ELECTROSTTICA

Introduccin

Marco Terico

Los materiales se cargan cuando existe una

transferencia de electrones de un cuerpo a otro. Esto se

puede realizar por frotamiento, contacto o induccin.

Carga por frotamiento

Aunque los electrones internos de un tomo son

fuertemente atrados por el ncleo, los electrones externos

de muchos ncleos sienten una atraccin dbil y es fcil

extraerlos. La cantidad de energa que se requiere para

arrancar un electrn de un tomo vara de una sustancia a

otra, as al frotar dos cuerpos con diferente afinidad por sus electrones uno tender a perder sus electrones y otro a

ganarlos. A partir de esta propiedad de la materia se

constituye la serie triboelctrica en la cual los materiales

ms positivos en la tabla son los que tienden a perder sus

electrones cuando entran en contacto con otros cuerpos y los

ms negativos son aquellos que tienden a capturar

electrones. Algunos ejemplos de materiales ordenados de

positivo a negativo segn dicha serie son: piel de conejo,

vidrio, cabello humano, nylon, lana, piel de gato, seda,

papel, algodn, madera, mbar, polyester, poliuretano,

vinilo, tefln.

El vidrio frotado con seda provoca una separacin de

cargas porque ambos materiales ocupan posiciones distintas

en la serie triboelctrica, el vidrio le entrega electrones a la

seda cargndose positivamente y la seda captura los

electrones cargndose negativamente. Lo mismo se puede

decir del mbar y de la lana. Cuando dos materiales no

conductores entran en contacto, uno de ellos puede capturar

electrones del otro. La cantidad de carga depende de la

naturaleza de los materiales (de su separacin en la serie

triboelctrica), y del rea de la superficie que entra en

contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de

las superficies (si son lisas o rugosas) pues las impurezas en

las superficies proporcionan un camino para que las cargas

se recombinen.

Los cuerpos que se cargan por frotamiento son

dielctricos, pues si fueran conductores, al ser tomados por

el experimentador no podran conservar la carga.

Carga por contacto

Se pueden transferir electrones de un material a

otro por simple contacto. Cuando un objeto cargado toca a

uno neutro una parte de la carga se transfiere a este ltimo.

Si el objeto neutro es buen conductor la carga se distribuye

en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen

entre s. Si se trata de un mal conductor puede ser necesario

tocar varias partes del objeto neutro para lograr una

distribucin de carga ms o menos uniforme.

La denominada puesta a tierra es un ejemplo de carga por contacto (o descarga por contacto), en el cual un conductor cargado se pone en contacto con la tierra, dando

lugar a una trayectoria para que los electrones puedan

escapar del conductor hacia la tierra, un depsito infinito de

carga.

Carga por induccin

Cuando un objeto cargado se acerca a un conductor

neutro, se induce una redistribucin de las cargas en el

objeto neutro de forma tal que en la parte ms cercana al

objeto cargado, se ubican las cargas de signo contrario a las

del objeto cargado y en la parte opuesta, las cargas del

mismo signo. Esta redistribucin no produce ningn cambio

en la carga neta (slo una atraccin entre los cuerpos), pero

si la superficie metlica es descargada por contacto entonces

se deja una carga neta.

Cuando el objeto cargado se acerca a un aislante neutro

los electrones no pueden moverse libremente. Sin embargo,

por induccin, se produce una redistribucin de las

posiciones de las cargas dentro de los propios tomos y

molculas que constituyen el material: un lado se hace

ligeramente ms negativo (o positivo) que el lado opuesto y

se dice entonces que el tomo o molcula estn

elctricamente polarizados. Conjuntamente, dichas

partculas polarizadas se reorientan de forma tal que la

superficie del aislante que est cerca del objeto cargado se

carga en forma opuesta, y la superficie ms alejada con

igual carga. Como la fuerza de atraccin hacia la carga ms

cercana es mayor que la fuerza de repulsin hacia a carga

ms alejada, la proximidad prevalece y hay atraccin neta

entre el objeto cargado y el aislante neutro.

