Objetivos :

Electrosttica: Campo Elctrico

Electrosttica: Campo Elctrico

Carreras de Ingeniera III Ciclo

Electricidad y Magnetismo

Gua de Laboratorio 1

Electrosttica: Campo Elctrico

.Equipos de Proteccin Personal y de las Instalaciones

Equipos de Proteccin Personal y de las Instalaciones

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Electroesttica: Campo Elctrico

1. IntroduccinEl profesor de fsica Hernn Verdugo seal que, la electrosttica es el rea de la fsica que se encarga de estudiar los fenmenos asociados a cargas elctricas en reposo. Desde la antigedad se demostr que al frotar objetos, estos atraan pequeas partcula, por ejemplo dos barras de caucho frotadas con un pao; al acercar entre s las barras se repelen. Tambin se descubri que dos materiales distintos al ser frotados por un mismo objeto tienen la propiedad de atraerse. Benjamn Franklin les asign los nombres de cargas positivas y cargas negativas.Un cuerpo cualquiera est formado por molculas y stas estn formadas por tomos. Los tomos poseen bsicamente tres tipos de partculas: electrones, protones y neutrones. Los electrones y los protones tienen propiedades elctricas mientras que los neutrones no la poseen. Los electrones tienen la propiedad de tener carga negativa y los protones carga positiva. Entonces un cuerpo est cargado negativamente si tiene un exceso de electrones y est cargado positivamente si tiene una ausencia de electrones.

Cmo se explica el hecho que a un cuerpo le sobren o le falten electrones? La dinmica de los tomos explica que un cuerpo cualquiera puede no poseer carga elctrica, pero esto no significa que no tenga electrones ni protones; lo que sucede es que tiene ambos en la misma cantidad. Por lo tanto, la carga negativa de un electrn se anula con la carga positiva de un protn; elctricamente se dice que est neutro o que est sin carga. Los tomos tiene una forma parecida a nuestro Sistema Solar, en el caso del tomo, el cuerpo central se denomina ncleo y en ste estn los protones y los neutrones, frreamente unidos, y los cuerpos que giran alrededor del ncleo son los electrones ocupando rbitas distintas. Los electrones por sus posiciones orbitales tienen cierta cantidad de energa que los liga al ncleo. Los que estn ms cerca del ncleo los une con mayor cantidad de energa y los que estn en rbitas ms lejanas tienen una menor energa que los liga al tomo. El electrn que ocupa la ltima rbita, debido a su menor energa que lo liga al ncleo, puede con facilidad escaparse de su rbita e ir en camino a buscar una rbita que dej libre otro electrn en otro tomo. Es normal que ocurra esto en todo cuerpo, est o no cargado elctricamente. A los electrones que estn en viaje entre tomo y tomo les llamaremos electrones libres.

Dnde se acumula la carga elctrica que adquiere un cuerpo?En un material mal conductor de la electricidad la carga que adquiere se distribuye uniformemente en todo el cuerpo es decir en su superficie y en su interior. En un buen conductor la carga que adquiere se distribuye en toda su superficie, dependiendo de la forma de la superficie del cuerpo. Si el cuerpo conductor que se carga es una esfera, entonces la carga se distribuye uniformemente en su superficie, en cambio si su superficie es irregular, la carga tiene mayor densidad en la parte de la superficie con mayor curvatura. Esto ltimo que se menciona da origen a la creacin de la llamada jaula de Faraday. Se trata de cualquier cuerpo que tenga una estructura exterior metlica. Si adquiere carga elctrica, por cualquier medio, su interior no se ve afectado. Una aplicacin de la jaula de Faraday es, si un automvil en un da con tormentas elctricas, le cae un rayo al vehculo, debido a que la carrocera es metlica, las personas en su interior no recibirn la descarga.

Figura 1 Jaula de Faraday

2. Objetivos Medir la cantidad de carga en las personas. Separar y compartir cargas usando diferentes materiales.

3. Competencia

Reconocer los efectos de las cargas elctricas en los fenmenos fsicos de la naturaleza y tecnologa.

4. Equipos, materiales y otros

NoDescripcinCant.

1Recipiente de Faraday1

2Rejilla de metal1

3Base metlica de tierra1

4Separador de carga1

5Conductores de tierra

6Varillas de PVC (plomo) y Nylon (Blanca)

7Esferas conductivas2

8Fuente de alto voltaje electrosttico

9Terminal de voltaje

10Interface de comunicacin

5. Orientaciones de Seguridad en el Taller Respete las recomendaciones del docente y las indicadas en carteles de sealizacin. Use zapatos de seguridad. Utilice las herramientas y equipos de acuerdo a las recomendaciones. Respete las recomendaciones para el uso del ambiente (leer apndice)

6. Experimentos6.1. Determinacin de la cantidad de carga del cuerpo humano

En esta experiencia armar el mdulo de medicin (pasos 1, 2 y 3) y luego medir la carga elctrica del cuerpo humano, siguiendo las siguientes instrucciones:

1. Conecte el conductor negro del sensor de carga a la base metlica de tierra.2. Conecte el conductor rojo al recipiente de Faraday.3. Conecte un conductor de tierra entre la jaula y la base metlica.

Figura 2 Conexiones para la medicin de carga

4. Descargar el sistema presionando el botn de reset del sensor.5. No use la correa de tierra (color azul) en su brazo, porque el propsito de esta experiencia es medir la cantidad de carga de su cuerpo.6. Arrastre sus zapatos sobre el piso varias veces sin tocar nada durante 20 segundos. Inserte un dedo dentro del recipiente de Faraday sin tocar el vaso metlico. Mida este valor:

Figura 3 Medicin de carga del cuerpo humano.

