Electrostática



Electrostática
                         



Orlando B. Escalona T.
Gregoria Cabral

Mérida, agosto 2010



                Contenido


        Resumen
        Prólogo

1.  Introducción                                                                                                                                 
2.  Bosquejo histórico                                                                             
3.  Métodos de electrización                                                                   

a)    Electrización por frotamiento                                            
b)      Electrización por contacto                                               
c)      Electrización por inducción                                             

4.  Interacción entre cargas                                                                  

a)    Repulsión entre cargas iguales                                         
b)    Atracción entre cargas diferentes 

5.  El electroscopio. Su construcción y uso                                                
6.  El electróforo. Su construcción y uso                                             
7.  Conductores y aislantes                                                                  
8.  Distribución de la carga en exceso en un conductor                      
9.  El juguete electrostático. Su construcción                                      
10.  La botella de Leyden. Su construcción y uso                                
11.  La ley de Coulomb                                                                           
12.  El campo eléctrico                                                                         

           Anexo 1

           Referencias





Resumen

En este curso se muestra a los docentes que laboran en el Subsistema de Secundaria de Educación Bolivariana, una estrategia alternativa para la enseñanza de la física, fundamentada en el experimento como recurso didáctico por excelencia y complementada con la animación y/o la simulación simultánea del fenómeno experimental. Paralelamente se presenta un bosquejo histórico de la evolución conceptual de aspectos inherentes a los diversos fenómenos físicos fundamentales  relacionados con el electromagnetismo.

          Las demostraciones se inician con la generación de electricidad estática, el estudio de sus fuentes, tipos, cómo detectarla, efectos, entre otros. Se presenta y discute un resumen curricular del electrón, así como el concepto de campo eléctrico.

          También se analizan algunas de las múltiples aplicaciones existentes en la ciencia y la industria.




Prólogo


Por ser la Física una ciencia natural que describe un conjunto de fenómenos que se dan en la naturaleza, requiere para su enseñanza de la presentación en “vivo” de experimentos didácticos representativos de tales hechos naturales. A pesar de esto, todavía  se  insiste en impartir los cursos de física de la Tercera Etapa y el Ciclo Diversificado de educación media, como si fuera una materia completamente teórica, donde sólo se utiliza como instrumento principal, la tiza, el pizarrón y el libro de texto.

Consideramos que, la mayoría de los cursos de Física, Química y Matemática y Biología, impartidos a nivel de la escuela primaria y bachillerato se deben caracterizar por los siguientes aspectos: discusión de la evolución conceptual asociada a los diferentes procesos naturales cotidianos; discusión de los conceptos físicos (químicos, matemáticos) dentro del contexto histórico y socio-económico que le dieron origen; presentación y análisis de los fenómenos demostrativos directamente en el aula de clase y el laboratorio escolar; discusión y análisis de las implicaciones de las diversas teorías de la Física, Química y Matemática en el desarrollo tecnológico mundial; aplicación del conocimiento científico y tecnológico adquirido en la solución de los problemas básicos del entorno comunitario; concientización del rol de los individuos de una sociedad en la preservación del ambiente que le rodea; necesidad de la integración de las áreas. Estos aspectos, íntimamente relacionados entre sí, deberían considerarse para llevar a cabo cualquier estrategia metodológica que el docente adopte para el desarrollo de los conceptos y el estudio de las leyes de las diferentes ramas de la ciencia.

          Por consiguiente, el objetivo fundamental de este manual es que sea usado por los profesores para la implementación de sus experimentos en el aula de clase. En tal sentido, se muestra a los docentes que laboran en nuestros institutos educativos una estrategia alternativa para la enseñanza de la física, fundamentada en el experimento como recurso didáctico por excelencia y complementada con la animación y/o la simulación simultánea del fenómeno experimental. Paralelamente se presenta un bosquejo histórico de la evolución conceptual de aspectos inherentes a diferentes áreas de la física.

          También se pretende que el docente adquiera y desarrolle habilidades en el diseño y elaboración de equipos sencillos para la enseñanza de las diferentes ramas de la física. En algunas experiencias se desarrolla una metodología para la interpretación de las observaciones y de los datos obtenidos en las mediciones. Por lo tanto, se elaboran y analizan las gráficas pertinentes, a fin de establecer relaciones cuantitativas entre las diferentes magnitudes involucradas y reproducir cuantitativamente las leyes que rigen los fenómenos estudiados.

          La mayoría de los experimentos se realizan con equipos  sencillos de fácil construcción, que los docentes pueden directamente fabricar o proponer a sus estudiantes como trabajos prácticos extra cátedra, para su posterior análisis en el aula de clase. Con algunos de los recursos modernos existentes en el mercado y que existen en ciertos hogares, se pueden establecer estrategias para la enseñanza de la física. Por ejemplo, en el hogar o en la ferretería más cercana, disponemos de diversos elementos que nos permiten el montaje de un sin número de experimentos de mecánica, electricidad, magnetismo, fluido, termodinámica, entre otros.

          Esta obra se ha dividido en varios cuadernos individuales con su correspondiente CD contentivo de las animaciones en Power Point, versión XP 2000. Uno es de mecánica; los otros son de fluidos, termodinámica, electrostática, electricidad, magnetismo, ondas y óptica.

          En particular en este cuaderno, se presentan los experimentos clásicos de electrostática.  En el CD se muestran algunas animaciones en  Power Point (PP) para Windows.

          En el texto se utiliza las siglas PP1, PP2,… para indicar el video correspondiente. 



                                                   Los autores




1  Introducción

La electrostática engloba aquellos fenómenos donde se manifiestan las propiedades eléctricas de la materia, pero en condiciones estacionarias, es decir que no cambian en el tiempo. Desde la antigüedad se viene estudiando la naturaleza de  tales fenómenos e implementando teorías para su explicación. Hoy en día se cree que se ha alcanzado un alto grado de conocimiento de los mismos y por tal razón utilizaremos para su explicación, lo establecido por las teorías modernas de aceptación generalizada.

          Es por esto, que a fin de lograr una adecuada conceptualización de los diferentes procesos que ocurren en los fenómenos electrostáticos es necesario considerar que, en base a la teoría atómica actual:

a.    Todos los materiales están estructurados en átomos, y que éstos a su vez contienen partículas elementales como electrones, protones y neutrones.
b.  La carga eléctrica del átomo reside en los protones (positivos) y los electrones (negativos). Los neutrones no tienen carga eléctrica.
c.     En condiciones de equilibrio electrostático, el número de electrones en un material es igual al número de protones: el material es eléctricamente neutro.
d.   Los metales conducen muy bien la electricidad porque tienen electrones libres, en cambio  los  aislante no, por carecer de éstos.
e.      Un cuerpo se electriza porque gana o pierde electrones.
f.     En la electrización de un cuerpo, solamente  los electrones se transfieren desde una región a otra dentro del mismo cuerpo, o desde un cuerpo a otro cuerpo. Los protones no se movilizan.
g.     La carga eléctrica se conserva.

          Por lo anterior, el protagonista principal en los fenómenos electrostáticos es el electrón, una de las partículas elementales más conocidas. Así, bajo la óptica de la electrodinámica quántica, el electrón es una partícula que posee características muy especiales que lo convierten en el portador de uno de los dos tipos de carga eléctrica; su carga eléctrica está cuantizada, es decir se manifiesta en paquetes de 1,6x10-19 Coulomb; su carga se conserva en los procesos de transferencia, es decir la carga neta no varía; su carga es invariante, porque no cambia con su velocidad. Además, el electrón es capaz de generar un campo electromagnético; de desplazarse entre los átomos de la red cristalina y crear una corriente eléctrica, de girar sobre si mismo y producir efectos magnéticos; y de ser una partícula o presentar aspecto de onda. 

            A pesar de ser el electrón tan complicado, para efectos de los fenómenos electrostáticos que describiremos a continuación, lo consideraremos como una simple y vulgar partícula, la cual se puede describir mediante las leyes de la física clásica.


