Electrostática

Universidad Pedagógica Experimental Libertador Instituto Pedagógico de Barquisimeto Dr. “luís Beltrán Prieto Figueroa” Departamento de Ciencias Naturales Programa de Física

Software Educativo para el Estudio de la Electrostática

Autores: Armas Freimar Rondón Karen Tutor: Prof. Cordero Howar Barquisimeto, Marzo de 2011

BIENVENIDOS

Thales de Mileto

William Gilbert

(Mileto, actual Turquía, 624 a.C- 548 a.C.)

(Colchester, Inglaterra, 1544 - Londres, 1603)

Filosofo griego y matemático, fue quien observo las primeras interacciones eléctricas, cuando froto el ámbar con una tela de lana.

Noto, que el ámbar adquiría la propiedad de atraer cuerpo pequeños y livianos.

Encontró que no solamente el ámbar adquiría la propiedad de atraer cuerpos, sino también, existía otros materiales a los que llamo eléctricos por comportarse como el ámbar. Se comprobó que al frotar dos cuerpos diferentes ellos se electrizaban.

Benjamín Franklin (Boston, 1706 - Filadelfia, 1790 (Boston, 1706 - Filadelfia, 1790) Político y científico que en 1752 realizo el famoso experimento de hacer volar una cometa en medio de un tormenta para demostrar que el rayo es de naturaleza eléctrica. Posteriormente invento el pararrayos para proteger los edificios

Alessandro Volta (Italia, 1745-1827)) Físico que en 1800 invento la pila eléctrica a la cual recibió el n0mbre de pila voltalica. En 1775, con su invención del electróforo, un sencillo aparato para producir y almacenar cargas electrostáticas, contribuyo notablemente al desarrollo de la electricidad estática.

Joseph John Thomson

Charles-Augustin de Coulomb

(1856)

Nació en Reino Unido.

(1880)

Se graduó en Matemáticas.

(1884)

Se convirtió en profesor de Física.

(1897)

Descubrió el electrón.

(1906) Recibió un premio Nobel

(1908) Fue nombrado caballero (1912)

Estableció un modelo de la estructura de átomo (errada).

(1940)

Murió en Reino Unido.

(1736)

Nació en Angouleme, Francia.

(1761)

Se graduó de Ingeniero Militar

(1774)

Corresponsal de la academia de ciencia en Paris.

(1777)

Invento la balanza de torsión.

(1779)

Publico un tratado sobre la teoría de maquinas simples.

(1806)

Murió en Paris.

Michael Faraday

Carl Gauss

(Newington 1791-Londres (Alemania 17771867).

Gottingen 1855).

Fue un físico y químico. Fue físico, matemático y Estudio el electromagnetismo astrónomo, le dio sentido y la electroquímica. En 1831 matemático a lo propuesto descubrió la inducción por Faraday dando a electromagnética. Introdujo el concepto de líneas de fuerza conocer lo que hoy en día para representar los campos se llama ley de Gauss. magnéticos.

Robert Millikan

(Morrison,E.E.U.U 1868 San Marino, id. 1953) En 1923 le fue concedido el Premio Nobel de Física por los experimentos que le permitieron medir la carga de un electrón, comprobando que la carga eléctrica solamente existe como múltiplo de esa carga elemental.

1. Estructura de la materia

8. Líneas de un campo eléctrico

2. Carga Eléctrica

ELECTROSTÁTICA

7. Campo eléctrico

6. Conservación de la carga

3. Formas de cargar un cuerpo

4. Conductores y aisladores 5. Ley de Coulomb

Experimentos

Aplicaciones Referencias

Preguntas

Glosario

ELECTROSTÁTICA Es la rama de la física que se encarga del estudio de los efectos asociados con las cargas eléctricas en reposo. El principio fundamental de la electrostática es que los cuerpos con carga de igual nombre se repelen, en tanto que los de cargas opuestas se atraen. Las cargas eléctricas en reposo generan campos eléctricos.

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1. Estructura de la materia Los átomos están compuestos de tres partículas fundamentales: el electrón con carga negativa, el protón con carga positiva y el neutrón que no tiene carga. El núcleo del átomo se compone de protones y neutrones, estos están unidos por una fuerza nuclear fuerte. Mas del 99.9% de la masa de un átomo esta concentrada en el núcleo, alrededor de el giran los electrones.

Modelo atómico de Bohr

¿Sabias que? Un átomo neutro tiene el mismo número de electrones que de protones. Un ion positivo tiene un déficit de electrones. Un ion negativo tiene un exceso de electrones.

