CAMPO ELÉCTRICO 1. OBJETIVOS: Observar fenómenos producidos por cargas eléctricas. Determinar el campo eléctrico entre dos placas paralelas Determinar las superficies equipotenciales entre Placa-Placa. Determinar las superficies equipotenciales entre Cilindro-Cilindro. Determinar las superficies equipotenciales entre Placa-Cilindro.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO: - Electrostática: Estudio de las interacciones eléctricas de la materia debida a cargas eléctricas en reposo. - Cargas eléctricas: son propiedades intrínsecas de la materia (al igual que la masa, el volumen, etc.) por medio del cual los cuerpos ejercen interacción eléctrica. - Campo Eléctrico: Región que rodea a la carga eléctrica, en el cual la carga puede ejercer una fuerza eléctrica sobre una carga de prueba, cuya intensidad E, se define como fuerza eléctrica por unidad de carga de prueba.
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Potencial Eléctrico: Trabajo por unidad de carga para p ara llevar una carga desde un punto cuyo potencial es cero (infinito, para distribuciones de carga finitas) hasta el punto donde se calcula el potencial eléctrico.
Superficie Equipotencial: Superficie formada por el conjunto de puntos que tienen un mismo potencial. El campo eléctrico en cualquier punto sobre una superficie equipotencial es siempre perpendicular a la superficie.
3. MATERIALES: Generador de Van De Graaff Esfera metálica Cubeta electrolítica Electrodos metálicos Fuente de alimentación Multímetro Cables de conexión
4. PROCEDIMIENTO: 4.1. GENERACIÓN DE CARGAS ELÉCTRICAS ESTACIONARIAS: 4.1.1. Generador de Van de Graaff: El generador de Van de Graaff sirve para generar altas tensiones continuas (hasta 100 kV en condiciones de experimentación óptimas), con una baja intensidad de corriente (no peligrosa al tacto), para numerosos experimentos sobre electrostática. El generador consta de una placa base sobre la que se ha montado el motor de accionamiento, con velocidad de giro regulable, y el aislador de vidrio acrílico, Ver figura (1).La esfera conductora con clavijero de 4 mm, para la toma de alta tensión, está montada sobre el aislador, sobre una cuña de metal, y es desmontable. La banda de caucho está tensada entre el rodillo de accionamiento y la polea. La polea y la cuña metálica superior se encuentran unidas entre sí, de manera que puedan conducir la corriente, con la clavija metálica sobre la que se asienta la esfera conductora, pudiéndose regular la altura de ambas (esto sólo es necesario para volver a tensar la banda de caucho). Sobre el rodillo de accionamiento se encuentra el rodillo de presión y la cuña metálica inferior con el clavijero de puesta pues ta a tierra de 4 mm. La esfera de descarga, montada sobre soporte de varilla sirve para la demostración de la descarga de chispas. El generador de Van de Graaff (1002963 / U15300-115) está dimensionada para una tensión de red de 115 V (±10 %) resp. 1002964 / U15300-230 para 230 V (±10 %).
Procedimiento del experimento: La capacidad de trabajo del generador de Van de Graaff se puede ver menoscabada debido a una humedad ambiental muy alta, por cambios de temperatura repentinos (precipitaciones húmedas) o por sucios o polvos en las superficies. Para mantener constante la capacidad de trabajo del aparato se debe retirar cualquier contaminación por polvo, o grasa gr asa (huellas dactilares) de las paredes laterales, de las esferas, de los rodillos y de la banda de goma: 1. Antes de la puesta en marcha, se debe retirar la esfera conductora tirando de ella perpendicularmente hacia arriba. 2. Lavar los rodillos con agua caliente y un poco de detergente y, a continuación, secarlos muy bien (eventualmente con un secador de cabello). Jamás se debe utilizar una solución para efectos de lavado. 3. Posicionar las cuñas según se muestra en la imagen im agen Figura (2). Llevarlas lo más cerca posible de la banda, pero sin que la toquen. 4. Volver a montar la esfera conductora. 5. Realizar las conexiones a tierra de la cuña metálica inferior y de la esfera de descarga. 6. Conectar el motor de accionamiento por medio del interruptor on/off. Ajustar la velocidad de giro deseada por medio del regulador de velocidad.
7. Para demostrar la compensación de carga a través de una distancia disruptiva, se debe acercar lentamente la esfera de descarga al generador. 8. Si se manifiesta una alta humedad ambiental, se debe secar el generador con aire caliente, por ejemplo, usando un secador de cabello.
