Revista Colombiana de Física, vol. , No. de 20

El ElectroscopioThe electroscope

Laura Rodríguez1, Lizeth Camacho2, Daniela Morales3

1Ingenieria Ambiental, Universidad de La Salle.2Ingeniería Industrial, Universidad Tal por Cual.

3Ingeniería Ambiental, Universidad de la Salle

Fecha práctica Febrero 22 ; Fecha entrega de informe 1 de Marzo

ResumenEl objetivo general de esta práctica es observar la presencia de la fuerza entre cargas eléctricas, deduciendo en forma expe-rimental la existencia de las cargas positivas y negativas, analizando el comportamiento de ciertos materiales conductores y aislantes. Para llevar a cabo este objetivo; es necesario hacer uso de un electroscopio para detectar las cargas eléctricas y observar sus distintas propiedades. Adicionalmente se requiere hacer uso de una barra de vidrio y ebonita las cuales se cargan mediante frotamiento y permiten analizar la carga presente en el electroscopio. Al observar los distintos fenómenos se concluye que tanto la barra de ebonita como la de vidrio cargan positivamente el electroscopio dada la abertura de las laminillas del mismo; adicionalmente se comprueba que el polo a tierra descarga el electroscopio debido a la atracción que siente la carga positiva hacia la gran carga de electrones del polo; asimismo se identifica la conductividad de materiales como el metal y el hilo; y la no conductividad de la madera dado el efectomínimo que se generaba en el montaje utilizado.

Palabras claves: Electroscopio, Naturaleza de Cargas, Atracción y Repulsión

AbstractThe overall objective of this lab is to observe the presence of the force between electric charges, less experimentally the existence of positive and negative charges, analyzing the behavior of certain conductors and insulators. To accomplish this goal, it is necessary to use an electroscope to detect electrical charges and observe their various properties. Additionally required to use a glass rod and ebonite which are charged by rubbing and to analyze the load on the electroscope. By observing the various phenomena is concluded that both, glass and ebonite charged the electroscope positively, that is verified by the opening of the lamellae of it, additionally it is found that when grounding the electroscope is discharged due to the attraction of the positive charge to the pole electron; also is was possible to identify the conductivity of materials such as metal and the thread, and the non conductivity of the wood observed by the almost invisible effect that was generated in the assembly.

Keywords: Electroscope, Charge Properties, Atraction and repulsion

© 2013 Revista Colombiana de Física. Todos los derechos reservados.

1. Introducción

Una de las cuatro fuerzas fundamentales es la fuerza eléctri-ca. Esta se encuentra en cada una de las interacciones entre partículas que poseen carga negativa o positiva; estas pue-den sentir una fuerza de atracción o repulsión dependiendo la carga que cada una posea. Para analizar este comporta-miento a nivel experimental dada la importancia de las

cargas eléctricas y su presencia indiscutible en cada interac-ción atómica; se hace necesario observar y verificar la exis-tencia de estas cargas usando de un electroscopio y distin-tas barras con cierta carga, permitiendo de esta forma, iden-tificar las diferentes propiedades de las cargas eléctricas por medio del comportamiento de las láminas del electroscopio. Adicionalmente, se hace necesario ver el comportamiento de las cargas cuando se hace polo a tierra, en este caso se

1

RevColFis, Vol. , No. de 20

refiere al contacto con el dedo sobre el electroscopio, por lo que es necesario realizar un procedimiento adecuado y ob-servar el fenómeno detalladamente. Otro de los objetivos de la práctica es identificar y observar el comportamiento de los materiales conductores y no conductores comprobando la definición teórica de los mismos al observar el fenómeno que se produce en un montaje que consta de dos electrosco-pios. A continuación se presenta el marco teórico con la informa-ción requerida para realizar esete experimento; adicional-mente se presenta el procedimiento además de un análisis de resultados permitiendo así generar las conclusiones co-rrespondientes a los objetivos presentados con anterioridad.

