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ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTO
JULIAN FELIPE SILVA COD. 2002100100
PABLO EMILIO JACANAMIJOY CHASOY COD.20131118011
TRABAJO PRESENTADO EN LA ASIGNATURA
ELECTROMAGNETISMO BEEDCN54
PROFESOR: MARIO DUARTE
UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA
FACULTAD DE EDUCACIÓN
PROGRAMA LICENCIATURA CIENCIAS NATURALES: FÍSICA, QUÍMICA Y BIOLOGÍA
NEIVA, JUNIO 30
2016
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OBJETIVOS.
Reconocer la forma de cómo se realiza la electrización de materiales y por
frotamiento.
obtener electricidad por fricción e identificar interacciones entre cuerpos cargados
eléctricamente, explicar las propiedades que adquieren los cuerpos electrizados y
demostrar habilidades para sintetizar conclusiones.
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1. RESUMEN.
Esta experiencia busca analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar
eléctricamente un cuerpo a partir de las diferentes formas que existen para cargar un cuerpo
neutro (fricción, inducción y contacto) y la distribución de la carga sobre una superficie
esférica continua, intentando dar una explicación física al porqué de estos fenómenos
utilizando para ello diferentes materiales y por medio de la práctica podremos determinar el
comportamiento de las cargas al experimentar una carga eléctrica por frotamiento.
Abstract.
This experience seeks to analyze the physical phenomena that occur in the process of
electrically charging a body from the different ways there are to load a neutral body
(friction, induction and contact) and load distribution on a continuous spherical surface ,
trying give a physical explanation to why these phenomena using different materials for it
and through practice we can determine the behavior of the loads to experience an
electrical charge through friction.
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2. ELEMENTOS TEÓRICOS.
a. Que nombre recibe la electricidad obtenida del Ambar?.
Rta. se obtenían pequeñas cargas (efecto triboeléctrico) que atraían pequeños
objetos, y frotando mucho tiempo podía causar la aparición de una chispa.
i. que nombre recibe la electricidad generada al frotar el vidrio con
la piel y la seda?. Rta. Al frotar estos materiales se descubre los
electrones (carga negativa) y los protones (carga positiva), ambas
con la misma intensidad de carga y se dice que el vidrio adquiere
carga positiva al perder electrones y la seda adquiere carga
negativa al perder electrones; aqui se dice que las cargas de sigos
iguales se repelen y de signos contrarios se atraen.
b. Cuales son las características de las cargas eléctricas?.
Rta. A finales del siglo XIX se descubrieron unas partículas que tenían carga eléctrica
negativa y que se llamaron electrones. Este descubrimiento hizo pensar a los
científicos que los átomos no son indivisibles. Por lo tanto, debían tener una parte
cargada positivamente ya que en su conjunto son neutros.
Diversas experiencias permitieron descubrir que esa parte cargada positivamente es
un denso núcleo alrededor del cual giran los electrones. Este núcleo, a su vez, está
formado por dos tipos de partículas unidas firmemente, los protones y los
neutrones. Los protones tienen carga positiva y los neutrones no tienen carga.
c. como es el funcionamiento del electroscopio?.
Rta. El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de
cargas eléctricas y su signo. Un electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica
vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas
de oro muy delgadas. El funcionamiento de este es muy sencillo y depende de la
carga del cuerpo que se vaya a emplear.
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Figura 2.1 Electroscopio.
d. Cual es el funcionamiento de la balanza de torsion que uso Coulomb para
establecer las interacciones entre cargas eléctricas?
Rta. Este aparato permitió establecer y comprobar la ley que rige la fuerza de atracción o
repulsión entre dos cargas eléctricas, además de resultar muy útil en otros experimentos de
gran importancia científica. Se basa en el principio demostrado por Coulomb que dice: ”la
fuerza de torsión es proporcional al ángulo de torsión”. El aparato se compone de una base
de madera sobre la que se apoya una caja cilíndrica de cristal con una cinta graduada a su
alrededor colocada a media altura y cerrada en su parte superior por una cubierta que está
atravesada en su centro por un cilindro hueco de cristal que se prolonga hasta el interior de
la caja. Este cilindro se cierra en su extremo superior por el micrómetro del aparato: dos
tambores metálicos, uno graduado en su borde, con giro suave del uno sobre el otro . Sujeto
a este elemento se encuentra un hilo muy fino de plata que pende por el interior de este
cilindro hueco y se prolonga hasta el interior de la caja de cristal; en este otro extremo el hilo
de plata sostiene una aguja o varilla horizontal de goma laca. Por un orificio en la cubierta se
introduce una bolita aislada, con un mango de vidrio, que podrá ser electrizada
convenientemente desde el exterior. El proceso consistía en medir los ángulos de torsión
que suBafría la varilla móvil unida al hilo de plata como resultado de la fuerza de atracción o
repulsión con la esferita fija previamente electrizada, a partir de estos se deducían las fuerzas
existentes entre ambos elementos debido a la carga eléctrica, quedando establecidas las
variables de las que depende dicho valor y en que medida lo hace concluyendo en la conocida
Ley de Coulomb.
