Isaac Mateo Gavilanes Chávez & Ethan Aaron Guevara López

Universidad de Investigación Experimental Yachay Tech, Escuela de Ciencias Físicas y Nanotecnología.
Urcuquí, Ecuador.
Isaac.gavilanes@yachaytech.edu.ec; Ethan.guevara@yachaytech.edu.ec

2024

Resumen
La práctica actual examina los principios teóricos y prácticos de la electrostática y la magnetostática. El objetivo es estudiar los tipos de cargas eléctricas, comprender la Ley de Coulomb, observar fenómenos de electrostática y magnetostática y determinar patrones de cargas en movimiento y en reposo. También se examina la importancia de la fuerza electromagnética, que es una fuerza fundamental que se presenta en partículas cargadas. Y explica los métodos empleados para electrizar cuerpos mediante frotación, contacto e inducción, así como cómo generar cargas mediante efectos fotoeléctricos y termoeléctricos. Además, se examinan los campos magnéticos creados por las cargas en movimiento y la fuerza magnética resultante. A través de las diversas experiencias de la práctica, se espera que se identifiquen y experimenten con cargas eléctricas y campos magnéticos. utilizando conceptos de electrostática y magnetostática para visualizar y manipular fenómenos electromagnéticos.

Abstract
This practice examines the theoretical and practical principles of electrostatics and magnetostatics. The goal is to study the types of electric charges, understand Coulomb’s Law, observe electrostatic and magnetostatic phenomena, and determine patterns of charges in motion and at rest. It also discusses the importance of the electromagnetic force, which is a fundamental force that occurs in charged particles. And it explains the methods used to electrify bodies by rubbing, contact, and induction, as well as how to generate charges by photoelectric and thermoelectric effects. In addition, the magnetic fields created by the moving charges and the resulting magnetic force are examined. Through the various experiences of the practice, they are expected to identify and experiment with electric charges and magnetic fields. using electrostatic and magnetostatic concepts to visualize and manipulate electromagnetic phenomena.

Introducción

La electroestática y el magnetismo, son dos pilares de la física interconectados, que de manera independiente se dedican al estudio de los fenómenos ligados a las cargas eléctricas y los campos magnéticos. Estos campos de estudio resultan cruciales para comprender una gran cantidad de fenómenos naturales, los cuales han permitido el desarrollo de tecnologías contemporáneas en la electrónica y medicina como lo son las fuentes de energía y sus derivados y las resonancias magnéticas en él. Este informe busca adentrarse en estos temas, explorando las ecuaciones fundamentales que los gobiernan y analizando el estado actual de la investigación en estas áreas.

La electroestática se ocupa del estudio de las cargas eléctricas cuando están en un estado de reposo, esto basado en la observación de que las cargas eléctricas pueden ejercer fuerzas atractivas o repulsivas entre sí [1]. Los cuerpos con el mismo signo de carga eléctrica se repelen, mientras que los cuerpos con signo diferente de carga se atraen.

Este comportamiento dado al interaccionar las cargas se encuentra descrito mediante los postulados de la Ley de Coulomb. Esta establece que la fuerza eléctrica generada entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las magnitudes de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa [1], y se describe mediante la siguiente ecuación.

Debido a que los experimentos desarrollados se basan netamente en el estudio del comportamiento de distintos objetos y materiales a las fuerzas electroestática y magnética también se debe destacar cuales son las formas más comunes para electrizar o cargar a un cuerpo. Los cuerpos neutros se electrizan cuando ganan o pierden electrones, la forma en que esto sucede es mediante un flujo de carga hacia con el cuerpo. Existen 3 maneras principales para cargar a los cuerpos que son por frotamiento, contacto e inducción.

La electrización por frotamiento se da cuando se frotan entre si 2 o más materiales, para que así una de ellos capte los electrones liberados por el otro, dejándolos con una cierta carga neta. Por otro lado, en la electrización por contacto al cuerpo se le dota de una carga positiva y/o negativa al interactuar con otro objeto cargado eléctricamente (inductor), y la última forma siendo por inducción consiste en un fenómeno en el cual un inductor induce una carga eléctrica en otro que se encuentre cercano sin la necesidad de que entren en contacto.