UNIVERSIDAD TCNICA FEDERICO SANTA MARA

CAMPUS SANTIAGO

LABORATORIO FIS 119 / FIS 120

PRIMER SEMESTRE 2015

Generador de Van De Graaff.

El generador de Van de Graaff es una mquina

electrosttica que utiliza una cinta mvil para transportar

carga elctrica hasta la parte interna de la esfera metlica

hueca, donde por efecto Faraday es desplazada hasta la parte

externa de la esfera.

Figura 1: Diagrama esquemtico de un generador de Van de

Graaff.

Si un conductor cargado se coloca en contacto con el

interior de un conductor hueco, la carga del primer

conductor se transfiere al conductor hueco. Es posible

incrementar la carga en el conductor hueco y su potencial,

repitiendo el proceso.

En 1929 Robert J. Van de Graaff aplic este principio

para disear y construir un generador. El esquema bsico de

funcionamiento del generador se muestra en la Figura 1.

Este equipo entrega de forma continua carga a un electrodo

de alto voltaje (esfera metlica) que est ubicado sobre una

banda mvil de material aislante. Una cinta transportadora

recoge carga producida por medio de una descarga corona

entre el peine ionizador de agujas metlicas y una rejilla

conectada a tierra en la base del generador. Las agujas

normalmente se mantienen a un potencial positivo de 104 voltios. La carga positiva se transfiere al electrodo de alto

voltaje por medio de un segundo peine colector de agujas

que se encuentra en la parte superior del generador. Como el

campo elctrico en el interior del conductor hueco es

despreciable, la carga positiva de la banda se transfiere con

facilidad hacia el electrodo de alto voltaje, sin importar su

potencial. Es posible por lo tanto, incrementar el potencial

del electrodo de alto voltaje hasta que se presenta una

descarga elctrica a travs del aire. Dado que la tensin de

ruptura dielctrica del aire es del orden de 3 106[

] , una

esfera de 1 [m] de radio puede alcanzar hasta un potencial

de 3 106[]. Al aumentar el radio del casco del generador se puede incrementar el potencial.

Generador de Wimshurt.

El generador o mquina de wimshurt usa la induccin

electrosttica para separar cargas positivas y negativas,

creando voltajes muy altos.

Figura 2: Diagrama esquemtico de un generador de

Wimshurt.

Un disco acrlico con laminillas metlicas cerca de su

borde exterior est montado de forma que cuando se gira

una manivela pueda rotar. Sobre el disco de acrlico se

ubican dos cascarones metlicos que estn doblados

alrededor del borde, en extremos opuestos del disco. Y una

barra metlica con escobillas conductoras en sus extremos

toca dos laminillas.

Se debe suponer que los dos cascarones metlicos

comienzan con una pequea diferencia de carga de modo

que uno sea mas positivo que el otro, esta diferencia de

carga induce carga sobre las dos laminillas que estn en

contacto con las escobillas, cuando el disco rota estas

laminillas pierden el contacto con las escobillas y cada una

de ellas queda con una pequea carga opuesta a las del

cascaron metlico de ese lado, cada una de las siguientes

laminillas sale con la misma carga, cuando estas laminillas

cargadas alcanzan el centro del cascaron opuesto hacen

contacto con una escobilla conductora dentro del cascaron y

entregan su carga al cascaron.

A medida que la carga se acumula en los cascarones el

proceso de induccin se vuelve mas intenso.

Si se conectan unas varillas de descarga a los

cascarones, saltara una chispa entre ellos reduciendo su

carga y comenzando de nuevo el ciclo.

Electroscopio de Hoja de oro

Consiste en una lmina de oro muy delgada, unida a

una barra conductora, las cuales estn aisladas de las

corrientes de aire por una cubierta cilndrica con ventanas de

vidrio. La barra est conectada a una esfera en la parte

superior aislada del cuerpo a travs de una barra de mbar o

ebonita. Cuando se suministra carga a la esfera, la repulsin

de las cargas iguales de la barra y la hoja de oro provoca que

la hoja se aparte de la barra.

Figura 3: Diagrama esquemtico de un electroscopio.

