LABORATORIO FÍSICA III
1. OBJ OBJETI ETIVO VOS S: Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Entender que es la carga eléctrica y los fenómenos relacionados con cuerpos electrizados. Experimentar con la electricación de los cuerpos mediante los diversos procesos. Conoce Conocerr el funcio funciona namie miento nto y los princ princip ipios ios físico físicoss de un genera generado dorr Electrosttico!mquina de "ims#urst y el generador de $an de %raa&.
2. MA MATERI TERIALES ALES:: El equipo de electrosttica '()*+,-- consta de un tablero de destellos cubierta de electrodos esféricos rueda con punta barra de fricción de plstico con clavi/ero de ) mm soporte de depósito rodamiento de agu/as con clavi/a de conexión soporte con ganc#o para péndulo doble de bolitas de sa0co clavi/a de conexión en pantalla de seda en varilla trozos de médula de sa0co tablero de base en clavi/a de conexión y carril de rodamiento con bolas cadenas de conexión esfera conductora de 1- mm de dimetro con clavi/a de conexión cubierta con electrodos de punta pie de soporte varilla de soporte aislada con manguitos de soporte y de conexión y /uego de campanas.
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2éndulos de tecnoport .
Electroscopio .
3arras de acetato y vinilita.
LABORATORIO FÍSICA III 2a4os de algodón seda y lana.
5quina de "ims#urst modelo '+,1+-.
%enerador de $an de %raa&
3. MARCO TEÓRICO: CARGA ELÉCTRICA: 6a carga eléctrica es una propiedad in#erente de las partículas elementales: electrones y protones por la cual se dan las interacciones entre ellos: tomos iones moléculas y partículas electrizadas. 7e manera convencional se #a establecido que la carga eléctrica que tiene el electrón es negativa y la del protón positiva.
LEY DE LA CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA:
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6a carga eléctrica también se rige por un principio el prinipi! "e !n#er$%i&n "e l% %r'%( el cual establece que la carga se tiene que mantener constante conservndose la carga total no puede #aber destrucción ni creación de ninguna carga eléctrica dentro de un sistema de partículas. En el caso de los procesos de electrización puede ocurrir que aparezcan cargas aunque antes no las #ubiera pero esto se produce siempre de modo que la carga total se conserve 8si una carga se #a creado ser porque una o varias se #abrn destruido9.
GENERADOR ELECTROST)TICO *MA+,INA DE -IMS,RST/: 6a 5quina de "ims#urst es un generador electrostatico de altos volta/es desarrollados entre +((- y +((1 por el britnico inventor ames "ims#urst 8+(1; ! +*-19.
El generador electrosttico consta de dos discos de cristal acrílico de igual tama4o montados sobre un e/e #orizontal paralelamente y con escasa distancia entre sí. El accionamiento de los discos se realiza independientemente el uno del otro por medio de correas de accionamiento a través de poleas y una manivela. 'na correase desplaza de manera cruzada por lo cual los discos giran en sentido opuesto. 6acara externa de los discos est ocupada circularmente por #o/as de esta4o. =rente a cada disco se #a /ado un conductor transversal girable con dos pinceles de metal que frotan las #o/as de esta4o.
LABORATORIO FÍSICA III 2ara la toma de corriente se emplean dos escobillas /adas a un estribo en el extremo del listón de aislamiento. 6a distancia entre las escobillas y los discos es regulable y debe ser de algunos milímetros. >stas se encuentran conectadas con las barras de electrodos cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efect0a la descarga de c#ispas
0ni!n%ien!: 6a teoría de esta mquina es algo comple/a consistiendo lo fundamental en que al girar por el manubrio los discos en sentido opuesto el uno del otro el roce de los sectores con las escobillas produce por inducción en éstas una carga inicial a expensas de la cual por inducción se electrizan los discos con electricidad de nombre contrario en las dos mitades de cada disco y en cada sector del uno y el correspondiente del otro: de este modo mantenidas las cargas contrarias en cada sector y su opuesto que marc#an en sentido inverso al pasar por los peines atrae para su neutralización la electricidad de nombre contrario y los conductores quedan así cargados el uno con electricidad positiva y el otro con negativa con lo cual se recoge el ?uido de signos contrarios en cada peine colector pasando a las escobillas entre las que se #ace saltar la c#ispa en la descarga.