2. Marco teórico

Cargas eléctricas

Las cargas eléctricas son partículas que ejercen fuerzas atractivas y repulsivas entre ellas. Por ser partículas, tienen una masa que se opone a ser acelerada por fuerza alguna, y sufre la atracción gravitacional del centro de la Tierra, como todos los demás cuerpos sobre la superficie del mundo.En una serie de experimentos simples, se encontró que existen dos tipos de carga; a las que se les dieron nombres de positivas y negativas por Benjamin Franklin[2]. Se iden-tifica la carga negativa como aquella que poseen los elec-trones y la carga positiva la que poseen los protones. Al realizar un experimento simple con tela y vidrio es posible concluir que las cargas del mismo signo se atraen entre síLas cargas tienen las siguientes propiedades fundamentales:

Hay dos tipos de carga en la naturaleza; cargas del mismo signo se repelen y cargas del signo contra-rio se atraen.

La carga total en un sistema aislado es conservada. La carga esta cuantizada.

Si unimos varias cargas pueden formarse partículas neutras a condición de tomar la misma cantidad de carga positiva que de carga negativa. Las partículas neutras tienen una compensación casi total de la fuerza eléctrica positiva con la negativa.

Figura 1. Cargas eléctricas.

Materiales conductores y aislantes

Los conductores eléctricos son materiales en donde algunos electrones son libres que no están unidos a los átomos y pueden moverse libremente a través del material; los aisla-dores eléctricos son materiales donde los electrones están ligados a los átomos y no pueden moverse libremente a través del material.Los materiales como vidrio, goma y madera se encuentran en la categoría de los aisladores eléctricos. Cuando los ma-teriales que se cargan por frotamiento, sólo el área frotada se carga, y las partículas cargadas son incapaces de moverse a otras regiones del material.En contraste, los materiales tales como el cobre, el aluminio y la plata son buenos conductores eléctricos.Los semiconductores son una tercera clase de materiales y sus propiedades eléctricas son intermedias entre las de los aisladores y los de los conductores. El silicio y germanio son ejemplos bien conocidos de semiconductores usados co-múnmente en la fabricación de una variedad de chips elec-trónicos utilizados en los ordenadores, teléfonos celulares, y equipos estéreo.

2

Autor principal et al.: Titulo

Figura 2. Materiales Conductores

Figura 3. Materiales Aislantes

Electrizacion por contacto

Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previa-mente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. Electrizacion por frotamiento

Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un tras-paso de electrones del paño a al lápiz.

Electrización por inducción

Cargar un un objeto por inducción no requiere contacto con el objeto inductivo. Esto está en contraste con un objeto de carga por frotamiento (es decir, por conducción), que requiere el contacto entre los dos objetos.

Electroscopio

Se trata de un dispositivo que se utiliza para detectar si un objeto se carga o sin carga. También es determinar el tipo de carga.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. La vari-lla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de metal en contacto con tie-rra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el

objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polariza-ción, vuelven a su posición normal.Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan signi-fica que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Figura 4. Electroscopio

3. Montaje, procedimiento y toma de Datos

En primer lugar, para poder realizar los diferentes pasos se requiere hacer uso de un electroscopio; una barra de eboni-ta, una barra de vidrio, adicionalmente se debe usar un pe-dazo de seda y de paño para provocar la carga por induc-ción. En primer lugar; se toma la barra de ebonita y se frota fuer-temente con el pedazo de paño; observando y anotando lo que ocurre. Seguidamente se frota nuevamente la barra y se observa de nuevo el comportamiento. Posteriorermente se debe cargar la barra de ebonita y tocarla con el dedo (polo a tierra) se debe diagramar y anotar las observaciones.Después se debe cargar el electroscopio con una barra de ebonita; acercando luego de retirarla una barra de vidrio y se debe anotar lo que sucede; realizar el procedimiento de la forma contraria describiendo lo sucedido.

Adicionalmente, se deben realizar tres montajes donde se pretende identificar los materiales conductores y los no conductores; para esto se trabajará con cobre, pita y madera y se deberá unir dos electroscopios por medio de estos ma-teriales; cargarlos por medio de la barra de ebonita y obser-var y describir el fenómeno ocurrido.

3

RevColFis, Vol. , No. de 20

Figura 5. Materiales a utilizar

4. Tablas, Gráficas y Análisis de Resultados

En el primer montaje; donde se acerca la barra de ebonita a la esfera se observa que las laminillas se abren en una pe-queña proporción; dado este resultado se puede decir que el electroscopio está cargado por inducción dada la falta de contacto entre la barra y el electroscopio; se puede conside-rar que el plástico es un elemento con carga negativa y  al acercar la barra frotada se distribuyen las cargas en el elec-troscopio alejándose las cargas negativas, concentrandose carga negativa en la parte inferior de la varilla metálica y en la laminilla , y como consecuencia ésta se separa .

