Informe 1 Fisica 3

KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS

UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS DEL AMBIENTE ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA AMBIENTAL CURSO: FISICA III PRACTICA N°01: “KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS”

DOCENTE: Ms.C. EDUARDO CABRERA SALVATIERRA ESTUDIANTE: CASTILLO SANCHEZ EVELIN FECHA DE PRACTICA: 20/ 01/ 2015

FECHA DE ENTREGA: 27/ 01/ 2015

HUARAZ – 2016

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS

INTRODUCCIÓN La existencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antigüedad. Mediante los experimentos hechos en el laboratorio se probaran como ciertos materiales se cargan eléctricamente por simple frotación, como al frotar el vidrio con la seda, por inducción como cuando acercamos a un objeto cargado a otro no

cargado,

este

se

carga

con

la

misma

carga

que

el

otro.

También se usaron los aparatos de Van de Graaff, Wimshurt y la jaula de Faraday que nos serán de gran ayuda para entender el comportamiento de las cargas eléctricas, así como la generación de campos eléctricos y las fuerzas de atracción

y

repulsión

entre

las

cargas

de

cada

objeto

usado

.

Es importante conocer de estos experimentos porque nos ayudan a comprender los fenómenos que ocurren a nuestro alrededor como por ejemplo el por qué un rayo impacta en un árbol. Así mismo estos conocimientos han sido de gran utilidad para la creación de nuevas tecnologías y satisfacer necesidades hasta el punto de ser indispensable para nuestras vidas.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS PRODUCCIÓN DE CARGA ELÉCTRICA POR CONTACTO I. OBJETIVOS 1.1. Producir cargas eléctricas sobre los materiales (varillas) por el método de frotamiento. 1.2. Hacer un estudio y mostrar los efectos que producen los cuerpos cargados eléctricamente. II. FUNDAMENTO TEÓRICO Una manifestación habitual de la electricidad es la fuerza de atracción o de repulsión entre dos cuerpos estacionarios, de acuerdo con el principio de acción y reacción, ejercen la misma fuerza eléctrica uno sobre otro, con diferentes cargas q1 y q2. Así considerando un experimento en donde intervienen una barra de plástico que es forrado con un trozo de piel y prosiguiendo el experimento se suspende de una cuerda que puede girar libremente. Si luego aproximamos a esta barra, una segunda barra de plástico, frotada también con la piel, observamos que las dos barras se repelen. De acuerdo a este experimento si proseguimos con los mismos pasos, pero con dos barras de vidrio los resultados que obtenemos son congruentes al experimento anterior; sin embargo si utilizamos una barra de plástico frotada con la piel y una varilla de vidrio, y lo hacemos el mismo procedimiento, observamos que las barras se atraen. Entonces observado este fenómeno decimos que al frotar la varilla de plástico o de vidrio con una seda, estas sustancias se electrizan o se cargan. Por consiguiente el tipo de carga que adquiere la varilla de vidrio frotada con la seda es positiva, lo cual significa que el paño de seda adquiere una carga negativa de igual magnitud. De manera que la barra transfiere una cantidad “n” de electrones a la seda y que da cargada positivamente, pero durante este proceso la carga no se crea sino se transfiere de un cuerpo a otro, es decir la carga se conserva.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS III. MÉTODO EXPERIMENTAL 4.1. Producción de carga positiva y negativa a) Limpiamos las superficies de la varilla de vidrio y el electroscopio. b) Dispongamos el equipo tal como se muestra en la figura:

c) Acercamos la varilla de vidrio sin frotar el electrodo central del electroscopio. d) Ahora presionamos fuerte y en una sola dirección, frotamos la varilla de vidrio con la tela de seda y nuevamente acerque la varilla de vidrio al electrodo central del electroscopio.

e) Tocamos el electrodo central del electroscopio con la varilla de vidrio previamente cortada con seda para transferir la carga. f)

Para obtener más cargas sobre el electroscopio habrá repetimos varias veces

el

proceso

de

frotación

y

transferencia.

