Universidad Nacional del Altiplano - Puno

FACULTAD DE INGENIERÍA CIVIL Y ARQUITECTURA

ESCUELA PROFESIONAL DE CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS

INFORME DE LABORATORIO NRO. 01

CURSO : Física Experimental III

TEMA: CARGAS ELECTRICAS

PRESENTADO POR: Huascupi Huanacuni Rolando Mamani Pari Miguel Ortiz Chata Juan Carlos

SEMESTRE : CuartoDOCENTE : Lic. Natalio Rivera Miranda

Puno, abril del 2012

CARGAS ELECTRICASI. OBJETIVO Demostrar experimentalmente la existencia de la carga eléctrica y sus propiedades.*Entender que los cuerpos se pueden cargar eléctricamente por frotamiento.*Conocer el montaje y el funcionamiento de un electroscopio.* Conocer los fenómenos de inducción en un electroscopio.*Comprobar que hay dos tipos de cargas(positivas y negativas) mediante el proceso de frotamiento.II. FUNDAMENTO TEORICOSegundo principio de la electrostática“En un sistema aislado la carga eléctrica total permanece constante”Esto podemos entenderlo fácilmente a partir del hecho que la carga está

en los protones y electrones que componen los átomos.Si un cuerpo está aislado , es decir, no se pone en contacto con otro, las

cargas eléctricas que posee (protones y electrones) no aumentarán ni disminuirán.

Esto se puede observar claramente en el fenómeno de inducción, Las cargas se separan al polarizarse pero la cantidad total de carga en el cuerpo sigue siendo la misma. Por eso cuando se aleja del electroscopio el cuerpo cargado, las cargas se equilibran y el cuerpo queda en estado neutro.

Ley de CoulombLa fuerza de atracción o repulsión que ejerce una carga eléctrica sobre

otra tiene una dirección que coincide con la de la recta que las une y su módulo es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

(F representa la fuerza, d la distancia que separa los cuerpos y q la cantidad de carga que tiene cada cuerpo. k0 es una constante de proporcionalidad que se denomina constante electrostática)

d se mide en metros (m).q1 y q2 se miden en una unidad que se llama “Coulomb” y se indica con la

letra “C” mayúscula.La constante electrostática, justamente por ser una constante tiene

siempre el mismo valor:

29

0 2

N mk =9 10

C

ELECTROSCOPIOElectroscopio de hojas:El electroscopio es un instrumento empleado para evidenciar la presencia

de cargas eléctricas. En la figura se muestra el instrumento tal como lo utilizó por primera vez el físico Michael Faraday. El electroscopio está compuesto por dos hojitas de metal muy finas (a) colgadas de un soporte metálico (b) en el interior de un recipiente de vidrio u otro material no conductor (c). Una esfera conductora (d) completa el dispositivo.

Al acercar la varilla cargada negativamente (sin tocar el electroscopio); se produce inducción. Los electrones libres del metal que compone al electroscopio son repelidos y se alejan lo más posible de la barra cargada, llegando a las hojitas. Al tener carga de igual signo las hojitas se repelen y se separan. La abertura entre éstas dependerá de la cantidad de carga.

La esferita del electroscopio queda cargada positivamente.Recordemos que este fenómeno en que se separan las cargas negativas y

positivas en un cuerpo inicialmente neutro, se llama polarización

Observen que el electroscopio se polariza cuando la barra se acerca pero cuando se aleja las cargas vuelven a mezclarse y las hojuelas vuelven a su posición original.

Carga del electrón y del protónA principios del siglo XX, un científico llamado Robert Millikan desarrolló

un fabuloso experimento donde logró medirlas:

Carga del electrón: e= -1,6 . 10-19 C Carga del Protón: p=+1,6 . 10-19 C

VAN DE GRAAFFEl generador de Van de Graaff es una máquina que almacena carga eléctrica

en una gran esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una correa sobre unos peines metálicos.

Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se comienzan a acumular.

------ Plástico

la diferencia de potencial que puede llegar a conseguirse es del orden de los megavoltios (millones de voltios)

el campo que tenemos en el generador es electrostático el hecho de estar en electrostática implica que no hay una intensidad que recorra la esfera metálica.

Un generador de Van der Graaff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad

Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que

ésta no varíe con el tiempo. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier

otro tipo de batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar

una diferencia de potencial constante.

Los generadores de Van der Graaff están diseñados para no proporcionar más de un par de miliamperios de corriente, de modo que como mucho puede darnos un pequeño calambre similar a los que nos pueden dar en las piernas después de hacer mucho ejercicio físico. Por tanto, no es peligroso. Lo que permite al generador aumentar tanto el voltaje es que la resistencia del aparato va variando. A medida que la esfera conductora se carga, el aire que es aislante (dieléctrico) se va ionizando y va “convirtiéndose” en conductor. Esto no sucede de manera indefinida sino que llegado un momento el aire se perfora y ya no es capaz de seguir conduciendo cargas, haciendo que en este momento la esfera ya no podrá cargarse más.

