Experiencia 1

UNMSM - Facultad de Ingeniería de Sistema e Informática 2011

Experiencia Nº1 :

CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS

ELECTRIZADOS1) Objetivos.

a) Comprobar experimentalmente la resistencia de una de las propiedades de la materia llamada

carga eléctrica.

b) Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante los diversos procesos.

c) Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos.

d) Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador electrostática-maquina de

Wimshurst y la Maquina de Van der Graff.

2) Materiales

Juego de equipos de electrostática U8491500 (tableros de destellos, 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 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 30mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con

electrodos de punta, pie de soporte, aislada con manguitos de soporte y de conexión y juego de

campanas.

Péndulos de tecnoport.

Electroscopio.

Barras de Acetato y vanilita.

Maquina de Wimshurst modelo U15310

Maquina de Van der Graff

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3) Fundamento Teórico

Los filósofos griegos, hacia el año 600 a.C., sabían ya que al frotar un trozo de ámbar éste atraían

trocitos de paja. La fuerza de esta relación se expresa con el término “electrón” que nosotros usamos y

que deriva de la palabra con que los griegos denominaban al ámbar.

Se le atribuye a Thales de Mileto (640-548 a.C.) ser el primero en haber observado que un trozo de

ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad mencionada antes. W.Gilbert (1540-1603)

comprobó que no solo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos

otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina, el azufre, etc. Cuando esto sucede, se dice que un

cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de

electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la causa de las atracciones, o también las repulsiones,

que se producen.

Todos los cuerpos por naturaleza pueden electrizarse, es decir, adquirir carga eléctrica. La existencia de

la carga eléctrica se manifiesta en que el cuerpo cargado interacciona con otros cuerpos también

cargados. Hay dos tipos de cargas eléctricas, llamadas convencionalmente positivas y negativas. Las

cargas del mismo signo se repelen y las de signos distintos se atraen.

A un cuerpo que no este cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electroestaticamente neutro,

en este caso decimos que tienen igual número de cargas de ambos tipos.

4) Procedimiento

Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la Maquina de Wimshurst y de Van De Graff.

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

Maquina de Wimshurst:

Identifique las partes de las maquinas electrostáticas.

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 45⁰, en relación con la barra de

aislamiento.

Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

Obs. No se observo nada ya que al estar abierto el interruptor de aislamiento no hay flujo de carga

eléctrica.

Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

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Obs. Cuando se cierra el interruptor de aislamiento se observa que en las barras de electrodos se

efectúa la descarga de chispas.

Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado.

Obs. Al conectar las botellas de Leyden se observa que aumenta la intensidad y el tamaño de la chispa.

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.

Obs. La polaridad del generador electrostático es de signo negativo (-).

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

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.

Obs. Se observa que la rueda empieza a girar en sentido anti horario, debido a las fuerzas que ejercen

las puntas de la rueda, ya que estas están cargadas positivamente y se repelen.

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.

Obs. Las bolitas se repelen debido a que están cargadas con una carga del mismo signo.

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.

Juego de campanas

Colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga

suministrada, anote lo observado.

Obs. Se puede escuchar las campanadas ya que están son atraídas por el cuerpo que está cargado con

una carga de signo diferente.

Tablero de destellos

Colocar el tableo de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el

volumen de la carga suministrada, anote lo observado.

Obs. Hay una descarga en todo el tablero y se notan destellos debido que por el tablero hay un flujo de

cargas lo que hace que se produzcan los destellos.

Danza eléctrica

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Colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre el bolitas de sauco 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.

Obs. Las bolitas empiezan a moverse frenéticamente (como una danza) para poder transferir cargas

desde el electrodo esférico hacia la base del soporte.

Aparato fumívoro

Colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre este 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.

Obs. Se puede notar que el humo desaparece rápidamente esto se debe a que la carga que proporciona

la maquina genera un campo eléctrico y desplaza al humo.

Carril de rodamiento con bolas

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 caiga hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca,

sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto de electrodo esférico superior.

Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

Obs. La bola comienza a moverse ya que primero queda cargada por la base y luego se atrae con el

electrodo que posee diferente signo en la carga.

Maquina de Van Der Graff

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

al profesor.

Una vez encendido, la faja vertical comenzara a girar, identifique el signo de la carga de la esfera, con la

ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

Obs: negativo.

Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del Angulo que se desvía las

hojuelas.

5) Cuestionario

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

Se puede utilizar la convención de Franklin que establece que la carga de la barra de vidrio es positiva después de haberse frotado con la tela de seda, y la carga de la barra de ebonita es negativa después de haberse frotado con la piel de conejo.

Para hallar el signo de la carga de las esferas de tecnoport, solo habría que acercar los materiales ya cargados y observar si la esfera se aleja (signo igual al objeto) o se acerca a estos (signo diferentes).