Registramos

las

observaciones. Para descargar el electroscopio tocamos con un dedo el electrodo central. g) Repetimos los pasos anteriores para la varilla

de plástico (negro) y se

frotamos con la seda. 4.2. Determinación del tipo de carga que tiene un cuerpo a) Tomamos como carga positiva aquella que aparece en el vidrio cuando esta es frotada con seda.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS b) Frotamos vigorosamente la varilla de plástico con la tela de seda gruesa (o con la lanilla) y se le acerca sin tocar la esfera del electrodo del electroscopio. con la tela de seda gruesa y se le acerca sin tocar la esfera del electrodo del electroscopio. c)

Repetimos el paso anterior para la varilla acrílica.

4.3. Atracción y/o repulsión eléctrica a) Friccionamos fuertemente la varilla de plástico de color negro A con la tela de seda y luego colocarlo en la plataforma giratoria con soporte, como se muestra en la figura.

b) Friccionamos la varilla de plástico negro B con la tela de seda y luego acercarlo a la varilla de plástico colocada en la plataforma giratoria. Hacer girar la varilla A en varias vueltas. c) Friccionamos la varilla de vidrio C con la tela de seda y luego acercarlos a la varilla A haciendo girar varias vueltas. Evite tocar la varilla de vidrio con la de plástico mientras se gira. d) Friccionamos la varilla de acrílico con la tela de seda y luego acérquelo a la varilla A haciéndolo girar varias vueltas, evitando tocarla.

e) Repetimos el procedimiento anterior combinando las varillas A, B y C.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS IV.

CUESTIONARIO

4.1. a)

Producción de una carga positiva y negativa Al acercar la varilla de vidrio sin frotar al electroscopio. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Qué implica esto? Las laminillas no tienen ningún movimiento, donde esto implica debido a que la varilla de vidrio no está cargado es decir que se mantiene en neutro (Q=0).

b) Al acercar la varilla de vidrio previamente frotada con seda al electroscopio sin tocarlo. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Ha adquirido alguna propiedad la varilla de vidrio? Hay una ligera separación entre las laminillas, lo que nos da a entender que la varilla de vidrio tiene una misma carga que la del electroscopio. Las laminillas tienden a separarse debido al fenómeno de la inducción. Sí, la propiedad de inductor, debido a que al momento de frotar la varilla con seda esta se carga positivamente y al acercarla al electroscopio las cargas se distribuyen por un lado negativas y por otro lado positivos estas se transfieren a las laminillas y estas por tener mismo signo se repelen. c) ¿Qué sucede con las laminillas del electroscopio cuando Ud. Toca la esfera central? Las laminillas del electroscopio vuelven a su estado inicial es decir formando un ángulo de separación cero, esto es debido a que al tocar el centro de la esfera del electroscopio con nuestro dedo se descarga con la dirección hacia la tierra ( conexión a tierra) a través de nuestro cuerpo de esa manera queda neutralizada el electroscopio. d) Si Ud. Remplazo la varilla de vidrio por una de plástico o una de acrílico previamente frotada. ¿Cuáles fueron sus observaciones? El ángulo de separación entre las laminillas disminuye, donde la varilla de plástico al ser frotado con la lana de carnero pierde sus protones y queda cargada negativamente o sea gana electrones. 4.2.

Tipo de carga que tiene un cuerpo.

a) Tomando como referencia la carga del vidrio cuando se frota con seda. ¿Qué tipo de carga adquiere la varilla de vidrio cuando se frota con seda? La varilla de vidrio inicialmente es neutra, sin embargo al ser frotada con la seda adquiere una carga positiva (gana protones).

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS b) ¿Qué tipo de carga tiene la varilla de acrílico? La varilla de acrílico al ser frotada con la seda adquiere una carga negativa (gana electrones). e) Describa brevemente el proceso de la figura 03 y la figura 04. En la figura 03: Observamos que al colocar en contacto una barra cargada positivamente con la cabeza del electroscopio, los electrones se mueven de la bola del electroscopio para neutralizar parte de la carga del vidrio, en ese caso las laminillas quedan cargados positivamente. En la figura 04: Observamos que se está cargando un cuero positivamente, por inducción, se está acercando una barra cargado negativamente y, se producirá entonces una polarización del electroscopio, es decir los electrones libres serán atraídos al lado próximo de la barra, dejando el extremo opuesto con carga negativa; por el lado derecha una persona está realizando conexión a tierra, entonces los electrones viajaran hasta la tierra quedando dicho lado sin carga. Finalmente se retira la barra y la persona, dejando a las laminillas del electroscopio cargado positivamente (repelen). 4.3.

