Laboratorio de Fisica III Informe 1

Laboratorio de Física iii

UNMSM

LABORATORIO DE FISICA III

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE INGENIERIA TEXTIL Y CONFECCIONES

CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS CURSO: Física III PROFESOR: Víctor Quiñones Avendaño GRUPO: Sábado 8:00

am – 10:00 am

INTEGRANTES:

Cairo Pajuelo, Miguel Rodrigo

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16170239

Caldas Jaramillo, Giannella Dora

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17170077

Ninacansaya Vera, Thalia Magdey

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17170080

Cabanillas Otero, Ingrid Sofía

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17170092

Pardavé Alvarez, Daysi Susy

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17170093

2018

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Laboratorio de Física III

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1. Objetivos Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica.  Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas  Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos.  Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador electrostáticomáquina de Wimshurt. 

2. Fundamento Teórico Se atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C.) haber observado que trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert (1540 –1603) comprobó que no solo el ámbar al ser frotado 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 causa de las

atracciones, o también las repulsiones, que se producen.

Carga Eléctrica Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que el proceso de adquirir cargas eléctricas consiste en ceder algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas posee un exceso y la otra un déficit de ese algo (electrones). Coulomb ideó un método ingenioso para hallar como depende de su carga la fuerza ejercida por o sobre un cuerpo cargado. Para eso se basó en la hipótesis de que si un conductor esférico cargado se pone en contacto con un segundo conductor idéntico, inicialmente descargado, por razones de simetría la carga del primero se reparte por igual entre ambos. De este modo dispuso de un método para obtener cargas iguales a la mitad, la cuarta parte, etc., de cualquier carga dada. Los resultados de sus experimentos están de acuerdo con la conclusión de que la fuerza entre dos cargas puntuales, q y q', es proporcional al producto de éstas. La intensidad de la fuerza F depende, por una parte, de la magnitud de las cargas que intervienen pero, por otra parte, también de la distancia que separa a los cuerpos entre sí. Para dos cargas puntuales Q 1 y Q2; separadas entre sí por una distancia r, es válida la ley de Coulomb.

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La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separan ambas cargas. La magnitud ε 0 = 8,85*10-12 As/Vm es la denominada constante eléctrica de campo, la magnitud εr es el índice dieléctrico , el cual depende del material que circunda las cargas puntuales. Sí, en este caso, una de las cargas tiene el valor de 0, entonces no aparece ninguna fuerza. El sentido de la fuerza (atrayente o repelente) depende de la polaridad de ambas cargas. La carga más pequeña posible es, por tanto, la carga de un electrón (arbitrariamente) se designa como negativa. Es válido lo siguiente: El electrón es el portador de la carga elemental negativa. Esta es igual a e = ± 1,602 x 10-19C

En esta ecuación, la unidad “C” designa la carga en coulomb, en honor a Coulomb, físico francés. En general, la carga se escribe por medio del símbolo “Q”. De

esta manera, la carga de un coulomb tiene 1/e = 6,25*10 18 electrones.

Propiedades Fundamentales De Las Cargas Eléctricas Experimentalmente se establece las siguientes propiedades:  Existen dos tipos de cargas eléctricas, las cuales se denominan carga positiva y carga negativa.  

Los Cuerpos con cargas del mismo signo se repelen, mientras que los de distinto signo se atraen. A un cuerpo que no esté electrizado se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tienen igual cantidad de carga de ambos tipos

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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. Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí. Descripción y datos técnicos:

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. 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. Una correa se desplaza de manera cruzada, por lo cual los discos giran en sentido opuesto. La cara externa de los discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado un conductor transversal, girable, con dos pinceles de metal, que frotan las hojas de estaño. 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. Éstas se encuentran conectadas con las barras de electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas.    

Diámetro de los discos: 310 mm Longitud de chispa: 120 mm (máximo) Dimensiones: 360 mm x290 x450 mm Corriente de cortocircuito: 30 µA (aproximadamente)

Funcionamiento:

La teoría de esta máquina es algo compleja, 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, y 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 marchan 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 fluido de signos contrarios en cada peine colector, pasando a las escobillas, entre las que se hace saltar la chispa en la descarga. 5


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Máquina De Van De Graff Van de Graff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador de Van de Graff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graff 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 de Van de Graff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pie 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 generador de Van de Graff

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.

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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. 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.

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3. Materiales e Instrumentos EQUIPO ELECTROSTATICA

PENDULO DE TECNOPOR

ELECTROSCOPIO

H

BARRAS DE ACETATO Y VINILO H

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MAQUINA DE WIMSHURT


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4. Procemientos A. Ubique en la mesa de trabajo, en la posición más adecuada, la Máquina de Wimshurst y de Van Der Graff. B. Revise que todo esté en perfectas condiciones, cualquier anomalía informe al profesor de turno.

Máquina de Wimshurst 1. Identifique las partes de las máquinas electrostáticas. 2.

Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y, por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45º, en relación con la barra de aislamiento.

3.

Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

4. ahora cierre el interruptor, anote lo observado. 5.

Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 5, 6 y 7 se efectúan girando las manivelas del equipo.

6.

Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio, este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana. Anote el signo de la carga.

7.

Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara.

8. Descarga de punta; colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado. 9. Péndulo doble; colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de esta, anote lo observado. 10. Clavija de conexión en pantalla de seda; conectar 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; colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado. 12. Tablero de destellos; colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado.