2.-En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicarse el principio de superposición? Explique

En el presente experimento podemos acercar a la esfera de un electroscopio, muchas barras cargadas por distintos procedimientos y de cargas opuestas, entonces podemos observar que las laminillas del electroscopio se abren y cierran indeterminadamente debido a la diversidad de cargas que se están superponiendo sobre un punto, en ese caso: la esfera del electroscopio.

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

otro?

Si se puede, solo dependería de la carga de la varilla

Y si de lo contrario la varilla inicialmente hubiese tenido carga negativa, la esfera de tecnoport se cargaría positivamente.

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

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Electrización por frotamiento

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la fricción, los electrones

externos de los átomos del paño de lana son liberados y cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta

queda cargada negativamente y aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la

electrización del vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones,

pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de

electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga

eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del principio de conservación de la carga

eléctrica formulado por Franklin con anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

Electrización por contacto

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de cargas negativas de un

cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque sus correspondientes átomos poseen un

defecto de electrones, que se verá en parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando

ambos entran en contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el

neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan transferido electrones del

cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su

carga positiva al primero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia

de carga negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

Electrización por inducción

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La electrización por influencia o inducción es un efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas se

ejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia

sí a las cargas negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el cuerpo

cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertirá esa zona

en positiva. En ambos casos, la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y

desaparece cuando el agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

5.- ¿Por qué el cuerpo humano es un 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 cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst?, explique

detalladamente.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite

almacenar cargas eléctricas. Puede ser considerada como el

primer condensador. Se trata de un condensador simple, de

placas paralelas, o en otros términos de un “acumulador de

carga eléctrica, que puede almacenar cantidades

sustanciales de carga.

Cuando la botella de Leyden se usa en combinación con

alguna máquina de fricción, permite desarrollar cargas muy

altas, del orden kilovoltios.

Una vez cargada al máximo, la botella puede descargarse de

forma espontánea o mediante un descargador; en ambos

casos, produciendo una chispa azul intenso, de

características similares a un rayo.

Una forma de crear botellas de Leyden en casa con materiales caseros es la típica del carrete de fotos.

En ocasiones, las botellas de Leyden se unen a los generadores de VanderGraff para almacenar la

electricidad que estos crean.

8.- Durante el uso del generador electroestático se percibe un olor característico, investigue a

que se debe. Explique detalladamente.

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En los generadores electroestáticos, el volumen de los gases dentro de los condensadores siempre se

reduce, esto se debe a que durante las descargas eléctricas se dan reacciones químicas. Estos olores

extraños fueron denominados por el científico van Marum como «el olor de la materia eléctrica».

9.- Explique el poder de las puntas.

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.

10.-Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van der Graff.

a) Experimentos Físicos: Se usa para realizar experimentos en física nuclear en los que se

aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los

resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que

constituye el blanco.

b) Aceleración de electrones para esterilizar alimentos.

c) Aceleración de electrones para esterilizar materiales usados en procesos industriales o

científicos.

d) Generar Rayos-X mediante grandes flujos de energía.

e) Fines educativos y de instrucción en temas de cargas eléctricas, etc.

6) CONCLUSIONES

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a) En el proceso de cargar un cuerpo por inducción, éste no pierde ni gana electrones, solo

se convierte en dipolo.

b) Las maquinas de Wimshurst son generadoras de cargas que pueden ser arrancadas por

otro material dependiendo de la carga que este posea.

c) Existen cuerpos que pueden cargarse positivamente y otros que pueden cargarse

negativamente.

d) Materiales como el vidrio y la lana se carga de una forma positiva.

e) Materiales como la resina y la seda se carga de una forma negativa.

f) La fuerza de atracción entre cargas depende también del radio de las esferas.

g) El electroscopio al quedarse cargado (al poner el dedo en la esfera, luego sacar la varilla

y retirar el dedo) se quedara cargado indefinidamente. Solo se descargará dependiendo

de las características del medio ambiente. Un medio Seco, le permitirá conservar su

carga, mientras que un medio húmedo logrará descargarlo en algún tiempo.

h) Algunos materiales son más difíciles de cargar (Vidrio) debido a su naturaleza fría. (Los

elementos que se calientan más rápidamente son los que se cargan más rápidamente).

i) La electricidad estática al acumularse y entrar en contacto con el agua se manifiesta en

forma de chispas.

j) Cuando un conductor neutro se aproxima a un cuerpo cargado positivamente las

partículas eléctricas negativas son atraídas hacía la parte más próxima al cuerpo

cargado. Como la carga inducida negativa está más próxima al cuerpo positivo, existe

una fuerza neta de atracción.

k) Dos cuerpos cargados positivamente se repelan mutuamente de igual modo, se repelan

mutuamente dos objetos cargados negativamente. Cualquier objeto cargado

positivamente atrae a cualquier otro cargado negativamente.

7) SUGERENCIAS

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a) Para un buen funcionamiento de la máquina de Wimshurst esta tiene que estar libre de

humedad, de lo contrario es muy poco probable que esta funcione.

b) Para secar la maquina se puede hacer uso de una lámpara común.

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