Universidad Tecnológica de México Ingeniería en Telecomunicaciones y Electrónica Materia: Electricidad y Magnetismo
Práctica 1 Área: Ingeniería Electricidad y Magnetismo
UNITEC Campus Sur
Agosto 2010
Práctica No. 1 Electricidad y Magnetismo
Fecha de elaboración: ____________ Fecha Revisión: _________________ Responsable: ___________________
Objetivo
Investigar cuántos tipos de carga existen y cómo interaccionan entre sí. Determinar qué tipo de carga que posee cada cuerpo. Investigar dónde se deposita la carga eléctrica en exceso, que se coloca en un conductor cerrado y aislado, en condiciones electrostáticas; de igual forma, averiguar bajo las mismas condiciones, cómo es el campo eléctrico en el interior y exterior del hueco de un conductor cerrado. Investigar cómo son las líneas de fuerza para las siguientes configuraciones de carga: Una carga puntual. Dos cargas puntuales del mismo signo. Dos cargas puntuales de signo contrario. o o o
Normas de Seguridad.
Evitar portar objetos metálicos como relojes o pulseras Equipo de Seguridad. Bata Zapato cerrado
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Investigación Previa Consulta en la bibliografía recomendada en esta práctica o en Internet, los siguientes conceptos y anéxalos
.
1. 2.
Define qué estudia la electrostática. Por naturaleza, ¿en qué estado eléctrico se considera que se encuentra la materia? 3. ¿Cómo se denota, de acuerdo con Benjamín Franklin, a la electricidad que aparece en el vidrio al frotarse con seda? 4. ¿Cómo se denota, de acuerdo con Benjamín Franklin a la electricidad que aparece en la ebonita al frotarse con la piel? 5. ¿Cuáles son los mecanismos para poder cargar un cuerpo? 6. Describe el principio del funcionamiento del electroscopio. 7. ¿Qué es el campo eléctrico? 8. ¿Cómo se puede determinar si existe un campo eléctrico en una región del espacio? 9. ¿Cuál es la característica de un material llamado conductor y de uno llamado aislante? 10. ¿Cómo funciona la jaula de Faraday? 11. ¿Qué es el potencial eléctrico? 12. ¿Cómo afecta la humedad en el aire a la retención de la carga eléctrica en los conductores?
Materiales Dos barras de ebonita Dos pedazos de piel Dos barras de plástico Dos pedazos de polietileno Una barra de vidrio Nota: adicionalmente se puede emplear franela o seda.
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Equipo Un soporte Un electroscopio (electrómetro) Un generador de Van de Graff Una Cuba electrostática. (Recipiente plástico de fondo plano de cualquier forma palangana-) Dos barras metálicas con mango aislante Una barra metálica pequeña. Una Jaula de Faraday Un vaso de precipitados de 250 mililitros. Una esferita pequeña forrada de papel aluminio Equipo proporcionado por el alumno Como sugerencia, se recomienda al estudiante que lleve un equipo para tomar fotografías: Cámara fotográfica o teléfono celular.
Material Proporcionado por el Alumno 3 m de alambre para conexión de teléfono (calibre 26) 2 m de alambre de cobre del No 14 para hacer diferentes figuras Aceite polish (aceite dieléctrico) Cinta adhesiva Semillas de pasto 2 hojas de papel milimétrico
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Marco Teórico La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos producidos por distribuciones de cargas eléctricas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. Históricamente, la electrostática fue la rama del electromagnetismo que primero se desarrolló. Con la postulación de la Ley de Coulomb fue descrita y utilizada en experimentos de laboratorio a partir del siglo XVII, y ya en la segunda mitad del siglo XIX las leyes de Maxwell concluyeron definitivamente su estudio y explicación, y permitieron demostrar cómo las leyes de la electrostática y las leyes que gobiernan los fenómenos magnéticos pueden ser estudiadas en el mismo marco teórico denominado electromagnetismo. La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad, existen numerosos ejemplos ilustrativos que hoy forman parte de la enseñanza moderna, como el hecho de que ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotamiento y atraen pequeños trozos de papel o pelo, por ejemplo un globo inflado que previamente se ha frotado con un paño seco. Electricidad estática La electricidad estática es un fenómeno que se debe a una acumulación de cargas eléctricas en un objeto. Esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro. Antes del año 1832, que fue cuando Michael Faraday publicó los resultados de sus experimentos sobre la identidad de la electricidad, los físicos pensaban que la electricidad estática era algo diferente de la electricidad obtenida por otros métodos. Michael Faraday demostró que la electricidad inducida desde un imán, la electricidad producida por una batería, y la electricidad estática son todas iguales. La electricidad estática se produce cuando ciertos materiales se frotan uno contra el otro, como lana contra plástico o las suelas de zapatos contra la alfombra, donde el proceso de frotamiento causa que se retiren los electrones de la superficie de un material y se reubiquen en la superficie del otro material que ofrece niveles energéticos más favorables. O cuando partículas ionizadas se depositan en un material, como ocurre en los satélites al recibir el flujo del viento solar y de los cinturones de radiación de Electricidad y Magnetismo
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Van Allen. La capacidad de electrificación de los cuerpos por rozamiento se denomina efecto triboeléctrico; existe una clasificación de los distintos materiales denominada secuencia triboeléctrica. La electricidad estática se utiliza comúnmente en la xerografía, en filtros de aire, en algunas pinturas de automóvil, en algunos aceleradores de partículas subatómicas, etc. Los pequeños componentes de los circuitos electrónicos pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática. Sus fabricantes usan una serie de dispositivos antiestáticos y embalajes especiales para evitar estos daños. Hoy la mayoría de los componentes semiconductores de efecto de campo, que son los más delicados, incluyen circuitos internos de protección antiestática.