2. Cargas Eléctricas Es una entidad física intrínseca propia de cada elemento, determinada por dos tipos: positiva y negativa, éstas manifestaciones pueden ser de repulsiones y atracciones, determinando entre ellas las interacciones. Se puede conceptualizar como la cantidad de carga que pasa por la sección transversal de un conductor eléctrico en un segundo; interpretando entonces, que existe una transferencia sobre la base de que los electrones pueden ser extraídos de los átomos de un objeto y fijados a los de otro.

¿Sabias que? Los cuerpos que está en constante movimiento al aire libre como por ejemplo los automóviles, se cargan en gran manera, tanto así que pueden llegar a acumular carga como para electrizar a otro cuerpo que lo toque.

Cuando se lleva un carrito de supermercado el cuerpo humano y el carrito se cargan, por el rozamiento excesivo con el aire.

Los antiguos tejedores escogían lugares húmedos para montar sus instalaciones, evitando así la acumulación de cargas electrostáticas, es por ello que la humedad favorece a la descargas.

3. Formas de cargar un cuerpo Carga por inducci贸n: Este proceso se realiza mediante la separaci贸n de cargas en un conductor, producida por el acercamiento de un cuerpo electrizado, donde la carga adquirida es de signo opuesto a la carga del inductor, este tambi茅n se puede realizar sin ninguna perdida de carga del cuerpo cargado.

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Carga por contacto: Esta se realiza mediante una transferencia directa de la carga de un objeto a otro comunicĂĄndole asĂ­ carga del mismo signo.

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Carga por frotamiento: Esta se realiza mediante una transferencia de electrones de un cuerpo hasta otro, el que perdi贸 electrones queda cargado positivamente y el que gano electrones queda cargado negativamente.

4. Conductores y aisladores Conductor: Los metales se caracterizan por su habilidad de transferir cargas muy fĂĄcilmente de un objeto a otro, ya que ellos poseen un gran numero de electrones libres que pueden moverse a travĂŠs del material, por lo tanto son denominados conductores.

Aislante: son aquellos que se resisten al fluido de los electrones, entre ellos se encuentran el aire, el plĂĄstico, el vidrio, entre otros.

5. Ley de Coulomb La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas en inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

Siendo K la constante de proporcionalidad: En el SI la unidad de carga eléctrica es un Coulomb (1C) ¿Sabias que? Coulomb empleo una balanza de torsión para medir la variación de la fuerza con respecto a la separación y a la cantidad de carga.

Fuerza El茅ctrica Vs. Fuerza Gravitatoria

Es

una fuerza de atracci贸n y repulsi贸n, ya que pueden interactuar los dos tipos de cargas, la positiva o negativa.

Es

una fuerza de atracci贸n solamente, donde la tierra atrae a los cuerpos hasta el centro de ella, manteniendo los cuerpos dentro sin dejarlos escapar.

¿Sabias que? La fuerza eléctrica es 10E 40 veces mayor que la gravitatoria.

Fe >> Fg

6. Conservación de la carga Este principio señala que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, afirmando entonces que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva.

4. La carga total se conserva

PROCESO DE ELECTRIZACIÓN

3. No hay destrucción ni creación de carga eléctrica

2. Sólo existe una separación de las cargas eléctricas

1. El número total de protones y electrones no se altera

Según la conservación de la carga, pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que

la carga total del sistema permanezca constante.

7. Campo eléctrico Una

carga puntual es una carga eléctrica hipotética, es decir, se considera posible pero sin pruebas de poder confirmarlo, es de magnitud finita, contenida en un punto geométrico carente de toda dimensión. El campo eléctrico es la región del espacio que rodea una carga.

En el SI la unidad de campo eléctrico es N/C Newton por Coulomb.

En la distribución continua de carga se supone que los objetos son aislantes y que la carga se esparce por su superficie, formando entonces una distribución continua de carga.

Según Resnick y otros señalan que: “se considera la carga como una propiedad continua, la cual consiste en dividirla en elementos infinitesimales y usar los métodos de calculo para obtener la fuerza total”. + + + +

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8. Líneas de un campo eléctrico

Son

líneas imaginarias (descubiertas por Michell Faraday), que describen los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro.

El campo eléctrico, como tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo.

El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.

¿Sabias que? Las líneas del campo eléctrico nunca se cruzan, porque el vector de la carga es unitario.

Un dipolo eléctrico es una carga positiva y una negativa, de igual magnitud y separadas por alguna distancia.

