ELECTOSTATICA

La electricidad es el nombre que se le da a una amplia gama de fenómenos, que de una u otras formas, se producen casi en todo lo que nos rodea, desde el relámpago en el cielo hasta el encendido de una bombilla eléctrica. [1]

En el laboratorio realizado en la Universidad del Atlántico, con el objetivo de estudiar algunos fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo, se suministró carga, a objetos eléctricamente neutros por medio de conducción, fricción e inducción, con el fin de analizar el comportamiento de estos y a su vez analizar el papel que juegan algunos materiales, al momento de transferir cargas.

OBJETIVOS

Hacer un estudio experimental de algunos fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.

INTRODUCCIÓN

La electrostática es el punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control por parte del hombre y es la base de numerosas aplicaciones científicas y tecnológicas. [6]

El comportamiento de la electricidad en reposo, llamada electrostática, da inicio a la búsqueda del conocimiento que permitirá comprender algunos fenómenos eléctricos. Esto implica relacionar los conceptos de cargas electrostáticas, fuerzas entre ellas, el aura que las rodea y su comportamiento en los materiales. [6]

Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños.

Posiblemente el primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.

No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos.

A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar. [2]

DISCUSION TEORICA

En electricidad, los términos positivos y negativos, se refieren a carga eléctrica, la cantidad fundamental que se encuentra en todos los fenómenos eléctricos.

Las partículas con carga positiva de la materia ordinaria son protones, y las de carga negativa, son electrones. La fuerza de atracción entre esas partículas hace que se agrupen en unidades pequeñas, los átomos. [3]

Los objetos materiales, están formados por átomos, y eso quiere decir que están formados por electrones y protones (y neutrones). Los objetos tienen, de ordinario, cantidades iguales de electrones y protones y, en consecuencia, son eléctricamente neutros. Pero si hay un pequeño desequilibrio en esas cantidades, el objeto tiene carga eléctrica. [3]

La transferencia de electrones, puede llevarse a cabo por medio de tres procesos: carga por fricción, conducción o inducción.

Para cargar un cuerpo neutro por el método de fricción se necesitan dos cuerpos neutros eléctricamente. Al frotarlos, ocurre que a nivel superficial de ambos cuerpos se produce un traspaso de electrones de uno a otro cuerpo. Aquel que reciba más electrones quedará cargado negativamente y el otro, que cedió más electrones, quedará cargado positivamente. Hay materiales que por características propias al ser frotados van a quedar con un tipo determinado de carga. [6]

Los electrones también pueden pasar de un material a otro con un simple toque, para esto se necesita un cuerpo previamente cargado, a este método de carga se le denomina carga por contacto. Por su parte la carga por inducción se presenta, cuando se acerca un objeto cargado a una superficie conductora, lo cual provocará movimiento de los electrones, sin tener un contacto físico. [3]

MÉTODOS EXPERIMENTALES

Al iniciar la experiencia se tomó una barra de PVC con carga eléctrica neutra, se amarró de un hilo y a su vez, se sostuvo de un soporte universal; luego se tomó otra barra de PVC y se frotó con un papel por 2 minutos aproximadamente. Posteriormente se introdujo esta última barra en un vaso de Faraday conectado a un multímetro para comprobar que esta se encontraba cargada, una vez realizado esto, se froto la barra nuevamente y fue acercada a la barra con carga eléctrica neutra, y se observó lo que ocurrió.

A continuación se tomó la barra de carga neutra y se frotó con el papel por 2 minutos aproximadamente, con el fin de esta adquiriera carga y se acercó a una de las barras del mismo material ya cargada. Se observó lo que ocurrió.

Posteriormente, se acercó una barra cargada a un pedazo de papel de 0.5 cm x 0.5 cm.

Por otra parte, se conectó un conductor en forma de bala a una fuente de alto voltaje y se acercó una esfera metálica a éste hasta tocarlo, luego se introdujo la esfera metálica en el vaso de Faraday conectado al multímetro para detectar la presencia de la carga.