4.1.2.
Electroscopio Electroscopio de Kolbe:
El electroscopio sirve para comprobar la existencia de cargas y tensiones eléctricas con una alta sensibilidad. El electroscopio se compone de una carcasa metálica que lleva un casquillo de puesta a tierra de 4 mm en la placa base metálica, ver figura (3). La pared anterior y la posterior están hechas de placas de vidrio. Acoplado a la tapa superior, aislado eléctricamente del resto de cuerpo, se encuentra el soporte para la aguja índice de suspensión en puntas. El índice está suspendido asimétricamente y proporciona así por su peso el momento de restitución a la posición inicial. Conectado galvánicamente con el soporte de la aguja se encuentra un casquillo de 4 mm, para acoger la esfera o una placa de condenador en la parte superior del aparato. El orden de magnitud de la carga en el electroscopio se puede estimar por medio de una escala vertical dentro del aparato. El electroscopio es apropiado para la proyección de siluetas en experimentos de demostración.
Indicaciones del experimento: 1. Tenga en cuenta que el aislador debe encontrarse siempre limpio y seco. Dado el caso, se debe limpiar con alcohol. 2. Ante una elevada humedad ambiente, o una vez que se haya transportado el equipo de un lugar frío a uno de mayor temperatura, se debe secar el electroscopio con aire caliente (por ejemplo, con un secador de cabello). 3. En la tabla (1), se indican el uso de varillas y materiales.
Procedimiento (1): Carga del electroscopio por contacto con un cuerpo previamente cargado 1. Insertar la placa de condensador en el electroscopio. 2. Frotar con fuerza la varilla de fricción con el material adecuado (PVC, o bien varillas de vidrio acrílico con, por ejemplo, láminas de plástico). p lástico). 3. Tocar la placa de condensador con la varilla previamente frotada. El indicador se desvía. Ver figura (4). 4. Alejar la varilla de fricción. El indicador mantiene su desviación. 5. Tocar la placa de condensador con la mano. 6. El indicador retorna a su posición original.
Procedimiento (2): Carga del electroscopio por influencia: 1. Acercar la varilla previamente frotada a laplaca de condensador, pero sin que llegue a tocarla. El indicador se desvía .Ver figura (5). 2. Alejar la varilla. El indicador retorna a su posición anterior. 3. Acercar nuevamente la varilla. El indicador se vuelva a desviar. 4. Tocar brevemente la placa de condensador con un dedo para así descargarla. El indicador retorna a su posición anterior. 5. Alejar ahora la varilla. El indicador se vuelve a desviar.
4.1.3.
Máquina de Wimshurt:
El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico (1), de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. El accionamiento de los discos se realiza por medio de correas de accionamiento, a través de poleas y una manivela. Una correa se desplaza de manera cruzada, por lo cual los discos giran en sentido opuesto. La cara externa de los discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado al eje un conductor transversal (6), girable, con dos «pinceles» de metal, que frotan las hojas de estaño. Ver figura (6). Para la toma de corriente se usan dos escobillas (7), fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento (2), el cual se encuentra atornillado al eje. La distancia entre las escobillas es de algunos milímetros y es regulable. Éstas se encuentran conectadas con las barras de electrodos (3), cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas. Dos botellas de Leyden (4), se pueden conectar adicionalmente por medio de las palancas de acoplamiento (8). El interruptor de aislamiento conecta las botellas de Leyden entre sí.
Principio de funcionamiento: Para facilitar la explicación del funcionamiento del generador electrostático, en lugar de los discos, imaginemos que se tienen dos cilindros huecos, ver figura (7), 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, éste pasa sucesivamente a las posiciones p osiciones B2 y B3. En la posición B3 se encuentra frente a la hoja A1, la cual está puesta a tierra por medio del pincel P1, por lo que su carga de influencia es negativa. A1 mantiene esta carga negativa cuando, debido al movimiento de giro, pasa a ocupar las posiciones A2 y A3. En la posición A3, ejerce como influencia una carga positiva sobre la hoja de estaño B1, la cual se encuentra ahora enfrente. Este proceso se repite y 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 las hojas A, con carga negativa, a la escobilla S2, en donde entregan sus cargas a los electrodos con las esferas conductoras K1 y K2. Al continuar el movimiento giratorio, se producen los mismos acontecimientos con la diferencia de que, 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. Bajo los pinceles, las cargas positivas o negativas de las hojas de estaño del disco 2 ejercen una influencia influ encia sobre las del disco 1. Y éste, 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 a las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La longitud de las l as chispas depende del diámetro del disco.
