Laboratorio de Física II – Fenómenos de atracción y repulsión eléctrica en algunos materiales.

1. Jeimy Johanna Itaz. Fundación Universitaria de Popayán. Popayán-Cauca. Ingeniería Industrial IV. Correo: Johanna221@hotmail.com Contacto: 3107186691.

2. Freiman Yesid Ussa M. Fundación Universitaria de Popayán. Popayán- Cauca. Ingeniería Industrial IV. Correo: freimanussa@gmail.com. Contacto: 3184971239

RESUMEN: Dentro de la práctica de laboratorio se pretendía evidenciar y de la misma forma analizar los fenómenos atractivos y repulsivos de los materiales, puesto que en el campo de la física, más exactamente dentro de la “electrostática” encontramos unos fenómenos propios de los cuerpos, conocidos como atracción y repulsión provocados por consecuencia de sus cargas eléctricas.

Es justamente las cargas eléctricas en equilibrio que provocan dichos fenómenos experimentados en nuestra práctica de análisis como en la cotidianidad; para el desarrollo del laboratorio fue necesario utilizar materiales como globos, papel, latas de cerveza, peine, cinta teflón, plástico entre otros.

El procedimiento consistió en realizar tres fenómenos atractivos y tres repulsivos con diferentes materiales determinando el tipo de electrización.

ABSTRACT: During the lab practice it was intended to show and in the same way analyze the attractive and repulsive phenomena of materials, since in the field of physics, more precisely within the "electrostatic" found some phenomena characteristic of bodies, known as attraction and repulsion caused by consequence of their electrical charges.

It is precisely balanced electrical charges that cause these phenomena encountered in our practice of analysis and in everyday life; laboratory development was necessary to use materials like colorful balloons, paper, beer cans, comb, Teflon tape, plastic and others.

The procedure consisted to créate three attractive and repulsive phenomena with different materials determining the type of electrification.

INTRODUCCION: La física en su esfuerzo por explicar fenómenos naturales nos expone en la actualidad teorías como son la ley de Coulomb la de Maxwell entre otras

teorías, que mediante fórmulas matemáticas explican el comportamiento de los campos eléctricos contenidos en todos los cuerpos.

La observación científica del fenómeno, se hizo muchos años atrás, el matemático griego Thales de Mileto hacia los años 600 A.C descubrió que si frotaba el ámbar con un paño seco, se le adherían algunos materiales como el pasto seco. A pesar de que en su época no pudo determinar el fenómeno evidenciado, este solo fue posible plantearlo hasta el año 1660. El físico inglés William Gilbert quien continuando con sus estudios determino la interacción ejercida entre dos cuerpos luego de generar algún tipo de excitación lo denomino por primera vez “electricidad”.

Fuente: Google imágenes.

Más tarde otros científicos aportarían sus conocimientos para determinar la atracción y repulsión de los materiales: en la actualidad se pueden abarcar desde un mismo marco teórico contando con las “leyes de la electrostática” y las “leyes de los fenómenos magnéticos”.

OBJETIVOS:

Recrear con materiales comunes, fenómenos de atracción y repulsión.

Analizar los tipos de electrización presentados en cada fenómeno.

Explicar que ocurre en cada fenómeno. Determinar cuál es el elemento que se carga,

elementos neutros.

MATERIALES: Los materiales utilizados para la práctica se relacionan a continuación:

CAN MATERIALES 1 Lapicero1 Hoja de papel4 Globos1 Lata de cerveza1 Cinta teflón1 Guante de látex/plástico.1 Paño