Posteriormente se tomó una bola de aluminio sostenida por un hilo en su parte superior y se colocó entre las dos placas de un capacitor para observar lo que ocurría.

ANÁLISIS DE RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Por medio de esta experiencia, se pudo observar diversos fenómenos, ocasionados por las cargas que adquieren diversos cuerpos.

Los materiales aislantes pueden ser cargados por fricción, adquiriendo estos una determinada carga. En la experiencia realizada, se cargó por medio de frotación una barra de PVC, la cual reporto, una carga electrostática negativa, a su vez al cargar por fricción otros materiales, como el vidrio, el nylon, entre otros, éstos, reportaran algún tipo de carga.

La siguiente tabla muestra la carga que adquieren diversos materiales:

Tabla 1 Tipo de carga que adquieren los materiales.

Al frotar una varilla de vidrio con un paño de seda, se intercambia la energía para qué pase una pequeña fracción de electrones desde el vidrio a la seda .En el proceso, el vidrio se carga positivamente y la seda lo hace negativamente. De igual forma, si se frota una varilla de plástico (de ámbar o de caucho) con un paño de lana, pasan electrones desde el paño a la varilla. El plástico se carga negativamente y la lana positivamente. [13]

Cuando se somete un cuerpo a fricción, este puede ganar electrones o perderlos, es por esto que las barras de vidrio o de plástico se electrizan al frotarlas, respectivamente. Con el frotamiento, la barra de plástico gana electrones (adquiere carga negativa), y la barra de vidrio cede electrones (adquiere carga positiva). Es decir, el tipo de carga eléctrica que un cuerpo posee está en función de que el cuerpo tenga más o menos electrones que protones.

Pudo observarse que dos varillas de PVC electrizadas se repelen entre sí, ya que estas al ser cargadas, adquieren el mismo tipo de carga, y de acuerdo con la ley de carga-fuerza, se sabe que dos partículas con signo de cargas eléctricas iguales, se repelen. Esto también sucederá si se realiza con dos barras cargadas de igual material, ya que al ser cargadas por fricción, estas adquieren el mismo signo de carga y en consecuencia experimentaran repulsión.

Por su parte cuando se acercó la varilla de PVC cargada, a otra de este mismo material, con carga eléctrica neutra, estas experimentaron, atracción, ya que al acercar la barra cargada, a la neutra, aquella atrae la carga contraria a esta.

Como la barra de PVC cargada por fricción, adquiere carga negativa, al acercarla a una barra neutra, de ésta será atraída la carga positiva, por lo cual, se experimentó atracción.

Por otro lado, si se carga por fricción, barras de diferente material, de acuerdo a la carga que se adquiera, se presentara este fenómeno.

Por ejemplo, si una de las barras electrizadas fuese de vidrio, (adquiere carga positiva por fricción) y la otra de PVC (adquiere carga negativa por fricción), al ser acercada una a la otra, experimentaran, atracción, ya que por definición, se sabe que cargas de signos opuestos son atraídas.

Este diferente comportamiento de los materiales se explica en base a la existencia o no de cargas eléctricas libres en su estructura, y permite clasificar a los materiales como conductores o como aislantes (o dieléctricos). Los materiales conductores, como los metales, el grafito, las soluciones iónicas, no se electrizan por frotamiento, ya que por ser buenos conductores, al frotarse la carga se distribuye rápidamente por toda la superficie del objeto, es decir, la carga posee libertad de movimiento.

Los materiales aislantes, como el vidrio plástico, lana, la seda, se electrizan fácilmente por frotamiento, gracias a que la carga permanece en la zona de frotamiento, es decir, las cargas no poseen libertad de movimiento.

Al introducir la varilla cargada eléctricamente dentro del vaso de Faraday, se induce una carga de signo opuesto dentro del mismo.

Lo anterior es posible explicarlo ya que al introducir al vaso la varilla con carga negativa, esta altera la distribución de la carga en el vaso, cuando esto ocurre, la carga de signo contrario, en este caso positivo, es atraída en el interior del vaso. Por su parte en el exterior del vaso queda ubicada la

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