El Marco Terico presentado aqu debe ser

complementado con el estudio de los siguientes textos:

Anexo:

- Anlisis y Teora del Error Experimental

Libros de consulta:

Sears, Zemansky, Young, Freedman. Fsica

Universitaria Volumen II Electromagnetismo. Dcimo

segunda edicin. Secciones: 21.1 y 21.2.

Objetivos

Comprobar los mtodos para producir carga elctrica.

Estudiar el fenmeno de induccin electrosttica.

Comprobar el funcionamiento de un generador de Van De Graaff.

Comprobar el funcionamiento de un generador de Wimshurt.

Desarrollo Experimental

Produccin de carga positiva y negativa.

Acerque la varilla de vidrio sin frotar al electrodo

central del electroscopio. Observe lo que sucede a las

laminillas del electroscopio?

Ahora frote vigorosamente la varilla de vidrio con la

tela de seda y nuevamente acerque la varilla al electrodo

central del electroscopio. Qu le sucede a las laminillas del

electroscopio?, analice y comente.

Toque el electrodo central del electroscopio con la

varilla de vidrio previamente frotada con seda. Analice lo

observado.

Descargue el electroscopio tocando con su mano el

electrodo central.

Repita los pasos anteriores utilizando una varilla de

plstico (PVC) frotado con seda y para una varilla de

acrlico frotada tambin con seda.

Determinacin del tipo de carga que tiene un cuerpo.

Frote vigorosamente la varilla de plstico con la

lana y toque el electrodo central del electroscopio.

Mientras el electroscopio est cargado, frote la

varilla de vidrio con la tela de seda y acrquela sin tocar el

electrodo central. En caso de que las laminillas del

electroscopio se abriesen ms, la varilla tendr carga del

mismo signo que la del electroscopio. En caso contrario la

varilla tendr signo opuesto.

Repita el paso anterior para el caso en que la varilla

sea de acrlico.

Induccin electrosttica (electrforo).

En esta parte de la experiencia se estudiar el fenmeno

de carga por induccin utilizando un electrforo.

Para comenzar se debe producir una carga esttica

mediante frotacin sobre la superficie de acrlico

proporcionada, para ello utilice el pao de lana

suministrado.

Una vez cargada estticamente la superficie de acrlico,

ponga en contacto el disco de aluminio con la superficie del

acrlico (paso 3 de la figura 4), toque por un segundo la

superficie de la placa de aluminio con sus dedos y retire la

mano (paso 4 de la figura 4), luego tome la placa de

aluminio del mango aislante teniendo la precaucin de no

tocar la parte metlica, acrquelo (sin tocarlo) al

electroscopio que posee la placa de aluminio, y observe lo

que pasa con las laminillas, ahora aljelo y nuevamente

observe lo acontecido, comente y analice.

Repita el procedimiento de carga por induccin pero

ahora toque el electroscopio con el disco de aluminio,

observe, nuevamente cargue el disco de aluminio y repita lo

anterior, observe y analice.

Figura 4: Diagrama esquemtico del procedimiento de carga

por induccin.

Jaula de Faraday. Utilice la esfera de plumavit suspendida en el hilo

de seda y la varilla de acrlico o plstico cargadas por

frotamiento con un pao de lana, acerque la varilla a la

esfera de plumavit y observe, luego introduzca la esfera en

la jaula de Faraday y repita el procedimiento anterior.

Analice y comente.

Generador de Van de Graaff. En esta parte de la experiencia se pide prestar la

mayor atencin posible a los fenmenos mostrados por el

ayudante con el generador de Van de Graaff.

Generador de Wimshurt.

En esta parte de la experiencia se pide prestar la

mayor atencin posible a los fenmenos mostrados por el

ayudante con la mquina de Wimshurt.

Bibliografa

Sears, Zemansky, Young, Freedman. Fsica Universitaria Volumen II Electromagnetismo. Dcimo

segunda edicin.

Tippens. Fsica Conceptos y Aplicaciones. Sexta edicin.

Michelina M. Pincelli. Electrosttica: experiencias simples para incorporar conceptos bsicos, Red

Creativa de Ciencia.