GENERADOR ELECTROST)TICO4 M)+,INA DE VAN DE GRAA00: $an de %raa& inventó el generador que lleva su nombre en +*1+ con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta 8del orden de ;millones de volts9 para acelerar partículas cargadas que se #acían c#ocar contra blancos /os. 6os resultados de las colisiones nos informan de las características de los n0cleos del material que constituye el blanco. El generador de $an de %raa& es un generador de corriente constante mientas que la batería es un generador de volta/e constante lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de $an de %raa& es muy simple consta de un motor dos poleas una correa o cinta dos peines o terminales #ec#os de nos #ilos de cobre y una esfera #ueca donde se acumula la carga transportada por la cinta
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5. 6ROCEDIMIENTO: @.
'bique en la mesa de traba/o en la posición ms adecuada la mquina de "ims#urst y $an 7e %raa&.
@@.
Experimente la @nteracción entre las barras cargadas y la esfera de tecnoport que est suspendida en el péndulo eléctrico
A71 MA+,INA DE -IMS,RST +9 @dentique las partes de las mquinas electrostticas ;9 %ire lentamente la manivela en sentido #orario los conductores transversales deben se4alar por arriba #acia la izquierda y por deba/o #acia la derec#a en un ngulo de ),A en relación con la barra de aislamiento. 19 5antenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado. )9 B#ora cierre el interruptor anote lo observado.
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,9 Conecte las botellas de 6eyden anote lo observado. 6os pasos ; 1 y ) se efect0an girando las manivelas del equipo. 9 7etermine la polaridad del generador electrosttico por medio de un electroscopio. Este 0ltimo se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plstico previamente frotada con lana anote el signo de la carga. D9 B#ora acerque una lmpara de ?uorescente y anote lo observado identique la polaridad de la lmpara. (9 7escarga de punta colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agu/as en el soporte conectar la fuente de carga y transmitir la carga anote lo observado.
*9 uego de campanas 8gura !-D9 colocar sobre el /uego de campanas conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada anote lo observado.
+-9
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B. 6ÉND,LO ELÉCTRICO +9 Bcerque cualquiera de las barras sin frotarla a la esfera de tecnoport que est suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración ,. Bnote lo observado. En esta ocasión usaremos la barra de acetato, al acercarla notamos que no existe reacción aluna !ni re"ulsión ni atracción#$ ;9 =rote la barra de acetato con el pa4o de seda luego acérquela a la esfera de tecnoport. Fepita la operación frotando la barra de vinilito. Bnote sus observaciones. Lo que se "udo obser%ar al &rotar la barra de acetato con "a'o de seda ( lueo a"roximarla a la es&era ) ( es&era *, &ue que ocurrió una atracción entre estos$ 19 2onga frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. B continuación frote la barra de vinilito con el pa4o de lana luego toque a la esfera + y a la esfera ;. Bnote sus observaciones. Se +io el contacto de la barra con cada bolita res"ecti%amente, lueo se obser%ó que ambas bolitas se re"elieron$ )9 =rote nuevamente la barra de acetato con el pa4o de seda y la barra de vinilito con el pa4o de lana y toque la esfera + con la barra de acetato y a la esfera ; con la barra de vinilito. Bnote sus observaciones. Al realiar este "roceso simult-neamente con ambas barras, no notamos aluna reacción entre la barra ( la es&era en ambos casos$ ,9 Bsigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los pasos 1 y ). 9 =rote nuevamente la barra de acetato con el pa4o de seda luego toque la esfera + y la esfera ;. Bnote sus observaciones.
LABORATORIO FÍSICA III Al &r ot ar la ba rr a de ac eta to co n el "a 'o de seda, toc am os a la es&era ) ( *, se obser%ó que ambas es&eritas quedan caradas con la misma cara
q1
!cara que le desinamos en el "aso .#, "ues se
obser%ó una re"ulsión entre ambas es&eras$ D9 =rote nuevamente la barra de vinilito con el pa4o de lana luego acérquela a la esfera + y esfera Bnote sus observaciones. Al &rotar la barra de %inilito con el "a'o de lana, tocamos a la es&era ) ( *, se obser%ó que ambas es&eritas quedan caradas con la misma cara q2
!cara que le desinamos en el "aso .#, "ues se obser%ó una
re"ulsión entre ambas es&eras$ (9 Bcerque sin tocar la barra de acetato a la esfera + simultneamente acerque sin tocar. la barra de vinilito a la esfera ;. Bnote sus observaciones. Al acercar la barra de acetato a la es&era ) ( simult-neamente la barra de %inilito a la es&era *, se obser%ó que no sucede alo en es"ecial "ues no se mue%en las es&eritas$ *9 6a ilustración 1 nos muestra un electroscopio aparato que nos permite observar si un cuerpo est electrizado o no lo est. Bcerque la barra de acetato previamente frotada con el pa4o de seda a la esfera metlica del electroscopio. Bnote sus observaciones. Al ac er ca r la ba rra de ac et at o "r e% iamen te &r ot ad o co n el "a 'o de seda a la es&e ra met-lica del electrosco"io, se obser%ó que las au/as se mue%en$ +-9 5anteniendo cerca de la esfera metlica la barra de acetato coloque un dedo de su mano sobre la esfera. Bnote sus observaciones. Acercamos la barra de acetato ( a la es&era met-lica, ( seuidamente "usimos el dedo sobre esta ( lo que obser%amos &ue que las au/as %ol%ieron a su estado oriinal$ ++9 5anteniendo cerca de la esfera metlica la barra de acetato retire el dedo que #abía colocado sobre ella. Bnote sus observaciones.