2  Bosquejo histórico

Existe evidencia arqueológica relevante (pilas, dorado y plateado de objetos, pararrayos, etc.) como la encontrada en las orillas del río Tigris al Sur de Bagdad, que fundamenta la afirmación sobre el conocimiento que se tenía de la electricidad en el imperio Babilónico, mil o dos mil años antes de los griegos. La propiedad que tiene algunos materiales de atraer otros cuerpos como pelusas, hilos y trocitos de paja, se conocía muy bien en la antigüedad en Grecia, Roma y Persia.

       
        Sin embargo, los primeros reportes escritos sobre la atracción del ámbar (resina fósil) (figura 1) y de la piedra imán (óxido de hierro) se remonta a los textos  antiguos de los griegos. Tales de Mileto en el año 600 a.C sabía que el ámbar frotado atraía objetos livianos y que la piedra imán atraía pedazos de hierro. El ámbar tenía otra propiedad misteriosa: al frotarlo en la oscuridad producía pequeñísimas chispas azuladas acompañadas de un leve crujido y un susurro que apenas se oía.  De estos hechos deriva el término electricidad, el cual proviene de elektron, que significa ámbar (“que atrae”) en griego.

Posteriormente, el inglés William Gilbert, médico de la Reina Elizabeth I de Inglaterra, reinició el estudio de estos fenómenos y después de 17 años de experimentación con el magnetismo, y un poco menos con la electricidad, reportó sus descubrimientos en De Magnete, publicado en 1.600. Logró clasificar los fenómenos de atracción conocidos en su época y los separó en dos categorías: eléctricos y magnéticos. Paradójicamente, dos siglos después se logra su reunificación con el descubrimiento de Oersted, bajo una formulación distinta. Introdujo el término “fuerza eléctrica” para describir la interacción de dos objetos cargados por fricción y determinó que podía ser de atracción o repulsión. También Inventa un primer modelo para explicar la electrización de un cuerpo: por fricción se remueve un fluido o “humor” que tienen los objetos y aparece un “efluvio” o atmósfera alrededor. En la actualidad hablamos de “carga” y “campo eléctrico.

          En 1.729 el químico británico Stephen Gray, discípulo de Newton, descubrió que la electricidad puede fluir. Él observó que un corcho colocado en el extremo de un tubo de vidrio frotado, atraía objetos livianos. Colocó un clavo en el corcho y observó que su punta también atraía objetos. Cambió el clavo por una barra metálica y el efecto fue el mismo. Usó una barra mas larga colgada de cordones de seda y notó que su extremo aún atraía. Como no tenía más metal, ató a la barra un hilo de cáñamo colgado de hilos de seda y observó lo mismo. De esta manera logro transmitir la electricidad hasta 150 metro. A partir de estas observaciones, concluyó que la electricidad fluye a través de algunos materiales. Probó que los metales transmiten muy bien la electricidad y los llamó conductores; y que otros materiales generan electricidad y los llamó eléctricos.

          En 1.733 Charles Dufay, químico francés, descubrió que existían dos tipos de electricidad: una se obtiene al frotar un trozo de cristal y la otra al frotar un trozo de resina. Anunció que la electricidad consistía de dos fluidos: el “vítreo” (de vidrio) y el “resinoso” (de resina). Según él, sin electrizar, la materia es neutra y contiene la misma cantidad de los dos fluidos; por la fricción, éstos se separan produciendo un desbalance en las cantidades de los fluidos, quedando así electrizada. Se dio cuenta que, los mismos tipos de electricidad se repelían entre sí y los opuestos se atraían.

         

       En 1.745, primero el físico alemán E. G. Von Kleist y posteriormente el físico holandés Pieter Van Musschenbroeck, tuvieron la brillante idea de almacenar el fluido eléctrico. Musschenbroeck, fabricante de instrumentos científicos, lo almacena en una botella con agua, en la Universidad de Leyden. Esta botella denominada de Leyden, se conoce hoy en día como el condensador eléctrico. En la figura 2 se muestra con un dibujo la realización de este experimento con una máquina electrostática de Hauksbee.

        
             En 1.752 Benjamin Franklin, físico, político e inventor del pararrayos, presentó la teoría del fluido único para explicar los dos tipos de electricidad. Estableció el uso convencional de positivo y negativo, en vez de vítreo y resinoso,  para distinguir los tipos de electricidad, y encontró que un cuerpo conductor se puede cargar si se aísla de los que los rodean.

          En 1.767 el físico inglés Joseph Priestley estableció que las cargas eléctricas se atraían con una fuerza inversamente proporcional a la distancia que las separan, tal como lo demostró Newton con la gravedad. También demostró que la carga eléctrica se distribuye uniformemente en la superficie de una esfera hueca conductora, y que en el interior de la misma, no existe campo eléctrico, ni fuerzas eléctricas sobre cargas colocadas allí colocadas. Resume sus estudios en “Historia y Estado Actual de la Electricidad” (figura 3)

          En 1.775 Alejandro Volta (1.745-1.827), además de muchos otros méritos,  inventa el electróforo y da una explicación satisfactoria de su funcionamiento en un escrito dirigido a Priestley, miembro de la Royal Society; también comunica en una carta dirigida al canónigo Fromond en relación a este dispositivo, lo siguiente: “he preparado uno de madera de poco menos de dos pies de diámetro...;  he obtenido chispas de 10, 12 y hasta 14 pulgadas...”. En 1.800 construye la primera pila eléctrica y la batería capaz de producir corriente eléctrica. Todo esto lo recopila en una correspondencia  enviada a la Sociedad Real en “Sobre la electricidad excitada por el simple contacto de sustancias conductoras de diferentes clases”, el 26 de junio de 1.800.


          En 1.776 Charles Agustín de Coulomb inventa la balanza de torsión (figura 4) con la cual, midió con exactitud la fuerza entre las cargas eléctricas y corroboró que dicha fuerza era proporcional al producto de las cargas individuales e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.
  
Alrededor de 1.800 Carlos Del Pozo y Sucre (1.743 -1.813) vivió en Calabozo (Guárico), tal como lo reporta Humboldt en su magna obra "Viaje a las Regiones Equinocciales Del Nuevo Continente”. Este ilustre sabio alemán encontró en la casa de Del Pozo un gabinete de Física que contenía una máquina eléctrica de grandes discos, electróforos y otro instrumental casi tan completo, como el que poseían en aquella época los físicos europeos. Esto lo logró construir en base a  la lectura de El Tratado de Fond  y Las Memorias de Franklin, y con la importación desde EE.UU de algunos accesorios de vidrio. Frente a los instrumentos que Humboldt y Bompland le mostraron, Del Pozo saltó de alegría al ver por vez primera aparatos no construidos  por él y que parecían copias de los suyos. Se desconoce si este investigador escribió algunas notas sobre sus experiencias sobre electricidad.

        Es interesante recalcar que en el siglo V a.C., dos grandes pensadores griegos, Leucipo de Mileto y Demócrito de Abdera, coinciden en la creación de la primera física corpuscular de tendencia netamente científica. Según ellos, la materia está constituida por partículas individuales, a las que denominaron átomos, y que significa “indivisible” en griego. Sin embargo, no fue hasta el siglo XIX que John Dalton  propuso que cada elemento químico conocido correspondía a un átomo de materia, y que por consiguiente, todos los materiales eran combinaciones de tales átomos individuales. Posteriormente, en 1.897 el físico inglés J. J. Thomson (1.856 - 1.940) demostró que los rayos catódicos estaban constituidos por partículas atómicas masivas con carga eléctrica negativa y las denominó corpúsculos. Hoy en día sabemos que tales partículas son los electrones, uno de los principales constituyentes de la materia.

