UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

(Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)

Escuela Académico Profesional: Química (07.1) Semestre Académico: 2015-I PRACTICA N°01: CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS. PROFESOR: Grupo: Sábados 12- 2 pm. Fecha de realización:11-04-15 Fecha de entrega: 18-04-15 INTEGRANTES:

 

De la Cruz Carbajal, Olga Lidia 13070085

Garcia Pinedo, Maria Henny 13070013

 

Ciudad Universitaria, Octubre del 2014.

CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS

OBJETIVOS

Experimentar las formas de electrización Determinar el signo de una carga adquirida en un proceso de

electrificación

MATERIALES

El equipo de electrostática U8491500 consta de un tablero de destellos, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico, con clavijero de 4 mm, soporte de depósito, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de saúco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozos de medula de saúco, tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con electrodos de punta, pie de soporte, varilla de soporte aislada, con manguitos de soporte y de conexión y juego de campanas.

FUNDAMENTO TEÓRICO

CARGA ELÉCTRICA

Es una propiedad fundamental de la materia, del mismo modo que la masa.

Es una magnitud física escalar, que caracteriza el estado de electrización de un cuerpo.

ELECTRIZACIÓN

Se llama electrización a la transferencia de cargas de un cuerpo hacia otro, en general las cargas que se transfieren son electrones.

MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN

Mediante la electrización se puede cargar positivamente o negativamente un cuerpo, existen varias formas de electrización, así tenemos:

A) POR FRICCIÓN

Mediante este método, cuando se frota una cuerpo con otro, ambas descargadas, se transmiten espontáneamente cargas negativa (electrones) de un cuerpo hacia otro, quedando la que pierde electrones cargada positivamente y la otra negativamente.

B) POR CONTACTOSe puede cargar un cuerpo neutro mediante contacto con otro cuerpo cargado positivamente o negativamente. En este caso ambos quedan cargados con el mismo tipo de carga.

C) POR INDUCCIÓNEn este método, cuando un cuerpo A con carga positiva o negativa se acerca sin contacto a otro B descargado, las cargas positivas y negativas de este último se agrupan en dos regiones distintas del mismo, luego se aleja el cuerpo A, desaparece este agrupamiento de las cargas del cuerpo B.

GENERADOR DE VAN DE GRAFF

Es un dispositivo eléctrico que se utiliza para generar carga eléctrica produciendo un voltaje extremadamente alto, y una corriente de intensidad pequeña, su funcionamiento se basa en el principio de reparto de cargas entre dos conductores, esto es, si un conductor cargado se pone en contacto interno con un segundo conductor hueco, toda su carga pasa al conductor hueco, por muy alto que sea el potencial de este último.

Las parte principales de este aparato son:

Una esfera conductora hueca (A) en la parte superior, soportado por una columna aisladora (B).

Una correa de transmisión (C) pasa por las poleas (D), accionada en el inferior por un motor.

El borne (E) se compone de una serie de puntas agudas que salen de una barra horizontal, y se mantiene a un potencial negativo de algunas decenas de miles de voltios, respecto a tierra por el dínamo auxiliar (F). El borne (G)

está construida análogamente, y se mantiene a un potencial positivo respecto al borne esférico.

Cuando la banda gira produce fricción en la esfera con una especie de cepillos o peines que hacen que se muevan los electrones produciendo carga eléctrica.

PÉNDULO ELÉCTRICO

Es un dispositivo sencillo clásico que se utiliza para demostrar los procesos de inducción eléctrica y la atracción electrostática entre dos cuerpos, así, como la redistribución o reacomodamiento de las cargas de un conductor eléctrico.

Este aparato está constituido por una base), un soporte, un arco de alambre y una bolita de tecnopor suspendido de un arco, mediante un hilo muy delgado.

MÁQUINA DE WIMSHURST

Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal

modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre sí por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. No es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Hay cuatro funciones iguales que se realizan, dos en cada disco. Se puede decir que tenemos cuatro electróforos, dos positivos y dos negativos. Al aproximarse las partes positivas y neutras de los discos produce el efecto de electróforo. La corriente estática se almacena en botellas de Leyden.

PROCEDIMIENTO

MÁQUINA DE WIMSHURST

Cuando giramos lentamente la manivela en sentido horario

A.1 Maquina de Wimshurst:

1) Identifique las partes de las maquinas electrostáticas.2) Gire lentamente la maquina en sentido horario, los conductores

transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45°, en relación con la barra de aislamiento.

3) Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

Se observa una chispa en los electrodos que tiene la forma de doble esfera.

4) Ahora cierre el interruptor, anote lo observado

Se observan dos chispas, una saliente de los electrodos que tiene la forma de doble esfera y en la parte inferior.