Figura 7. Barra de ebonita cargada con lana haciendo carga por inducción.

Al realizar el segundo paso; donde se toca la barra de eboni-ta cargada tocando la esfera (carga por contacto) se obtiene

el mismo resultado que en el procedimiento anterior; esto demuestra que al cargar un electroscopio con una barra de ebonita la cual tiene carga negativa las laminillas se separa-rán probando así que el electroscopio tiene carga negativa.

Figura 8. Carga por contacto con barra de ebonita.

Al realizar los procedimientos anteriores con una barra de vidrio cargada con seda; se observa que es bastante compli-cado analizar un resultado dada la facilidad con que el vi-drio se descarga, por lo cual fue necesario sumergir la barra en agua a cierta temperatura para poder generar un fenó-meno visible. Adicionalmente se puede ver que la seda no produce efecto alguno por lo que se decide frotar la barra con paño.

Haciendo el procedimiento por inducción se observa que como la barra tiene carga positiva; las laminillas se separan evidenciando así la carga positiva del electroscopio.  Al acercar la barra se distribuyen las cargas en el electroscopio acercándose las cargas negativas concentrandose carga positiva en la parte inferior de la varilla metálica y en la laminilla, y como consecuencia ésta se separa.

4

Autor principal et al.: Titulo

Figura 9. Barra de vidrio cargando electroscopio por induc-ción.

Asimismo, al tocar la esfera con la barra de vidrio previa-mente cargada se observa que las laminillas se separan produciendo una carga positiva como se describía anterior-mente, en este caso, se dice que hay una transferencia de electrones; quedando el electroscopio con carga positiva (defecto de electrones).

En el procedimiento donde se hace polo a tierra, cargando en primer lugar la barra de ebonita con la lana; se observa que las laminillas se separan; pero al poner el dedo tocando la esfera las laminillas vuelven a su estado natural, proban-do que inicialmerente, el electroscopio estaba cargado por la barra, pero al hacer polo a tierra se produce una descarga de electrones dado que nuestro cuerpo es un buen conductor y permite el fácil movimiento de los mismos.

Figura 10. Polo a tierra con barra de ebonita

Realizando el mismo procedimiento con vidrio, se observa que sucede lo mismo; se genera una descarga del electros-copio previamente cargado dada la atracción de la carga positiva del electroscopio al polo a tierra.

Al realizar carga por inducción con las dos barras, usando primero la de ebonita y luego acercando la de vidrio, se observa que inicialmente el electroscopio se carga, pero al acercar la barra de vidrio las laminillas se acercan; mostran-do así que las barras tienen signo contrario y por lo tanto se genera un equilibrio entre las cargas.Haciendo este mismo procedimiento pero de forma contraria se observa que ini-cialmente la barra de vidrio genera una pequeña separación y la de ebonita hace que se acerquen, se ve como nueva-mente las laminillas se acercan por el motivo expuesto ante-riormente.Por lo que es posible identificar la existencia de dos cargas eléctricas con diferente naturaleza; quienes en las condicio-nes ideales generan un equilibrio sobre un objeto.

En las observaciones siguientes, donde se procedía a cargar el electroscopio por inducción y haciendo polo a tierra se observan las siguientes situaciones:

Al acercar la barra de ebonita al electroscopio este se carga, al hacer polo a tierra se descarga, al quitar este, las lamini-llas se abren nuevamente y al retirar la barra se cierran. Esto se debe a que al mantener la barra frotada cerca del elec-troscopio y tocando con un dedo la esfera del mismo, las cargas de la varilla metálica y de la laminilla tienden a ale-jarse lo más posible de la barra cargada, y por tanto van a tierra; en consecuencia, se juntan de nuevo la varilla metáli-ca y la laminilla de oro. En el momento de retirar la barra de ebonita se observa que las cargas de la esfera tratan de ale-jarse unas de las otras, produciendo la separación de la laminilla de oro de la varilla metálica. Queda así el electros-copio cargado con cargas de signo contrario al de la barra acercada.

Figura 11. Electroscopio cargado por inducción.

Al efectuar primero contacto con la barra de vidrio las lami-nillas se abren, al poner polo a tierra se cierran, al quitar este polo siguen cerradas y al quitar el contacto se evidencia el mismo fenómeno; esto demuestra que el polo a tierra no solo genero efectos en el electroscopio sino que adicional-mente; descargó la barra de vidrio, por lo que esta no tuvo la carga para generar el efecto que se había observado en los experimentos anteriores.