          Finalmente, en 1.963 M. Gell-Mann y G. Zweig postulan en forma independiente la cuantización de la carga eléctrica, a través de la existencia del quark, una subpartícula con cargas -1/3 y +2/3 de la carga fundamental del protón. Jerome Friedman, Henry Kendall y Richard Taylor recibieron en 1990 el Novel por su detección en el laboratorio. Los seis tipos de quark que se han descubierto se consideran los “ladrillos” esenciales  que constituyen la materia.

3  Métodos de electrización

En esta sección se describen algunos experimentos clásicos de la electrización de los materiales mediante los métodos clásicos establecidos, usando el péndulo electrostático como instrumento de registro de este tipo de interacciones.

Lista de materiales

Para la realización de este experimento se requiere de los siguientes materiales: 1) Varias barras y láminas de plástico (plexiglás) obtenidas de bolígrafos, cajas de CDs, láminas de acetato para transparencias, láminas recortadas de potes plásticos de almacenar alimentos, un rollo de papel de envolver tipo “envoplast”, etc. 2) Retazos de tela, lana, seda, pieles de animales, etc.  3) Una caja de toallas absorbentes de papel. 4) Esferas de anime de 1 cm de diámetro, hechas de anime comercial o de la médula de la madera balsa. 5) Un carrete de hilo de nailon del más delgado. 6) Pitillos de plástico o tubos delgados de vidrio para hacer el soporte. 7) Un proyector de transparencias en caso de que se desee proyectar en una pantalla. 8) Un secador de pelo para minimizar la humedad de los materiales. 9) Un frasco de pintura de carbón (preparada con grafito de lápiz, acetona y esmalte de uñas, como se indica en el Anexo 1). En sustitución de ésta se puede usar  tinta negra de impresora de inyección de tinta.

Montaje experimental



       Con pintura de carbón (o tinta de impresora) se recubren cuatros esferas de anime natural de aproximadamente 1 cm de diámetro y se dejan secar bien. Como el grafito es un buen conductor eléctrico, la superficie de cada esfera será conductora de la electricidad. Luego, una de ellas, se cuelga con un hilo de nailon de un soporte aislante en forma de L hecho con los pitillos, y se monta sobre una base de plexiglás o anime, como se observa en la figura 5. Este dispositivo, el cual se conoce como péndulo electrostático, se coloca sobre el proyector, en caso de que se desee visualizar el experimento en una pantalla. Este montaje tiene sus ventajas porque el proyector calienta el aire alrededor del péndulo y permite que las esferitas mantengan la carga eléctrica durante un lapso de tiempo mayor. Este péndulo servirá de instrumento de prueba para detectar la electrización de los cuerpos.


          Recomendaciones: Las experiencias de electrostática requieren de un ambiente seco para obtener resultados satisfactorios, el cual se logra con un deshumificador, o en su defecto, calentando el aire con una cocina eléctrica o dos lámparas de 100 W. En un salón con aire acondicionado también se pueden realizar estos experimentos en forma satisfactoria. Además, es importante limpiar bien con alcohol todos los materiales a utilizar y asegurarse que todos los cuerpos que se vayan a cargar, estén perfectamente aislados.

A continuación se describen los experimentos a realizar.

a) Electrización por frotamiento: Un objeto se electriza cuando se frota con  otro.

Se coloca el instrumento de prueba, el péndulo electrostático, sobre el  proyector en caso de que se quiera hacer proyecciones para un público numeroso. Al acercar una barra de plástico al péndulo, se observa que éste mantiene su posición vertical,  porque a pesar de la interacción gravitacional que existe entre ellos, no es de suficiente intensidad para producir una acción notable sobre la esfera.  Sin embargo, si se frota la barra con un trozo de tela y se acerca a la esfera del péndulo, se observa que es atraída por la barra. Se concluye que mediante el frotamiento de la barra con el trozo de tela, se manifiesta en ésta una nueva propiedad física: puede atraer un objeto cercano. Decimos que la barra se ha electrizado por efecto del frotamiento (figura 6). Se puede observar el mismo efecto, al repetir con las barras y las láminas frotadas con los trozos de telas de diferentes materiales.



 Este fenómeno se conoce como triboelectricidad y se explica de la siguiente manera. Por efecto del frotamiento de la barra con la tela, puede ocurrir que parte de los electrones de los átomos más superficiales de la barra, se desprendan y pasen a la tela. En caso tal, en la barra se produce entonces, un déficit de electrones y por consiguiente queda con carga positiva (tiene más protones que electrones) y en la tela, al contrario, existirá un exceso de electrones (tiene más electrones que protones) y queda con carga negativa. También podría suceder lo contrario con otro tipo de tela: que los electrones se desprendan de la tela y pasen a la barra, en cuyo caso quedarían con cargas contrarias al primer caso.


En la siguiente Tabla se muestra una serie triboeléctrica hecha con algunos materiales que se encuentran en cualquier hogar. Como se sabe, algunos materiales mantienen sus electrones mas fuertemente unidos que otros. Esta propiedad determina su ubicación en la tabla. De manera que si un material cede electrones al ponerse en contacto con otro, es más positivo en la serie triboeléctrica; en cambio, si se le hace más fácil  capturar electrones, será más negativo en la tabla.


           

 En este video (PP1) se muestra con una animación en Power Point,  la electrización de la barra con la tela mediante el frotamiento, así como también el proceso de transferencia de electrones.

          Otra forma de mostrar que mediante el frotamiento los objetos se cargan de electricidad, se logra con el papel plástico “envoplast” (tipo libre de grasa) del que se utiliza para envolver alimentos en la cocina. A tal efecto, si se desenrolla con  rapidez cierta cantidad de este papel y se acerca al péndulo se podrá observar que es atraído por el papel plástico, lo que demuestra que se encuentra electrizado.

          Con cinta de “teflón”, de la utilizada para sellar las uniones entre tubos en trabajos de plomería, también se puede mostrar la electrización por frotamiento. Si se desenrolla un trozo de cinta y se acerca al péndulo, éste se moverá porque se encuentra electrizado. Otra forma es la siguiente: se desenrolla unos 25 cm de la cinta de teflón cuidando que no se enrede, se dobla por la mitad y se suelta para que cuelgue. Luego se frotan las dos mitades simultáneamente haciéndolas pasar entre los dedos (bien  limpios y secos) índice y medio con cierta rapidez. Se observará que las cintas se separan por efecto de la electrización que han adquirido.

          Existen otros procedimientos alterativos para mostrar la electrización de un objeto, como frotar un peine o cepillo plástico con el cabello bien limpio y seco, frotar un bolígrafo plástico con la camisa, frotar una lámina de acetato con los retazos de tela o con papel absorbente, etc. Se invita al lector a explorar otras posibilidades con la diversidad de materiales que hoy en día se encuentran disponibles en el mercado.

          En todos estos experimentos, al frotar un material con otro, se efectúa un trabajo para vencer el potencial que mantiene los electrones unidos a sus átomos y lograr extraerlos de uno de los dos materiales. Cada material requiere de una energía particular para poder soltar los electrones, la cual depende de sus propiedades eléctricas. Por consiguiente, podría suceder, por ejemplo, que al frotar una lámina de plástico con un trozo de tela, ésta adquiera carga positiva; pero al frotarla con otra, podría quedar con carga negativa.

b)    Electrización por contacto: Un objeto se electriza cuando se pone en contacto con otro electrizado



Mediante el contacto, un objeto electrizado puede transferir esa propiedad a otro que se encuentre en estado de neutralidad eléctrica, tal como se ilustra en la figura 7. Para observar este fenómeno, en primer lugar se electriza por frotamiento una barra de cualquier material (vidrio, porcelana, plexiglás, etc.), previamente calentada con la cocina eléctrica. Luego, se acerca la barra cargada de electricidad a la esfera del péndulo; se observará que al principio la atrae, pero posteriormente al tocarla, la repele. Esto indica que adquirió el mismo tipo de electricidad de la barra. Por consiguiente, si la barra frotada tiene carga positiva (tiene un déficit de electrones), al ponerla en contacto con la esferita neutra del péndulo, parte de los electrones de la esferita son transferidos a la barra; como en la esferita se produce un déficit de electrones, queda cargada también positivamente. En consecuencia, la carga positiva de la barra disminuye. Se recomienda repetir lo anterior con otros materiales.