5) Conecte las botellas Leyden, anote lo observado. Los pasos 5,6 y 7 se efectúan girando las manivelas del equipo.

6) Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio. Este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

Se observa que el signo de la carga de la es negativo ya que cuando lo acercamos a un espectroscopio, la agujas de este se abren lo cual indica que la carga del electroscopio será positiva, debido a que las laminillas se separan al acercar el objeto.

7) Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara.

8) Descarga de punta; colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado.

Se observa que al empezar el giro de la manivela empiezan a girar en sentido antihorario.

9) Péndulo doble; colocar un péndulo de bolitas de sauco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de esta, anote lo observado.

Se observa que las bolitas de tecnoport son separadas de la posición de equilibrio hacia afuera.

10) Clavija de conexión en pantalla de seda; colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado.

Se observa las tiras de seda son elevadas hacia arriba.

11) Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

Se observa que las campanas se desvían de su posición hacia las campanillas

12) Tablero de destellos; colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anotar lo observado.

Al girar la manivela se producen destellos luminosos a lo largo de la placa colocada

13) Clavija de conexión en pantalla de seda; colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado.

14) Tablero de destellos; colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anotar lo observado.

Al cerrar el circuito con una cadena conductora, se va a cerrar se observa en la placa pequeñas chispas.

A.2 Maquina de Van der Graff:

16) Conecte la máquina de Van der Graff, a la fuente de 250V de C.A. tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor.

17) Una vez encendido, la faja vertical comenzara a girar, identifique el signo de las cargas de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.El signo de la esfera es negativo ya que las agujas del espectroscopio se separan.

18) Utilice los dispositivos efectuados en los procesos de 9 al 17, anote lo observado.

- Con el péndulo doble, se observa una atracción de las bolitas de tecnoport

- Con la clavija de conexión se elevan hacia arriba.- Con el juego de campanas se observa que las bolitas de tecnoport

se colocan en dirección de las campanillas.- Con el tablero de destellos se observa unas chispas que están

destellando.

19) Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que se desvía las hojuelas.

B. Péndulo Eléctrico:

1) Acerque cualquiera de las barras, sin fronteras, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico.

2) Frote la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de vinilito. Anote sus observaciones.

3) Ponga frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación frote la barra de vinilito con el paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2. Anote sus observaciones.

4) Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño de lana y toque la esfera 1 con la barra de acetato y a la esfera2 con la barra de vinilito. Anote sus observaciones.

5) Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en el pasos 3 y 4.

6) Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego toque la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones.

7) Frote nuevamente la barra vinilito con el paño de lana, luego acérquela a la esfera 1 y esfera 2. Anote sus observaciones.

8) Acerque sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acerque sin tocar la barra de vinilito a la esfera 2. Anote sus observaciones.

9) Se nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo esta electrizado o no esta. Acerque la barra de acetato previamente frotada con el paño de seda a la esfera metálica del electroscopio. Anote sus observaciones.

10) Manteniendo cerca de la esfera metálica, la barra de acetato, coloque un dedo de su mano sobre la esfera. Anote sus observaciones.

11) Clavija de conexión en pantalla de seda; colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado.

12) Tablero de destellos; colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anotar lo observado.

Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había colocado sobre ella. Anote sus observaciones.

13) Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anote sus observaciones.

14) Repita los pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.

CUESTIONARIO:

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Explique.

Por medio de la inducción magnética cargamos con carga positiva o negativa a la de la esfera de tecnoport.

Cargamos una varilla de vinillo, si esta atrae el tecnopor de la la carga de esta es positivo

Carga del tecnoport

Atrae el tecnoport Positiva

Repele el tecnoport Negativa

2. En las experiencias efectuadas ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.

Sabemos que el principio de superposición es una herramienta matemática que permite descomponer un problema (que es difícil de comprender si se ve en todo el sistema) en dos o más sub problemas simples (fáciles de atraer). De este modo usando los sub problemas es equivalente al problema original.

En los experimentos realizados se puede usar el principio de superposición, que es una herramienta matemática que permite descomponer un problema (que es difícil de comprender si se ve en todo el sistema) en dos o más sub problemas simples (fáciles de atraer); en la comprensión de los fenómenos observados

3. Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

Si, la carga negativa de los electrones es la que se traslada de un cuerpo a otro

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

Fricción: al frotar un cuerpo con otro ambos descargados, se transmiten espontáneamente carga, quedando (por convención) la que pierde electrones cargada positivamente y la que gana electrones cargada negativamente.