Experimentos Montaje #1: Campana de Franklin Materiales a utilizar: 2 envases de aluminio (latas o vaso), 1 lapicero o varilla aislante, 2 clips o aros de lata, 15cm de hilo, 50cm de papel aluminio, 2 cables de aproximadamente 30cm,cinta adhesiva (teipe), fuente de poder (monitor).

Procedimientos: colocar los 2 envases en una superficie plana a una separación entre ellas de 7cm. Unir a uno de los extremos del hilo el clip o el aro de lata y el otro extremo a la mitad del lapicero o varilla. Colocar este arriba de los envases sujetándolo con cinta adhesiva. Sujetar en uno de los extremos del cable 1 un clip y el otro extremo unido con cinta adhesiva al envase derecho (no olvides desnudar la punta del cable). El cable 2 se debe desnudar en ambas puntas y colocar con cinta adhesiva uno de sus extremos al envase izquierdo y el otro extremo conectado a tierra (de no existir conexión a tierra se debe tomar la punta del cable, funcionando el cuerpo humano como tierra). En el monitor se debe sujetar con cinta adhesiva el papel aluminio, para que así el clip del extremo del cable 1 se conecte a ella. Una vez realizado estos procedimientos se concluirá con el encendido.

A

B

En la figura A el montaje se encuentra en estado neutro. En la figura B al encender la pantalla la lata o vaso derecho se carga de forma negativa atrayendo a la bolita, esta al tener un contacto con la lata al cabo de un tiempo adquiere carga de su mismo signo repeliĂŠndola y al hacer contacto con la lata de la izquierda que esta conectada a tierra la bolita se descarga, repitiĂŠndose el mismo procedimiento.

Montaje #2: Electroscopio Materiales a utilizar: 1 bola de aluminio, 1 botella de vidrio, 1 alambre de 15cm, 1 corcho que sirva de tapa para la botella, 5cm de papel aluminio , 1pañito y 1 peine.

Procedimientos: Se introduce el alambre en el corcho traspasándolo a 3cm, el extremo mas largo debe doblarse en la punta dejándolo en forma de “u” y en él colocar dos laminas de aluminio aproximadamente de 2x2 cm. Introducir el corcho con sus materiales en la boca de la botella y a su vez colocar en el extremo superior la bola de aluminio. Una vez concluido estos procedimientos, acercamos una varilla previamente cargada.

En la figura se observa que al acĂŠrcale una varilla previamente carga esta le transfiere los excesos de electrones que posee, distribuyendo las cargas negativas en ambas laminillas, es por ello que se repelen. De lo contrario si se juntan las laminillas es porque el objeto inductor posee una carga distinta a la del electroscopio, es decir tiene signos opuestos

Montaje #3: Transferencia de carga por frotamiento

Materiales a utilizar: 1 globo, 1 pañito y trozos pequeños de papel.

Procedimientos: Se infla el globo. Se frota con el pañito el globo y se coloca rápidamente cerca de los trozos de papel.

A

B

C

En la figura A se observa como se frota el globo con un paĂąito adquiriendo asĂ­ carga y al acercarla a los papeles como se observa en la figura B, el globo los atrae debido a la carga elĂŠctrica presente como se observa en la figura C.

Aplicaciones

Impresora laser

Generador de Vant de Graff

La pintura por rociado

Preguntas Lea detenidamente cada una de las preguntas e intente darle respuesta con los conocimiento obtenidos adquiridos y reforzados mediante el software educativo, por ultimo verifique su respuesta en la siguiente diapositiva.

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¿Qué establece el principio de la electrostática? ¿Que ciencia estudia las cargas en reposo? ¿Cuándo se dice que un ion es negativo? ¿En cuantas formas aparece la carga eléctrica? ¿Qué es un neutrón? ¿Cuándo se dice que un ion es positivo? ¿Quien fue el primero en observar las manifestaciones de electricidad al frotar el ámbar?

8. En el sistema internacional ¿cual es la unidad de carga?

9. ¿Qué permite el conductor?

10.¿Por qué un globo se pega a la pared si se ha frotado previamente con lana?

Respuestas

Respuestas 1.

Los cuerpos con carga de igual nombre se repelen, en tanto que los de cargas opuestas se atraen. Las cargas eléctricas en reposo generan campos eléctricos.

2. La electrostática.

3. Cuando posee un déficit de protones.

4. En dos, positiva y negativa.

5. Partícula elemental con carga neta cero.

6. Cuando posee un déficit de electrones.

7. Thales de Mileto 8. Coulomb (C) 9. El libre paso de los electrones, debido a los electrones libres propios del material.

