TABLA DE CONTENIDO I.
OBJETIVO
pág.1
II.
INTRODUCCION
pág.1
III.
PRINCIPIO TEORICO
pág.2
IV.
PARTE EXPERIMENTAL
pág.6
4.1 ESQUEMA 4.2 MATERIALES Y/O EQUIPOS 4.3 DESCRIPCION DEL APARATO 4.4 INFORMACIONES UTILES PARA EL USO DEL EQUIPO
V.
PROCEDIMIENTO
pág.9
VI.
TABLA DE RESULTADOS
pág.11
VII.
PREGUNTAS
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VIII.
CONCLUSIONES
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IX.
ANEXOS
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X.
BIBLIOGRAFIA
pág.16
FUNDAMENTOS DE FISICA APLICADA LABORATORIO Nº 11 PRINCIPIO DE ELECTROSTATICA – CORRIENTE ELECTRICA
EL GENERADOR VAN DE GRAAFF I.
OBJETIVO
Nos proponemos usar el
generador Van de Graaff para producir cargas
eléctricas.
También nos proponemos conocer las partes y el funcionamiento de este generador de cargas eléctricas.
Verificar mediante varios experimentos con los materiales las líneas de campo eléctrico y su potencial eléctrico, para comprender el fenómeno físico y de acción a distancia.
Analizar el comportamiento de diferentes cuerpos cargados eléctricamente mediante el método de frotación, inducción y contacto.
II.
INTRODUCCION
Gracias a que el hombre es un ser pensante por naturaleza hemos sido ser capases de desarrollar, investigar y averiguar distintos fenómenos que nos han llamado la atención y uno de ellos es la parte electroestática donde aprenderemos que se puede cargar un cuerpo de distintas formas ,por ejemplo al tener contacto con otro anteriormente cargado, estando los cuerpos cargados, sus cargas eléctricas se distribuyen entre estos mismos esta es una de las formas en cual un objeto puede sufrir un cambio electroestático. Durante esta experiencia veremos empíricamente las cualidades de la electroestática mediante distintas actividades que se relacionan con cambios de cargas y así poder explicar parte de estos fenómenos que la naturaleza nos entrega. El generador de Van de Graaff es una máquina que almacena carga eléctrica en una gran esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una correa sobre unos peines metálicos. Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se comienzan a acumular. Un generador de Van de Graaff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier
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otro tipo de batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de potencial constante. Uno de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el mismo Robert J. Van de Graaff, está ahora en exhibición permanente en el museo de Boston de la ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que están estáticas en unas columnas altas, este generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios.
III.
PRINCIPO TEORICO
CARGA ELÉCTRICA Propiedad de la materia que le permite interactuar con cuerpos que también la tengan. Existen dos tipos: positiva y negativa. La menor cantidad de carga que existe libre en la naturaleza es la del electrón y su unidad de medida en el sistema internacional es el Coulomb. Un electrón tiene una carga eléctrica de magnitud 1,6 x 10-19 (C).
CORRIENTE ELÉCTRICA Flujo de electrones que viaja a través de una sustancia sólida, líquida o gaseosa.
INTENSIDAD DE LA CORRIENTE ELÉCTRICA La intensidad de la corriente eléctrica se designa con la letra (I) y su unidad de medida en el Sistema Internacional (SI) es el ampere (llamado también “amperio”), que se identifica con la letra (A).
EL AMPERE De acuerdo con la Ley de Ohm, la corriente eléctrica en ampere ( A) que circula por un circuito está estrechamente relacionada con el voltaje o tensión ( V) y la resistencia en ohm (
) de la carga o consumidor conectado al circuito.
Un ampere (1 A) se define como la corriente que produce una tensión de un volt ( 1
V), cuando se aplica a una resistencia de un ohm (1
).
TIPOS DE CORRIENTE ELÉCTRICA En la práctica, los dos tipos de corrientes eléctricas más comunes son: corriente directa (CD) o continua y corriente alterna (CA). La corriente directa circula siempre en un solo sentido, es decir, del polo negativo al positivo de la fuente de fuerza electromotriz (FEM) que la suministra. Esa corriente mantiene siempre fija su polaridad, como es el caso de las pilas, baterías y dinamos.
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Gráfico de una corriente directa (C.D.) o continua (C.C.).