III.INSTRUMENTOS Y NEQUIPOS DE LABORATORIO.

*Electroscopio*Varilla de vidrio*varilla de acetato (plástico)*Paño de seda, lana y franela*Esfera de metal con mango aislante*Van de graaff

IV. PROCEDIMIENTO

ELECTRIFICACION DE UN CUERPO

Entender que los cuerpos se pueden cargar eléctricamente por frotamientoEquipos: electroscopio, par de varillas y pañoEJECUCION DEL EXPERIMENTO

-Frote la varilla de plástico con una hoja de papel.-Coloque la varilla de plástico arriba de pequeños pedazos de papel.-Anote sus observaciones en el punto 1.-Repita el experimento con la varilla de vidrio.-Anote sus observaciones en el punto 2.-Frote la varilla y acérquelas a trozos de pelo.- Anote sus observaciones en el punto 3.-Frote una varilla y sosténgala muy cerca del electroscopio. Repita varias veces el experimento, y escuche cuidadosamente el sonido que se produce.- Anote sus observaciones en el punto 4.OBSERVACIONES:1.-Los pedazos de papel son atraídos y se pegan a la barra de plástico.2.-No atrae los pedazos de papel3.-La barra de plástico atrae el cabello4.-Produce un sonido de relámpago ó choque eléctrico (muy pequeño)

EVALUACION

¿Qué cambios experimentan las varillas cuando se frotan?

Se cargan eléctricamente, es decir gana electrones (se carga negativo) o pierde (se carga positivo)

Cuando se frotan las varillas se cargan eléctricamente, es decir, adquiere una carga positiva o negativa. Este proceso se denomina triboelectricidad. ¿Que efectos tiene estas cargas de las varillas?

Tiene la propiedad de atraer cuerpos eléctricamente neutros o de carga opuesta, además si es del mismo signo, repele.

Las varillas al ser frotadas adquieren cierto tipo de cargas. Por ejemplo, la varilla puede estar cargada positivamente o negativamente. ¿Como se puede explicar el fenómeno desde un punto de vista atómico?

En general en cuerpos conductores se desprenden sus electrones del último nivel de electrones desapareados, electrones libres (valencia)

Si es que ganan electrones, se carga negativo; si pierden, se cargan positivos.

NOTA:-Se dice que Tales de Mileto ya había observado la carga eléctrica de ámbar al ser frotado. La palabra “electricidad” proviene de la palabra griega (electrón), que significa “ámbar”.-Los rodillos de loas fotocopiadoras atraen las pequeñas partículas de tóner según la distribución de la carga electrostática y luego las transfiere al papel.

ACCION DE UN ELECTROSCOPIO

Objetivo del experimento:Conocer el montaje y funcionamiento de un electroscopio.Equipos:ElectroscopioVarilla de plásticoEjecución del experimento:

-Frote la varilla de plástico con paño-Toque el electroscopio con la varilla de PVC. Si es necesario, frote la varilla y vuelva a tocar el electroscopio. Anote sus observaciones en el punto 1-Toque el electroscopio con su mano y anote su observación en el punto 2.-Frote la varilla de PVC y toque nuevamente el electroscopio.Sople suavemente en la boquilla del electroscopio y anote su observación en el punto 3.OBSERVACIONES:1.-Al acercar a la esfera la aguja se desvió de la posición de equilibrio2.-Se descarga, la aguja recupera la posición de equilibrio3.-Al soplar aire húmedo ionizado (conductor) la aguja regresa ala posición de equilibrio.

EVALUACION:

-¿Qué ocurre cuando se frota la varilla de PVC?

Se carga negativamente

-¿Qué sucede cuando se toca el electroscopio con la varilla?

Se desvía el indicador del electroscopio y a la vez la varilla conduce la carga negativa o electrones

-¿Cómo se puede explicar la primera observación?

Sucede el paso del exceso de electrones al electroscopio

-¿Qué sucede al respirar cerca del electroscopio?

El indicador tiende a regresar a su posición inicial o se descarga; ya que el aire húmedo ionizado es conductor.

INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA EN EL ELECTROSCOPIO

Objetivo del experimento:Conocer los fenómenos de inducción en un electroscopio.Equipos:Electroscopio, varilla de plásticoEjecución del experimento:

-Frote la varilla con una hoja de papel.