           

 Este video (PP2) muestra, con una animación, el proceso de transferencia de electrones en la electrización por contacto.


c)    Electrización por inducción: Un objeto se electriza por inducción cuando interacciona con otro electrizado


          ¿Cómo un cuerpo electrizado puede modificar las propiedades de otro con el cual no ha tenido aparentemente ninguna interacción? Esta experiencia es una de las más espectaculares de la electrización de un objeto. Cuando se acerca la barra de plástico (plexiglás) electrizada a la esfera descargada (carga neta cero) del péndulo, sin permitir que se toquen, se observa que es atraída fuertemente por la barra  (figura 8). La esfera del péndulo se electriza por inducción, porque ha ocurrido una redistribución de su carga eléctrica, de modo tal que el hemisferio de la esfera más cercano a la barra cargada, adquiere carga contraria a la que ésta tiene y el más lejano, “adquiere” carga del mismo tipo. Por este efecto, conocido como polarización, sobre el hemisferio cercano a la barra, actúa una fuerza eléctrica atractiva de mayor magnitud que la fuerza repulsiva que actúa sobre el hemisferio lejano, tal como se indica en la figura 9 A. El efecto resultante es que la barra cargada atrae a la esfera descargada. Bajo estas condiciones la esfera permanece eléctricamente neutra. Al alejar la esfera de la barra, la carga se redistribuye de nuevo uniformemente dentro de la esfera y su carga neta, positiva más negativa, sigue siendo cero.


Mediante la inducción se puede cargar la esferita del péndulo. Esto se logra acercando una barra cargada a la esfera del péndulo sin permitir que se toquen. Luego, durante un corto lapso de tiempo, se toca la esfera con un dedo o con un cable conectado a tierra (figura 9 B). De este modo la esfera adquiere o pierde electrones y se electriza  negativamente o positivamente, dependiendo del tipo de carga de la barra. Por ejemplo, si la barra tiene carga positiva (negativo), al acercarla a la esfera neutra, esta se polariza de modo que el hemisferio cercano se hace negativo (positivo) y el lejano positivo (negativo). Al tocarla con el dedo, cierta cantidad de electrones entran (salen) a la esfera, quedando ésta con carga negativa (positiva) (figura 9 C). Cabe mencionar que, por inducción la esfera adquiere carga contraria a la que tiene la barra.
    

 


En PP3 se muestra una animación para ilustrar la polarización de una esfera cuando se acerca a una barra cargada; también se esquematiza el proceso de transferencia de electrones desde tierra hasta que se carga por inducción.


4 Interacción entre las cargas

En la naturaleza se dan tres tipos de interacciones que rigen todos los fenómenos físicos: la gravitacional, la electromagnética-débil y la nuclear. Los fenómenos eléctricos,  objeto de estudio del presente trabajo, se encuentran comprendidos dentro de la segunda categoría.

Lista de materiales

Para la realización de este experimento se requiere de los siguientes materiales: 1) Varias barras y láminas de plástico (plexiglás) obtenidas de bolígrafos, cajas de CDs, láminas de acetato para transparencias, láminas recortadas de potes plásticos de almacenar alimentos, un rollo de papel de envolver tipo “envoplast”, etc. 2) Retazos de tela, lana, seda, pieles de animales, etc.  3) Una caja de toallas absorbentes de papel. 4) Un secador de pelo para minimizar la humedad de los materiales.

A continuación se presentan algunos experimentos sencillos de atracción y repulsión entre dos objetos cargados.

a)    Repulsión entre cargas iguales

Ante todo es necesario conectar la cocina eléctrica y el proyector para que se caliente el ambiente y disminuya la humedad del aire. Luego se calienta la barra plexiglás  y una hoja de papel secante, y de inmediato se frota fuertemente la barra. Es conveniente no tener las manos húmedas (sudadas). Con la barra electrizada tocamos varias veces la esfera del péndulo hasta observar una fuerte repulsión. Por el contacto, la esfera se electriza con la barra cargada,  adquiere el mismo tipo de electricidad  y se repelen. Podemos concluir que: objetos con igual clase de electricidad, positiva o negativa, se repelen.



Ante todo es necesario conectar la cocina eléctrica y el proyector para que se caliente el ambiente y disminuya la humedad del aire. Luego se calienta la barra plexiglás  y una hoja de papel secante, y de inmediato se frota fuertemente la barra. Es conveniente no tener las manos húmedas (sudadas). Con la barra electrizada tocamos varias veces la esfera del péndulo hasta observar una fuerte repulsión. Por el contacto, la esfera se electriza con la barra cargada,  adquiere el mismo tipo de electricidad  y se repelen. Podemos concluir que: objetos con igual clase de electricidad, positiva o negativa, se repelen.


Otra forma de mostrar la repulsión entre cargas iguales se puede lograr con dos esferitas montadas en el soporte del péndulo (figura 10). Para esto, se acerca una barra cargada de electricidad  y se toca simultáneamente las dos esferas. Se observa que se repelen. En la figura 11 se muestran las fuerzas que actúan sobre cada esfera. Por el principio de acción y reacción, estas fuerzas tienen igual magnitud y dirección pero sentidos contrarios. 
    

 En el video superior (PP4) se muestra una animación de la repulsión entre dos esferas iguales cargadas por contacto con una barra positiva, y en el video inferior (PP8) se puede visualizar los cambios de magnitud de las fuerzas de repulsión entre las esferas a medida que se separan, así como la gráfica de la magnitud de la fuerza de repulsión F en función de la distancia r (se consideran esferas puntuales que cumplen la ley de Coulomb).  

b)    Atracción entre cargas diferentes




Es necesario preparar el montaje experimental que se muestra en la figura 13. Se necesita una barra de plexiglás y una de vidrio de la lista de materiales. Se frotan por fricción con papel absorbente. Se electrizan por contacto ambas esferas, una con la barra de plexiglás y la otra con la lámina de vidrio, mediante el procedimiento descrito en la sección 3 b). Luego, al acercar las esferas,  se observará cómo se atraen. Esta experiencia se puede repetir con diferentes materiales, y se podrá comprobar que existen dos clases de electricidad.

  En resumen: objetos con diferentes clases de electricidad,  se atraen (figura 14). Estas se conocen como: positiva y negativa.



5 El electroscopio. Construcción y uso




El electroscopio es un instrumento de prueba que se usa para comprobar si un cuerpo se encuentra cargado o no de electricidad, así como también para identificar el tipo de carga que éste posee. La versión más generalizada consiste de dos láminas metálicas (aluminio) muy delgadas. Otra se muestra en la figura 15, el cual  consiste de un fiel metálico suspendido de un eje que lo atraviesa perpendicularmente y colocado cerca de su centro de masa. De esta forma se mantiene en equilibrio mecánico estable en un soporte también vertical, y que a su vez, sustenta un disco colector de carga en su extremo superior. Toda esta estructura es metálica (conductora) y se sostiene de un disco de plexiglás (aislante), montado en una carcasa también de metal.  En la figura 16 se puede apreciar el electroscopio sin la carcasa.        
    