Gráfico de la sinusoide que posee una corriente alterna (C.A.). La corriente alterna se diferencia de la directa en que cambia su sentido de circulación periódicamente y, por tanto, su polaridad. Esto ocurre tantas veces como frecuencia en hertz (Hz) tenga esa corriente. A la corriente directa (C.D.) también se le llama "corriente continua" ( C.C.). La corriente alterna es el tipo de corriente más empleado en la industria y es también la que consumimos en nuestros hogares. La corriente alterna de uso doméstico e industrial cambia su polaridad o sentido de circulación 50 ó 60 veces por segundo, según el país de que se trate. Esto se conoce como frecuencia de la corriente alterna.
DESCARGA ELÉCTRICA Cuando un cuerpo electrizado neutraliza su carga, se dice que se descarga. Esto se puede realizar a través de un buen conductor, como un alambre conectado a tierra, como a través de un gas. El relámpago es el caso más conocido de una descarga eléctrica a través de un gas (el aire). Para que se realice una descarga en un gas es necesario que las moléculas de este sean iones (partículas cargadas).
ELECTRONES Partículas atómicas que contienen una carga negativa llamada unidad de carga fundamental.
FUERZA ELÉCTRICA Dos cargas se atraen si son de signo distinto y se repelen si son de igual signo, la fuerza con que reacciona es llamada “fuerza de Coulomb” y su expresión matemática (medida por primera vez por Charles Coulomb) es la siguiente:
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F = Kq1q2 / r 2 donde K es una constante cuyo valor es: 9x10 9 Nm2 /(C)2, tanto q1 como q2 son las cargas que intervienen y r es la distancia que las separa.
CAMPO ELÉCTRICO Propiedad del espacio alrededor de una carga eléctrica. Se le designa con la letra E y su definición matemática es: E = Q / r 2, siendo Q la cantidad de carga eléctrica de un cuerpo y r, la distancia desde el cuerpo cargado al punto donde se mide el campo eléctrico. Otra forma de escribir el campo eléctrico es: E = F / q siendo F la fuerza eléctrica entre la carga Q (E sería el valor del campo que produce la carga Q) y la carga q que es llamada “carga de prueba” que a una distancia r de Q siente una fuerza F.
IONIZAR Sacar electrones de átomos o moléculas, producir átomos o moléculas con exceso de carga.
POTENCIAL ELÉCTRICO Potencial en un punto del campo eléctrico es la razón entre el trabajo realizado para trasladar una carga de prueba desde fuera del campo hasta ese punto y el valor de dicha carga, esto se expresa: V = W / q. Otra definición es: la razón entre la carga que origina el campo y la distancia que existe entre dicho punto y la carga, su expresión matemática es: V = q / r.
GENERADOR DE VAN DE GRAAFF El generador de Van de Graaff, 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 de Graaff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales. Existen dos modelos básicos de generador:
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)
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.
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El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por l a cinta. En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta. La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday).
FUNCIONAMIENTO DEL GVG Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico. En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la polea y la cinta están hechas de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario. Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera una carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura.
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Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta. Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo.
La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica). Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco. Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.
IV. PARTE EXPERIMENTAL 4.1 ESQUEMA
ESQUEMA DE UN GENERADOR DE VAN DE GRAAFF.
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4.2 MATERIALES Y/O EQUIPOS
1Generador de Van de Graaff
1 Bola de descarga
1Demostrador de línea de fuerza
1Electroscopio
2 Cables de conexión
1Cabellos
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4.3 DESCRIPCION DEL APARATO
Fig. 1 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 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. - 8 -
4.4 INFORMACIONES UTILES PARA EL USO DEL EQUIPO a) Antes de la operación, hay que limpiar, con tela suave y limpia, las dos esferas, las ruedas, la correa y el tubo de poliglás. b) Se abre la mitad superior del casco y se ajusta el tornillo para que la correa quede adecuada y las ruedas superior e inferior paralelas. c) Se ajusta el colector superior para que se acerque al máximo a la correa, sin tocarla. d) Se conecta el colector con la bola de la descarga eléctrica. Se conecta el interruptor de colector con el colector debajo, al mismo tiempo, coloque la tabla de alambre de tierra en el suelo. e) Se conecta el interruptor de fuente eléctrica del motor para arrancarlo. Si la humedad del ambiente es alta, se enciende la lámpara secadora, Cuando el aire húmedo es expelido del aparato, se apaga el motor y se cierra la mitad superior de casco. Ahora el generador está listo para la demostración. f) Se conecta el circuito de tierra del motor para arrancarlo y proteger contra la fuga de carga. g) En aquellos lugares donde no existe corriente eléctrica y la humedad relativa es menor al 80%, se puede recurrir a la operación manual, es decir hacer girar la manivela en el sentido del reloj. h) Cuando comienza a funcionar el generador, no debe tocar con las manos las bolas ni las partes metálicas expuestas. Cuando deje de usar el generador, debe hacer contacto las dos bolas para que se descarguen la electricidad remanente, con la finalidad de que pase corriente a través del cuerpo humano (no hay peligro para la vida, porque la corriente es muy pequeña. i) Proceda a realizar las siguientes experiencias
V.
