primer laboratorio de física 3

1er informe del Laboratorio de Física III

Cargas Eléctricas y Cuerpos Electrizados Experiencia N o 1 1. Objetivos: - Verificar la existencia y el comportamiento de las cargas mediante aparatos como el electroscopio. - Aprender el comportamiento de las cargas eléctricas. - Conocer para que sirven la máquina de Wimshurst y. 2. Materiales: Un tablero de destellos  Soporte con gancho para péndulo de esferas de sauco  Cadenas de conexión  Juego de campanas  Paños de lana  Cubierta de electrodos esféricos invertida  Péndulo eléctrico  Rueda de punta  Rodamiento de agujas con clavija de conector  Electroscopio  Varillas de acetato y vinilito y vidrio  Máquina de Wimshurst 

UNMSM

Página 1


3. Fundamento Téorico: UNMSM

Página 2


Benjamín Franklin quien al estudiar estos fenómenos (atracción y repulsión) descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción ; por eso las denominó (+) y (-). El filósofo griego Tales de Mileto descubrió que al frotar una barra de ámbar con un paño atraía objetos pequeños, como trocitos de papel. Llamó electricidad a la propiedad adquirida por la barra, porque ámbar en griego se dice elektron. Este fenómeno también se observa en otros materiales como plástico o vidrio, y modernamente se llama carga eléctrica a la propiedad que adquieren al ser flotados. La carga eléctrica es una magnitud física característica de los fenómenos eléctricos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga eléctrica. La electricidad estática es una carga eléctrica que se mantiene en estado estacionario sobre un objeto, causada por la ganancia o pérdida de electrones. Todo cuerpo se compone de átomos, cada uno de los cuales posee igual número de electrones (carga negativa) y protones (carga positiva).Estas cargas se contrarrestan unas a otras para que un cuerpo resulte neutro (no cargado). Por experiencias, se comprueba que cargas de igual tipo se repelen y cargas diferentes se atraen. Las cargas eléctricas no se crean al frotar un cuerpo, sino que se trasladan. Un segundo método de cargas es por contacto, el cual requiere de “contacto” físico para que ocurra transferencia de electrones además de la existencia de un cuerpo previamente cargado. No es muy eficiente, ya que por sucesivos toques al final la carga se va “terminando”. Tiene la característica fundamental que el cuerpo adquiere el mismo signo del cuerpo que está inicialmente cargado. También está electrización por inducción, un cuerpo cargado puede atraer a otro que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta interacción, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas de signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a este. Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con sentido contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto atrae. UNMSM

Página 3


4. Procedimiento:



Experimento 1 Primero tenemos 1 varilla de acetato, la cual frotamos con un paño de lana, esto es para que al frotarlo la varilla pierda electrones y al acercarla al péndulo, la varilla atraiga a la bolita de tecnopor; esto se debe a que la varilla cargada induce carga en la bolita acercándola. Repetimos lo mismo para la varilla de vinilito y vidrio, obteniendo el mismo resultado.



Experimento 2 Usando la máquina de Wimshurst, vemos que al girar la manivela, entre las 2 barras de electrodos se produce una chispa, esto se debe a que las escobillas absorben las cargas que se producen en las hojas de estaño y las descargan en los electrodos. Experimento 3 Usando la rueda de punta con la máquina de Wimshurst observamos que esta empieza a girar en sentido anti horario. Experimento 4 Usando el juego de campanas y la máquina de Wimshurst, al girar la manivela, vemos que los péndulos y las campanas se empiezan a repeler, pero a veces se quedan pegadas a las campanas. Experimento 5 Usando el tablero de destellos y la máquina de Wimshurst, vemos que al girar la manivela aparecen unas luces en el tablero, justo en las esquinas de las láminas que tiene el tablero.







