Presentación Justificación Introducción Objetivos Marco teórico Procedimiento o metodología Análisis y Resultados Conclusiones Bibliografía
JUSTIFICACIÓN En esta práctica de laboratorio se pretende concluir que existen dos tipos de cargas diferentes mediante el uso de él electroscopio el cual nos permite observar las reacciones que existen entre las cargas y comprender el principio de la Ley de Coulomb (cargas de mismo signo se repelen y cargas de signo opuesto se atraen), esto mediante instrumentos que permiten observar estos fenómenos y donde se establece que la materia está constituida por átomos, los cuales le dan propiedades a la materia debido a la fuerza existente entre el núcleo y los electrones, esto permite clasificarlos en conductores, semiconductores y dieléctricos, también se cargaron cuerpos neutros con el método de frotamiento lo que contribuyó a observar los fenómenos entre cargas.
INTRODUCCIÓN El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo. El primer electroscopio fue creado por el médico inglés William Gilbert para realizar sus experimentos con cargas electrostáticas. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. En el laboratorio podemos encontrar diferentes tipos de materiales que son conductores o aislantes de las cargas. Los conductores son los que facilitan la movilidad de la carga eléctrica a través de ellos y los aislantes los cuales no permiten la movilidad de las cargas eléctricas. Las cargas eléctricas negativas ejercen una fuerza de repulsión sobre otra carga negativa y una fuerza de atracción sobre una carga positiva. En general, cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen.
MARCO TEÓRICO La ley de Coulomb Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. El valor de la constante de proporcionalidad depende de las unidades en las que se exprese F, q, q’ y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida vale 9·109 Nm2/C2. La ley de Coulomb tiene la misma forma funcional que la ley de la Gravitación Universal. El electroscopio El electroscopio es un instrumento que indica la presencia de cargas eléctricas. Se compone de una varilla metálica que termina en dos hojas de oro o de aluminio. Esta varilla atraviesa un soporte
de plástico que va unido a una caja provista de ventanas de vidrio para observar las hojas y que al mismo tiempo las protege de las corrientes de aire (Ver Figura 1).
Fig.1. Electroscopio Cuando se toca la varilla con un cuerpo cargado, las hojas adquieren cargas de un mismo signo y, por tanto, se repelen. El electroscopio consta de dos láminas delgadas de oro o aluminio A que están fijas en el extremo de una varilla metálica B que pasa a través de un soporte C de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aplica una diferencia de potencial entre la bola C y la caja del mismo, las hojas también se separan. Se puede calibrar el electroscopio trazando la curva que nos da la diferencia de potencial en función del ángulo de divergencia. El electroscopio de hojuelas de oro fue inventado por el científico William Guilbert en 1600, pero se tienen registros que en el año de 1750 fue inventado por el físico francés Jean Antonie Mollet en 1750. Funcionamiento Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la presencia de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas por inducción. Si acercamos un cuerpo desnudo cargado con carga positiva, por ejemplo una lapicera que ha sido frotada con un paño, las cargas negativas del conductor experimentan una fuerza atractiva hacia la lapicera. Por esta razón se acumulan en la parte más cercana a ésta. Por el contrario las cargas positivas del conductor experimentan una fuerza de repulsión y por esto se acumulan en la parte más lejana a la lapicera. Lo que ha ocurrido es que las cargas se han desplazado, pero la suma de cargas positivas es igual a la suma de cargas negativas. Por lo tanto la carga neta del conductor sigue siendo nula. Consideremos ahora que pasa en el electroscopio. Recordemos que un electroscopio está formado esencialmente por un par de hojas metálicas unidas en un extremo. Por ejemplo una tira larga de papel de aluminio doblada al medio.
Si acercamos la lapicera cargada al electroscopio, como se indica en la figura, la carga negativa será atraída hacia el extremo más cercano a la lapicera mientras que la carga positiva se acumulará en el otro extremo, es decir que se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio. La situación se muestra en la figura: los dos extremos libres del electroscopio quedaron cargados positivamente y como las cargas de un mismo signo se rechazan las hojas del electroscopio se separan. Un modelo simplificado de electroscopio consiste en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud d, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo q que forma una bolita con la vertical, se calcula su carga q.
Sobre una bolita actúan tres fuerzas • El peso mg • La tensión de la cuerda T • La fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F En el equilibrio Tsenq =F Tcosq =mg • Conocido el ángulo θ determinar la carga q Dividiendo la primera ecuación entre la segunda, eliminamos la tensión T y obtenemos F=mg·tanθ Un modelo simplificado de electroscopio consiste, en dos pequeñas esferas de masa m cargadas con cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica la figura. A partir de la medida del ángulo θ que forma una esfera con la vertical, se puede calcular su carga q.
Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso g, la tensión de la cuerda T y la fuerza de repulsión eléctrica entre las bolitas F. En el equilibrio:
T cos θ=mg Midiendo el ángulo θ obtenemos la fuerza de repulsión F entre las dos esferas cargadas De acuerdo con la ley de Coulomb:
F=
1 q2 4πδ (2d sen θ )2
Calculamos el valor de la carga q, si se conoce la longitud d del hilo que sostiene las esferas cargadas. • Conocida la carga q determinar el ángulo θ Eliminado T en las ecuaciones de equilibrio, obtenemos la ecuación: 3
2
sen θ=q kcosθ
k=
9 4 d 2 mg
La carga q está en mC y la masa m de la bolita en g. Expresando el coseno en función del seno, llegamos a la siguiente ecuación cúbica El programa interactivo, calcula las raíces de la ecuación cúbica
x 3 + ( x−1 ) k 2 q 4=0
2
x=sen θ
El programa interactivo, calcula las raíces de la ecuación cúbica
Se muestra el comportamiento de un electroscopio, para cada carga q en μC tenemos un ángulo de desviación θ en grados, del hilo respecto de la vertical. Si se mide el ángulo θ en el eje vertical obtenemos la carga q en el eje horizontal.
Un electroscopio cargado estando al aire libre perderá gradualmente su carga debido que un pequeño número de moléculas están siendo ionizadas continuamente bajo la acción de rayos cósmicos, algunos de estos iones pueden tomar un exceso de carga del electroscopio. La rapidez de carga de un electroscopio es proporcional a la cantidad de radiación de fondo. Un electroscopio del tamaño de un lápiz es un dispositivo usual utilizado para medir la dosis de radiación recibida por el personal, el valor de descarga de tal puede leerse fácilmente acercandoló a la luz. OBJETIVOS
•
Observar la presencia de la fuerza entre cargas eléctricas.
•
Deducir experimentalmente la existencia de los dos tipos de carga eléctrica (positiva y negativa).
•
Observar la diferencia del comportamiento de materiales conductores y materiales aislantes. METODOLOGÍA
Para poder realizar nuestro electroscopio lo primero que hicimos fue investigar todo lo relacionado sobre el instrumento, seguidamente, conseguir los materiales necesarios para construirlo, nosotros obstamos por hacer uno con los siguientes materiales: alambre de cobre, un pomo de café (vacio y limpio), papel aluminio, kolaloka. Para su procedimiento; lo primero fue hacerle un orificio a la tapa del pomo de café y pasar por hay un trozo Teniendo como referencia la práctica que se realizó; experimentalmente, para su mejor comprensión, y auxiliándonos del electroscopio (objeto empleado para la detección y observación de las cargas y de algunas de sus propiedades); en general, en ella se procedió de la siguiente manera: 1. Inicialmente, se frotó con un globo, de manera fuerte, el cabello de una persona. Posteriormente de su carga dicho instrumento se acercó, sin tocar, al electroscopio, y finalmente se retiró. 2. Consecutivamente se acercó el globo luego de haber sido cargado; ésta vez con él se tocó la esfera del electroscopio. 3. Seguidamente se procedió a la repetición de los pasos N° 1 y 2, diferenciándose ahora el instrumento que se acercó y tuvo contacto con el electroscopio (la barra de vidrio es ahora el objeto empleado y, éste inicialmente se carga por frotamiento con el globo). 4. Inmediatamente, auxiliándose del globo, se cargó el electroscopio por contacto; seguidamente, sin tocar, se acercó la vara de madera cargada; rápidamente ésta última se retiró y nuevamente con el globo, ya cargado, se acercó a la esfera del mencionado instrumento. 5. Consecutivamente se procedió a la realización del anterior paso (N° 4), cambiando ahora la vara de madera por unicel. 6. Teniendo como referencia el anterior paso, se siguió la experimentación reemplazando ahora el unicel por hule.
7. Luego se reemplazando ahora el hule por una pedazo de caucho. 8. Para concluir la práctica experimental se repite nuevamente el paso N°7 cambiando el caucho por una pieza de cerámica.
ANÁLISIS Y RESULTADOS Los resultados obtenidos fueron: Se observó que cuando el globo, previamente cargado, se acercó al electroscopio las láminas empezaron a abrirse y cuando se retiró ellas vuelven a su estado original. CONCLUSIÓN Cuando frotamos el conductor, en nuestro caso el globo con los materiales aislantes quedan cargados negativamente, las cargas se distribuyen por el alambre hasta llegar a las hojas pequeñas de aluminio, haciendo que estas se separen. OBSERVACIONES
Las observaciones que tuvimos como equipo fueron que el electroscopio solo funciona en lugares secos en otras palabras temperatura baja.