CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS EXPERIENCIA N° 01
1. INTRODUCCION:
Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado. La electrización por frotamiento permitió, a través de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretación de las mismas cada vez más completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrostática. Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana, se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de seda. Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar electrizadas se repelen entre sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio y viceversa. Este tipo de experiencias llevaron a W. Gilbert (1544 - 1603) a distinguir, por primera vez, entre la electricidad que adquiere el vidrio y la que adquiere el ámbar. Posteriormente Benjamín Franklin en el siglo XVIII explicó los fenómenos eléctricos a través de la teoría del "fluido eléctrico" existente en todos los cuerpos. El pensaba que en los cuerpos no electrizados (neutros) el fluido permanecía de manera equilibrada, pero cuando dichos cuerpos se electrizaban entre sí, el "fluido eléctrico" se transfería: el que quedaba con más fluido era electrizado positivamente (+) y el que resultaba con menos fluido se electrizaba de modo negativo (-). Llamó a la electricidad «vítrea» de Gilbert y a la «resinosa»
2. OBJETIVOS: 1) Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la
materia llamada carga eléctrica. 2) Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas. 3) Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos. 4) Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador Electrostático – maquina de Wimshurst y la máquina de Van de Graff. 3. 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 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 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.
Péndulo de tecnoport. Electroscopio Barras de acetato y vinilita. Maquina de Wimshurst modelo U15310. Maquina de Var de Graff.
Paños de algodón, seda y lana
Electroscopio
Barras de acetato, vinilito y vidrio
Péndulo eléctrico
4. FUNDAMENTO TEORICO
Se atribuye a Thales de Mileto (640 – 548 a.c.) haber obtenido 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 atraían cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, 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 comprueban experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los de tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominadas cargas positivas y cargas negativas. A un cuerpo que no este cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tiene igual número de cargas de ambos tipos. GENERADOR ELECTROSTATICO: 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, no son peligrosas al contacto.
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Partes del Generador Electrostático: 1) Disco de acrílico con placas de estaño, el generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un je horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. 2) Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje 3) Barra de electrodos, estás se encuentran conectados con las barras de electrodos, cuyos extremos tiene forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas. 4) Botellas de Leyden. 5) Interruptor de aislamiento.
6) Conductor transversal con pinceles de metal. La cara externa de los
discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado al eje unos conducteros transversales, girable, con dos “pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño.
7) Estribo con escobillas, para la toma de corriente se emplean dos
escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La distancia entre las escobillas y los discos es regulable, y debe ser de algunos milímetros. 8) Palanca de acoplamiento para conexión de las botellas de Leyden.
Funcionamiento:
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 esta, por otra parte, influencia las cargas de las hojas de estaño del disco 2, cuando estas pasan por el pincel que se encuentra enfrente. Las cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para descarga, a las barras de electrodos o a las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La longitud de las chispas depende del diámetro del disco.
GENERADOR ELECTROSTATICO; MAQUINA DE VAN DE GRAFF:
El generador der Van de Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo. Se basa en os 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) b) El que se base en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo solo 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 ganado mas y mas hasta conseguir una gran carga.
Consta de: 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 lleva componentes de carbono que le 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:
Una correa transportar la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y deja en la parte interna de la esfera superior. El intenso campo eléctrico que se establece ente 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 peor el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma
conductor – efecto Corona – y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo. Parte superior:
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 eficiencia 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 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.
5. PROCEDIMIENTO: A. Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la Maquina de
Wimshurst y de Van der Graff. B. Experimente la interacción entre las barras cargadas y las esferas de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico. 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. 4) Ahora cierre el interruptor, anote lo observado 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. 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. 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. 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. 11) 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.
Descarga de punta
Tablero de destellos
Clavija de conexión en pantalla de seda
juego de campanas
A.2 Maquina de Van der Graff: 1) Conecte la máquina de Van der Graff, a la fuente de 250V de C.A. tenga
cuidado, si tiene dudas consulte al profesor. 2) 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. 3) Utilice los dispositivos efectuados en los procesos de 9 al 17, anote lo observado. 4) 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 es fera 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) Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había colocado sobre ella. Anote sus observaciones. 12) Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anote sus observaciones. 13) Repita los pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.
Desarrollo de la práctica con el acetato, vinilito y vidrio
6. CUESTIONARIO: 1) ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?
Primero se frota una barra de vidrio con un paño. Debido a la naturaleza de estos dos cuerpos será el vidrio él que se cargue positivamente mientras que el paño negativamente. Luego cargamos al electroscopio por contacto con la barra de vidrio adquiriendo la carga positiva. Entonces acercamos las esferas de tecnoport a la esfera del electroscopio y vemos si las laminillas se cierran (hay atracción, tiene carga negativa) o si se abren (hay repulsión, tiene carga positiva). 2) En las experiencias efectuadas ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.
Se podría aplicar en el momento que intentamos saber la polaridad de la barra de electrodos ya que hay 3 cuerpos cargados eléctricamente y están interactuando, dos con carga negativa y uno con carga positiva. Entonces podríamos establecer para la esfera del electroscopio (negativo) que hay dos fuerzas sobre él, una de atracción (electrodo positivo) y otra de repulsión (electrodo negativo). 3) ¿del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?