LABORATORIO FÍSICA III Al mantener cerca de la es&era met-lica del electrosco"io, la barra de acetato ( tocando con un dedo la es&era met-lica, retiramos el dedo, se obser%ó que las au/as "ermanecen en re"oso$ +;9 Fetire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metlica. Bnote sus observaciones. Lo que se obser%o &ue que las au/as continuaron en re"oso$ +19 Fepita los pasos D ( * y +- con la barra de vinilito que #a sido previamente frotada con el pa4o de lana.
8. C,ESTIONARIO: 6re'n%# %"ii!n%le#: 1. E9plie p!r ; el !$iien! "el !linee #e "% en el #eni"! e #e !<#er$% *en !nr% "e l%# %'=%# "el rel!=/ 2. Di'% l%# $en%=%# > "e#$en%=%# "e l% eler!#?i% en # pr!@e#i&n.
6re'n%# "e l%
,NA BREVE E6LICACION DE MODO E6ERIMENTAL:
LABORATORIO FÍSICA III En nuestra experimentación se #izo uso de las barras de acetato y vidrio que #abían sido cargadas previamente por frotación. 2or conocimientos previos se sabe que algunos materiales tienen tendencia a ganar electrones quedando cargados de forma negativa como es el caso de la barra de acetato otros en cambio tienden a ceder electrones quedando cargados positivamente como es el caso de la barra de vidrio. Gi al acercar la barra de acetato a la esfera y esta 0ltima es atraída por la barra determinamos que la esfera est cargada positivamente en caso contrario la esfera tendr carga negativa.
2. En l%# e9perieni%# e@e%"%#( &! p!"r% %pli%r el prinipi! "e #perp!#ii&n E9plie. El principio de superposición nos dice que la fuerza que existe entre dos cargas no es modicada por la presencia de una tercera carga en la experiencia realizada podríamos deducir que la fuerza que existe entre las esferas de tecnoport cargadas no se alteraría al acercarles una tercera carga presente en la barra de vidrio o de acetato.
3. Del e9perien! re%li%"!( #e pe"e "e"ir ; ip! "e %r'% #e r%#l%"% "e n erp! % !r! 2ara responder esta pregunta #aremos uso de un cuerpo cargado positivamente 8bolita de tecnopor9 traba/emos en el caso de la frotación de la barra de vinilito o 2$C con el pa4o de lana. @nicialmente ambos estn con qH- durante el frotamiento uno de ellos adquiere carga positiva y el otro negativa para saber cul le corresponde a cada ob/eto #aremos uso de la bolita cargada acercaremos la barra de 2$C a la bolita y en caso de que #aya repulsión diremos que adquirió carga positiva y el otro seria negativa pero en el caso que #aya atracción entonces la carga de la barra seria negativa y de la lana positiva.
OBS: El porqué de este acontecimiento: los tomos de la lana retienen con menos intensidad a sus electrones periféricos en comparación con la barra de vinilito. Esto permite establecer que durante el frotamiento se transeren electrones de la lana a la barra electrizndose estos positiva y negativamente respectivamente lo cual #emos vericado experimentalmente. :7
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5. Ennie l!# ip!# "e eleri%i&n( e9plie %"% %#!. ELECTRI0ACIO1 2OR FRICCIO1$3 @nicialmente teniendo dos cuerpos neutros 8 q 0= 0 ¿
lo que se debe #acer es frotarlos de esta
manera quedaran electrizados uno cargado de manera positiva y el otro con carga negativa. ELECTRI0ACIO1 2OR I145CCIO1$3 Es un efecto de las fuerzas eléctricas. 7ebido a que éstas se e/ercen a distancia un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutro atraer las cargas negativas con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Gi el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones atómicos convertir esa zona en positiva. En ambos casos la separación de cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsable se ale/a sucientemente del cuerpo neutro. ELECTRI0ACIO1 2OR CO1TACTO$3 Ge puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso ambos quedan con el mismo tipo de carga es decir si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva el primero también queda con carga positiva. 6a carga se distribuye. ELECTRI0ACIO1 2OR EFECTO FOTOELECTRICO$3 Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia cuando es irradiada con luz u otra radiación electromagnética. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la supercie de un conductor metlico al absorber energía de la luz que incide sobre dic#a supercie.