4.1.4.
CUESTIONARIO:
Experimento con el generador Van de Graaff 1. De acuerdo a las indicaciones del experimento de Van de Graaff y según lo observado en el procedimiento, explique el fenómeno de descarga de puntas. 2. ¿El voltaje almacenado en la estructura esférica será proporcional al radio de la esfera? 3. ¿El tiempo de carga de la esfera será proporcional a la velocidad del motor? 4. ¿Para qué la toma de tierra está en la parte inferior de la bobina? 5. ¿Por qué está limitada la diferencia de potencial que se consigue con el generador? 6. ¿Cómo se puede aumentar la diferencia de potencial que se obtiene con este generador? Experimento con electroscopio de Kolbe: 7. Según el procedimiento (1), explique todo lo observado. 8. Según el procedimiento (2), explique todo lo observado. Experimento con la máquina de wimshurt: 9. De acuerdo a lo observado en el procedimiento pr ocedimiento explique el funcionamiento como se puede cargar las botellas de Leyden. 10. ¿Para qué sirve la botella b otella de Leyden? 11. ¿Cuál es el mecanismo de carga de un condensador? 4.2. Potencial eléctrico entre placas paralelas: Procedimiento: 1. Llene 150 ml de agua en la cubeta e instale el equipo de acuerdo al diagrama que se muestra en la figura (8), con una fuente de corriente continua de 6 a 10 voltios. 2. Mida la diferencia de potencial entre el punto (5,2) y las diferentes posiciones (x, y) completar la tabla (3).
3. Represente gráficamente el voltaje (diferencia de potencial) en función de la posición x, con los datos de la tabla (3). Realice un ajuste de curvas y determine el valor del campo eléctrico. 4. Explique los resultados de su ajuste de curvas, y calcule el error porcentual en la determinación del valor del campo eléctrico. 4.3. Superficies equipotenciales: Procedimiento: Procedimiento: Configuración de electrodos placa-placa: 5. Para cada uno de los puntos de referencia (x, y), y valore s de “x” dados en la tabla (4). Medir el valor de las l as ordenadas “y” hasta completar la tabla (4). Teniendo en cuenta que la diferencia de potencial entre el punto de referencia y el punto (x, y) sea igual a cero. Ver figura (9)
5. Reemplace los electrodos de barra por electrodos cilíndricos y mida el valor de “y” para cada uno de los puntos de referencia y valores de “x” dados en la tabla
(5). Teniendo en cuenta que la diferencia de potencial entre el punto de referencia y el punto (x, y) sea igual a cero. Ver figura (10).
7. Reemplace uno de los electrodos cilíndricos por un electrodo de barra, y mida el valor de “y” para cada uno de los puntos de referencia y valores de “x” dados en la tabla (6). Teniendo en cuenta que la diferencia de potencial entre el punto de referencia y el punto (x, y) sea igual a cero. Ver figura (11). (11).
8. Represente gráficamente las superficies equipotenciales para todas las configuraciones estudiadas y dibuje cinco líneas de fuerza indicando su sentido. 9. Explique sus resultados r esultados gráficos y las condiciones que tomó para representar r epresentar las líneas equipotenciales. 10. ¿El campo eléctrico creado por una placa infinita cargada uniformemente dependerá de la distancia a la misma? 11. ¿De qué depende el trabajo de la fuerza electrostática para llevar una carga de un punto a otro? 12. ¿En el interior de un conductor en equilibrio cómo es el campo eléctrico? Explique 13. ¿En este experimento usamos agua de caño, explique en qué consiste la electrólisis? RECOMENDACIONES Para posteriores trabajos de laboratorio se recomienda analizar de manera objetiva y minuciosa las indicaciones que se nos da en el laboratorio así como también revisar libros y publicaciones publ icaciones de confianza. CONCLUSIONES Las superficies equipotenciales son aquellas donde en cualquier punto de ellas tienen el mismo potencial. El potencial tiene una relación inversa con la distancia. En un dipolo las superficies sup erficies equipotenciales toman la forma de esta. Las líneas de fuerza van del electrodo positivo al negativo es decir son salientes en el positivo y entrantes en el negativo. El mayor potencial se encuentra el cercano al electrodo positivo. BIBLIOGRAFIA Física tomo1, editorial Lumbreras Física 1 autor , Humberto Neira Quimia tomo 2, editorial Lumbreras Química ,Raymond chang