       Para fabricar el modelo de la figura 15 se necesita una lámina metálica de latón, aluminio, u otro material similar, para el soporte vertical. Al soporte se le hace un doblez en la mitad y un orificio para introducir el fiel, el cual se construye con un pitillo plástico forrado con papel aluminio bien liso, tal como se muestra en la figura 16. Esto es importante para eliminar bordes afilados y puntas pronunciadas que descargarían rápidamente al electroscopio. Para pegar el papel aluminio al pitillo se puede utilizar pegamento seco de barra. La carcasa se construye con latón y dos discos de plexiglás o vidrio para cerrarla por ambos lados. La carcasa así construida cumple con dos funciones. Por una parte sirve de pantalla electrostática para aislar al fiel y por otra, al estar cerrada, impide que las corrientes de aire lo muevan. Al tener listo el fiel, se procede a su calibración; para ello, se atraviesa transversalmente con una aguja sin ojal, un milímetro o dos por debajo del centro de masa, el cual debe estar ubicado en la mitad del pitillo. De esta forma, al colocar el fiel en el soporte, debe quedar en posición vertical en equilibrio mecánico porque su centro de masa se encuentra por debajo del eje de suspensión. En realidad, el fiel es un péndulo compuesto y sí se desplaza de la posición de equilibrio y se suelta, se pone a oscilar. Por consiguiente, la sensibilidad del electroscopio va a depender de cuán cerca se encuentre el eje respecto al centro de masa; mientras más cerca se encuentren, mayor sensibilidad tendrá. Bajo tales condiciones, el electroscopio así construido estará listo para funcionar.


En la figura 17 se muestran otro modelo de electroscopio construido con materiales reciclable. Para fabricarlo se requiere de un pote metálico de leche en polvo y dos tapas plásticas que ajusten en él; un fiel, construido para el modelo de la figura 15, papel aluminio, una lámina de cartón, una aguja sin ojal y un tornillo con igual diámetro al del pitillo. Se construye de la siguiente manera: con un exacto se le hace una ranura de 2 cm de ancho a una de las tapas de plástico y luego se forra con papel aluminio bien liso, para convertirla en conductora de la electricidad. Esta tapa servirá de soporte del fiel. También se forra con papel aluminio una lámina de cartón o plástico de 2 cm de ancho y de tres cuartos de longitud del pitillo (unos 15 cm), y se le pega a la tapa forrada, de modo que quede con una inclinación de unos 45o. Se colocan la tapa forrada y la original sin forrar en el pote. La tapa original queda en la base del pote para que lo aísle de tierra. En uno de los extremos del pitillo forrado, se coloca el tornillo para que sirva de contrapeso. Al colocar el tornillo, el centro de masa del fiel se desplaza hacia el extremo que tiene el tornillo. Para calibrar el fiel, se traspasa con la aguja  el pitillo forrado con papel aluminio de forma transversal. Si se traspasa con la aguja por el centro de masa y se suspende, el fiel quedará en equilibrio indiferente, es decir puede adoptar cualquier ángulo, y no oscila;  en cambio si se traspasa por debajo del centro de masa y a unas décimas de milímetros del eje longitudinal y se suspende, se convierte en un péndulo que oscila con cierta inclinación respecto a la vertical. Como se mencionó anteriormente, la sensibilidad del fiel va a depender de la cercanía entre el eje y el centro de masa.  Luego se coloca el fiel en el pote sobre la tapa con ranura. La aguja debe ser más larga que el ancho de la ranura para que pueda quedar suspendido. Para una calibración final, introduzca o saque un poco el tornillo para lograr que quede paralelo a la lámina forrada y obtener así la máxima sensibilidad.


Funcionamiento

Inicialmente, el electroscopio descargado se encuentra en estado de neutralidad eléctrica (la carga neta es cero) y el fiel permanece, en posición vertical o con una pequeña inclinación, en equilibrio mecánico. En estas condiciones, el torque mecánico sobre el fiel, debido a su propio peso, es cero; si se desplaza de esta posición y se suelta,  oscila alrededor de la misma hasta que por efecto de la fricción se detiene.

             La carga se le transfiere a través del disco (Figura 15) o del pote (Figura 16). Cuando se carga el electroscopio, por ejemplo por contacto con un objeto, se le transfieren o se le quitan electrones y el soporte y el fiel, adquieren el mismo tipo de carga y se repelen. La fuerza de repulsión eléctrica, produce un torque adicional en sentido contrario al producido por su peso y hace que el fiel se incline cierto ángulo, hasta que adopte una nueva posición de equilibrio, cuyo valor depende de la cantidad de carga que se le haya transferido.

          A continuación se describan algunos experimentos que se pueden realizar con el electroscopio.       

          a)    Electrización del electroscopio

Este instrumento lo podemos cargar ó electrizar poniendo en contacto el disco colector (o el pote) con un cuerpo previamente cargado. Podemos frotar una de las barras y tocar varias veces el platillo hasta que adquiera cierta cantidad de carga. Si la barra tiene carga negativa, es decir un exceso de electrones, éstos se moverán desde la barra hacia el platillo, y desde allí hasta el fiel y el soporte; si la barra tiene carga positiva, es decir le faltan electrones, al hacer contacto con el disco fluyen cierta cantidad de éstos hacia la barra, la cual se hace menos positiva. De esta forma cargamos el electroscopio por contacto directo con otro cuerpo. En este caso, la carga se distribuye entre el disco, el fiel y su soporte, y puesto que tiene la misma clase de carga, el fiel se inclina, lo que indica que el electroscopio está electrizado (cargado) como se indica en la figura 18. En estas condiciones, el electroscopio puede mantener la carga por varios minutos.


          Para descargarlo, basta con tocarlo con un dedo y permitir que los electrones fluyan  hacia tierra, si tiene un exceso de carga negativa o, desde tierra hacia él, si tiene un déficit de carga negativa. Luego de esto, el electroscopio alcanza el estado de neutralidad eléctrica.           


         

  En el video (PP5) se muestra una animación del proceso de electrización del electroscopio con una barra cargada negativamente; se puede visualizar la transferencia de electrones desde la barra hacia el electroscopio.


       También se puede cargar el electroscopio sin tocarlo con otro cuerpo cargado. Mediante este procedimiento se carga por inducción como se muestra en la figura 19. Para tal fin, basta con acercar el cuerpo electrizado al platillo para observar cierta inclinación del fiel (A). En este caso, aunque no se haya transferido carga del cuerpo cargado al electroscopio o viceversa, ha ocurrido una redistribución de parte de sus  electrones, de modo que si, por ejemplo, la barra tiene carga positiva, cuando se acerca al platillo, atrae a los electrones por tener éstos carga negativa; quedando un déficit de carga negativa en la parte inferior del fiel y su soporte, y un exceso en el platillo. Debido a que el fiel  y su soporte tienen carga positiva, éstos se repelen y el fiel se inclina. Si luego se retira la barra, el electroscopio no permanece cargado, puesto que los electrones de nuevo se redistribuyen en todo el conjunto. Sin embargo, sí antes de retirar la barra cargada se toca el platillo con un dedo o con un cable conductor (B), desde tierra pasan electrones hacia el platillo, al fiel y a su soporte. Si se retira el cable, todo el conjunto mantiene el exceso de electrones (C), y el electroscopio queda cargado negativamente. Finalmente, al alejar la barra cargada del platillo, el electroscopio queda con carga negativa, contraria a la carga de la barra (D).

b)    El electroscopio permite identificar el signo de la carga eléctrica


Para identificar el signo de la carga eléctrica de un objeto electrizado con el electroscopio, es necesario conocer previamente el signo de la carga que adquieren ciertos materiales, para posteriormente usarlos como referencias. En particular, el teflón  adquiere carga positiva cuando se desenrolla un pedazo de cinta de cierta longitud de su carrete; lo mismo sucede con el envoplast cuando se desenrolla. Sin embargo,  cuando el teflón se frota con los dedos (bien secos y sin grasa) se carga negativamente, al igual que el envoplast cuando se frota con una hoja de papel absorbente. En base a esto, el electroscopio se puede utilizar para determinar el signo de la carga eléctrica que ha adquirido un cuerpo. Para ello, se le da carga, por ejemplo positiva, al electroscopio por contacto con una barra o lámina, previamente frotada con una hoja de papel secante, como se muestra en la Figura 20 A. Bajo estas condiciones, el fiel adopta cierta inclinación. Posteriormente, se le acerca la barra cargada al platillo; si el fiel se inclina más, es decir, aumenta el ángulo de inclinación a medida que se acerca la barra al platillo, la barra tiene el mismo tipo de electrización que el electroscopio, es decir, tiene carga positiva (Figura 20 B). La explicación es la siguiente: cuando el electroscopio está  cargado, contiene un exceso o un déficit de electrones y por consiguiente el fiel se inclina. Al acercar la barra cargada, por efecto de la inducción se produce una redistribución de los electrones en el fiel, su soporte y el disco, de modo que si ésta tiene carga positiva, atrae parte de los electrones hacia sus extremos superiores. En consecuencia, disminuye la cantidad de electrones en sus extremos inferiores y los hace más positivos, y como consecuencia aumenta la fuerza de repulsión que obliga al  fiel a inclinarse  aún más.