PROCEDIMIENTO
Secar las diferentes partes del equipo y conectar el GVG a 220 V- AC. (En el caso de no usar corriente eléctrica, se hace girar el manubrio).
EXPERIENCIA N° 1
Acerque la bola de descarga al casco del acelerador de Van de Graaff, como se muestra en la figura 2a
Al tocar la esfera de descarga al acelerador habrá sacado un poco de carga
Acerque ahora la esfera de descarga hacia el electroscopio.
Toque la cabeza del electroscopio con la esfera de descarga tal como se muestra en la Fig. 2b.
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Registre sus observaciones.
Fig. 2 Transferencia de carga del acelerador hacia el electroscopio: (a) Contacto de la esfera de prueba con el acelerador, (b) transferencia de carga al electrodo central del electroscopio EXPERIENCIA N° 2 Tome por la base aislante el plumero electrostático.
Acerque los hilos del plumero al casco, como se muestra en a Fig. 3 - a
Tome un solo hilo del plumero y desplácelo alrededor del casco siguiendo circuitos paralelos al ecuador o meridiano como se muestra en la Fig. 3 - b, pero sin intentar disminuir la distancia al casco, el hilo se mantiene a una distancia constante.
Registre sus observaciones.
Con el generador de Van de Graaff apagado y previamente descargado, disponga de una placa de madera seca forrada en la parte superior con cualquier plástico grueso y haga parar a un compañero suyo sobre ella, haciendo que coloque sus manos sobre el casco.
Encienda el motor del generador, luego de cierto tiempo los cabellos del alumno se levantarán como se muestra en la Fig. 4. (Los cabellos del alumno deben estar recién lavados y secos). Luego de esta experiencia retire las manos del casco.
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Acerque la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo
Deje pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se ha descargado, entonces recién hágalo bajar de la tabla. ¡ Proceda con cuidado
y con calma!
Fig. 4. La alumna ha sido cargada a un potencial muy elevado por contacto con un generador de Van de Graaff. VI.
TABLA DE RESULTADOS NUMERO DE EXPERIENCIA
OBSERVACION
N°1
Se transfieren los electrones del electrodo cargado hacia el electroscopio provocando en este la separación entra las laminillas.
Los hilos del plumero adquieren una posición final es decir se extienden hacia el espacio en la dirección de las líneas de campo eléctrico. N° 2
Cada cabello tanto como todo el cuerpo se carga de electrones del mismo signo y estas al llegar hacia los cabellos se repelen haciendo que cada cabello se separe entre sí.
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VII. PREGUNTAS a. Sabiendo que el máximo campo que se puede alcanzar en el aire es de 30000 V/cm; ¿Qué potencial alcanza el casco si la chispa de descarga es de una longitud de 4cm? E = 30, 000 V/cm V=? q =? d = 4 cm
C
V
b. El radio de casco esférico es de 20cm, determine ¿Cuánta carga puede recibir sin provocar la ruptura eléctrica en el aire? E = 30, 000 V/cm d = 20 cm q=?
C
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c. El electrodo conductor esférico de un generador van de Graaff está cargado hasta un potencial de 0.18 x 106 V. Halle el radio mínimo que debe tener el cascaron esférico para que no ocurra la ruptura eléctrica del aire. V = 0.18 x 106 V C
d=?
d =
VIII.
CONCLUSIONES
Mediante el generador de van de Graaff podemos producir diferencias de potencia tan altas como 20 millones de voltios.
La carga eléctrica generada por el generador es intensa y positiva.
Se definió y determino el funcionamiento y partes del generador de Van de Graf.
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IX.
ANEXOS
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X.
BIBLIOGRAFIA
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/vandeg3.html
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/graaf/graaf.htm
Física para Ciencias e Ingeniería (Vol. 01) - Giancoli
Física Universitaria - Sears • Zemansky
Física Conceptos y Aplicaciones - Paul E. Tippens
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