Contacto: se puede cargar un cuerpo neutro mediante el contacto con otro cuerpo previamente cargado positivamente o negativamente. En este caso ambos cuerpos quedan cargados con el mismo tipo de carga

Inducción: en este método cuando un cuerpo con carga (positiva o negativa) se acerca (sin contacto) a otro cuerpo descargado, las cargas positivas y negativas de este último cuerpo se agrupan en dos regiones distintas, concluyendo este ordenamiento cuando se aleja es cuerpo cargado.

Efecto fotoeléctrico: consiste en la formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas, que se produce cuando la materia es irradiada con una radiación electromagnética como la luz.

Electrolisis: la mayoría de compuestos inorgánicos y algunos de los orgánicos se ionizan al fundirse, otros al disolverse en agua u otros líquidos, es decir sus moléculas se disocian especies químicas cargadas positivamente y negativamente. Al colocar un par de electrodos en la solución electrolítica, se conecta una fuente de corriente

continua entre ellos, los iones positivos de la solución se mueven hacia el cátodo y los iones negativos hacia el ánodo.

5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.

El cuerpo humano es un buen conductor de electricidad debido a que en esta conformado por moléculas de agua, en donde abundan los electrolitos, si el cuerpo humano es sometido a una diferencia de potencial son descompuestos en iones de carga positiva (catión) e iones de carga negativa (aniones) dando lugar en el cuerpo humano una corriente iónica.

6. En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tienen igual radio r. ¿Qué sucederá?

7. Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada ¿Qué es lo que se observará? ¿Cuál será la carga que adquiere la esfera 2?

8. Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. si la bola 1, que tiene contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2 ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12cm., (ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan 16cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30cm.?

Al transmitirles la misma carga q a las esferas se va a producir una separación de las cargas debido a la repulsión entre las cargas.

Haciendo un diagrama de cuerpo libre de las esferas luego de cargarlas se observa la siguiente figura:

Donde:Ɵ Es el ángulo de inclinación FE es la fuerza eléctricaT es la tensiónm es la masa de la esferag es la es el valor de la gravedadd = 12 cm.r = 16cm.

T Ɵ 30 cm

mg FE 2cmFE = mg tanƟ = (0.005 Kg) (9.81m/s2) (2/30) = 0.00327 N

FE = k q2

d2 = ¿¿ = 0.00327 N

q = 9.3 * 10-15 m2/C2

10.Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?

En un espectroscopio si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. Si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Según esto la carga del electroscopio será positiva, debido a que las laminillas se separan al acercar el objeto.

11.Qué función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.

La función de las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst cumple la función almacenan carga suficiente como para producir una chispa, (que se ve en la punta de las esferas).

Fue el primer capacitor, que almacenaba electricidad, consistía en una botella de vidrio parcialmente llena con agua y tapada con un corcho atravesaba su centro un cable con uno de sus extremos sumergido en el agua. Cuando se conectaba el cable a una fuente de energía estática la botella se cargaba, y podía descargarse conectando su borne central a un punto de potencial cero (tierra).

La "Botella de Leyden" evolucionó rápidamente hacia un recipiente de vidrio con delgadas láminas metálicas dentro y fuera. Una varilla metálica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con la lámina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una diferencia de potencial que hacía que la "Botella de Leyden" se cargara. Una vez cargada se la podía descargar acercando el conductor central a la placa externa, produciendo la perforación dieléctrica del aire mediante una chispa.

12.Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

Tras aquellos experimentos se percibió un olor característico, único y punzante, generador; Van Marum se refirió al mismo como “el olor de la materia eléctrica”. Este olor era producto de la formación de ozono, siendo el primero en describirlo científicamente. Es el olor a Ozono O3 (variedad alotrópica del Oxigeno O2), que se genera a partir de él, por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica.

13.Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones.

En electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue descubierto hace 200 años por Benjamín Franklin, al observar que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado.

Actualmente se sabe que esto se produce debido a que un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi llana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. Valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobre pasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

14.Menciones al menos 5 aplicaciones del equipo de Van de Graff.

Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen producción de rayos esterilización de alimentos y experimentos de física de particulares y física nuclear

Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza.

Su utilidad es amplia, usándose tanto en experimentos docentes como en procesos industriales (acelerador de partículas).

Existen otras variantes del generador de Van de Graaff, como son el Vivitron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Megavoltios.

Aceleración de electrones para esterilizaciones los alimentos y materiales usados en procesos industriales o científicos.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

En la máquina de Wimshurst se crean cargas eléctricas por inducción electrostática.

Tener mucho cuidado al realizar la práctica para evitar los posibles accidentes.

BIBLIOGRAFÍA

Física III

Autor Regulo Sabrera, Primera edición, editorial Megabyte, 2009