Sí por el contrario, al acercar otra barra cargada el ángulo disminuye, su carga eléctrica  tiene signo diferente; es decir, es negativo, como se ilustra en la Figura 21 A y B. Esto se explica de la siguiente manera: al acercar la barra con carga negativa, ésta polariza al electroscopio originando una redistribución de algunos electrones, los cuales son repelidos hacia su parte inferior. Por tal razón este sector del electroscopio se hace menos positivo, y por consiguiente la fuerza de repulsión entre el fiel y su soporte disminuye. 


6 El electróforo. Construcción y uso

El electróforo es una máquina electrostática elemental con la cual se puede obtener carga eléctrica de una manera sencilla por el método de inducción. Consta de una lámina plástica (aislante) con un aro metálico (conductor) colocado en su centro y un disco metálico con un mango aislante para su manipulación.

          Para su construcción, se requiere de los siguientes materiales: una lámina de plexiglás (plástica), una transparencia de proyección o papel plástico envoplast, un disco metálico (tapa de un pote metálico o un plato grande de aluminio para hornear pizzas), un plato grande y llano de cerámica, una barra de plexiglás, un bolígrafo de plástico o un vaso desechable de plástico para el mango del disco y pegamento.




          El modelo que se muestra en la Figura 22 b tiene una base de plexiglás (el cual no se puede distinguir en la fotografía), dentro de un marco de madera. En el centro se puede observar un aro metálico, conectado por debajo con un cable, a la banana del marco, para hacer una conexión a tierra. En la misma figura se muestra el disco construido con una tapa metálica de un pote de envasar y un mango aislante hecho con un bolígrafo de plástico.
                                  
Otro modelo, un poco más eficiente por ser de mayor tamaño,  se puede hacer con un plato de aluminio de hornear pizza y como mango se puede usar cualquier vaso desechable   de plástico. Como base se puede usar un plato grande y llano de cerámica al cual se le coloca en la parte superior el papel envoplast bien estirado (Figura 22 a)

 Funcionamiento


Se frota la lámina de plástico  (o la hoja de envoplast)  con un  trozo de papel secante o  tela. La lámina queda cargada positivamente porque al papel secante son transferidos parte de sus electrones. Luego, se coloca el disco metálico sobre la lámina; el disco se polariza, es decir cierta cantidad de sus electrones libres se depositan en la superficie inferior y por lo tanto, en la parte superior del disco se produce un déficit de electrones y queda con carga positiva, como se ilustra en la Figura 23 A. El disco, en estas condiciones, continúa en estado de neutralidad eléctrica. Posteriormente, se toca el disco con el aro metálico (o un dedo) para que algunos electrones pasen del aro (o el dedo) al disco y quede éste con un exceso de cargas negativas, como se puede ver en la Figura 23 B. De esta forma, el disco se carga por inducción con sólo colocarlo sobre el plástico frotado (cargado) y hacer contacto con el aro (dedo). Este procedimiento se puede repetir tantas veces como se quiera para cargar el disco metálico.

           


        En PP7 se muestra una animación donde se describe paso a paso el funcionamiento del electróforo. 


7  Conductores y aislantes

La capacidad que tienen los materiales para conducir la electricidad, permite clasificarlos en conductores y aislantes. Como se comentó en la introducción, todos los materiales se encuentran estructurados en átomos y moléculas, con electrones, protones y neutrones. En los materiales conductores, algunos electrones se pueden mover con bastante facilidad entre la red de átomos que conforma el material. Así por ejemplo, los metales como el cobre, el oro y la plata, conducen muy bien la electricidad. Por otra parte, en los aislantes, los electrones se encuentran fuertemente unidos a los átomos y no se mueven con facilidad a través de la red, como en los conductores. Los plásticos y el vidrio son aislantes. Existen otros materiales que aun siendo aislante, bajo el tratamiento con impurezas, se convierten en conductores de la electricidad. Son los semiconductores, como el germanio y el silicio.

 Lista de materiales

Para realizar las experiencias que a continuación se presentan, se requiere de los siguientes materiales: Una barra o lámina de vidrio, una barra de plexiglás, un pitillo de plástico, un clavo, un tornillo largo de acero y un cable largo de cobre. Dos electroscopios.


 Montaje experimental

Se ubican a corta distancia dos electroscopios descargados y luego se colocan, por separado,  objetos de diferentes materiales como el pitillo, la lámina de plástico o de vidrio, sobre los platos colectores de los electroscopios con el objeto de establecer un puente entre ellos.

 Experimentos

a)    Materiales aislantes


Primeramente se coloca el pitillo de plástico sobre los discos de ambos electroscopios, como se muestra en la Figura 24. Luego, se carga uno de los electroscopios con el electróforo mediante cualquiera de los métodos descritos. Se observa que sólo se mueve el fiel del electroscopio que recibió la carga.  Esto indica que el material del pitillo no conduce bajo estas condiciones la electricidad. Se repite con las láminas de vidrio,  plástico o cualquier material similar a estos.

b)    Materiales conductores


Sin embargo, si se repite lo anterior con el alambre de cobre, por ejemplo, se observa que el fiel del segundo electroscopio se mueve, lo que indica que pasó electricidad a través de este material, como se indica en la Figura 25.

8 Distribución de la carga en exceso en un conductor

El objetivo de esta experiencia es mostrar que el exceso de carga transferido a un conductor se distribuye en su superficie externa.

Lista de materiales


Para realizar esta experiencia se requiere del siguiente equipo: dos electroscopios, un cascarón esférico metálico con un orificio, un transportador de carga y  un generador electrostático o un electróforo. El cascarón esférico se puede hacer con dos tazas de aluminio en forma de hemisferios esféricos y a uno de estos se hace una abertura circular en el fondo. El transportador de carga se construye con un mango aislante de plástico, una varilla metálica y una esfera de anime pintada con grafito.

 Montaje experimental

En este caso, es suficiente con montar en el platillo del electroscopio la esfera hueca con la abertura hacia arriba, como se indica en la Figura 26, para luego proceder a efectuar los experimentos.


Experimentos

Se carga la esfera del transportador con el generador electrostático o el electróforo y se  introduce en el cascarón esférico a través del orificio, sin que toque su borde, hasta que haga contacto con la superficie interior del cascarón, y se luego se saca. Se debería observar que el fiel del electroscopio se inclina, lo cual indica que se ha cargado de electricidad. Si no se observa ninguna inclinación, se introduce varias veces la esfera del transportador cargada hasta lograr que se incline. Posteriormente, se introduce la esfera del transportador descargada en el cascarón y se toca su superficie interna; se saca y luego se toca el segundo electroscopio, inicialmente descargado. El segundo electroscopio no debería registrar ninguna carga eléctrica. De esta forma se demuestra que el exceso de carga colocado en el interior de un conductor, se redistribuye en su superficie externa. En PP8 se muestra una animación donde se describe la redistribución de la carga en la superficie externa de un cascarón esférico.


9 El juguete electrostático 

Este dispositivo, de fácil construcción, es una aplicación lúdica de la electrización por inducción. Está constituido por un plato metálico (conductor) tapado con una lámina de papel plástico (aislante) del tipo “envoplast”  libre de grasa, como el que se utiliza en la cocina para preservar los alimentos. En su interior se coloca cierta cantidad de pequeños papelitos (aislante) livianos.