Figura 2.2 Balanza electrica de Coulomb
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e. Cual es el valor de la constante de Coulomb.
Rta. La fuerza eléctrica con la que se atraen o repelen dos cargas puntuales en reposo es
directamente proporcional al producto de las mismas, inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa y actúa en la dirección de la recta que las une.
donde:
F es la fuerza eléctrica de atracción o repulsión. En el S.I. se mide en Newtons (N).
Q y q son lo valores de las dos cargas puntuales. En el S.I. se miden en Culombios
(C).
r es el valor de la distancia que las separa. En el S.I. se mide en metros (m).
K es una constante de proporcionalidad llamada constante de la ley de Coulomb. No
se trata de una constante universal y depende del medio en el que se encuentren
las cargas. En concreto para el vacío k es aproximadamente 9·109 N·m2/C2 utilizando
unidades en el S.I.
f. Que se entiende por permitividad de espacio libre y cual es su valor?.
Rta. Dado que la constante la ley de Coulomb K depende del medio, esta suele expresarse
en términos de otra constante denominada constante dieléctrica o permitividad del medio
(ε):
En el caso del vacío se cumple que ε=ε0,donde la permitividad del vacío (ε0) equivale a
8.85·10-12 N·m2 / C2.
Para medios distintos del vacío, se utiliza una magnitud adimensional denominada
constante dieléctrica relativa o permitividad relativa (εr), que se obtiene por medio del
cociente entre la permitividad del medio (ε) y la permitividad del vacío (ε0):
εr = ε / ε0
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2.7. Cuáles son las características de conductores, semiconductores y aisladores?
Rta. Los conductores son materiales en los cuales las cargas eléctricas se mueven con
facilidad. Los aisladores son materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con
dificultad. Los semiconductores son materiales cuyas propiedades se encuentran entre la
de los aisladores y conductores.
Tabla 2.1 lista de conductores, aislantes y semiconductores.
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2.8 Cuál es la masa y carga eléctrica del protón, electrón y neutrón?
Tabla 2.2 Relaciones masa - carga
CUERPO MASA CARGA ELECTRICA
PROTÓN 1.67 X 10^-27 Kg 1.67 X 10^-19 Coulombs
ELECTRON 9.1094 X 10^-31 Kg 1.67 X 10^-19 Coulombs
NEUTRON. 1.67 X 10^-27 Kg 0
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3. PROCEDIMIENTO
3.1. El tubo de plástico con carga neta o sin carga se acercó lentamente a algunas virutas de
madera que se encuentra en el mesón. Observar Figura 1.
Figura 3.1. Visión macroscópica. No se observa ningún cambio o reacción por parte de los
dos materiales. No ocurre nada.
3.2. La tela plástica sin carga se acercó lentamente a las virutas de madera, nuevamente no
ocurre nada. Figura 2.
Figura 3.2. Visión macroscópica, No se observa ningún cambio o reacción por parte de los
materiales.
3.3. Se froto el tubo de plástico con la tela plástica por unos momentos (Figura 3.a), luego
de esto se acercó el tubo plástico a las virutas. Se observa como las virutas de madera tiende
ahora a acercarse al tubo de plástico y otras a pegarse a este (Figura 3.b).
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Figura 3.3. a) Frote del tubo de plástico con la tela plástica b) Virutas de madera unidas al
tubo de plástico.