7. Retire su dedo del recipiente de Faraday, ahora mida nuevamente el valor:

8. Explique lo ocurrido.

9. Repita los pasos 4, 5, y 6.10. Toque ligeramente con un dedo dentro del recipiente de Faraday. Mida ahora el valor:

11. Retire su dedo del recipiente de Faraday, ahora mida el valor:

12. Explique lo ocurrido.

13. Repita el la experiencia con todos los estudiantes del grupo.

6.2. Separacin de cargas usando diferentes materiales

A continuacin se utilizar diferentes materiales tales como: pao de Lana, barras de nylon y PVC para medir la carga generada al frotarlos. Siga los siguientes pasos:

1. Arme el mdulo de medicin..2. Colquese la correa de tierra a su mueca.3. Descargar el sistema presionando el botn de reset del sensor.4. Doblar el pao de lana o de vinil a la mitad, la parte superior de este dobles servir para frotar las diferentes varillas.5. Frote la varilla de Nylon Blanca sobre el dobles del paso 4.

Figura 4 Frotando la varilla de PVC

6. Inserte la varilla dentro del recipiente de Faraday sin tocarlo. Mida el valor de carga y su signo.

7. Luego coloque el pao y la varilla de Nylon en la base metlica de tierra para descargarlos. 8. Frote la varilla de PVC Plomo sobre el dobles del paso 6. 9. Descargar el sistema presionando el botn de reset del sensor.10. Inserte la varilla dentro del recipiente de Faraday sin tocarlo. Mida el valor de carga y su signo.

14. Explique lo ocurrido.

CON FUENTE DE ALTO VOLTAJE

Para las siguientes experiencias usar la fuente de alto voltaje. Conecte el terminal de tierra de la fuente mediante el conductor con terminales banana-cocodrilo en la placa metlica. Conecte el terminal de voltaje en el puerto de alto voltaje tales como: 750 V, 1500 V, 3000 V y 8000 V. 6.3. Carga de esferas conductoras.

1. Arme el mdulo de medicin.2. Colquese la correa de tierra a su mueca.3. Descargar el sistema presionando el botn de reset del sensor.4. Toque la esfera con un cable de tierra desde la placa para descargarlo.5. Conectar el terminal de voltaje a 750 V y el otro terminal a la placa metlica.6. Toque la esfera con el terminal de voltaje.7. Luego toque la varilla de prueba (terminal de metal) sobre la esfera e introduzca en el recipiente de Faraday. Mida la carga y su signo.

8. Elimine la carga de la varilla de prueba limpindolo con un trapo algo humedecido y luego tocando la placa metlica.9. Eliminar la carga de la esfera tocando con en cable de tierra.10. Repita los pasos del 7 al 11 para las tensiones de 1500 V, 3000 V y 6000 V.

11. Explique los resultados obtenidos.

6.4. Distribucin de carga entre dos esferas conductoras.En esta experiencia se demostrar como se comparten carga entre dos esferas que de tocan.

1. Conecte el conductor negro del sensor de carga a la base metlica de tierra.2. Conecte el conductor rojo al recipiente de Faraday.3. Conecte un conductor de tierra entre la jaula y la base metlica.4. Colquese la correa de tierra a su mueca.5. Descargar el sistema presionando el sensor y manteniendo el botn de reset.6. Toque la esfera con un cable de tierra de la placa para descargarlo.7. Conectar el terminal de voltaje a 6000 V y el otro terminal a la placa metlica.8. Toque la esfera con el terminal de voltaje.9. Toque la varilla de prueba (terminal de metal) sobre la esfera e introduzca en el recipiente de Faraday. Mida la carga y su signo.

10. Elimine la carga de la varilla de prueba limpindolo con un trapo humedecido y luego tocando la placa metlica.11. Eliminar la carga de la otra esfera, luego toque las dos esferas por 10 segundos.12. Mida la carga de ambas esferas mediante la varilla de prueba previamente limpiando y tocando la placa metlica.

Esfera 1Esfera 2

7. Conclusiones Medicin de la cantidad de carga de las personas.

Separacin y comparticin de cargas usando diferentes materiales.

8. Referencias BibliogrficasVerdugo Hernn. Electrosttica De: http://www.hverdugo.cl/conceptos/conceptos/ electrostatica.pdf Tomado el 21 de Setiembre del 2012.

Rbrica

Competencia: Reconocer los efectos de las cargas elctricas en los fenmenos fsicos de la naturaleza y tecnologa.

Curso:Electricidad y MagnetismoCiclo:3

Actividad:Laboratorio 1 Electrosttica: Campo ElctricoSemana:1

Nombre y apellido del estudiante:Periodo:2015-1

Seccin:Fecha:Docente:

Tipo de Actividad:

Laboratorio:XTaller:Proyecto:Trabajo:Otros:

CRITERIOS A EVALUACINExcelenteBuenoRequiere MejoraNo aceptable

LABORATORIO

Ejecuta la conexin y operacin de equipos para mediciones electrostticas.4320

Mide con software valores de cargas electrostticas con precisin.4320

Realiza conclusiones analticas y verifica resultados de la experiencia.3210

Culmina la experiencia en tiempo previsto. 2100

INFORME O TEST

Presenta informe o test (partes, puntualidad, ortografa, orden.)4320

ACTITUDES

Participa activamente y con seguridad (puntualidad, intervenciones, orden y limpieza).3210

Puntaje Total

Comentario al estudiante:

DESCRIPCIN DE LA EVALUACIN

ExcelenteCompleto entendimiento y realizacin de la actividad, cumpliendo todos los requerimientos

BuenoEntiende y realiza la actividad cumpliendo la mayora de los requerimientos

Requiere mejoraBajo entendimiento de la actividad cumpliendo pocos de los requerimientos

No AceptableNo demuestra entendimiento de la actividad

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