material metálico, una paleta con un material de teflón, otra paleta con un material de cuero y una paleta con un material de plástico (aislante).
El procedimiento experimental inició con la neutralización de cada paleta. Para aquello, se debía juntar la cara del material de la paleta con la parte exterior de la jaula. Para comprobar que la paleta estaba realmente neutralizada, se debía introducir la paleta al centro de la jaula, y el electrómetro debía marcar cero. Se procedió de aquella forma con las cinco paletas.
Jaula de Faraday
Electrómetro
Cuero
Metal Cuero
Teflón (^) Plástico
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FIGURA 14: CARGA POR INDUCCIÓN DE
ESFERAS METÁLICAS Y CAPACITOR
En la Figura 9, se puede observar, de izquierda a derecha, el capacitor con sus dos placas a cierta distancia. Asimismo, también se puede observar a dos esferas juntos donde una recibe carga positiva de la fuente, y la otra está sin carga.
FIGURA 15: MATERIALES DE LAS PALETAS
En la Figura 9, se puede observar, a las dos esferas aislantes, una cerca de la otra, donde una recibe carga de la fuente y la otra está sin carga.
En el caso de las esferas de metal, una estaba, como en la parte anterior, conectada a la fuente de alimentación con una carga positiva. Y la otra esfera sin carga estaba bastante cerca de la otra que sí estaba cargada. Se apoyó la paleta conductora (de metal) neutralizada a la superficie de la esfera sin carga. Y para comprobar que la paleta conductora se había cargado, se utilizó la Jaula de Faraday. Sin embargo, esta vez la jaula estaba envuelta con aluminio a su alrededor como se muestra a continuación:
FIGURA 16: JAULA DE FARADAY CON
ALUMINIO
En la Figura 9, se puede observar, a la Jaula de Faraday con aluminio. Siendo el aluminio un bloqueador de señales electromagnéticas.
4. Interpretación física de los resultados 4.1 Medidas de carga por fricción o frotamiento La Jaula de Faraday se utilizó para aislar el sistema del entorno electromagnético externo. Al conectarla al electrómetro, permitió medir las cargas en las paletas generadoras. Al neutralizar cada paleta en la Jaula de Faraday, se aseguró que inicialmente no tuvieran carga, proporcionando un punto de partida consistente. Al frotar la paleta de metal con cuero, se observó la transferencia de electrones entre los materiales. El cuero se comporta como un aislante eléctrico. Durante el frotamiento, tiene la capacidad de ganar electrones, adquiriendo así una carga negativa. La interacción con otros materiales, como el metal, lleva a la transferencia de electrones, resultando en una diferencia de carga entre las paletas.
Los metales son buenos conductores eléctricos debido a la presencia de electrones libres en su estructura. La paleta de metal tiene la capacidad de perder electrones y adquirir una carga positiva al frotarse. Durante el frotamiento con materiales aislantes, se produce una transferencia de carga donde la paleta metálica pierde electrones.
El teflón es un material conocido por su baja conductividad eléctrica. Al frotarse, puede desarrollar una carga negativa debido a su capacidad para atraer electrones. Interactuando con otros materiales, el teflón puede transferir electrones y manifestar una carga negativa.
Los plásticos a menudo actúan como aislantes eléctricos. Al frotarse, pueden adquirir una carga negativa debido a su afinidad por los electrones. En la interacción con materiales conductores, el plástico puede recibir electrones y desarrollar una carga negativa (Young, 2009, p. 709-740).
4.2 Medidas de carga por contacto La esfera de metal está conectada a una fuente de alimentación para recibir carga positiva, convirtiéndose en un objeto cargado positivamente. Antes de realizar la medición, se neutralizan las paletas asegurándose de que no tengan carga eléctrica inicial. Esto implica que la cantidad de electrones y
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protones en las paletas se equilibra. Cada paleta neutralizada se coloca en contacto o se frota hacia la esfera cargada positivamente. Durante el contacto, los electrones pueden moverse desde la esfera hacia las paletas o viceversa, dependiendo de la carga inicial de las paletas y la esfera. Después del contacto, se utiliza la Jaula de Faraday para medir si las paletas se han cargado y para determinar la naturaleza (positiva o negativa) de la carga adquirida. El electrómetro conectado a la Jaula de Faraday registra el voltaje generado en las paletas, indicando si han adquirido una carga y su polaridad.