Atracción y/o repulsión de cargas.

a) Al acercar la varilla B a la varilla A, ¿existe atracción o repulsión? ¿Por qué gira la varilla A? Las varillas A y B son de plástico y tienen el mismo signo de carga, entonces la varilla B no atrae a la varilla A sino que la repele y es por eso que la varilla A gira. b) ¿Girara la varilla A descargada al acercársele la varilla B cargada? ¿Por qué? La varilla A descargada inicialmente si giraría cuando se acerca la varilla B, esto sucede porque la varilla A se cargaría por inducción con la carga opuesta a la varilla B. c) ¿Qué sucede si se toca la varilla A cargada con la varilla B también cargada? Explique el fenómeno. Como ambas varillas tienen el mismo signo, al momento de acerarse la fuerza de repulsión haría que se repelan. Al tocarse ambas varillas sucederá que después de separarlas ambas tendrá una cantidad de carga equitativa y el del mismo signo (positivo).

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS d)

Responda a las preguntas anteriores si se usa las varillas A, C, D. -

Existen repulsión entre las varillas A y D, si gira.

-

Existe atracción entre las varillas A y C, si gira.

-

Existe atracción entre las varillas C y D, si gira.

e) ¿Qué sucede cuando toca con la mano la región cargada de la varilla? Explique. Cuando se toca una varilla cargada, con la mano, ésta se descarga instantáneamente, ya que nuestro cuerpo hace las veces de un conductor de electrones (conexión a tierra); y se transfiere espontáneamente las cargas para neutralizar la varilla. f)

Describa dos ejemplos de cada una de las formas en que se puede cargar eléctricamente un cuerpo (diferentes de los realizados en el laboratorio). Carga por efecto termoiónico: Esta ionización es producida por el calor. Ya que a altas temperaturas los electrones de un cuerpo vibran cada vez más fuerte y comienzan a escaparse del cuerpo dejándolo positivamente cargado. Carga por efecto piezoeléctrico: Esta ionización es producida al comprimir ciertos cristales. Al comprimir estos cristales adquieren una polarización eléctrica en su masa y una diferencia de cargas en su superficie. También se puede lograr esto inversamente, esto quiere decir que este se deforma por la acción de fuerzas internas al ser sometido a un campo eléctrico.

g) Explique por qué algunas de las combinaciones barra-tela utilizadas en la práctica producen interacciones más intensas que otras. idea: use la teoría atómica. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia en todas sus formas, además todo cuerpo está formado por una asociación de moléculas y a la vez las moléculas por átomos agrupados en forma específica según cada compuesto .Cada átomo está constituido por: Los protones cargados positivamente, los neutrones sin carga eléctrica y los electrones cargados negativamente. Se sabe ahora cuando el vidrio se frota con seda se transfiere electrones del vidrio a la seda y por lo tanto el vidrio queda cargado positivamente según la clasificación de Franklin, que todavía tiene vigencia; es por eso que esto es debido a la transferencia de electrones.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS h) Explique por qué el chorro de agua es atraída por la barra cargada.

El agua es un elemento de carga neutra que cuenta con una peculiaridad, sus moléculas son asimétricas, es decir, no están distribuidas de manera uniforme en el elemento teniendo un extremo positivo y otro negativo como si tuviese polos. Esto, genera un campo magnético que al ser acercado a una carga eléctrica se alinea con dicha carga, de manera, que el polo del chorro de agua opuesto a la carga que acercamos es atraído por esta carga, y el flujo de agua es desviada por un efecto electroestático muy interesante, pudiendo desviar el chorro de agua sin tocarlo. V. CONCLUSIONES 

La fuerza de repulsión y atracción se demuestran en estos experimentos.