Desarrollo Determinación de los tipos de carga que existen. 1. Coloca en el soporte giratorio una de las barras de ebonita. 2. Frota uno de los extremos de dicha barra con un pedazo de piel (también puede usarse franela, polietileno o seda) un par de veces para cargarla por fricción. 3. Verifica que la barra posea carga electrostática de acuerdo con la figura 1. La tira de polietileno deberá frotarse con la piel, en un sólo sentido y luego se colocará sobre el cordón, de modo que la parte frotada quede en el interior. (Funciona como un electroscopio).
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Figura 1. Comprueba que todas las barras que se froten queden cargadas usando para tal fin el electroscopio. Si al acercar la barra al electroscopio (sin tocarlo), sus láminas se abren, significa que ha quedado cargado. En caso de no ser así, vuélvelo a frotar hasta que la barra quede cargada. 4. De forma casi simultanea, carga la otra barra de ebonita frotando uno de sus extremos con el otro pedazo de piel y asegúrate de que quedó cargada usando el electroscopio (tira de polietileno, previamente frotada). 5. Estando ambas cargadas, acerca la barra libre a la que se encuentra en el soporte. El acercamiento entre las barras debe ser por los extremos donde fueron frotadas, tal como se indica en la figura 2.
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a. Al acercar entre sí las barras de ebonita frotadas con piel (franela, polietileno o seda), ¿qué fenómeno se observa? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 6. Ahora, repite todos los pasos indicados del uno al cinco, pero usando dos barras de plástico frotándolas con pedazos de polietileno. 7. No olvides que al hacer el experimento con dichos materiales, debes comprobar que se encuentren cargados, utilizando la tira de polietileno previamente frotada. a. Cuándo se acercan entre sí las barras de plástico frotadas con polietileno, ¿qué fenómeno se observa? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 8. Ahora coloca una barra de ebonita en el soporte y cárgala, frotándola con piel seda o franela. 9. De forma simultánea al paso anterior, carga una barra de plástico frotada con un pedazo de polietileno. 10. Una vez frotadas las dos barras, acerca la barra de plástico a la de ebonita. a. Cuando se frota la barra de ebonita y se acerca a la barra cargada con polietileno, ¿qué fenómeno se observa? ______________________________________________________ Electricidad y Magnetismo
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______________________________________________________ ______________________________________________________ b. De acuerdo con los experimentos anteriores, ¿cuántos tipos de carga existen y cómo interaccionan entre sí? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 11. Coloca una barra de vidrio en el soporte, tállala con seda y comprueba que quedó cargada usando la tira de polietileno previamente frotada. 12. De forma simultánea frota la barra de ebonita con piel, asegúrate de que se encuentra cargada usando el método ya mencionado. a. Acerca la barra de ebonita a la de vidrio, ¿la barra de vidrio adquirió el mismo tipo de carga que la primera? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ Generador de Van De Graff 13. Enciende durante aproximadamente 10 minutos el generador de Van de Graff y posteriormente, estando apagado, toca su superficie con el electroscopio. a. ¿Cómo puedes explicar que el electroscopio quede cargado al ponerlo en contacto con la superficie del Van de Graff? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 14. Carga la barra de ebonita con piel usando el método acostumbrado y acércala al electroscopio construido con la tira de polietileno previamente frotada. a. Cuando se cargó el electroscopio con el Van de Graff y se le acercó la barra de ebonita frotada con fieltro, ¿qué efecto observaste? ______________________________________________________ Electricidad y Magnetismo
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______________________________________________________ ______________________________________________________ b. ¿Qué tipo de carga posee el generador de Van de Graff? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ c. ¿Por qué al acercar un cuerpo cargado al electroscopio sus láminas se abren y por qué al retirarlo se cierran? Haz un esquema que ilustre tu respuesta. ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ d. ¿Qué sucede si se toca el electroscopio con un cuerpo cargado? Haz un esquema que ilustre tu respuesta. ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ e. ¿Por qué para realizar los experimentos que implican carga por frotamiento, se usan barras de vidrio, ebonita o plástico y no metálicas? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ f. Frota una barra de ebonita con polietileno, ¿qué tipo de carga adquiere? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ g. Si la barra de ebonita queda cargada negativamente al ser frotada con la piel (verificarlo), ¿cómo queda cargada la piel? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ h. A nivel atómico, ¿cómo se puede explicar el proceso de cargar un cuerpo por frotamiento? ______________________________________________________ Electricidad y Magnetismo
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______________________________________________________ ______________________________________________________ Jaula de Faraday 15. Cubre la jaula de Faraday con papel aluminio. Ése será el conductor cerrado. 16. Colócala sobre una base aislante. 17. De una de las tapas suspende, mediante un hilo, la esfera forrada de papel aluminio próxima a la superficie interna de la jaula. En la parte externa del conductor, suspende mediante un hilo una esferita del mismo tipo. Ambas esferas serán nuestros detectores para averiguar cuál es el campo eléctrico dentro y fuera de la jaula. En las siguientes actividades, la apreciación de los fenómenos dependerá de la humedad relativa del aire. Como una alternativa se sugiere el kit demostrador de campo electrostático, que aparece más adelante.