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

MARCO TEORICO: La electricidad estática es un fenómeno natural que se surge a raíz de la acumulación de cargas eléctricas en un cuerpo, esta acumulación puede dar lugar a una descarga eléctrica cuando dicho objeto se pone en contacto con otro, se puede producir en el momento cuando ciertos cuerpos de frotan uno contra el otro como un paño seco con una pieza de ámbar, las suela de los zapatos contra la alfombra etc. 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 que ofrece niveles energéticos más favorables. La electrostática, rama de la física analiza los efectos de los cuerpos a causa de las cargas eléctricas que cada uno posee y las determina. La carga eléctrica es una propiedad física de la materia, es decir que esta netamente relacionada con su materialidad y además puede ser medible, esta propiedad es intrínseca en algunas partículas subatómicas y se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión. Cuando la materia está cargada entran a influir los campos electromagnéticos que a la misma vez son creados por ella misma. Dentro del Sistema Internacional de Unidades la carga eléctrica se encuentra medida por Culombios en honor al físico francés Charles-Agustín de Coulomb, Se define como la cantidad de carga transportada en un segundo por una corriente de un amperio de intensidad de corriente eléctrica.

1C=1 A∗sLas cargas eléctricas se presentan en dos tipos y se denominan cargas negativas y cargas positivas, fue así como el francés Francois de Cisternay du Fay propuso la existencia de dos tipos de carga eléctrica y más tarde Benjamín Franklin las clasifico planteando que cuando las cargas se encuentran y son del mismo tipo se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento de la teoría cuántica relativista, se pudo demostrar formalmente que las partículas, además de presentar carga eléctrica (sea nula o no), presentan un momento magnético intrínseco,

denominado espín, que surge como consecuencia de aplicar la teoría de la relatividad especial a la mecánica cuántica.

La historia relata que el fenómeno fue evidenciado desde el año 600 a. C por el matemático Thales de Mileto quien a pesar de evidenciarlo no pudo definir en su momento el porqué de la reacción, años más tarde surgirían aportes al campo que permitiría al día de hoy tener los conceptos claros.Aportes importantes de resaltar son los del físico alemán Otto Von Guericke quien creo la primera máquina electrostática capaz de producir y almacenar energía eléctrica estática por rozamiento. Por otro lado están Ewald Jürgen Von Kleist y Pieter Van Musschenbroeck quienes construyeron los primeros condensadores en la Universidad de Leiden.Años más tarde el físico francés Charles Coulomb publicó un tratado en el que se describían por primera vez y cuantitativamente las fuerzas eléctricas, se formulaban las leyes de atracción y repulsión de cargas eléctricas estáticas y se usaba la balanza de torsión para realizar mediciones, hoy en día estos planteamientos los encontramos como la famosa “ley de coulomb”.

Fuente: Google imágenes.

Dentro de los materiales encontramos que no todos se comportan de la misma manera en el momento de recibir una carga eléctrica, por ejemplo una varilla metálica

sostenida con la mano y frotada con la piel no resultara cargada, pero si realizamos el mismo procedimiento sosteniéndola mediante un mango de plástico o de vidrio sin tener contacto alguno con el metal encontraremos que se electrifica. La explicación de este conocido fenómeno se debe a que las cargas pueden moverse libremente entre el metal y el cuerpo humano, lo que las descargaría en cuanto se produjeran, mientras que el vidrio y el plástico no permiten la circulación de cargas porque aíslan eléctricamente la varilla metálica del cuerpo humano.Entonces, se debe a que en ciertos materiales como los metales, los electrones más alejados de los núcleos respectivos adquieren fácilmente libertad de movimiento en el interior del sólido, estos electrones libres son las partículas que transportarán la carga eléctrica, materiales conocidos comúnmente como conductores eléctricos cuya resistencia al paso de la electricidad es muy baja como el cobre (Cu), el oro (Au), el hierro (Fe), la plata (Ag) el aluminio (Al) y sus aleaciones, también hay otros materiales no metálicos que poseen la propiedad de conducir la electricidad como el grafito o las disoluciones o soluciones salinas en ejemplo el agua del mar.Por el lado opuesto encontramos materiales en los que los electrones están firmemente unidos a sus respectivos átomos, en consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el desplazamiento de carga a través de ellos si depositamos una carga eléctrica, la electrización se mantiene localmente, estos materiales se conocen como aislantes o dieléctricos, el vidrio y los plásticos son ejemplos típicos.Tipos de electrización: cuando a un material se le dota de propiedades eléctricas se le conoce como acción de electrizar, entonces si ponemos en contacto un cuerpo cargado eléctricamente con otro en estado neutro vamos a trasmitir esas propiedades al segundo material. Existen tres tipos de electrización, entre ella tenemos la producida por frotamiento.