Un alambre conductor puede ser cargado por inducción.



Se demuestra la ley de la conservación de la carga.



Un cuerpo que se encuentra descargado puede ser cargado por inducción al acercársele otro cargado, sin tocarse.

VI. SUGERENCIAS 

Al momento de frotar las varillas, hacerlo sólo en uno de los extremos de la varilla para facilitar la electrización de la barra

LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO I. OBJETIVOS 1.1. Mostrar experimentalmente las líneas de campo eléctrico. 1.2. Describir cualitativamente las líneas de campo eléctrico.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS II.

FUNDAMENTO TEORICO Las líneas del campo eléctrico están relacionadas con el campo eléctrico, donde el vector campo eléctrico E es tangente a la línea de campo eléctrico en cada uno de sus puntos, de igual manera el número de líneas por unidad de área que pasan por una superficie perpendicular a las líneas de campo es proporcional a la magnitud del campo eléctrico en esa región. Experimentalmente se ha demostrado que existen dos tipos de carga eléctrica, una llamada carga positiva y la otra llamada carga negativa. Asimismo se ha comprobado que cargas de igual signo se repelen y cargas de distinto signo se atraen. Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado. Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, pues las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza. Las líneas de fuerza permiten visualizar la distribución del campo eléctrico alrededor de una carga o de una distribución de carga.

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III. METODOLOGIA O PROCEDIMIENTO. a) Cargamos la varilla de vidrio frotándolo con el paño de seda y luego tocamos la barra metálica del plumero electrostático. Realizamos este procedimiento hasta que los hilos se habrán. b) Descargamos el plumero tocando el metal con las manos. c)

Cargamos dos varillas, una de vidrio y una de plástico, y luego cargamos a los plumeros con distintas cargas, acercamos posteriormente.

d) Repetimos el proceso anterior cargando a los plumeros con cargas del mismo signo. e) Usando la máquina de Wimshurt se puede obtener un mejor resultado. En este caso, con un alambre se conectamos un electrodo de esta máquina al soporte metálico del plumero; luego se procede a cargar el plumero haciendo girar el manubrio de la máquina. Notamos que los hilos se rechazan entre si y se separan. f)

Colocamos dos plumeros a una distancia de 10cm y conectamos mediante alambres a los electrodos de la máquina de Wimshurt. Procedemos a cargar los plumeros haciendo girar la máquina de Wimshurt. Notamos que los hilos electrizados se separan y se atraen los que están entre sí.

g) Repetimos el paso anterior conectando los plumeros con alambres a un solo electrodo de la máquina de Wimshurt. h) Usando el acelerador de Van de Graaff intentamos obtener las configuraciones anteriores. IV. a)

CUESTIONARIO Explique lo que sucede cuando la varilla de vidrio es puesta en contacto con la barra metálica del plumero. Como la varilla de vidrio no está inicialmente cargada no hay transferencia de electrones de ninguno de los cuerpos por lo tanto no ocurre ningún fenómeno, los hilos de plumero permanecen en reposo y en su posición inicial.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS b) ¿Por qué toman la forma que usted ve las plumas al ser tocada la varilla metálica del plumero con la varilla cargada? Explique. A poner en contacto la varilla de vidrio que tiene una carga positiva con la varilla metálica del plumero este último transfiere sus electrones incluyendo de los hilos a la varilla de vidrio para ser compensados y llegar al equilibrio electrostático de ambos cuerpos. En consecuencia como los hilos ahora tienen también una carga positiva por el déficit de electrones, se repelen mutuamente porque cada uno de estos tiene la misma carga. La forma que adoptan los hilos del plumero nos permiten observar las líneas de fuerza o campo que existe o sales del cuerpo cargado. c)

¿Qué relación cree Ud. Que guarda el ángulo de abertura de los hilos de seda de la pluma con la cantidad de electricidad? La relación está dada que a mayor electricidad se produce un mayor ángulo de apertura. Es decir la electricidad es directamente proporcional al ángulo de apertura.