Sí. Porque los cuerpos los podemos cargar por frotamiento, adquiriendo ambos diferentes cargas que luego se pueden verificar de qué tipo son con el electroscopio; también se pueden cargar por contacto, adquiriendo ambos la misma carga (ya conocida) y si no se conoce se puede usar el electroscopio. 4) Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.
Tipos de electrización POR CONTACTO: Uniendo un disco de cobre y otro de cinc, separados por una placa de mica, se produce electricidad estática, de signo positivo sobre el cobre y negativo sobre el cinc. Las mismas placas, separadas por paños mojados en agua acidulada, desarrollan electricidad dinámica, del mismo signo que en el ejemplo.
POR FRICCIÓN: Frotando una varilla de vidrio con un paño de lana, se produce electricidad negativa sobre el paño y positiva sobre el vidrio. Frotando una barra de azufre con un año de lana, se desarrolla electricidad negativa sobre el azufre y positiva sobre el paño. POR INDUCCIÓN: Metiendo un imán dentro de un arrollamiento de alambre (bobina), se produce sobre el alambre una corriente eléctrica. Moviendo transversalmente un extremo del imán cerca de la bobina, también se produce una corriente eléctrica. EFECTO FOTOELÉCTRICO: Una célula fotoeléctrica colocada delante de un foco luminoso, transforma directamente la luz en electricidad. Las hojas de las plantas y árboles, producen una débil corriente eléctrica mientras el sol las ilumina, durante el proceso llamado "fotosíntesis". POR ELECTRÓLISIS: Sumergiendo una placa de carbón mineral o de retorta junto a una placa de cinc, sumergida en agua acidulada, se desarrolla electricidad, de signo positivo sobre el carbón y negativo sobre el cinc. Metiendo limaduras de hierra en un frasco con agua acidulada y colocando dos cables de cobre cerca de las limaduras y sumergido, también se desarrolla electricidad. (Estos dos ejemplos, mejor que generación eléctrica por electrólisis, es más correcto decir, por mediosquímicos). EFECTO TERMOELÉCTRICO: La pila termoeléctrica de Seebeck, transforma el calor aplacado a varias soldaduras de dos metales diferentes, directamente en electricidad. La evaporación de las agua de mares y ríos se demostró que generara electricidad, la cual se deposita en las nubes.
5) ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.
Porqué casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.
6) Considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 esta descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r ¿Qué sucederá?
Si entran en contacto la bola 2 adquirirá carga y ambos se repelerán por ser cargas del mismo signo . Por influencia la bola 2 empezara a ser atraído por la bola 1 (la bola 2 se polarizara).
7) suponga que mediante algún deslizador del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que esta descargada ¿Qué es lo que se observara? ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?
Después del contacto las bolas se repelerían. La carga de la esfera 2, dependiendo del tamaño de la esfera, será del mismo signo de la esfera 1.
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?
SI tenemos como en el caso anterior, las cargas inducidas de la bola blanca se localizan en losextremos, como la bola blanca es más pesada que la negra, ésta atraerá a la negra poniéndose en contacto, entonces la bola blanca cederá los electrones a la bola negra poniéndola en equilibrio, quedando la bola blanca cargada positivamente.
9) 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?
Se sabe que: Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Basándose en este principio la carga del electroscopio será positiva, ya que se separa al acercar el objeto.
10) Qué función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.
La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio que permite almacenar cargas eléctricas. Históricamente la botella de Leyden fue el primer tipo de condensador. La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador. La varilla metálica y las hojas de estaño o aluminio 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.
11) Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.
En 1785 sometió algunos gases a intensas descargas eléctricas generadas con la máquina electrostática. Entre ellos experimentó con oxígeno puro, cuyo volumen se redujo un 5% tras 15 minutos de exposición, y con aire atmosférico, que se redujo un 1,5% después de 30 minutos. Como el
volumen de los gases siempre se reducía, dedujo que durante las descargas eléctricas tenían lugar reacciones químicas. 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 científicamente en describirlo. En conclusión a este experimento realizado por Van Marum: Es el olor a Ozono (O3), variedad alotrópica del Oxigeno (O2), que se genera a partir de él, por efecto de las chispas es el olor que `característico´. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica.
12) Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones.
En Electrostática, el poder de las puntas está relacionado con la definición de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se haga 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 da 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 notorio que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la parte 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.
13) Menciones al menos 5 aplicaciones del equipo de Van de Graff. 1. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de
, esterilización de alimentos. 2. Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica
en alta tensión. Sin peligro para el que los realiza. 3. Usándose tanto en experimentos docentes como en procesos industriales (acelerador de partículas). 4. Existen otras variantes del generador de Van de Graff, como son el Vivitron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Mega voltios. 5. Experimentos de física de partículas y física nuclear. ,
7. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS:
Revisar el material antes de trabajar ya que puede presentar fallas y el experimento no se realizaría como es debido. Revisar la teoría siempre antes de realizar la práctica para una complementación ideal. Se demuestra varios puntos de la parte teórica del curso mediantes las máquinas de Wimshurst y Van de Graff. Trabajar con cuidado con los materiales ya que podría ocurrir algo que no está planificado. Tomar nota siempre de los resultados obtenidos y compararlo con los teóricos.
8. BIBLIOGRAFIA:
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo – Física III SERWAY – JEWETT. Física, para ciencias e ingeniería. Séptima edición. 640 pág.