ELECTRI0ACIO1 2OR ELECTROLISIS$3 Gi se coloca un par de electrodos en una disolución de un electrólito 8compuesto ionizable9 y se conecta una fuente de corriente continua entre ellos los iones positivos de la disolución se mueven #acia el electrodo negativo y los iones negativos #acia el positivo. Bl llegar a
LABORATORIO FÍSICA III los electrodos los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en tomos neutros o moléculas la naturaleza de las reacciones del electrodo depende de la diferencia de potencial o volta/e aplicado.
CAR6A 2OR EL EFECTO TER7OELECTRICO$3 Es la electricidad generada por la aplicación de calor a la unión de dos materiales diferentes. Gi se unen por ambos extremos dos alambres de distinto material 8este circuito se denomina termopar9 y una de las uniones se mantiene a una temperatura superior a la otra surge una diferencia de tensión que #ace ?uir una corriente eléctrica entre las uniones caliente y fría.
8. 6!r ; el erp! F%n! e# n <en !n"!r "e l% elerii"%" E9plie "e%ll%"%ene. El cuerpo #umano conduce electricidad porque el mismo consta de agua ionizada un buen conductor de electricidad. 7e acuerdo con la electrosiología ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica cada uno de los te/idos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad El riesgo de electrocución para las personas se puede denir como la Iposibilidad de circulación de una corriente eléctrica a través del cuerpo #umanoI. Bsí se pueden considerar los siguientes aspectos para que exista posibilidad de circulación de corriente eléctrica es necesario: Jue exista un circuito eléctrico formado por elementos conductores Jue el circuito esté cerrado o pueda cerrarse Jue en el circuito exista una diferencia de potencial mayor que cero
. En l% il#r%i&n !n#i"ere e l% l%
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Gi ambas esferas no entran en contacto entonces como la esfera + est cargada eléctricamente con KJL la esfera ; se polarizar es decir si la esfera + est cargada positivamente la zona de la esfera ; ms cercana a la esfera + se cargar negativamente y el otro extremo quedaría con carga negativa de manera opuesta si la esfera + est cargada negativamente la zona ms cercana de la esfera ; a la esfera + adquirir una carga positiva y el otro extremo carga negativa.
H. Si'ien"! !n l% il#r%i&n ( #p!n'% e e"i%ne %l'n "e#li%ien! "el Fil! l% e#@er% 1( e !niene n% %r'% +( #e p!ne en !n%! !n l% e#@er% 2( e e#? "e#%r'%"% +; e# l! e #e !<#er$%r?. C?l #er? l% %r'% e %"iere "e l% e#@er% 2 Gi ambas esferas entran en contacto entonces los electrones de la esfera + cargada con KJL se transferirn #acia la esfera ; #asta que la carga eléctrica del sistema encuentre el equilibrio que suceder cuando cada esfera quede con una carga eléctrica de KJM;L luego de esto como ambas esferas tendrn la misma carga eléctrica se repelern.
. Re#pe! % l% pre'n% ( #p!n'% %F!r% e l% l%
LABORATORIO FÍSICA III %r'% +( #e p!ne en !n%! !n l%
+
E#@er%
E#@er%
2r
r
1
+
E#@er% r
2
2or la ley de la conservación de la carga eléctrica tenemos:
∑ carga inicial =∑ carga final Q + 0 =q1 + q 2
Q=q 1 + q2 … … ( α )
B#ora sabemos que cuando las esferas se ponen en contacto la carga eléctrica se compartir entre ambas de manera proporcional a su volumen entonces: 3
4 / 3 π ( 2 r ) v = 1= q2 v 2 4 / 3 π ( r )3
q1
q1 q2 q1 =8 q2
Feemplazando en la ecuación 8N9: Q = 8 q 2 + q2
Q=9 q 2
q 2= Q / 9
=8 1
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Entonces la esfera ; queda con una carga igual a
Q/ 9
.