d) Detalle lo que observo cuando en el experimento utilizo la máquina de Wimshurt, sustentando correctamente el análisis. Primero se colocaron alambres conductores a los plumeros electrostáticos y éstos se conectaron a los electrodos opuestos de la máquina de Wimshurt; esto originó que se erizaran los hilos de los plumeros y se atraían los hilos de signo diferente. Luego se colocaron los alambres conductores a un mismo electrodo de la máquina de Wimshurt, entonces se observó cómo se erizaban y se repelían ambos plumeros pues tenían la misma carga. e) Describa sus observaciones experimentales al hacer uso del acelerador de Van de Graaff. -

Al acercar una esfera metálica produce chispas eléctricas.

-

Al acercar él tuvo de neón esta se prende debido al intercambio de electrones.

-

Al presionar la esfera de Van de Graaff con las manos pero con el cuerpo totalmente aislado los cabellos del alumno se levantan distribuyéndose radialmente en el espacio.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS f)

Describa el funcionamiento de la máquina de Wimshurt. Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa.

V. CONCLUSIONES  Podemos hallar el campo eléctrico conociendo solo las líneas de fuerza y obtener una relación con la electricidad.  Las líneas se fuerza nunca se cruzan o cortan. VII. SUGERENCIAS 

Se debería trabajar con equipos que no estén dañados porque estos no nos dan un resultado muy preciso y confiable.

EL GENERADOR DE VAN DE GRAAFF I. OBJETIVOS 1.1. Utilizador de Van de Graaff para producir cargas eléctricas. 1.2. Conocer las partes y el funcionamiento de este generador de cargas eléctricas.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS II. FUNDAMENTO TEORICO El Generador de Van de Graaff es una máquina electrostática empleada en física nuclear para producir tensiones muy elevadas. El generador fue desarrollado en 1931 por el físico estadounidense Robert Jemison Van de Graaff. Consiste en un terminal de alta tensión formado por una esfera metálica hueca montada en la parte superior de una columna aislante. Una correa continua de material dieléctrico, como algodón impregnado de caucho, se mueve desde una polea situada en la base de la columna hasta otra situada en el interior de ésta. Mediante una tensión eléctrica de unos 50.000 voltios se emiten electrones desde un peine metálico de púas afiladas, paralelo a la correa móvil. La correa transporta las cargas hasta el interior de ésta, donde son retiradas por otros peines y llevadas a la superficie de la esfera. A medida que la correa va recogiendo cargas y las transporta hasta la esfera, se crea una diferencia de potencial de hasta 5 millones de voltios. El generador Van de Graaff se usa para acelerar un haz de electrones, protones o iones destinado a bombardear núcleos atómicos. El generador 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 la cinta. En la figura, se muestra un esquema del generador. 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. En 1929 Robert J. Van de Graaff aplico este principio para diseñar y construir un generador eléctrico, el cual se utiliza en las investigaciones de física nuclear. Las agujas del generador normalmente ese mantienen en un potencial positivo de 104 𝑣𝑜𝑙𝑡𝑖𝑜𝑠.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS La carga positiva se transfiere al electrodo alto voltaje por medio de un segundo peine de agujas. III. METODOLOGIA O PROCEDIMIENTO. a) Antes de la operación, limpiamos las dos esferas, las ruedas, la correa y el tubo de poliglás. b) Abrimos la mitad superior del casco y se ajusta el tornillo para que correa quede adecuada y las rudas superior e inferior paralelas. c)

Ajustamos el colector superior para que se acerque al máximo a la correa, sin tocarla.

d) Conectamos el colector con la bola de la descarga eléctrica. Conectamos el interruptor de colector con el colector debajo, al mismo tiempo, coloque la tabla de alambre de tierra en el suelo. e) Conectamos 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 del casco. Ahora el generador está listo para la demostración. f)

Conectamos el circuito de tierra del motor para arrancarlo y protegemos contra la fuga de la carga.

g) En aquellos lugares que no existen 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 debemos tocar con las manos las bolas ni las partes metálica expuesta. i)

Procedemos a realizar las siguientes experiencias.