Fuente: Imagen de la página web http://www.etitudela.com/

Producida por efecto de fricción, en esta acción se pierden y 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 pérdida de carga eléctrica.Otro tipo de electrización es la producida por conducción, en

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esta dos materiales entran en contacto cediendo electrones de manera que se puede demostrar que se están cargando eléctricamente solo con tocarse.La electrización por inducción se produce cuando dos super-

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ficies o materiales se cargan eléctricamente sin necesidad de tener contacto, efecto de las fuerzas eléctricas debido a que esas se ejercen a distancia.

PROCEDIMIENTO 1:Fenómeno de atracción eléctrica N° 1: en el primer experimento, tomamos unas tijeras y cortamos trocitos de papel de color, a la mano llevamos un esfero que frotamos ligeramente con un paño seco y meticulosamente acercamos el esfero a los trozos de papel obteniendo la siguiente reacción:

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

EXPLICACIÓN: Al frotar el esfero que es de material plástico con el paño de lana, el esfero queda cargado negativamente (Electrización por frotamiento), lo que estamos haciendo en realidad es que mediante la accion de frotar, algunos electrones (cargas negativas) del paño pasan hacia la superficie del esfero, entonces cuando acercamos el esfero al papel cortado en trozos, que se encuentra en estado neutro, este se carga positivamente sin necesidad de contacto (Electrización por inducción) y la fuerza eléctrica atractiva entre cargas de distinto signo hace que los trozos de papel se adhieran al material frotado.

Fenómeno de atracción eléctrica N° 2: En nuestro segundo experimento reemplazamos el esfero por un globo inflado, el cual es frotado con un paño seco y acercado a los trocitos de papel previamente cortados, obteniendo una reacción de atracción ente los dos materiales.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

EXPLICACIÓN: En nuestra segunda práctica cambiamos el esfero por el globo, ya sabemos que el material con el cual se encuentran fabricados la mayor parte de los globos, es fácil de electrizaren. Tomando el globo que se encuentra en estado neutro lo frotamos con un paño seco (Electrización por frotamiento) cediendo algunos electrones al material para cargarlo de manera negativa.Cuando lo acercamos a los trozos de papel cortado que está en un estado neutro por acción de (Electrización por

inducción), el papel se carga positivamente, provocando una reacción de atracción entre los dos materiales.

Fenómeno de atracción eléctrica N° 3: Para el siguiente experimento se usó un globo inflado y una lata de cerveza reciclable, de la misma forma que en la práctica anterior, se frota el globo con un paño seco y luego de cargar el material, se acerca a una lata de cerveza vacía, la cual reacciona de forma atractiva hacia el globo.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

EXPLICACIÓN: la lata de cerveza al ser de aluminio, que es un metal, está formada por muchos átomos que contienen cargas positivas conocidos como protones y negativas como son los electrones, repartidas uniformemente por todo el material, formando un estado de neutralización; cuando cargamos el globo de manera negativa y lo acercamos a la lata los electrones del globo repelen a los electrones de la lata, de modo que en la parte de la lata cercana al globo habrá un exceso de cargas positivas (Electrización por inducción) y en el lado contrario de cargas negativas. Es así que mientras la lata gira sobre el lado de cargas positivas se verá atraído hacia el globo y en el lado contrario generara una repulsión.

