CARGA ELÉCTRICA "ELECTROSCOPIO"

Introducción

El hombre atreves de la historia ha tenido grandes dudas acerca de los fenómenos que rodean su existir, atreves de los diferentes cursos de física se han explicado cómo funcionan, las fuerzas, los fluidos, pero con respecto al a electricidad que se sabe?, acá se explicara la parte fundamental de estos fenómenos para sabes porque dos cargas se repelen o se atraen, quien descubrió esto, como fue que el hombre utilizo estos conceptos para mejorar su vida, acá se explicara la funcionalidad de la carga eléctrica de una partícula y cómo reacciona en un material.

¿Qué es la carga eléctrica?,  ¿Que es un conductor o aislantes?, ¿Que aparato sirve para observar estos fenómenos físicos?, ¿qué tipos de cargas hay? ¿Qué principios o leyes rigen estas cargas?, 

Primero definir ¿qué es una carga eléctrica? Se define como una propiedad de la materia que permite contar o cuantificar la ganancia o pérdida de electrones, la carga eléctrica que se denominará como “q” tiene dos posibles calificaciones, la carga eléctrica negativa que consta de más electrones en su átomo y la carga eléctrica positiva que consta de más protones en su átomo, estos conceptos o nombres de cargas positivas o negativas se deben al estadounidense Benjamín Franklin. [2] [1]

El estudio de la interacción de estas cargas es la parte fundamental en el estudio de fenómenos eléctricos mucho más grandes. [3]

Imagen [1]  esta imagen muestra como reacción las partículas con sus diferentes cargas.

Una característica  importante que vale resaltar de la carga es que la carga eléctrica siempre se conserva, es decir que si dos objetos están con carga neutra por más que se rosen no van a crear carga.

En 1909 Robert Millikan postulo y dijo que si un objeto está cargado, su carga siempre será un múltiplo de la carga elemental la cual la denoto como “e” de esta manera se dice que se cuantizo la carga eléctrica. [4]

Pero al saber que las cargas eléctricas están presentes en los cuerpos, porque se ve que en algunos cuerpos la carga eléctrica se mueve con más libertad que en los otros? Acá es donde se introduce el concepto de materiales conductores y materiales aislantes.

Los materiales conductores son definidos como aquellos donde su carga eléctrica tiene la facilidad de un movimiento libre por todo el cuerpo, en cambio en los aislantes, la carga es forzada y su libertad es restringida tendiendo a ser aproximadamente  a ninguna. Un ejemplo práctico es tomar un elemento aislante ya sea como vidrio o caucho y cargarlos por medio de frotamiento, la hacerlo se observa el fenómeno que solo la parte frotada quedo cargada, por lo contrario si tomamos un conductor como el cobre o el aluminio y se carga de la misma manera, la carga se distribuirá y viajara por todo el cuerpo sin ninguna restricción. Pero como ay elementos con facilidad y dificultad de mover carga eléctrica también ay unos materiales que están en el medio, es decir los semiconductores que no tienen la afinidad para dejar viajar la carga libremente, pero tienen más libertad que los aislantes, un ejemplo de estos son el silicio y el magnesio. [3]

Imagen [2]. En la caricatura muestra de una manera dinámica como el electrón viaja en los diferentes tipos de materiales.

Pero al hablar de elementos cargados, debe haber una manera de cargar los elementos, acá es donde se habla de carga por conducción y carga por inducción.

La carga por conducción consta de que cuando se tiene un material neutro y se le pone en contacto con un elemento cargado, el elemento neutro queda  cargado con el signo de la carga del elemento cargado, es decir si se tiene un elemento neutro, y se poner en contacto con una carga positiva, los dos quedan cargados positivamente [4].

Imagen [3]. Acá se observa como un elemento cargado positivamente va a cargar a una esfera con carga neutra, por conducción.

La Carga por inducción consta de conectar un conductor al suelo por medio de un alambre conductor, ya que cuando se dice que está conectado  tierra  se considera como una fuente de infinitos electrones. En este tipo de carga no es para nada necesario el contacto con el objeto que induce la carga. [3]

Imagen [4] en la imagen se muestra como la carga de tierra al elemento es trasmitida.

Ya ejemplificados y explicados los tipos  de carga, en que elementos es más fácil el transporte de estos y el tipo de carga, se entra mencionar la ley basada en el observa miento de estos experimentos atreves de un largo tiempo, la ley de Coulomb.[3]

La ley fundamental de la fuera eléctrica entre dos partículas entre dos partículas estacionarias con carga se dice que:

      ( 1.)    Una fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la separación, r , entre las dos partículas.