3.1. Electrización por contacto. a) Acercamos la bola de descarga al casco del acelerador de Van de Graaff. b) Tocamos la esfera de descarga la aceleración habrá sacado un poco de carga. c) Acercamos ahora la esfera de descarga hacia el electroscopio. d) Tocamos la cabeza del electroscopio con la esfera de descarga. e) Registramos las observaciones. 3.2. Descarga de corona a) Con el generador apagado instale la bola de prueba mediante un alambre conductor al polo negativo del acelerador.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS b) Ponga en funcionamiento el generador y espere unos minutos hasta que este se cargue c) Acerque con cuidado la esfera de prueba hacia la cabeza del generador. ¿Observa el arco voltaico?. Explique este fenómeno.

3.3.

Campo eléctrico de un conductor cargado

a) Tome por la base aislante el plumero electrostático. b) Acerque los hilos del plumero al casco, como se muestra en a Fig. 3. c) 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. d) Acerque la esfera del péndulo eléctrico hacia el generador y observe la interacción entre ambos. e) Repita este paso para diferentes posiciones de la esfera

a) 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. b) 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. c) Acerque la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS d) 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!

IV. CUESTIONARIO a) Explique lo que sucede cuando la esfera de descarga es puesta en contacto con el electrodo central del electroscopio. Al poner en contacto la esfera de prueba con el electroscopio las laminillas de este se separan indicando así que la esfera de prueba está cargada negativamente, ya que los electrones en exceso, que se encuentran en el cascaron de la esfera de Van De Graaff son transferidos a la esfera metálica en prueba. b) Al acercar el plumero electrostático al generador de Van de Graaff. ¿Qué sucede con los hilos de seda? Explique. Los hilos de seda son atraídos por el acelerador tomando una forma determinada las cuales nos indica las direcciones de las líneas de fuerza esto es debido a que los hilos que inicialmente estaban cargados positivamente son atraídas por el acelerador, el cual posee una carga negativa en la superficie del cascaron esférico . c) ¿Qué tipo de simetría tiene el campo eléctrico producido por el casco del generador? Explique. El campo producido por el acelerador de Van de Graff tiene forma esférica siendo igual en modulo en cada punto de este y varia radialmente; ya que conforme el radio de la esfera crece, el campo eléctrico es más débil. d) Describa y explique la generación del viento eléctrico. Sostenemos la llama de una vela entre la punta y la esfera, pero cercana a la punta. Veremos que la llama es curvada por un viento que sale desde la punta.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS Este efecto es causado por partículas cargadas del aire tratando de alejarse unas de otras (las cargas iguales se repelen). e) ¿Por qué los cabellos del alumno se levantan? Si uno hace

contacto con la esfera del generador, el cuerpo se carga

eléctricamente. Las cargas acumuladas son de un mismo tipo, por eso tienden a repelerse. Por eso el pelo se levanta para permitir que estas cargas estén lo más separadas posible. Dicho de otra forma, la carga se va a repartir entre el generador y la superficie de nuestro cuerpo y luego nos “abandonará” por aquellos lugares con terminación más puntiaguda como pueden ser los dedos o lo que es más habitual, los pelos de la cabeza. (Las cargas no se adentran en nuestro cuerpo por tratarse de electricidad estática). f)

¿Qué importancia tiene que el alumno que coge el generador se encuentre aislado? El experimento el alumno se pone encima de una plancha de plástico u otro material aislante para aumentar las medidas de seguridad. Sin embargo esto, aunque es recomendable, no es del todo necesario porque la intensidad que produce el generador es ínfima. Me explico. El generador de Van der Graaff es una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo.

g) Cuando usted acercar el tubo de neón al alumno ¿Qué observo? Explique su respuesta. No se observó la reacción debido a que este estaba malogrado pero el tubo de neón debería encenderse porque existe una transferencia de electrones. h) El radio del casco esférico se de 20cm, determine. ¿Cuánta carga puede producir sin provocar la ruptura eléctrica en el aire? Nosotros podemos aproximar el conductor hueco a una esfera conductora de radio R. Conociendo la carga acumulada Q se calcula el campo producido por un esfera conductora en su superficie.