Al inicio no se presentó ningún cambio entre los primeros materiales (tubo, tela y virutas),
en donde el tubo de plástico y la tela plástica poseían “un número total de protones igual al
número total de electrones, por ello la carga total es igual a cero y el cuerpo en su totalidad
es eléctricamente neutro” (Young y Freedman, 2005). Por otro lado se podría decir que al
frotar la tela con el tubo este último adquirió una carga negativa, pues toma electrones de
la tela en cuanto a la tela adquiere una carga positiva de la misma magnitud ya que ha
perdido el mismo número de electrones que gano el tubo de plástico. Por último, el tubo de
plástico ahora posee una carga negativa lo que provoca que las virutas de madera se
adhieran a él, ya que las virutas presentan en sus moléculas cierta cantidad de carga (+) lo
que explica al atracción de cargas de distintos signos.
3.4. Con ayuda de los dedos, se quitó las virutas de madera las cuales estaban unidas al tubo
de plástico (Figura 4. a), luego acercamos nuevamente el tubo a las virutas (Figura 4. b).
Figura 3.4. a) Los dedos le cedieron cierto tipo de carga a las virutas de madera esto se dio
al momento que hicieron contacto ahora b) Las virutas de madera se encuentran
nuevamente en el mesón y ya no son atraídas por el tubo de plástico.
Para que las virutas de madera se atraigan al tubo de plástico (Figura 3.b) es necesario que
el tubo se frote una vez más con la tela y se acerca otra vez a las virutas, las cuales podrían
ser consideradas como un material aislante.
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3.5 Se repite los procedimientos anteriores pero esta vez con pedacitos de aluminio, luego
con tiras de papel y por último con una tira grande de aluminio. Como se observó
anteriormente los materiales que no posee carga alguna, no se atraerán ni se repelaran entre
sí ya que se encuentran en un estado de carga neta cero. Lo anterior fue ilustrado en las
Figura 1 y 2.
Figura 3.5. a) El tubo de plástico ahora cargado atrae a los pedacitos de aluminio b) de igual
modo atrae a la tiras de papel, c) y por último también atrae a la tira grande de aluminio. Lo
anterior es algo similar a lo ya visto y mencionado pero con distintos materiales y sus
respectivas formas. Por ello se resume que para este caso se observa fuerza de atracción por
materiales que posee cargas de distintos signos.
3.6. Se acercó el tubo de plástico ya frotado con la tela plástica a un tarrito metálico o lata.
Figura 6.
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Figura 3.6. Se observa una fuerza de atracción por parte de ambos materiales un tanto fuerte
lo cual ha provocado el movimiento del tarrito metálico en dirección al tubo de plástico.
3.7 Ahora se acercó el tubo de plástico nuevamente frotado por la tela plástica a un chorrito
de agua. Figura 7.
Figura 3.7. Se observa como el chorrito de agua tiende a acercarse al tubo de modo que
forma una especie de curva. Esto ocurre por la carga que gano el tubo al momento de ser
frotado por la tela, ya que el agua como otros materiales también posee electrones y una
respectiva carga de signo contrario con respecto al tubo lo que ha provocado la atracción
entre ellos.
3.8. Se froto el tubo de plástico con la tela plástica y se aproximó a las cercanías del
electroscopio en la parte superior de este cerca del alambre de cobre el cual funciona como
conductor y el corcho como aislante.
Figura3.8 8. Se observa que en la parte inferior de las dos láminas de aluminio que se
encuentra juntas ahora tiende a separarse ya que el tubo de plástico cargado y por medio
del cobre como conductor ha trasmitido esta misma carga a ambas láminas lo que ha
provocado que se repelen por poseer cargas similares.
3.9. Se acercó el tubo de plastico cargado por medio de la tela a las dos bolitas de icopor
sostenidas por un hilo formando un sistema de péndulo electrostático (figura 9.a), luego se
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acercó al tubo una sola bolita de icopor (figura 9. b) y por último se paso el tubo previamente
frotando por el centro del péndulo electrostático (figura 9.c).
Figura3. 9. a) Se observó una fuerza de atracción. Las dos esferas han sido atraídas por el
tubo de plástico que se encuentra electrizado negativamente b) en este caso se observa que
nuevamente la bolita de icopor tiende a atraerse al tubo pero solo una la cual fue escogida y
a su vez despegada c) y en este último caso las bolitas al inicio fueron atraídas y pegadas al
tubo pero al momento de pasar él tubo previamente en el centro ninguno de estos tres
objetos tiende a acercarse ya que posee la misma carga, el tubo el cual posee una carga
eléctricamente negativa a pasado dicha carga a ambas bolitas de icopor lo que ha provocado
una repulsión en los objetos empleados y de este modo se demuestra una parte del
enunciado de la Ley de Coulomb el cual dice que cargas con signos similares se repelan.
