Facultad de Ing. Electrónica y Eléctrica -UNMSM Laboratorio de Física III NFORME FINAL 1 Horario: Viernes 10-12am.

CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOSExperiencia n°1

1. OBJETIVOS:

a) Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades fundamentales de la materia llamada carga eléctrica.

b) Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas.c) Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y signos opuestos.d) Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador Electrostático -

máquina de Wimshurt y la máquina de Van der Graff.

2. MATERIALES

Juego de equipos de electrostática u8491500 tablero de destello, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico con clavijero de 4mm soporte de depósito, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte de gancho para péndulo doble de bolitas de sauco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozos de medula de sauco, tablero de base en clavija y conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30mm 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).

Péndulos de tecnoport. Electroscopio. Barras de acetato y vinilita.

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3. FUNDAMENTO TEORICO

Se atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert (1540-1603) comprobó que no solo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como la ebonita, el vidrio, la resina, el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la causante de las atracciones, o repulsiones entre ellas.Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los de tipo distinto carga se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominados cargas positivas y cargas negativas. A un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tiene igual número de cargas de ambos tipos.

GENERADOR ELECTROSTÁTICO: MAQUINA DE WIMSHURST.

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). El generador electrostático sirve para generar altas tensiones constantes, nos son peligrosas al contacto.

FUNCIONAMIENTO:

Durante el servicio, una carga inicialmente pequeña se incrementa constantemente, por medio del proceso conocido como influencia eléctrica, hasta que se alcanza la máxima tensión de servicio. Esta se ve limitada por descargas de chispa, toma de corriente y fallos de aislamiento. Para facilitar la explicación del funcionamiento del generador electrostático, en lugar de los discos, imaginemos que se tienen dos cilindros huecos (VER FIG. 01), que rotan en sentido opuesto alrededor de un eje común. Luego de que la hoja B1 adquiera una carga eléctrica positiva, tras el frotamiento con el pincel P2, este pasa sucesivamente a las posiciones B2 y B3. En la posición B3 se encuentra frente a la hoja Al, la cual está puesta a tierra por medio del pincel Pl, por lo que su carga de influencia es negativa. Al mantiene esta carga negativa cuando, debido al movimiento de giro, pasa ocupar las posiciones A2 y A3. En la posición A3 ejerce como influencia una carga positiva sobre la hoja de estaño BI, la cual se encuentra ahora enfrente. Este proceso se repite constantemente, lo cual conduce a un incremento progresivo de la carga sobre las placas de estaño. Al continuar el movimiento, todas las hojas B, con carga positiva, llegan hasta la escobilla S1, y a las hojas A, con carga negativa, a la escobilla S2, en donde entregan sus cargas a los electrodos con las esferas conductoras Kl y K2. Al continuar el movimiento giratorio, se producen los mismos acontecimientos con la diferencia de qué, ahora, la hoja de estaño A que pasa frente a P1* tiene carga positiva, y la hoja B que pasa frente a P2* es negativa, las tensiones así generadas crecen de acuerdo con el diámetro de los discos. En realidad, los procesos que aquí se han descrito paso a paso ocurren simultáneamente.

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Bajo los pinceles, las cargas positivas o negativas de las hojas de estaño del disco 2 ejercen una influencia sobre las del disco 1. Y ésta, por otra parte, influencia las cargas de las hojas de estaño del disco 2, cuando éstas pasan por el pincel que se encuentra enfrente. Las cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para su descarga, a las barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La longitud de las chispas depende del diámetro del disco.

GENERADOR DE MAQUINA DE VAN DER GRAFF

El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas. El primer generador electrostático fue construido por Robert Jamison Van der Graff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales.

EXISTEN DOS MODELOS BÁSICOS DE GENERADOR:

a) El que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y que crea un gran voltaje)

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b) El que se basa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor. En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga.

Consta de (Figura 02)

1. Una esfera metálica hueca en la parte superior.

2. Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje.

3. Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje.

4. Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.

5. Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora). 6- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.

Funcionamiento (Figura -03)

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior.Veamos el funcionamiento de uno didáctico construido con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el rodillo superior hecho de metal.El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa. El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peine” metálico. El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma.El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa)

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adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado. La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo. Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las-del cilindro, pero estas no interviene en los procesos de carga de la esfera.Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie.