-También frote la varilla con paño o seda-Acerque la varilla de plástico de PVC al electroscopio, desde varias posiciones. Anote su observación en el punto 1. –Realice los pasos siguientes del experimento forma rápida y anote su observación en el punto 2.a) Recargue la varilla de PVC mediante frotamiento y acérquela a la parte de arriba del electroscopio.b) Toque brevemente el electroscopio con un dedo cerca en la parte superior.c) Repita con la varilla de PVC.d) Toque el electroscopio con la varilla de PVC.OBSERVACIONES:1.-Observacion: cuando se acerca la varilla de PVC previamente frotado, que sucede con el indicador del electroscopio,…La aguja se desvía, al alejarlo recupera el equilibrio2.-Obsevacion:a) Con la varilla de PVC cargado cerca del electroscopio, que ocurre con el indicador: se desvíab) Al tocar el electroscopio con un dedo, aumenta o disminuye con el indicador: disminuye

c) Al retirar la varilla de PVC cargado, que sucede con el indicador: …recupera la posición de equilibriod) Después de tocar el electroscopio con la varilla de PVC, que ocurre con el indicador, aumenta o disminuye:…aumenta

EVALUACION:-La inducción eléctrica es el desplazamiento de cargas (electrones en conducción) en un campo eléctrico. ¿Cómo se puede usar esta afirmación para explicar la primera observación?…Debido al campo eléctrico producido por la varilla cargada

-¿Cómo se puede explicar cada uno de los 4 pasos de la segunda observación?a) Debido al campo eléctrico producido por la varilla cargadab) Por que el cuerpo humano contiene iones, y el 60% del peso total es líquido.c) Se queda desviada.d) debido al paso de electrones es decir mide la carga eléctrica.

EXISTENCIA DE DOS TIPOS DE CARGASObjetivos del experimento:Comprobar que hay dos tipos de cargas (positivas y negativas) mediante el proceso de frotamiento.Equipos: Electroscopio, varillas, llana y seda.Ejecución del experimento:Para demostrar la existencia de cargas positivas y negativas utilice el electroscopio y haciendo el siguiente paso:“Utilice una delas varillas y cargue con frotamiento, y luego con este cargue la esfera del electroscopio tocándola, y en seguida repita el procedimiento, pero intercambiando los materiales y anote sus observaciones en la tabla 1”.

Una vez realizada la primera observación, queda cargado el electroscopio.

Para proceder la segunda observación no se debe descargar el electros copio de la primera observación, y luego trate de acercar la varilla de vidrio cargado con seda, poco a poco hasta tocarlo en el electroscopio.

Una vez realizadas las observaciones 1 y 2 , de3scargue completamente el electroscopio, tocando con un dedo para pasar alas observaciones 3 y 4 .

Para proceder la tercera y cuarta observación, sigua los pasos de la primera y segunda observación.

OBSERVACIONES:TABLA 1

Nº Nombre de la varilla

Nombre del material para frotar

Comportamiento del indicador en el electroscopio(se abre o se cierra)

01 Plástico Lana SI02 Vidrio Seda NO03 Plástico Seda NO04 Vidrio Lana SI

EVALUACION:

- Según las observaciones dela tabla 1, se debe elegir dos de loas observaciones para concluir la existencia de dos tipos de cargas (positivas y negativas)…el plástico…es puesto a…el vidrio

-Una vez confirmado la existencia de dos diferentes tipos de cargas, ¿Cómo se puede explicar este hecho, en cuanto al comportamiento de las cargas en el electroscopio?. Esta mide la carga eléctrica (positiva o negativa) , por ejemplo cuando una varilla esta cargada negativamente(exceso de electrones) éstas se pasan a través de la boquilla del electroscopio , el electroscopio queda cargado negativamente.

V. ANALISS DE RESULTADOS*¿Por qué los cuerpos se electrizan al ser frotados?.

Por que existe transmisión de carga, paso espontaneo de electrones.Por la transferencia de electrones de un material a otro.

*¿Qué características comunes hay entre la ley de Coulomb y la ley de Newton del a gravitación universal?, señale las diferencias

Semejanzas:1.- ambas fuerzas son directamente proporcionales al producto de las materias que obran recíprocamente (masa y carga).2.- Ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia de la separación.

Diferencias:1.- La fuerza de Coulomb puede ser de atracción o de repulsión mientras que la fuerza gravitacional es de atracción solamente.2.- La magnitud de la fuerza eléctrica de Coulomb depende del medio que separa las cargas mientras que la fuerza gravitacional es independiente del medio.

*La fuerza eléctrica que experimenta un objeto no depende de su masa. Sugiera un experimento que demuestra esta afirmación.

La materia es esencialmente eléctrica, dentro del cual existen las fuerzas eléctricas

*Investigue por que el cuerpo humano es buen conductor de la electricidad.En el aspecto físico si, es por el contenido de aguas y sales (iones) que permiten q se conduzca la electricidad. si enterramos a un tipo desnudo y humedecemos la tierra, tal vez mejoremos la conducción. El cuerpo humano es en su mayor parte agua y además contamos con gran cantidad de diferentes iones, de modo que somos relativamente buenos conductores

*¿Cómo se puede determinar el tipo de carga que posee un cuerpo?