𝐸=

1 𝑄 4𝜋𝜀0 𝑅 2

El generador deja de acumular carga cuando el aire se vuelve conductor. La intensidad del campo eléctrico límite es de aproximadamente 3.0 106 V/m. FISICA III

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS Para una esfera de radio R podemos calcular la carga máxima que puede acumular y el máximo potencial que adquiere la esfera cargada. Para nuestro caso: 𝑁

𝐸 = 3.0(106 ) 𝐶

𝑅 = 20(10−2 )𝑚

Reemplazando tenemos: 𝑁 𝐶

1 𝑄 ( ) 4𝜋𝜀0 [20(10−2 )]2

3.0(106 ) =

𝑄 = [3.0(106 )] × [4𝜋𝜀0 ] × [[20(10−2 )]2 ] 𝑄 = 13.333𝜇𝐶 i)

El electrodo conductor esférico de un generador de Van de Graaff está cargado hasta un potencial de 0,18.106V. halle el radio mínimo que debe tener el cascaron esférico para que no ocurra la ruptura dieléctrica del aire. En todos sus puntos. El potencial en la superficie del cascaron del acelerador será:

𝑑𝑉 = −𝐸 𝑑𝑟 ∫ 𝑑𝑉 = − ∫ 𝐸 𝑑𝑟

∫ 𝑑𝑉 = − ∫ ∞

𝑉=∫ 𝑅

𝑄

𝑄 4𝜋𝜀0 𝑟2

𝑑𝑟 = 2

4𝜋𝜀0 𝑟

𝑑𝑟 𝑄

4𝜋𝜀0 𝑅

Usando la ecuación: 𝑅=

𝑄

4𝜋𝜀0 𝑉

De la pregunta anterior calculamos la carga y reemplazamos en la ecuación anterior:

𝑅=

(4𝜋𝜀0 𝑅 2 )𝐸

𝑉

𝑅=𝐸

4𝜋𝜀0 𝑉

Por lo tanto al reemplazar los valores: 𝑅 = 6𝑐𝑚

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS j)

Explique el poder de las puntas y por qué no debemos colocarnos bajo un árbol grande si estamos en medio de una tormenta eléctrica. Pista leer los experimentos de Benjamín Franklin. 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 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 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.

k) Explique por qué el cuerpo es un buen conductor Porque casi 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. l)

Describa lo que sucede en la figura

Se observa la ruptura dieléctrica del aire porque la diferencia de potencia es muy intenso entre ambos generadores y en consecuencia se observa claramente las líneas de fuerza como si fuese un dipolo. FISICA III

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS V. CONCLUSIONES  El generador de Van de Graf es un aparato para conseguir almacenar carga eléctrica en un conductor.  Se basa en la carga por frotamiento. La correa de goma movida por un motor arranca cargas eléctricas de un conductor conectado a tierra y las transporta a la esfera conductora superior, donde se va acumulando la carga.  La puntas tienen un propiedad importante que explica el viento eléctrico y el uso de para rayos. VI. SUGERENCIAS 

Dejar de usar algunos objetos obsoletos.



Trabajar con mucho cuidado, a fin de evitar descargas.

LA JAULA DE FARADAY I. OBJETIVOS 1.1. Mostrar el blindaje electrostático. 1.2. Determinar en donde reside la carga eléctrica en un conductor. II. FUNDAMENTO TEORICO En la jaula de Faraday vamos a observar que cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se distribuye sobre la superficie de manera que el campo eléctrico en el interior es cero. Para poder obtener los resultados mencionados en el párrafo anterior introduzcamos una pequeña bola metálica cargada positivamente, la cual es colgada de un hilo de seda dentro de un conductor hueco sin carga atravesó de un pequeño orificio, el conductor hueco está aislado de la tierra. La bola cargada induce una carga negativa en la pared interna del conductor, dejando una carga igual pero positiva en la superficie exterior. La presencia de las cargas positivas en la pared exterior se indica por la deflexión del electrómetro. La deflexión del electrómetro no cambia la bola toca la superficie inferior del conductor hueco. Cuando a la bola se extrae la lectura del electrómetro no cambia y la bola se encuentra descargada. A este tipo de experimento se denomina blindaje electrostático. El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0. El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva).

Cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se distribuye sobre la superficie de manera que el campo eléctrico es el interior es cero. Para mostrar lo mencionado puede realizarse el siguiente experimento. Introduzca. Una pequeña bola metálica cargada positivamente, la cual cuelga de un hilo de seda dentro de un conductor hueco sin carga atreves de un pequeño orificio como se indica en la guía. El conductor hueco aislado de la tierra. La bola cargada induce una carga negativa en la pared interna del conductor, dejando una carga igual pero positiva en la superficie exterior. III. METODOLOGIA O PROCEDIMIENTO a) Con un alambre de conexión de cobre conectamos la jaula de Faraday con un electrodo de la máquina de Wimshurt. b) Hacemos que girar la manivela para producir carga eléctrica en la jaula. c) Observamos lo que sucede a los plumeros exterior e interior a la jaula. Anotamos las observaciones.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS d) Remplazamos la máquina de Wimshurt por el acelerador de Van de Graaff y con un alambre conductor conectamos la cabeza del acelerador con la jaula de Faraday. e) Hacemos funcionar el acelerador y observamos lo que sucede con los plumeros. f)

Desconetamos el acelerador de la jaula, el plumero exterior lo retiramos de su lugar.

g) Acercamos la jaula hacia el acelerador a una distancia pequeña. h) Encendemos el acelerador y observamos la descarga corona que aparece. IV. CUESTIONARIO a) Explique lo que sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday está conectado con la máquina de Wimshurt en funcionamiento. El plumero no se esparce radialmente, esto acurre debido a que toda la carga está en la superficie de la jaula de Faraday, entonces decimos que el campo eléctrico en el interior es cero. b) Explique lo que sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday esta con esta con el generador de Van de Graaff. Al plumero que está dentro de la jaula de Faraday, no le pasa nada, ya que no hay contacto eléctrico, lo que es llamado blindaje electrostático, pero los hilos del plumero que esta fuera se elevan. c) Según sus observaciones. ¿existe campo eléctrico en el interior de la jaula? ¿existe campo eléctrico en el exterior de la jaula de Faraday? Justifique sus respuestas. No, ya que no hay contacto eléctrico, debido a que hay una atracción entre las partículas de la maya del metal de la jaula y la carga generada. Pero en el exterior de la jaula hay campo eléctrico ya que la carga termina en la superficie del metal de la jaula. d) ¿En dónde reside la carga en la jaula de Faraday? La carga reside en la superficie superior de la jaula en donde la carga en el interior es cero, por ende no hay campo eléctrico para cuerpos metálicos en su interior.

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KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS e) Remplaza el plumero exterior por un electrómetro. ¿Qué observaciones obtiene? El electrómetro no sufre ninguna variación indicando que toda la carga esta polarizada en la superficie exterior de la jaula. f)

Explique el comportamiento del péndulo eléctrico en el interior de la jaula mostrado en la figura, cuando se acerca al generador de Van de Graaff.

En el caso del péndulo este es atraído si está cargado positivamente por la jaula de Faraday, y si está cargado experimenta una fuerza repulsiva. Siempre en cuando el péndulo este afuera de la jaula de Faraday pero si es que este en la parte interna de la jaula no experimenta ningún fenómeno.

V. CONCLUSIONES  La carga reside en la superficie de la jaula Faraday, cuando está conectado con el generador de Van de Graaff.  Si por ejemplo, nosotros estuviéramos en el campo dentro de nuestro automóvil, las descargas eléctricas, los campos eléctricos terminarían en la superficie de nuestro automóvil.  Hay una atracción de los electrones de la maya del metal y con la carga. VI. SUGERENCIAS  Antes de coger el generador de Van de Graaff, descargarlo primero, para evitar recibir una descargar eléctrica.

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