Para construir el juguete electrostático que se propone, se requiere de lo siguiente: Un plato metálico (aluminio, peltre o acero), papel plástico de envolver “envoplast” y una hoja de papel liviano, como se puede apreciar en la Figura 27.



Funcionamiento


En primer lugar es necesario tener presente que el papel envoplast se carga por fricción como cualquier material de plástico. Sin embargo si rápidamente se desenrolla cierta cantidad, queda cargado positivamente; en cambio, si se frota con papel de servilleta o secante, queda cargado negativamente. Se frota primero el papel envoplast con una hoja de papel secante para que se cargue de electricidad. Se observa que después de frotar, los papelitos son atraídos por el plástico, se elevan y lo tocan; después de tocarlo, éstos se mantienen durante cierto tiempo adheridos al plástico. Posteriormente, los papelitos caen al fondo del plato. Si se continúa frotando el plástico con el papel secante, los papelitos suben y bajan. Esto es producto de lo siguiente: por efecto del frotamiento, el plástico se electriza y  el campo eléctrico que genera polariza los papelitos (a en la Figura 28), los cuales continúan neutros pero con sus cargas eléctricas redistribuidas en dos sectores: uno más cercano y otro más alejado del envoplast. El sector más cercano al envoplast se polariza con carga contraria, y el más lejano, con carga del mismo tipo. Sobre cada sector, aparecen fuerzas atractivas y repulsivas. Como la fuerza eléctrica disminuye con  la distancia, la fuerza atractiva entre el sector cercano y el envoplast es mayor que la fuerza repulsiva entre el sector más alejado y el envoplast. Si esta fuerza resultante es mayor que el peso del papelito, éste se eleva y se pega al plástico (b en la Figura 28). De esta forma,  el papelito descargado es atraído por el envoplast. Cuando el papelito toca al envoplast, adquiere carga de éste y como se encuentra cargado con el mismo tipo de electricidad, se repelen, y cae por efecto de su peso y de la fuerza de repulsión eléctrica (c en la Figura 28). Al caer al fondo del plato metálico (conductor) el cual se encuentra conectado a tierra, el papelito se descarga. Posteriormente, se polariza de nuevo, sube, se carga y vuelve a caer. Esto continúa mientras se frote el envoplast.

           

        En PP8 se muestra una animación donde se describe la polarización de los papelitos, la atracción y la repulsión por parte del envoplast, suponiendo que este adquiere carga positiva con el frotamiento.


10 La botella de Leyden. Construcción y uso


Este dispositivo es básicamente un condensador que se utiliza para almacenar energía eléctrica mediante la carga eléctrica que se le transfiere. Consiste de dos láminas metálicas, conocidas como armaduras, colocadas frente a frente y separadas mecánicamente entre sí. En algunos casos, las armaduras están separadas por una lámina de plástico muy delgada (dieléctrico), con una de ellas conectada a tierra. Aunque se pueden conseguir de diversas formas, planos, esféricos o cilíndricos, el que aquí se describe tiene forma cilíndrica y se puede construir con un pote de plástico (aislante) forrado con papel aluminio (conductor) por dentro y por fuera, tal como se indica en la Figura 29. Una de las armaduras, la externa, se conecta a tierra con sólo colocarlo sobre una superficie conductora de la electricidad.

       Para construir este aparato y poder realizar los experimento se requiere de los siguientes materiales: Un pote de plástico, papel aluminio y una barra de pegamento, además del electróforo.

 Funcionamiento

Este condensador se carga con el electróforo o con cualquier otro generador electrostático, a través del terminal de la armadura interna.

          Cuando el condensador se encuentre cargado, no se debe tocar el terminal de la armadura interna con la mano, porque se descarga a través de ella produciendo un fuerte, muy desagradable y hasta peligroso corrientazo. Se carga con el electróforo o con cualquier otro generador electrostático, a través del terminal de la armadura interna. Para cargarlo con el electróforo, basta con tocar su terminal varias veces con el disco cargado para transferirle carga. Sí no se carga, es porque la carga se escapa a tierra, debido a que no está completamente aislado. Para evitar esto, se limpia bien las armaduras y el plástico por dentro y fuera con alcohol y se calienta luego con un secador de pelo o una cocina eléctrica. Se descarga con un cable conductor, conectando primero uno de sus extremos con la armadura externa y posteriormente, el otro extremo con el terminal de la armadura interna. Si está cargado, al proceder de esta forma, se observa que salta una chispa. La chispa es un buen indicio de que adquiere carga eléctrica.

            Cuando el condensador se encuentre cargado, no se debe tocar el terminal de la armadura interna con la mano, porque se descarga a través de ella produciendo un fuerte, muy desagradable y hasta peligroso corrientazo.



11 La ley de Coulomb

Con este experimento se muestra que la fuerza de repulsión entre dos esferas es:

1.  directamente proporcional a la magnitud de la carga de cada esfera, e
2. inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.

 Lista de materiales

Para realizar esta experiencia se requiere de los siguientes materiales: Dos esferas de anime pintadas con grafito, un metro de hilo de nailon delgado, un tubo de vidrio (ó plexiglás) de 30 cm y otro de l0 cm; un listón de madera o plástico de 7 cm, láminas de plástico y retazos de tela o piel, generador electrostático o electróforo, un proyector de transparencias, una pantalla de proyección y una regla graduada transparente.

Montaje experimental

Una de las esferas, se fija en uno de los extremos del tubo de vidrio de l0 cm, el cual a su vez, se monta sobre el pequeño listón de madera;  la otra esfera se cuelga del hilo de nylon que se encuentra atado a los extremos del tubo de vidrio de 30 cm, colocado en la parte superior del proyector de transparencias. Luego, se coloca una regla de plástico transparente para medir su separación, tal como se indica en la Fig. 30. Se debe limpiar bien con alcohol y secar luego todo el material que se utilice.

A continuación se describen los experimentos:


a)    La fuerza de repulsión es proporcional a la magnitud de la carga de cada esfera.

Para empezar se colocan las esferas en contacto entre sí y se ajusta el proyector para que sus imágenes se vean con claridad en la pantalla. A continuación, secargan las esferas con el generador electrostático, tratando de darles la máxima carga posible. Se observan que se repelen y separan cierta distancia, la cual se puede medir con la imagen de la regla en la pantalla. Posteriormente, se toca con el dedo la esfera colgante para descargarla; al hacer esto, la esfera colgante se acerca de nuevo a la esfera del bloque de madera, la toca, se carga otra vez y se separan una distancia menor que la inicial. Como las dos esferas son iguales en superficie, la carga se reparte equitativamente en cada esfera de modo que cada una de ellas ahora tiene la mitad de la carga anterior. Por consiguiente, a menor carga, la distancia que las separa es también menor. Esto nos indica que al disminuir la carga de las esferas, la fuerza, medida a través de la distancia que las separa, también ha disminuido de magnitud. Si se repite lo anterior, la carga de cada esfera será la mitad de la mitad que tenían al comienzo del experimento, es decir tendrán cargas que son una cuarta parte de la carga inicial. Su separación y por consiguiente la fuerza entre ellas será aún menor.

b)    La fuerza de repulsión es inversamente proporcional al cuadrado de la separación de las esferas


Se colocan en contacto las esferas descargadas y se mide ésta posición en la escala graduada de la pantalla, tal como se indica en A en la Figura 31. Luego, se cargan simultáneamente ambas esferas y se mide la nueva posición de la esfera colgante respecto al punto de contacto tomado como referencia (B en la Figura 31). Después se desplaza en línea recta, la esfera del listón de madera hacia la esfera colgante y se miden las nuevas posiciones respecto al punto de referencia anterior (C en la Figura 31). Se repite este procedimiento hasta que el  ángulo superior del plano que forman los hilos de la esfera colgante no exceda los 30º.