3.10. La bola de icopor ahora envuelta en aluminio también presenta una fuerza de atracción
frente al tubo de plástico. Las bolas o esferas de icopor tienden a moverse una vez más hacía
el tubo de plástico con el fin de recuperar las cargas que ha perdido, es decir se moverán
hasta tal punto que hará contacto con el tubo de modo que recupere su carga neta. “Ya que
en cualquier proceso de carga esta no se crea ni se destruye, solo se transfiere de un cuerpo
a otro” (Young y Freedman, 2005).
Para finalizar se dice: “que los objetos cargados eléctricamente también se ven acelerados
por las fuerzas eléctricas que a su vez depende de la distancia. Las interacciones electrostática
se rigen por una relación sencilla que se conoce como ley de coulomb (más conveniente
describirla con el concepto de campo eléctrico)” Young y Freedman, 2005.
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3.11 Jaula de Faraday:
Figura 10. Se observa como la Jaula de Faraday elimina el paso de la carga eléctrica producida por el
Tubo de plástico hacia las tiritas de papel internas por ello las tiras internar no tiende a atraerse al
tubo, por otro lados las tiras de papel externas o las que se encuentra por fuera de la jaula si tiende
a sufrir una fuerza de atracción por parte del tubo plástico. Una jaula de Faraday es una caja
metálica que protege de los campos eléctricos estáticos, se emplean para proteger de descargas
eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo.
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4. RESULTADOS.
A través del simulador se pudo demostrar los fenómenos que se presentan en la electrización
por frotamiento, ya que por medio de la experiencia se pudo notar que al frotar el globo con
la franela del saco, el globo gana los electrones (-) del saco y al acercarlos a la pared que
presenta tanto electrones como protones se ve que el globo es atraído por las cargas
positivas que presenta la pared (protones) y las cargas negativas (electrones) son repelidas
por las cargas negativas presentes en el globo. Se realizó también cargando dos globos y se
notó que estos se repelen por presentar el mismo signo de cargas (-) demostrando así el
enunciado de Coulomb el cual dice que las cargas de signo contrario
(+ - / - + ) y las cargas de signos iguales se repelen ( - - / + + ).
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5. CONCLUSIONES.
Las cargas que poseen los mimos signos se repelan entre sí; por ejemplo, una carga
(+) rechaza a otra carga (+) del modo que no se podrán acercar entre ellas. Por otro
lado las cargas de distintos signos se atraen entre sí, ejemplo una carga (+) atraerá a
una (-) hasta el punto de hacer contacto. Esto se ve reflejado en los materiales en el
momento de aplicarles determina carga. En cualquiera caso estos fenómenos
pierden o 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 destrucción de carga eléctrica.
Un material puede llegar a poseer una carga eléctrica, entre ellas positiva, negativa o
neutra, esta misma puede perderse o adquirirse por medio de frotamiento, contacto
o inducción empleando diferentes materiales. Estos materiales podemos hallarlos en
la vida cotidiana, cómo lo es una tela, tubo, icopor, pelo, aluminio, entre muchos
otros. La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de
la fricción, los electrones externos de los átomos de la tela plástica son liberados y
cedidos al tubo de plástico, con lo cual éste queda cargado negativamente y la tela
plástica positivamente.
Gracias al frotamiento de dos materiales; como lo son la franela y el plástico, se
presenta la particularidad de que estos ganan o pierden electrones debido a su
composición; es por ello que el plástico gana electrones o el vidrio los pierde, pero
debemos tener presente que los electrones cedidos son los mismos a los electrones
aceptados dando así la conservación de la energía y la ganancia de electricidad de los
cuerpos, ello también nos explica el efecto de imantación el cual se debe a la ganancia
de electrones del metal debido a una descarga eléctrica. Un ejemplo lo podríamos
ver en la brújula por la energía que genera el polo norte.
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6.BIBLIOGRAFIA.
BEAUR, Wolfgang y WESTFALL, GARY. Física: para Ingeniaeria y Ciencias con física
moderna. 2ª edición. Vol. 2. Mc Graw Hill Educacion.
Young, Hugh D, Freedman, Roger A. 2005. Física Universitaria con Física Moderna.
Volumen 2. 11a edición. Editorial Pearson.