Parte Superior

Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correaEl peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.Un generador de Van Der Graff no funciona en el vacío. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa.El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.El campo creado en el “peine” por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa. Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

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4. PROCEDIMIENTO

a) Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la Máquina de Wimshurst y de Van De Graff.

b) Revise que todo este en perfectas condiciones, cualquier anomalía informe al profesor de turno.

MAQUINA DE WIMSHURST

a) Identifique las partes de las máquinas electrostáticasb) Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los

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

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

d) Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.e) Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los

pasos 5, 6 y 7 se efectúan girando las manivelas del equipo.f) 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.

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

h) Descarga de punta (figura-04); 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.

i) Péndulo doble; (figura-05) colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de ésta, anote lo observado.

j) clavija de conexión en pantalla de seda; (figura-06) 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.

k) 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.

l) Tablero de destellos; (figura-08) colocar el tablero de destellos en el soporte conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada anote lo observado.

m) Danza eléctrica; (figura-09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida., conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado.

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n) Aparato fumívoro (figura-10) colocar el tablero de base sobre el soporte invertir sobre éste la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado.

o) Carril de rodamiento con bolas;( figura -11) Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que la distancia del carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre a placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

MAQUINA DE VAN DER GRAFF

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

b) Una vez encendido, la faja vertical comenzará a girar, identifique el signo de las carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

c) Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17, anote lo observado.d) Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo

que se desvía las hojuelas

5. CUESTIONARIO

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

Por medio de la inducción magnética cargamos con carga positiva (σ+) o negativa (σ-) a la espera de tecnoport.Lo acercamos lentamente a la máquina de Van de Graff cargada negativamente y observamos si este atrae o repele

Carga del Tecnoport

Atrae el tecnoport Positiva (σ+)

Repele el tecnoport Negativa (σ-)

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

Al tener únicamente las cargas uno y dos no se puede aplicar el principio de superposición, pero si tomamos en cuenta la carga de la barra podemos hallar la fuerza total que interactúa sobre la barra, de la siguiente manera: F total = F1 + F2

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

Lo hacen indirectamente. Todas las "partículas" (desde el punto de vista del observador), se mueven a causa de las fuerzas internas que actúan entre ellas. Esto ahora lo hemos demostrado a través de los experimentos utilizando los métodos y condiciones necesarias para la observación y análisis del movimiento de los cuerpos a causa de estas fuerzas.

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Podemos afirmar que las partículas que se mueven son electrones debido a que se desplazan de un cuerpo a otro por exceso (repulsión) o defecto (atracción).

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

Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes:

1. Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.

2. Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

3. Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

4. Carga por el Efecto Fotoeléctrico : Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética.

5. Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua.

6. Carga por Efecto Termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

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

Como se sabe, existen cuerpos que poseen la propiedad de presentar mayor o menor resistencia al paso de los electrones, conocidos como aislantes o conductores respectivamente; dependiendo esta propiedad de las características del cuerpo o materia por donde circule dichos electrones. El cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad, debido a que el 98% del mismo está formado por agua y fluidos, los cuales poseen diferentes tipos de minerales y compuestos, tales como: sales, ácidos, hierro, calcio, etc. los cuales ya se ha demostrado son elementos conductores. Tal es así que dependiendo de otros factores (psicológicos, somáticos), existen personas que puede "percibir" o sentir magnitudes de potencial hasta el rango de los mV (milivoltios).

6. 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?

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El electroscopio tiene carga negativa ya que a un principio se encuentran separadas las laminillas, cuando se acerca la carga negativa de las laminillas se van a la esfera y quedan con carga neutra. Al acercarse más el objeto cargado positivamente, mayor cantidad de carga negativa se va a la esfera metálica y nuevamente las laminillas quedan cargadas y se separan pero esta vez con carga positiva.

7. ¿Qué función cumplen las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst?, explique detalladamente.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. El nombre de condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban ésta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado como la botella de Leyden.Este es el principio por el cual, si un rayo cae por diferencia de potencial en un avión, este no sufrirá en su interior ningún tipo de descarga ni alteración eléctrica.

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

Tras aquellos experimentos percibió un olor característico, único y punzante, alrededor del 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.

9. 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 Benjamin 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 que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana 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. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

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10. Mencione aplicaciones del equipo de Van Der Graff.

Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas 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)

1.2.

- Existen otras variantes del generador de Van de Graff, como son el Vivitron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Mega voltios.

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