18. A continuación usa un alambre para conectar la jaula al generador de carga. 19. Para verificar dónde reside la carga en exceso que se proporciona a la jaula, coloca el electroscopio dentro de la misma, de tal forma que la esfera de este dispositivo toque la superficie interna de la jaula, tal como se indica en la Figura 3. Carga la jaula tal como se señala en el paso anterior y observa. a. ¿Qué sucede con las láminas del electroscopio? ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 20. Enseguida, saca el electroscopio de la jaula y colócalo muy cerca de la superficie externa de la misma. Enciende el generador de carga y observa. a. ¿Las láminas se abren? ¿Se nota alguna diferencia en el comportamiento del electroscopio dentro y fuera del conductor? ______________________________________________________ Electricidad y Magnetismo
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______________________________________________________ ______________________________________________________ Los alumnos tomarán fotografías de la configuración del campo eléctrico.
Campo eléctrico 21. Ahora vierte aceite en la cuba electrostática hasta que éste alcance un milímetro de altura aproximadamente. 22. Para representar este tipo de carga, emplea una barra conductora con mango aislante, conéctala a la esfera del generador de carga mediante un alambre, tal como se indica en la Figura 4. Procura no encender aún el generador.
23. A continuación, coloca de forma vertical la barra conductora en la cuba electrostática, de tal modo que el extremo metálico quede sumergido en el interior del aceite y sujétalo por la parte aislante, tal como se muestra en la Figura 4.
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24. Enseguida, esparce semilla de pasto en la cuba con aceite, alrededor de la barra, procurando que quede distribuida lo más uniforme posible. 25. Acciona el generador durante aproximadamente 15 segundos cuidando de no hacer contacto eléctrico con el mismo, para evitar una descarga. a. Observa la configuración que adopta la semilla de pasto y dibuja los patrones que ésta formó para una carga puntual. ______________________________________________________ ______________________________________________________ ______________________________________________________ 26. Para representar dos cargas puntuales, selecciona dos barras metálicas con mango aislante, similares a las usadas en el caso anterior. 27. Conecta las dos barras, mediante alambres, al mismo polo del generador, ya sea positivo o negativo. No enciendas aún el generador 28. Simultáneamente, vacía el aceite y la semilla de pasto en la cuba que fue usada en el caso anterior, en el vaso de precipitados. No tires el aceite al desagüe. 29. Limpia la cuba electrostática con papel secante. 30. Al igual que en la primera configuración de carga que vimos, vacía aceite en la cuba hasta que éste alcance una altura de un milímetro aproximadamente. 31. A continuación coloca las dos barras conductoras de forma vertical, en la cuba electrostática, de tal modo que uno de sus extremos quede sumergido en el interior del aceite, de manera semejante a como se indica en la figura previa. 32. Enseguida, esparce semilla de pasto en la cuba con aceite alrededor de las barras, procurando que quede distribuida lo más uniformemente posible. 33. Acciona el generador durante aproximadamente 15 segundos, evitando hacer contacto eléctrico con el mismo, para evitar una descarga. 34. Observa la configuración que adopta la semilla de pasto y dibuja los patrones que formó la semilla para dos cargas puntuales del mismo signo.
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Análisis y Presentación de Resultados Anota todas tus observaciones en una tabla y mediante el análisis de tus datos menciona qué puedes concluir.
Conclusiones del Aprendizaje
Notas para los Alumnos 1. El reporte final de la práctica deberá ser escrito y entregado en máquina de escribir o procesador de textos (PC), sin excepción. 2. Las prácticas impresas sólo sirven de guía y referencia. 3. No se aceptan copias fotostáticas del reporte final. 4. La entrega del reporte de práctica es por alumno.
Recursos Bibliográficos Serway, Raymond A. Jewett, John W. Thomson, Electricidad y magnetismo , 2005. Sears, Francis. W. Pearson, Física universitaria , 2004. Haliday, Davis, Resnick Robert, Fundamentos de Física , CECSA, 2001
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