        A continuación se describe la teoría. Al cargar las esferas, la 1 se separa de la 2, de modo que sobre ésta última actúan las siguientes fuerzas: el peso de la esfera mg, la fuerza de repulsión eléctrica Fe y las tensiones T1 y T2 de las cuerdas que dan como resultante la tensión T,  tal como se indica en la Figura 32.

 

De la Figura 32 se deduce, considerando que Ө < 30o, que


Como se sabe, la fuerza eléctrica Fe depende de la magnitud de las cargas y de la distancia d que las separa

Por lo tanto, de las ecuaciones (1), (2) y (3) se tiene que,

Pero, en primera aproximación,

donde  L es la menor distancia que hay de la esfera colgante al tubo que sostiene a los hilos.

Finalmente se concluye que,

donde


     Según la ecuación (6), la fuerza eléctrica, medida a través de X, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia d de separación de las esferas. Por consiguiente, basta medir estas dos distancias y comprobar que experimentalmente cumplen con esa relación analítica.

     Así, con los valores medidos se grafica la posición X de la esfera colgante en función del inverso del cuadrado de la distancia d (es decir 1/d2) que separa a las esferas. En la Figura 33 se puede observar esta gráfica;  de la misma se infiere que la fuerza eléctrica de repulsión entre las esferas, dentro de la aproximación asumida y medida a través de X, es directamente proporcional a 1/d2, como era de esperar.


De esta forma, queda demostrado que con esta experiencia se puede lograr establecer la relación analítica que rige la acción entre dos esferas cargadas de electricidad, conocida como ley de Coulomb.


12  El campo eléctrico

Para la época de Faraday, alrededor de 1820, ya se usaba el concepto de línea de fuerza para describir los campos eléctricos y magnéticos a fin de visualizar las propiedades físicas de los fenómenos electromagnéticos. Faraday usa el concepto de líneas de fuerzas para estudiar fenómenos como la inducción electromagnética, las descargas electrostáticas y los fenómenos electroquímicos; defiende la existencia real de las líneas de campo. 

Lista de materiales

Se requiere de lo siguiente: 1) Dos cacerolas grandes de aluminio en forma de hemisferios de aproximadamente 35 cm de diámetro. 2) Una  bandeja de vidrio o plexiglás transparente de fondo plano. 3) Cables de conexión. 4) Un juego de electrodos: dos anillos metálicos de diferentes diámetros, dos láminas metálicas iguales, dos varillas, etc. 5)  Medio litro de aceite de comer. 6) Semillas de grama  bien secas. 7) Alambre de cobre Nro. 18 o 20. 8) El electróforo. 9) Un proyector de transparencia (Figuras 34 y 35)



Descripción del instrumento

Consiste de dos hemisferios de aluminios unidos por sus bases circulares para formar una esfera achatada,  montada en una base aislante de anime o plástico. La esfera se conecta a una  bandeja de vidrio donde se vierte el aceite hasta que alcance una profundidad de aproximadamente 0.5 cm. Dentro de la bandeja se colocan los electrodos, según la distribución de líneas de  campo que se pretenda mostrar. Se conectan con un cable uno (o dos) de los electrodos a la esfera y luego se carga la esfera con el electróforo.

Experimentos


a)      Líneas del campo eléctrico generado por un alambre  rectilíneo cargado

Coloque el electrodo rectilíneo verticalmente y en el centro de la bandeja de aceite y conéctelo a la esfera. Monte el recipiente con el aceite sobre el proyector. Todo este sistema debe estar completamente aislado de la tierra para que no se descargue. Distribuya uniformemente las semillas de grama sobre el aceite de modo que floten y efectúe el experimento antes de que se empapen completamente de aceite y se hundan. Cargue el electróforo, y con éste la esfera de aluminio varias veces hasta observar que la semillas se redistribuyen sobre el aceite y aparece una configuración de campo eléctrico radial. Observe que algunas  semillas son  atraídas por el electrodo y luego son fuertemente repelidas; por efecto del campo eléctrico, las semillas se polarizan y sobre ellas actúa un par de fuerzas eléctricas (una atractiva y otra repulsiva), aparte de la fuerza de viscosidad debida al aceite. El sector más cercano al electrodo adquiere carga contraria y el más alejado, el mismo tipo. Aunque surgen dos fuerzas sobre la semilla, la fuerza resultante es de atracción porque sobre el extremo más cercano, la fuerza es de mayor magnitud. Otras semillas giran y se redistribuyen alrededor del electrodo por efecto del par de fuerza que el campo le aplica a cada semilla-dipolo. El resultado final es que las semillas se orientan y permanecen en equilibrio siguiendo las líneas de fuerza del campo eléctrico.

b)  El dipolo eléctrico. Líneas del campo eléctrico generado por dos alambres rectilíneos con cargas opuestas


Al arreglo experimental anterior, colóquele otro electrodo rectilíneo separado cierta distancia y conéctelo a tierra con un alambre. Cargue de nuevo la esfera y observará que  aparece otra configuración de líneas: la correspondiente al dipolo eléctrico (Figura 36).

c)     Líneas del campo eléctrico generado por un alambre dos alambres rectilíneos con cargas iguales


Para lograr esto, conecte los dos electrodos a la esfera cargada y repita el procedimiento anterior. Observará algo parecido al diagrama de la  Figura 37.

      d)   Líneas de campo eléctrico en el interior de un conductor cerrado

Coloque el aro metálico de mayor diámetro en la bandeja de aceite  y conéctelo  a la esfera cargada. Esparza las semillas. Notará que en su interior las semillas no se redistribuyen, lo que indica que el campo eléctrico es nulo en esta región. En cambio, por fuera las semillas se redistribuyen radialmente al aro (Figura 38).


     e)  Líneas de campo eléctrico entre dos láminas con cargas opuestas

Coloque las dos láminas dentro de la bandeja de aceite. Conecte una a la esfera y la otra a tierra. Esparza las semillas, cargue y  observe la distribución del campo eléctrico.

Presentación en Power Point

En la siguiente presentación en Power Point se puede apreciar lo descrito anteriormente.





Anexo 1

Preparación de la pintura de carbón: Se le quita la mina a dos lápices de trazo suave (tipo B6)  y se pulveriza bien en un mortero. Se le agrega a 5 ml de acetona o quita esmalte de uña y se revuelve. Finalmente, se agrega 1 ml de esmalte transparente de uña y se revuelve de nuevo hasta obtener una solución homogénea.



Referencias

1.  Duchase, Pierre. 1965. Las Grandes Filosofías. Editorial Diana.

2.  Escalona T., O., Briceño M. 2002. El electromagnetismo. CELCIEC, ULA.

3. Guisasola J., y Furió C. 2004. Las actividades de investigación orientada como estrategia de enseñanza de la electrostática en cursos preuniversitarios: de una visión pre-newtoniana a una teoría del campo eléctrico. Didáctica de las Ciencias. Nuevas Perspectivas. Edit. Pueblo y Educación, La Habana, Cuba.

4. Humboldt, W. 1980. Viaje a las Regiones Equinocciales Del Nuevo Continente. El Nacional

5.  Kartsev, V. P.,  Tres milenios del Imán. Disponible en: http://www.geocities.com/tresmileniosdeliman/index.html

6. Lockard, D. 1977. Construcción de Material Didáctico para la Enseñanza de Ciencias.   T III Física, Editorial Guadalupe, Argentina.

7.  Pérez, C. 2004. Reflexiones de un Docente. En la Ciencia, CENAMEC, Vol.14

8. UNESCO. 1966. Manual de la UNESCO para la Enseñanza de las Ciencias. Ed. Sudamericana, Buenos Aires.




2 comentarios:

  1. yo qisiera ver la tabla de tribo electrica

    ResponderEliminar
  2. Soledad, te sugiero pulsar sobre la imagen correspondiente para aumentar su tamaño y poderla visualizar bien. Si esto no funciona, entonces busca la lista de imágenes de Tabla Tribo eléctrica directamente en Google. Gracias por utilizar el material.

    ResponderEliminar