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13. Danza eléctrica; 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. Carril de rodamiento con bolas; colocar sobre el soporte la placa de base y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que los distanciadores del carril de rodamiento con bolas no caigan 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.

Máquina de Van Der Graff: 15. Conecte la máquina de Van Der Graff, a la fuente de 250V de C. A., tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor. 16. Una vez encendido, la faja vertical comenzara a girar, identifique el signo de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado. 17. Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 16, anote lo observado.

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Péndulo Eléctrico 1. Acerca cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración 5. Anota lo observado. 2. Frota 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. 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 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 la 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 lustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo esta 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 ella. 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.

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5. Cuestionario 1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnopor? Explique.

Los experimentos realizados por Bejamin Franklin (1706-1790) demuestran asimismo que hay dos clases de carga eléctrica, a las cuales asigno los calificativos de positiva y negativa entonces haciendo uso de esta convención se sabe que, al frotar lana con una vara de vidrio, el vidrio queda cargada negativamente y al frotar seda con la vara de vidrio, el vidrio queda cargada positivamente, entonces si frotamos seda con una barra de vidrio y acercamos a la esfera de tecnopor sin tocarlo, habrá una redistribución de cargas en la esfera de tecnopor resultando así que las cargas negativas se distribuyan en la zona de la esfera que se encuentra más cerca de la vara de vidrio de tal manera que esta esfera de tecnopor sea atraída por la vara de vidrio, pero al tocar una de estas esferas(a la cual llamaremos esfera 1) con dicha vara de vidrio queda cargada para este caso positivamente además si frotamos la barra de vinilo con el paño de lana y tocamos con esta vara a la otra esfera( a la cual llamaremos esfera 2) entonces dicha esfera quedaría cargada negativamente. Por lo expuesto, la esfera 1 queda con carga positiva y la esfera 2 con carga negativa. 2. En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.

La ley de Coulomb nos da la fuerza entre dos cargas puntuales, pero no nos dice nada de qué ocurre si tenemos más de dos cargas o cuando estas no son cargas puntuales. El principio de superposición es una herramienta matemática que permite comprender de una manera sencilla lo que pasa cuando interactúan una o más partículas con carga y se puede enunciar de la siguiente manera: “Dado un sistema de cargas puntuales, la fuerza eléctrica sobre cada una de

ellas es la suma vectorial de las fuerzas debidas a cada una de las demás cargas, como si el resto de cargas no estuvieran presentes.”

Para nuestra experiencia podemos aplicar el principio de superposición en los siguientes casos: En la máquina de Van de Graaff, se nota que la esfera metálica hueca se carga positivamente mientras que la otra esfera (que esta con la varilla) está cargada negativamente.

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podríamos tomar un diferencial de carga (de la esfera que esta con la varilla) para analizar; debido a que están cargadas con signos opuestos toda la carga de la esfera metálica hueca ejercerá una fuerza de atracción al diferencial de carga de la esfera que esta con la varilla, de manera que cuando se reduzca la distancia de separación esta fuerza será tan fuerte que hará desprender un diferencial de carga negativo(electrón) de la esfera que esta con la varilla, produciéndose una descarga eléctrica. Del mismo modo en la máquina de Winshurst podemos ver que las barras de descarga se van a polarizar de diferente carga, por lo tanto, cuando dichas barras estén a una distancia pequeña (que no lleguen a tocarse) se va generar un campo tan intenso que hará que cada carga de la barra que tiene carga positiva ejerza una fuerza sobre los electrones de la barra con carga negativa, de manera que la fuerza resultante sobre un electrón sea tan grande que haga se desprenda, generándose una chispa.

 En

esta foto se puede apreciar el momento en el cual se produce una chispa

3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

Si, para comprender que cargas se trasladan de un cuerpo a otro primero se debería haber probado que tipo de carga posee el cuerpo, esto se puede lograr acercando una carga de prueba (de carga positiva y que sea puntual) si repelida entonces el cuerpo posee carga positiva mientras si es atraída el cuerpo está cargada negativamente. Luego de haberlas identificado podemos deducir que tipo de cargas se trasladan, estas cargas son flujo de electrones que irán del cuerpo que está cargado negativamente (con exceso de electrones) al cuerpo que está cargado positivamente (con déficit de electrones), una vez concluida este proceso los cuerpos se neutralizaran.

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4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

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6. Conclusiones Se concluye que hay dos tipos de carga.  La máquina de Wimshurst genera chispas para que se descargue debido a que había un exceso de carga.  Para que se produzca la chispa entre las barras de descarga de la máquina de Wimshurst el medio que lo rodea tiene que ser seco o al menos que tienda a ser seco.  De la máquina de Wimshurst concluimos que la energía mecánica (cua ndo se gira la manivela) se convierte en energía eléctrica y eso queda comprobado al ver que se generan chispas en las barras de descarga.  Con el proceso de inducción electrostática podemos acercar objetos (como las bolas de tecnopor) o alejarlos a una determinada distancia.  Se concluye que cargas del mismo signo se repelen y de signos diferentes se atraen.  A la hora que cargamos un cuerpo no podemos saber si lo cargamos positivamente o negativamente. 

7. Bibliografía SEARS, Francis W. ZEMANSKY, Mark W, YOUNG; Hugh D; FREEDMAN,  Roger A; Física Universitaria con Física Moderna. Undécima edición, México: Pearson Educación 2005.  Raymond A. Serway, Jerry S.Faughn, Física, Quinta edición, Pearson Educación. 

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