Laboratorio-1

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

Cargas Eléctricas y Cuerpos Electrizados Experiencia N° 1 1.- 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-máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.

2.- 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 mm, 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 médula de saúco , tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30 mm 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. - Péndulos de tecnoport - Electroscopio - Barras de acetato y vinilita

Figura. 1. Paños de algodón, seda y lana.

Figura.2. Barras de acetato, vinilito y vidrio.

Figura. 3. Electroscopio.

Figura. 4. Péndulo eléctrico

- Máquina de Wimshurst, modelo U15310. - Generador de Van de Graaff

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3.-FUNDAMENTO TÉORICO. Se atribuye a Tales de Mileto (640-548 A.C.) haber observado 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 sólo el ámbar al ser frotado atraía 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 comprueba 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 esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tiene igual número de cargas de ambos tipos. GENERADOR ELECTROSTÁTICO: MÁQUINA 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.

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 eje horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. (2) Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje. (3) Barra de electrodos, Éstas se encuentran conectados con las barras de electrodos, cuyos extremos tienen 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 un conductor transversal, 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.

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(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 estas, por otra parte, influencian 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 su descarga, a las barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La longitud de las chispas depende del diámetro del disco.

GENERADOR ELECTROSTÁTICO; MÁQUINA DE VAN DE GRAAFF: El generador de Van de Graaff, GVG, 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 Jemison Van de Graaff 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 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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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 ganando más y más hasta conseguir una gran carga. Consta de: (Figura 02) 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. Funcionamiento (Figura -03) Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. El intenso campo eléctrico que se establece entre 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 pero 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 de Graaff no funciona en el vacío. La eficacia 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 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.

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4.- PROCEDIMIENTO: A.- Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Wimshurst y Van De Graaff. B.- Experimente la Interacción entre las barras cargadas y la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico

A-1 Maquina de Wimshurst 01.- Identifique las partes de las máquinas electrostáticas 02.- Gire lentamente la manivela 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. 03.- Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado. 04.- Ahora cierre el interruptor, anote lo observado. 05.- Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 2, 3 y 4 se efectúan girando las manivelas del equipo. 06.- 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. 07.- Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara.

08.- Descarga de punta (figura -04); 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. 09.- Péndulo doble; (figura -05) colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de ésta, anote lo observado. 10.- Clavija de conexión en pantalla de seda; (figura-06) 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.- Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

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12.- Tablero de destellos; ( figura -08) colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado. 13.- Danza eléctrica; ( figura -09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado. 14.- Aparato fumívoro; (figura – 10) colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre Este la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado. 15.- Carril de rodamiento con bolas; (figura -11). Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que la distancia del carril de rodamiento con bolas no caiga hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anote lo observado

A-2 Máquina de Van De Graaff: 16.- Conecte la máquina de Van De Graaff, a la fuente de 250V de C.A. Tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor. 17.- Una vez encendida, la faja vertical comenzará a girar, identifique el signo de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado. 18.- Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17, anote lo observado. 19.- Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que se desvía las hojuelas.

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B. PÉNDULO ELÉCTRICO.. 1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración 5. Anote lo observado. 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 a 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.

Fig. 5. Interacción entre las barras cargadas y la esfera de tecnoport.

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 esfera 2 con la barra de vinilito. Anote sus observaciones. 5. Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los 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 de 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. La ilustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo está electrizado o no lo está. 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.

5.- CUESTIONARIO 1.- ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, explique. 2.- En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique. 3.- Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro? 4.- Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

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5.- ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente. 6.- En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r. ¿Qué sucederá? 7.- Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada ¿Qué es lo que se observará?. ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Figura. 6

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 contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2? 9.- En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm? 10.- 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? 11.- Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente. 12.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente. 13.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones 14.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.

6.- CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS.

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