Figura 12. Carga electroscopio con barra de vidrio.

Al realizar el procedimiento con barra de ebonita retirando primero la barra y luego el polo a tierra se observa que al final, el electroscopio quedará con carga negativa, dado que fue descargado por el polo a tierra y al retirar la barra este continúa con las laminillas cerradas por lo que se encuentra cargado negativamente.

Procedimientos con materiales conductores y aislantes:

5

RevColFis, Vol. , No. de 20

Al unir dos electroscopios por medio de alambre y acercan-do la barra de ebonita a uno de ellos se observa que las laminillas se abren en ambos instrumentos por lo que se evidencia que hay una transferencia de carga por medio del alambre, demostrando así la alta conducividad del metal. Asimismo, al acercar la barra de ebonita a la mitad del alambre las laminillas de ambos electroscopios se abren por lo dicho anteriormente.

Figura 13. Montaje de electroscopios por medio de alam-bre.

Al realizar el montaje anterior pero con una pita, se observa el mismo fenómeno anterior, por lo que la pita también es un elemento conductor.

Figura 14. Montaje con pita

Finalmente, en el montaje realizado con una regla de made-ra; se observa que no hay transferencia de carga, por lo que es posible concluir que la madera es un material aislante.

Figura 15. Montaje con regla de madera.

5. Conclusiones

Las cargas eléctricas pueden ser de naturaleza positiva o negativa. Al cargar una barra de vidrio con paño, y una barra de ebonita con lana, se observa que tanto la carga inducida como por contacto con respecto al electroscopio es positiva, dado que las laminillas de oro del electroscopio se abrieron, sintiendo repulsión entre ellas como se observa cuando hay dos cargas positivas.

Cuando se hace polo a tierra en presencia de una carga que afecta al electroscopio, ocurre una descarga eléctrica debido a la fuerte atracción que sienten las cargas positivas tanto de la barra de vidrio y la barra de ebonita, a la gran cantidad de electrones presentes en el cuerpo humano.

Al utilizar un montaje de dos electroscopios conectados por materiales como el metal y el hilo en presencia de una carga positiva como la de una barra de ebonita, se origina la trans-ferencia de carga en ambos electroscopios por igual, com-probando la conductividad de estos materiales dado el libre movimiento de los electrones.

Al utilizar un montaje donde la madera sea el material que tiene la función de realizar la transferencia de electrones, se observa que esta tarea no se lleva a cabo gracias a la no conductividad de la madera y la no transferencia de electro-nes de la barra de ebonita a los electroscopios. Adicionalmente se observa que un objeto cargado negativa-mente, cargará positivamente a otro si lo hace por induc-ción, así un objeto cargado positivamente, lo cargará negati-vamente. En general, si se carga un objeto por inducción, éste quedará cargado con el signo contrario del objeto que lo está cargando.

6

Autor principal et al.: Titulo

 La facilidad con que un cuerpo adquiere una carga electros-tática depende no sólo de sus propiedades sino también de las características del medio ambiente, además del material del elemento y la facilidad con la cual este se descarge.

Al cargar un electroscopio por inducción se puede concluir que un cuerpo se carga con cargas contrarias a las del cuer-po inductor. Dado que una vez cargado el electroscopio, si se acerca de nuevo la barra cargada, la laminilla tiende a juntarse con la varilla metálica.

Referencias

[1]. Fondo de Cultura Económica. Biblioteca Virtual “Qué son las cargas?”. Consultado el 1 de febrero de 2013. http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/44/htm/sec_3.html

[2]. Serway R. Física para Ciencias e Ingeneiría, Vol. 1, Septi-ma Edición, Cengage Learning Editores, Mexico, 2008.

[3]. Luque, Mauricio.Forma de cargar un cuerpo. Consultado el 12 de Febrero de 2013. http://www.solociencia.com/fisica/carga-electrica-forma-cargar-cuerpo.htm

[4]. Aristizabal, Miguel. Cargar un electroscopio por inducción.2008. Consultado el 15 de Febrero de 2013. http://www.calasanz-medellin.edu.co/laboratorios/web_laboratorios/ludiciencias/videos/electromagnetismo/electroscopio/cargar_electroscopio_induccion/carga_induccion.html

7