. En n e9perien! "e eler!#?i% #e !<#er$% e l% "i#%ni% enre l%# e#@er%# i";ni%# 1 > 2( inii%lene "e#%r'%"%# e# "e 12 ( *Il#r%i&n /. Le'! "e r%n#iirle# l% i#% %r'% % %<%# e#@er%# e#%# #e #ep%r%n F%#% 1 . C?l e# el $%l!r "e e#% %r'%( #i l% %#% "e %"% n% "e ell%# e# "e 8 ' > l% l!n'i" "e l!# Fil!# en l!# e e#?n ##pen"i"%# l%# e#@er%# e# "e 3 3
mg Tcos Fe
Fe
2
12 1
Entonces seg0n el diagrama del cuerpo libre tenemos: Tcosθ =mg Tsenθ= Fe
Gi dividimos ambas ecuaciones tenemos: Tsenθ Fe = Tcosθ mg
tanθ =
Fe mg
Fe=tanθ.mg…… ( α )
LABORATORIO FÍSICA III 7el graco podemos #allar %n : θ= 2 /¿ 29.9333 tan tan θ
¿
=0.0668 cm=6.6815 x 10− m 4
2ero aplicando la ley de Coulomb #allamos Fe : Q.Q
9
Fe=( 9 x 10 ) .
2
( 0.16) 9
Fe=351.5625 x 10 . Q
2
Feemplazando en la ecuación 8N9: 9
351.5625 x 10
.Q
2
=tanθ.mg
(351.5625 x 10 ) . Q =( 6.6815 x 10− )( 5 x 10− )( 9.78 ) 9
Q
2
2
4
3
=326.72535 x 10− / 351.5625 x 10 7
9
−16
2
Q =0.9293521067 x 10 −8
Q=0.96402 x 10 C
1. ,n !<=e! %r'%"! p!#ii$%ene #e %er% % l% e#@er% "e n eler!#!pi! > #e !<#er$% e l%# l%inill%# #e ierr%n4 > %n"! #e #i'e %er%n"!( #in !%r l% e#@er%( "e pr!n! l%# F!=el%# #e %
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11. +e @ni&n ple l%# "en en l% ?in% "e -i#Fr#( e9plie "e%ll%"%ene. Ge trata de un condensador simple de placas paralelas o en otros términos de un acumulador de carga eléctrica que puede almacenar cantidades sustanciales de carga. Cuando la botella de 6eyden se usa en combinación con alguna mquina de fricción permite desarrollar cargas muy altas del orden de Oilovoltios. 'na vez cargada al mximo la botella puede descargarse de forma espontnea o mediante un descargador en ambos casos produciendo una c#ispa azul intenso de características similares a un rayo. 6a corriente esttica se almacena en botellas de 6eyden.
12. Dr%ne el #! "el 'ener%"!r eler!#?i! #e peri
13.
E9plie el p!"er "e l%# pn%#( > ## %pli%i!ne#.
Ge produce debido a que en un conductor electrizado tiende a acumular carga en la región puntiaguda. Cuando los conductores metlicos terminan en punta se acumula muc#a carga en ellas la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire. 6as puntas cargadas positivamente producen viento eléctrico positivo en cambio las puntas cargadas negativamente producen viento eléctrico negativo. 6os electrones son arrancados a las moléculas de aire por el campo electrosttico creado en la punta. 6os electrones arrancados c#ocan con otras moléculas de aire neutras a las que cargan negativamente. 6as moléculas positivas son arrastradas #acia la punta cargada. Bl llegar allí toman electrones de la punta y se neutralizan
15. Meni!ne %l en!# 8 %pli%i!ne# "el eip! "e V%n De Gr%%P.
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Blgunas de las aplicaciones de esta mquina son: esterilización de alimentos y experimentos de física de particulares y física nuclear producción de rayos x. %racias al generador podemos #acer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza.
. BIBLIOGRA0QA: Fp:#i%.l%'i%2.!'ener%lle>e#7"e7!n#er$%i!n Fp:.#.eF.e##<e<#i%ele%'ne%p!Uele ri!'r%%@'r%%@.F Fp:.p.e##eeU%#"i$l'%i!nU>ULi %ni"%"e#. 0#i% $!len II. Li%76er: L!'%!n%.!%p!eleri!#!neni"!#1"833 @3.Fl Fp:.p.e##eeU%#"i$l'%i!nU>ULi