Como la esfera de metal está cargada positivamente y entra en contacto con un aislante, el aislante podría adquirir una carga negativa. Durante el contacto, los electrones en el aislante se redistribuirían debido a la fuerza de repulsión de la carga positiva de la esfera. En este caso, el aislante podría quedar con una carga neta negativa después del contacto.
En el caso del conductor como el metal, como la esfera de metal está cargada positivamente, al ponerla en contacto con el metal, el exceso de cargas positivas en la esfera se distribuirá sobre la superficie del metal, pero no habrá un cambio significativo en la carga del metal, ya que los electrones libres en el metal se moverán para neutralizar la carga positiva, manteniendo así el metal en general eléctricamente neutro.
En cuanto al teflón, que es un material mayormente más aislante, como la esfera de metal está cargada positivamente y entra en contacto con el teflón, el teflón podría adquirir una carga negativa, similar al proceso descrito anteriormente para los aislantes. El teflón no permite una fácil movilidad de los electrones, por lo que la redistribución de cargas podría hacer que el teflón tenga una carga neta negativa después del contacto (Young, 2009, p. 709- 740).
4.3 Medidas de carga por inducción En el proceso de carga por inducción con una sola esfera conectada a la fuente de alimentación, la esfera de metal, al estar conectada, adquiere una carga positiva. Al acercar la paleta conductora neutralizada a la esfera metálica, se produce una repulsión de
electrones en la paleta debido a la carga positiva de la esfera. Esto resulta en que la paleta conductora adquiera una carga positiva neta como consecuencia de la repulsión de electrones. Si la paleta conductora se aleja de la esfera metálica, retendrá esta carga positiva.
De manera similar, en el caso de las esferas aislantes, la esfera conectada a la fuente de alimentación también obtiene una carga positiva. Al acercar la paleta conductora neutralizada a la esfera aislante, se produce una repulsión de electrones en la paleta debido a la carga positiva de la esfera. Esto lleva a que la paleta conductora adquiera una carga positiva neta debido a la repulsión de electrones. Cuando la paleta conductora se aleja de la esfera aislante, retendrá la carga positiva adquirida.
Al frotar la paleta conductora neutralizada sobre la superficie de las placas del capacitor, se induce una redistribución de cargas en las placas. Los electrones en la paleta conductora se redistribuyen debido a las fuerzas eléctricas, causando una separación de cargas en las placas del capacitor. Como resultado del frotamiento, una placa del capacitor adquiere un exceso de carga positiva, mientras que la otra placa adquiere un exceso de carga negativa. Esta separación de cargas crea un campo eléctrico entre las placas y almacena energía potencial eléctrica en el capacitor. Dado que el capacitor está conectado a la fuente de alimentación, la carga puede fluir entre las placas y la fuente. Este proceso continúa hasta que se alcanza un equilibrio, y las placas del capacitor alcanzan un nuevo estado de carga, influenciado por la paleta conductora y la fuente (Serway, 2009, p. 642-661).
**5. Preguntas
- ¿Por qué se coloca en contacto la esfera de la izquierda con la parte exterior de la jaula?** La esfera de la izquierda se coloca en contacto con la parte exterior de la jaula para neutralizarla. Al hacerlo, los electrones se redistribuyen entre la esfera y la jaula hasta que ambas alcancen una carga eléctrica neta igual a cero. Este proceso asegura que la esfera esté inicialmente sin carga antes de
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electrones ofrecerá una comprensión más completa de los procesos de carga.
7. Referencias Bibliográficas Serway, R. A. & Jewett, J. W. (2009). Física para ciencias e ingeniería con física moderna. Volumen 2. Séptima edición. Cengage Learning Editores S. A.
Young, H. D. & Freedman (2009). Física universitaria, con física moderna. Volumen 2. Decimosegunda edición_._ Pearson Educación.