Por otro el magnetismo se ocupa del estudio de los campos magnéticos generados y como estos afectan a los objetos magnéticos y/o eléctricos [2]. Se señala que cualquier objeto en su campo tiene 2 polos, denominados como norte y sur, los cuales se atraen o repelen según la orientación que sigan y este es generado a partir del movimiento de las cargas eléctricas.

La fuerza magnética es un tipo de fuerza fundamental la cual actúa sobre las partículas cargadas al moverse dentro de un campo magnético y esta fuerza generada será perpendicular a la dirección del movimiento de la partícula como al campo asociado [2]. Los campos al ser una representación matemática de la distribución de las fuerzas magnéticas en el espacio alrededor de la fuente están ligado con una ecuación que lo describa y de acuerdo con la Ley de Lorentz que describe a la fuerza magnética es la siguiente

Metodología

Se pretende estudiar la electrostática y la magnetostática al revelar cómo las cargas eléctricas y los campos magnéticos interactúan y se influyen mutuamente. A través de cinco experimentos, se examina el comportamiento de las cargas en reposo y en movimiento, así como la generación y dirección de campos magnéticos. De esta manera, se utilizaron elementos de dos Sets de Física de Phywe de Magnetostática y Electrostática, que contienen 25 y 15 elementos e instrumentos de medida respectivamente, los mismos que sirvieron como base para desarrollar los experimentos previstos (Figura 1)

Figura 1. Elementos que forman el Set Electrostático de Física (a), contiene los materiales trabajados: Barra de polipropileno, Varilla de acrilico, Tubo de neón, Electroscopio, Placa de policarbonato, Hojas de acetato, Pinza para varillas Redon con cordón, placa de influencia, Par de péndulos para electrostática, Tapón de goma, Elementos que forman el Set Magnetostático de Física (b), contiene los materiales trabajados: Alambre de hierro dentado, Conductor y aislante, Rociador de polvo de hierro, Globo modelo para imán, Sonda para campo magnético, Imán de longitud de 8mm y de diámetro de 60mm, Brújula de bolsillo, Imán de longitud de 50 mm en forma de barra, Placa de policarbonato

Actividad 1: Determinación del signo de cargas eléctricas mediante patrones establecidos por Benjamin Franklin

Se debe distribuir sobre una superficie plana y blanca diferentes fragmentos de materiales como papel, aluminio, espuma y corcho triturado. Para que posteriormente con ayuda de una varilla de plexiglás previamente frotada con un paño aproximarla a los fragmentos dispuestos. Realizar el mismo procedimiento utilizando una varilla de plástico en lugar de plexiglás.

Actividad 2: Determinación de la presencia de carga en un objeto usando un electroscopio

Para la correcta ejecución de esta experiencia, lo primero se debe ensamblar el electroscopio. Para que posteriormente, con la varilla de polipropileno frotada y acercarla cuidadosamente al detector metálico. Se debe repetir la experiencia con una varilla de acrílico o plástico sin pausa, pero cambiando el material para ver cualquier diferencia en la interacción. Para continuar con el experimento, se debe preparar un péndulo electrostático y acérquelo a una de las barras para observar cómo se comporta. Para hacerlo, se debe usar la misma varilla de polipropileno. Evitar repetir la prueba con una varilla de acrílico o plástico.

Actividad 3: Transporte de cargas en un péndulo

En este apartado se debe montar el péndulo de cargas para que por consiguiente con la frotación de la barra se genere un campo electrostático. Una vez adquirido el campo se debe acercar la barra al péndulo para ver la interacción que tiene la barra con este. Repetir este apartado aumentando el tiempo de fricción para así observar la cantidad de oscilaciones del péndulo.

Actividad 4: Determinación del patrón de líneas magnéticas

Para la ejecución del experimento de visualización de campos magnéticos, se debe cortar una hoja de papel texturizado al tamaño de una placa de policarbonato A5 y colocarla sobre ella. Situando dos imanes con polos opuestos debajo del conjunto de hoja-placa. Para que así el polvo caiga uniformemente sobre el papel, de manera suave se debe agitar s un contenedor de polvo de hierro con una tapa perforada desde una altura de unos 10 cm. Observando así el desarrollo de un patrón que muestra cómo se distribuyen las partículas de hierro. Repetir el experimento con los imanes colocados con los polos iguales.