Se pude determinar experimentalmente, por inducción; si el material es opuesto al inductor se atraerá, si es similar se repelerá.

*¿Cómo se define la carga eléctrica?

Es una cantidad escalar, fundamental y una propiedad de la materia, la que se adquiere por proceso de cargar cuerpos, que en la naturaleza es un múltiplo de la carga de un electrón.

*Explique los procesos de cargado con por frotamiento, contacto y por inducción y señale las diferencias que existe entre estos procesos.

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.

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 positivamenteen 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.

*En los procesos de electrización de cuerpos, que tipo de carga son los que se mueven?

Se mueven los electrones libres (-q)

*Investigue sobre el científico que inventó Van de graaff, y sus Aplicaciones.

Robert Jemison Van de Graaff,  (born Dec. 20, 1901, Tuscaloosa, Ala., U.S.—died Jan. 16, 1967, Boston, Mass.) inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

APLICACIONESTambién en Medicina y Biología son muy numerosos los trabajos realizados en el análisis de tejidos y fluidos orgánicos en busca del origen o del tratamiento adecuado de distintas enfermedades. Además, dado que con iones pesados puede lograrse una deposición muy localizada de energía, se han abierto nuevas perspectivas en el tratamiento de tumores por radioterapia utilizando aceleradores de iones

En el caso de los Estudios Medioambientales las técnicas de análisis

multielementales, como P.I.X.E. y P.I.G.E., permiten un análisis rápido y de

gran sensibilidad de grandes volúmenes de muestras, lo que facilita

enormemente estudios estadísticos de gran importancia en temas tales como

control de aguas, aire, sedimentos, etc...

En el área de las aplicaciones en Ciencias de Materiales es donde sin duda el

impacto de las técnicas nucleares basadas en el uso de aceleradores ha tenido

un mayor relieve. Así, se han publicado trabajos que utilizan las técnicas

nucleares de análisis y modificación de materiales prácticamente con todo tipo

de materiales: aleaciones metálicas, superconductores, semiconductores,

aislantes, materiales compuestos, cerámicas, etc. Los aspectos más relevantes

han sido la alta sensibilidad, relativa sencillez, gran precisión y carácter no

destructivo de las técnicas de análisis, y la posibilidad de modificar

profundamente las propiedades, no sólo eléctricas, sino también mecánicas y

térmicas de los distintos materiales, fundamentalmente mediante la

implantación iónica.

En el estudio del Patrimonio Histórico y Cultural los análisis científicos son cada

vez más importantes y representan un magnífico complemento a los estudios

tradicionales. La colaboración interdisciplinaria de restauradores, historiadores,

arqueólogos, físicos, y químicos, entre otros, ofrece una información mucho

más amplia y detallada sobre las obras de arte, su composición, el proceso de

elaboración y los materiales usados. Dentro del ámbito del arte y la

arqueometría son importantes las técnicas basadas en el acelerador tandem

por permitir análisis no destructivos, multielementales, de alta sensibilidad y

rápidos. Se han llevado a cabo estudios de diversos materiales como metales,

cerámicas, vidrios, papel, etc, y objetos de cualquier tamaño al disponer de una

línea de haz externo que evita la extracción de muestras en piezas de gran

valor.

*La esfera de Van de Graaff acumula cierta cantidad de carga, como también enormes cantidades de carga eléctrica; aparte del suministro de suministro de carga ala esfera, ¿ de que elemento depende esta figura geométrica para que acumule una inmensa cantidad de carga?

El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

*¿Qué tipo de carga almacena Van de Graaff?El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan

*En el departamento de Puno hay épocas de lluvia, en donde, con frecuencia se nota las tormentas eléctricas, ¿cómo se puede explicar este fenómeno?, teniendo en cuenta las nociones de cargas eléctricas en el laboratorio.

Durante las tormentas eléctricas se lleva acabo proceso de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre

«Si acercamos un objeto con carga a una superficie conductora, aún sin contacto físico, los electrones se mueven en la superficie conductora»

VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

-Se puede confirmar que los cuerpos al ser frotados adquieren carga eléctrica.-El electroscopio lleva una bola de metal, conectado por medio de un alambre grueso a las láminas de pan de oro o indicador, encerado dentro de una carcasa de metal, el cual está aislado del alambre grueso.-Las varillas cargadas inducen carga eléctrica en el electroscopio.- Se puede verificar la existencia de cargas negativas y positivas, al acercar dos objetos cargados de signos opuestos se atraen y de signos iguales se repelen.