     ( 2.)    La fuerza eléctrica es proporcional al producto de las magnitudes de las cargas, q1 y q2, de las dos partículas.

     ( 3.)    La fuerza eléctrica es de atracción si las cargas son de sentido contrario, de repulsión si son del mismo signo.

Con base a esta ley y años de observación de los experimentos y fenómenos se llegó a la siguiente formula que relaciona la carga entre dos partículas a una cierta distancia r. [3]

Imagen [5]. Esta es la fórmula que expresa la ley de coulomb donde k es  la constante de coulomb.

Teniendo en cuenta la ley de coulomb ay otro concepto que se debe definir para poder entender la práctica y es campo eléctrico.

Se puede definir un campo eléctrico como la región del espacio que rodea un objeto con una carga, cuando un objeto que está cargado, surgen ciertas fuerzas naturales. [3]

Imagen [6] en la imagen se muestra el comportamiento general de un campo eléctrico

Por ultimo para ver cómo reaccionan las cargas deben haber diferentes maneras u elementos que nos ayuden a comprender estos fenómenos, acá es donde hablaremos del electroscopio.

¿Qué es un electroscopio?, es un aparato que permite observar e identificar campos eléctricos, además de identificar su signo. [5]

Imagen [7] un electroscopio sencillo con sus respectivas partes.

Su funcionamiento es bastante simple se le acerca un objeto cargado a la bola de aluminio, dependiendo de cómo este cargado el electroscopio, las hojillas o pan de oro se separaran o  se unirán, eso depende de cómo este cargado. Si el elemento no está cargado pue s las  hojillas no se moverán, acá es fácil observar la le de coulomb y los campos eléctricos. [5]

Objetivos de la practica experimental

General

-       Analizar el concepto de carga eléctrica en un contorno experimental y cotidiano.

Específicos:

-       Comprobar los métodos utilizados para descubrir el concepto o definición de carga en la antigüedad.

-       Comprender el concepto de flujo de carga por medio de movimiento.

Materiales:

Barra de Ebonita, Electroscopio, Barra de vidrio, Bolas de poli estireno expandido, hojas de papel.

Imagen [8] Materiales implementados en la practica experimental

Metodología y resultados experimentales

El diagrama de cuerpo libre de electroscopio se ve afectado por la carga que se transmite a sus laminas o pan de oro.

Figura [9] Diagrama de cuerpo libre del electroscopio

Median el proceso de manejo del electroscopio se pudo denotar una pequeña cantidad de movimiento respecto a la manipulación de este mismo. En primer lugar se preparó el electroscopio con dos tipos de materiales conductores y aislante, los cuales fueron dos bolas de poli estireno expandido, una cubierta con grafito y la otra si este último. Se realizó la carga de la varas de los dos distintos materiales  y posteriormente se expuso a los dos materiales conductores de poli estireno expandido. En la práctica experimental de los dos materiales en el electroscopio no se pudo observar ningún tipo de reacción asía este mismo por lo cual se evidencio una gran incertidumbre en el montaje realizado. Uno de los problemas surgidos en este montaje fue no poseer un material de aluminio debajo del electroscopio, el cual permitía un mejor flujo de carga en el pasador de las hojas del electroscopio. Posterior mente se realiza al corte de pequeños trozos de papel, los cuales se atraen al cargar los materiales  y se evidencia una atracción corta asía él. Curiosamente cuando se realizó este procedimiento se vio intervenido otro material ajeno al experimente, el cuales fueron pequeños trozos de madera. Cuando se atrajo  el trozo de madera se vio una atracción con un mayor tiempo de duración que con el papel. Sabiendo eso podemos decir que la madera es un material conductor, pero no tan eficiente como otros. 

A continuación se presentara un vídeo donde se plasma la elaboración casera de un electroscopio y su uso final frente a su proceso de diseño. También mostrara el resultado que no se pudo encontrar en la practica experimental de este informe.

Video [1] Publicacion realizada por GrandadIsAnOldMan 17/02/2013.

Bibliográfica

[2] FISICA, Raymond A. Segway, James Madison University,capitulor 6. 

[3] FISICA 5ta edition R.S Faugg, Raymond A. Segway, chapter 15.