PROCEDIMIENTO 2:Fenómeno de repulsión eléctrica N° 1: Para provocar un fenómeno de repulsión eléctrica, tomamos en el primer caso dos globos inflados y los amarramos con un pedazo de cuerda, de manera que queden colgando.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

Una vez amarrados, marcamos el lado del globo por el cual se ejercerá la acción frotamiento; finalmente una vez cargados los dos materiales se intenta unir los objetos.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

EXPLICACIÓN: Como ya se mencionó en el marco teórico Toda la materia está formada por átomos, que tienen protones (cuya carga eléctrica es positiva) electrones (con carga eléctrica negativa) y neutrones (sin carga eléctrica). Las cargas de diferente signo se atraen y las del mismo signo se repelen. Normalmente, los átomos tienen los mismos protones que electrones, por lo que las cargas positivas y negativas se compensan y vuelve eléctricamente neutro al átomo. Los globos, en su estado natural, no se alteran ante la presencia de otros cuerpos pero cuando electrizamos el globo al acercarlo a otro globo las cargas eléctricas de este último se alteran.

Aunque sigue siendo eléctricamente neutro, las cargas negativas se alejan lo máximo posible del primero, desplazándose hacia la otra cara del segundo globo. Como consecuencia, las cargas positivas de segundo globo se quedan en la cara más cercana al primer globo, cargado negativamente.

Este fenómeno es idéntico al que sucede cuando acercamos la mano: los electrones se desplazan hacia zonas más favorables, por lo que la zona más próxima al globo tiene más cargas positivas generando la fuerza que desplaza el

globo. Sin embargo, si frotamos los dos globos, ambos quedan cargados negativamente. Por lo tanto, los globos se repelen por tener los dos más cargas eléctricas negativas que positivas.Fenómeno de repulsión eléctrica N° 2: En la segunda práctica para recrear un fenómeno repulsivo tomamos como materiales un guante plástico y un pedazo de cinta Teflón, la cual es tomada en la mano colgando un lado simétricamente del otro, con la otra mano se frota juntamente los dos lados de la cinta de arriba abajo, encontrando que las cintas tienden a separarse de forma opuesta, cuando se las libera de la fricción.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno.

EXPLICACIÓN: dentro de nuestra práctica tomamos un pedazo de cinta teflón y la comenzamos a frotar con un guante de plástico, en esta accion estamos haciendo uso de la (electrización por frotamiento), como las dos cintas adquieren carga negativa luego de recibir los electrones del guante de plástico, tienden a separarse de forma opuesta debido a que ambas cintas están electrizadas negativamente cumpliendo una de las leyes de la electrostática.

Fenómeno de repulsión eléctrica N° 3: finalmente concluyendo con nuestro tercer ejercicio de repulsión eléctrica, tomamos un esfero y lo frotamos con un paño seco, luego lo acercamos a una corriente de agua mínima, preferiblemente el grifo de la cocina porque es más alto y se puede contemplar con mayor precisión el fenómeno.

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno

Fuente: Estudiantes del programa Ingeniería Industrial IV, Nocturno

EXPLICACIÓN: dentro de nuestra práctica encontramos que al frotar el esfero con el paño los electrones son

transferidos desde el paño al globo (electrización por frotamiento), al frotarse muchas veces el globo queda cargado de electrones. El agua del grifo esta en neutro, es decir con la misma cantidad de cargas positivas y negativas. Al acercar el globo cerca del agua este empuja a los electrones, dejando una zona de carga positiva que es atraído por el globo mientras que la otra zona repele por estar en negativo.

CONCLUSIONES.

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.

2. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado la carga total o neta no cambia.

3. Los objetos cargados con carga del mismo signo, se repelen.

4. Los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

BIBLIOGRAFIA:

o https://es.wikipedia.org/wiki/Electrost %C3%A1tica#Desarrollo_hist.C3.B3rico.

o https://www.youtube.com/watch? v=RmakP0vgkro

o http://www.etitudela.com/Electrotecnia/ principiosdelaelectricidad/cargaycampoelectricos/contenidos/01d56993080930f36.html