Actividad 5: Determinación de dirección y sentido de líneas magnéticas

Para ilustrar las líneas de campo magnético, comience colocando dos imanes en línea recta, manteniendo una distancia aproximada de 100 mm entre ellos. A continuación, con ayuda de una brújula se debe moverla desde el polo de uno de los imanes, siguiendo la dirección sugerida por la gráfica proporcionada. Observando, así como la aguja de la brújula gira, trazando un camino que se alinea con una línea de campo magnético. Se debe repetir este procedimiento alternando entre imanes con polos iguales y polos opuestos.

Resultados

Experiencia 1
La electrostática es la investigación de cómo las cargas eléctricas en reposo afectan los materiales cercanos. La transferencia de electrones puede ocurrir cuando dos materiales se tocan, lo que hace que uno de los materiales se cargue negativamente y el otro se cargue positivamente. La variación en la electronegatividad de cada material es la causa de este fenómeno.

En cuanto a la barra de metal con un material como el aluminio no atrae electrones con tanta fuerza como otros materiales porque tiene una baja electronegatividad. Como resultado, es menos probable que adquiera una carga estática significativa cuando se frota con otro material. Esto explica la baja electroestática de la barra de aluminio durante la actividad.

Por otro lado, en cuanto a las barras de materiales como el neón y el polipropileno tienen características que los hacen más fáciles de electrificarse. El neón es un gas noble y, aunque no forma fácilmente compuestos, puede adquirir carga estática en ciertas condiciones. Debido a su estructura molecular y la facilidad con la que puede ganar o perder electrones, el polipropileno puede acumular una gran carga estática.

Los materiales dieléctricos que se cargan fácilmente por fricción incluyen papel y espumaflex (espuma de poliestireno). Estos materiales pueden retener cargas estáticas en su superficie debido a su alta resistencia al flujo de corriente eléctrica.

Experiencia 2
Aquí se denoto, la transferencia de electrones entre los materiales en contacto a causa el fenómeno de electrificación por fricción, que se puede observar frotando barras de diferentes materiales y acercarlas a un electroscopio. La tendencia de un material a ganar o perder electrones depende de su posición en la serie triboeléctrica.

Los electrones se mueven del material con la menor afinidad electrónica al material con la mayor afinidad electrónica cuando se frota una barra con otro material. El material que pierde electrones tiene una carga positiva, mientras que el material que gana electrones tiene una carga negativa. Al acercar estas barras cargadas a un electroscopio, las hojas metálicas del electroscopio se repelen o atraen según la carga que tienen y la carga de la barra. Es crucial tener en cuenta que la electrificación por fricción no está relacionada con propiedades magnéticas; en cambio, está relacionada con propiedades electrostáticas.

Experiencia 3

En esta actividad se puso en práctica y demostró como pueden intervenir 1 o más de las formas de cargar eléctricamente a un objeto. Al frotar la barra de plástico con un paño de lana, se genera una carga eléctrica en la barra. Al acercar esta barra al vaso de Faraday, se espera que las cargas en el péndulo se vean afectadas por la proximidad de la barra cargada, lo que podría inducir un movimiento en el péndulo.

Mediante el registro del ángulo de desplazamiento del péndulo a medida que variaba el tiempo de frotación se determinó la existencia de una relación proporcional entre el ángulo de inclinación máximo y el tiempo de frotación, la cual analizando la teoría puede indicar que hay una mayor transferencia de carga al vaso Faraday cuando al objeto cargado que cederá electrones absorba una mayor cantidad de carga. Esto también deja ver la afección que sufre la dinámica de un sistema pues la cantidad de carga influye en está alterándola, que para el caso específico del péndulo provoco el cambio del periodo de oscilación como se ve en la Figura 11.

Experiencia 4

Al observar las líneas formadas por la fuerza magnética del imán al interactuar con polvo de hierro se observó como del campo magnético emergen del polo norte y entran en el polo sur, se verifico el cumplimiento del principio de atracción de os polos opuestos de los imames mediante el análisis de las líneas de campo que se unen, mientras que los polos iguales se repelen.