10. Porque posee un numero mayor de electrones luego de haberse frotado, a su vez la pared esta neutra, por consecuencia el globo se adhiere a ella debido a la diferencia de cargas que posee cada cuerpo.

11. ¿Por qué en tiempo húmedo falla el encendido de los automóviles?

12. A veces al bajar de un automóvil y tocar la carrocería se experimenta un pequeño shock, ¿a que se debe? ¿sucedería este fenómeno en tiempo de lluvia?

13. En el sistema internacional ¿Cuál es la unidad de intensidad de campo eléctrico?

14. ¿Quién imagino las líneas del campo eléctrico?

15. ¿Qué nombre reciben las líneas imaginarias?

16. ¿Qué representan las líneas trazadas radialmente hacia afuera de una carga positiva?

17. ¿Qué forma tienen las líneas eléctricas?

18. ¿Qué tipo de fuerzas se llevan a cabo en las interacciones eléctricas?

19. ¿Para que se emplea el electroscopio?

20. Si dos cuerpos se cargan por frotamiento ¿que tipo de carga adquirirán los cuerpos?

Respuestas

11. En tiempos húmedos tiende a haber mas moléculas de oxigeno en el ambiente, por lo que una porción de la chispa que se efectúa en los dos electrodos se desvía, haciendo el encendido del automóvil un poco mas lento.

12. La carrocería del automóvil por ser un conductor se electriza por el constante rozamiento con el aire, y como se encuentra aislado del suelo debido a los cauchos que no son conductores, al salir del automóvil y tocar la carrocería el cuerpo humano por ser un buen conductor la descarga pasara a través de el hasta tierra. En un día de lluvia esto no sucedería, ya que la humedad aumenta de gran manera la conductividad, ocurriendo así la propia descarga en el ambiente.

13. Newton/ Coulomb.

14. Michell Faraday.

15. Líneas de campo eléctrico.

16. Representan la dirección del campo en cualquier punto sobre la línea.

17. Son curvas.

18. Repulsivas y atractivas 19. Para detectar la presencia de carga eléctrica.

20. De signos opuestos.

Glosario Aislador: material con resistividad eléctrica muy elevada. Átomo: Parte mas pequeña de un elemento que puede intervenir en una reacción química. Los átomos consisten en un núcleo pequeño denso de carga positiva formado de neutrones y protones, con electrones en una nube en torno al núcleo. Todo s los átomos de un elemento dado tienen el mismo numero de protones. Los electrones que rodean al núcleo se agrupan en capaz, es decir, en orbitas principales en torno al núcleo. Carga eléctrica: Es la perdida o ganancia de electrones que poseen un átomo. Hay dos tipos de carga que por convención se han llamado positiva y negativa.

Electrón: Partícula elemental de carga negativa (-1,602192 x10¯ ¹⁹ C) y masa en reposo de 9,109558x10¯³¹ kg). Los electrones se encuentran en todos los átomos en capas entorno al núcleo. Son emitidos desde el núcleo en una forma de desintegración beta. Electroscopio: Instrumento para detectar diferencia de potencial eléctrico; también puede detectar la presencia y el signo de una carga eléctrica. Electrostática: Estudio de los efectos asociados con las cargas eléctricas en reposo.

Interacción: Efecto mutuo entre dos o mas sistemas o cuerpos de manera que el resultado global no es simplemente la suma de los efectos separados. Ion: Partícula cargada formada por un átomo o grupo de átomo que ha perdido o ganado electrones. Molécula: Átomo único o grupos de átomos reunidos por enlaces químicos. Es la unidad mas pequeña de un compuesto químico que puede tener existencia independiente. Neutrón: Partícula elemental con carga cero y masa en reposo de 1,67492x10¯²⁷ kg.

Los neutrones son nucleones que se encuentran en todos los nuclidos excepto el ¹H. Los neutrones aislados son inestables y se desintegran con vida media de unos 12 minutos. Protón: Partícula elemental con una carga positiva (+1,602192 x10¯ ¹⁹ C) y masa en reposo de 1,672614x10¯²⁷ kg. Los protones son nucleones que se encuentran en todos los nucleidos.

Referencias Biografías y vidas [Documento en línea] Disponible: http://www.biografiasyvidas.com/biografia/t/thomson.htm [consulta: 2011, Febrero 25]

Biografías y vidas [Documento en línea] Disponible: http://museovirtual.csic.es/salas/magnetismo/biografias/coulomb.ht m [consulta: 2011, Febrero 25] Portal Planeta Sedna [Documento en línea] Disponible: http://www.portalplanetasedna.com.ar/faraday.htm [consulta: 2011, Febrero 23]