[4] Valencia, Harol. Incertidumbre y tratamiento de datos experimentales. Editorial Usta, Bogotá 2012.

[8] Paul E. Tippens (2011) Física, Conceptos y Aplicaciones Séptima Edición Revisada-Paginas 658-675.

Infografia

[1] http://misdeberes.es/tarea/229204 visto el 31 de agosto de 2014

http://gemini.udistrital.edu.co/comunidad/grupos/gispud/RAIZDC/contenidoprogramatico/capitulo1/carga.html visto el 31 de Agosto de 2014

[6] http://es.slideshare.net/anthonyestl/electroscopio-16476868 visto el 30 de agosto de 2014

Imagen [1]

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Imagen [2]

https://www.google.com.co/search?q=conductores+aislantes+y+semiconductores&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=jEYDVMvwFoK8ggSY94HwCw&ved=0CAYQ_AUoAQ&biw=1093&bih=527#facrc=_&imgdii=Jje57FSwIYTr7M%3A%3BXvgkmJkqspJQ2M%3BJje57FSwIYTr7M%3A&imgrc=Jje57FSwIYTr7M%253A%3B0OJKsyB0F0-saM%3Bhttp%253A%252F%252F4.bp.blogspot.com%252F_Z01nW7HF8gU%252FTUMirymrUOI%252FAAAAAAAAAAU%252FsWNjeDkhd8U%252Fs1600%252Felectrones%252B04.jpg%3Bhttp%253A%252F%252Felectrocomunidad.blogspot.com%252F2011_01_01_archive.html%3B207%3B200

Imagen [3]

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Imagen [4]

https://www.google.com.co/search?q=carga+por+conduccion&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=7kkDVKKFMo_GgwSR6ILgCQ&sqi=2&ved=0CAYQ_AUoAQ&biw=1093&bih=527#q=carga+por+inducci%C3%B3n&spell=1&tbm=isch&facrc=_&imgdii=_&imgrc=RtdhzMg_SKqmjM%253A%3BbDw-L-khuoIAsM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.natureduca.com%252Fimages_fis%252Felec_transferencia.gif%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.natureduca.com%252Ffis_elec_electrost03.php%3B350%3B181

Imagen [5]

https://www.google.com.co/search?q=ley+de+coulomb&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=jE8DVLqDN8ixggT63oDICA&ved=0CAYQ_AUoAQ&biw=1093&bih=527#facrc=_&imgdii=_&imgrc=TmXtLzT8IDS2gM%253A%3Bfnt8P4sp7h5mcM%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.juntadeandalucia.es%252Faverroes%252Fies_carbula%252Ffyq%252FCamposEyB%252FwebEyB%252Fimages%252Fec7_coulomb.gif%3Bhttp%253A%252F%252Fwww.juntadeandalucia.es%252Faverroes%252Fies_carbula%252Ffyq%252FCamposEyB%252FwebEyB%252FintroE.html%3B555%3B253

Imagen [6]

https://www.google.com.co/search?q=electro+escoi&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=tVgDVNrXIs_DggSEhYGoBA&ved=0CAYQ_AUoAQ&biw=1093&bih=527#q=electroscopio&tbm=isch&facrc=_&imgdii=_&imgrc=Grhga2AhAmcZlM%253A%3BuIbU47B-RGWZfM%3Bhttp%253A%252F%252Fmufulafa.files.wordpress.com%252F2010%252F10%252Felectroscopio.jpg%253Fw%253D237%3Bhttp%253A%252F%252Fmufulafa.wordpress.com%252F2010%252F10%252F01%252Felectroscopio%252F%3B237%3B299

Imagen [7]

https://www.google.com.co/search?q=campo+electrico&source=lnms&tbm=isch&sa=X&ei=KlYDVKjPHNWzggSOg4KoCw&sqi=2&ved=0CAYQ_AUoAQ&biw=570&bih=510#facrc=_&imgdii=_&imgrc=hA4v9a1xc1R03M%253A%3BgM88AgZwY93YYM%3Bhttp%253A%252F%252Flh5.ggpht.com%252F_nClT0MyIR-M%252FTDYduSIdLZI%252FAAAAAAAAAsg%252FNcuATKx_GXs%252F%25255BUNSET%25255D.jpg%253Fimgmax%253D800%3Bhttp%253A%252F%252Fjuanmarceloramos.blogspot.com%252F2010%252F07%252Ffisica-ii-prueba-de-campo-electrico.html%3B800%3B419