La razón por la que los polos opuestos se atraen y los polos iguales se repelen en el magnetismo se debe a la naturaleza de los campos magnéticos. Cada imán tiene dos polos, norte y sur, y cuando se acercan dos imanes, sus campos magnéticos interactúan. Si los polos opuestos de dos imanes diferentes se acercan, las líneas de flujo magnético se alinean y se atraen, lo que resulta en una fuerza de atracción entre los imanes. Por otro lado, cuando se acercan dos polos iguales, como dos polos norte o dos polos sur, las líneas de flujo magnético están orientadas en la misma dirección y se repelen entre sí. Esto se debe a que las líneas de flujo magnético buscan la ruta de menor resistencia y no pueden ocupar el mismo espacio, lo que genera una fuerza de repulsión

Discusión

Actividad 1

En cuanto a la explicación de este fenómeno se tiene a la Ley de Coulomb que establece que la fuerza entre dos objetos cargados es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos [1-2].

Por consiguiente, se tiene que la fuerza (F) es proporcional a:

Por ende, la estructura atómica y molecular de un material, su electronegatividad y cómo interactúa con otros materiales a través de la fricción determinan su capacidad para generar un campo eléctrico fuerte y atraerlos.

Actividad 2

El análisis de este efecto se lo considera como triboeléctrico, un proceso físico en el que dos objetos que inicialmente son eléctricamente neutros se cargan eléctricamente al entrar en contacto y frotarse entre sí, es la causa del fenómeno de la electrificación por fricción. Los electrones se mueven de un material a otro durante este proceso. El material que recibe electrones tiene una carga positiva, mientras que el material que pierde electrones tiene una carga negativa. Este fenómeno se debe principalmente a las diferencias en la afinidad electrónica de los materiales. La tendencia de un átomo o material a atraer y retener electrones se conoce como afinidad electrónica.

Actividad 4

Las líneas de campo magnético, que son representaciones visuales de la fuerza y dirección de un campo magnético creado por imanes, se pueden ver en el espacio. En el caso de un imán en forma de barra, estas líneas de campo parten del polo norte y se curvan hacia el sur, formando un circuito cerrado que atraviesa el imán desde el polo sur hasta el polo norte [1-3]. La interacción entre los campos magnéticos de dos imanes en forma de barra depende de la orientación de sus polos cuando se acercan:

**Si los polos norte y sur de dos imanes se cruzan, las líneas de campo se atraen y se unen, formando un camino continuo entre ellos, indicando una fuerte atracción entre ellos.

**Si dos imanes con polos iguales se cruzan (norte con norte o sur con sur), sus líneas de campo se repelen y se desvían una de la otra, lo que provoca una repulsión entre ellos.

Conclusión

Las experiencias en el laboratorio revelaron aspectos fundamentales de la electrostática y el magnetismo. Se observó que diferentes materiales tienen distintas capacidades para acumular carga estática, relacionadas con su electronegatividad y estructura molecular. La electrificación por fricción demostró cómo dos materiales en
contacto intercambian electrones, cargándose eléctricamente. Al acercar las barras cargadas al electroscopio, se observaron repulsiones o atracciones, indicando la presencia de cargas eléctricas. La transferencia de cargas en un péndulo mostró una relación proporcional entre el ángulo de inclinación máximo y el tiempo de frotación, sugiriendo una mayor transferencia de carga con una mayor absorción de carga. Estos experimentos resaltaron la importancia de la conservación de la carga, la influencia de la estructura molecular en la generación de campos eléctricos y las interacciones magnéticas entre polos opuestos y repulsivas entre iguales.

Referencias
[1] Aguirre, F. Electrostática en medios materiales I. Available online: webdelprofesor.ula.ve (accessed on 16 April
2024).
[2] Moebs, W.; Ling, S.J.; Sanny, J. Fricción. In Física universitaria volumen 1, 3rd ed.; OpenStax: Houston, Texas,2021; pp. 6-2
[3] Ingenierizando.com. Líneas del campo magnético. Available online: ingenierizando.com (accessed on 16 April 2024).

[4] J. R. Beltrán Sánchez, J. H. Escobar Acosta, y J. González Acosta, Fundamentos de electroestática y magnetostática para ingenieros. 2020. doi: 10.21676/9789587462609

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