5. Cuestionario. 1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Para la experiencia las barras de acetato y vidrio han sido cargadas previamente por frotamiento. Algunos materiales tienen tendencia a ganar electrones, UNMSM

Página 4


quedando cargados negativamente, como es en el caso de la barra de acetato; otros en cambio tienen tendencia a ceder electrones, quedando cargados positivamente, como la barra de vidrio. Si al acercar la barra de acetato a la esfera y esta última es atraída por la barra determinamos que la esfera está cargada positivamente, en caso contrario la esfera tendrá carga negativa. Otra manera de determinar los signos de las esferas es acercándolas lentamente al Van de Graaff cargado positivamente, si ocurre la atracción serán de sign o negativo, en caso contrario serán de signo positivo. 2. En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? El principio de la superposición dice que la fuerza existente entre dos cargas no se modifica por la presencia de una tercera. En la presente experiencia se podría deducir que la fuerza existente entre las esferas de tecnoport cargadas no se alteraría al acercarse a estos una tercera carga presente en una barra de acetato o de vidrio. 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 es 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. 4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso. Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas, es decir, adquiere cargas eléctricas, se dice que ha sido electrizado. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática. Para explicar cómo se origina la electricidad estática, hemos de considerar que la materia está hecha de átomos, y los átomos de partículas cargadas, un núcleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo número de cargas positivas y negativas.

UNMSM

Página 5


Cuando se varía el equilibrio o estado natural de la materia haciendo que electrones viajen de un material a otro se llama a este proceso electrización, algunas formas de electrización son las siguientes: a) Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó. b) Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas. c) Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro). d) Carga por el Efecto fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética. e) Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continúa. f) Carga por Efecto termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor. 5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente Porqué casi el 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. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino. 6. la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene carga Q y la b ola 2 esta descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r. ¿Qué sucederá?

UNMSM

Página 6


Analizando el sistema nos damos cuenta de que se presenta una reacción a pesar que la esfera 2 no tiene carga, esto se da por que la esfera 2 se polariza, esto es, la carga en la esfera 2 se reordena y esto genera que las esferas se atraigan entre sí.

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 esta descargada ¿Qué es lo que se observara?¿cuál será la carga que adquiere la esfera 2? Si las dos esferas se ponen en contacto teniendo en cuenta q son del mismo radio, entonces, la carga se distribuye equitativamente entre las dos esferas, esto es, la carga de la primera esfera es igual a la de la segunda esfera y para este caso es igual a Q/2

   

8. Respecto a la pregunta 6, 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 las bola 2 ¿Cuál será la carga que adquiere la esfera 2? Si tenemos carga positiva, las cargas inducidas de la bola 1 se localizan en los extremos, como la bola 1 es más pesada que la bola 2, ésta atraerá a la bola 2 poniéndose en contacto, por esta razón la bola 1 cederá los electrones a la bola 2 poniéndola en equilibrio. 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 trasmitirle la misma carga q a amb as esferas estas se separan hasta 16 cm ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

UNMSM

Página 7


Sea μ el ángulo entre la ubicación inicial y final de las esferas.

      

Tal que

Sea ¨F¨ la fuerza que separa a la esfera 1 de la esfera 2.

 Por ley de Coulomb:

Reemplazando: UNMSM

            ⁄ Página 8


Entonces aplicando (1) y (2)

  √        √    √      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? Al acercar el objeto las laminillas se cierran, pues hay un acomodamiento de cargas, al acercar más el objeto a la esfera metálica del electroscopio sin llegar a tocarla estas laminillas se abren, pues ya hubo un mejor acomodamiento y la parte de la esfera del electroscopio está cargada positivamente parcialmente, por lo que en la parte inferior las laminillas se cargan negativamente parcialmente por lo que se rechazan. Entonces la carga del electroscopio es neutra solo hubo un reordenamiento de cargas que sumadas dan cero ya que es por inducción. 11. Que función cumple las botellas de Leuden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente. La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio que permite el almacenaje de cargas eléctricas comportándose como un condensador. La parte externa se compone de una capa que cubre la botella mientras que la parte interna se compone de una varilla metálica y hojas de aluminio o estaño. La botella funciona a manera de material aislante entre las capas del condensador Sus aplicaciones son en la carga y descarga de condensadores, aplicación muy utilizada en circuitos de conmutación, automatismos y memorias dinámicas. 12. Durante el uso del generador electrostático se percibe color un característico, investigue a que se debe. Investigando este tema se llega a encontrar muy poco información en cuanto al color lo único que se llegó a encontrar es el hecho de que hay un caso llamado descarga tipo corona que se presenta a alta tensiones en este caso la atmosfera que rodea al conductor se ioniza a tal grado que empieza a sufrir un cambio en sus propiedades físicas esto es aumenta su temperatura que empieza a presentar un brillo si la UNMSM

Página 9


temperatura es baja se presenta un halo rojizo si la temperatura es alta se presenta un brillo azulado. En el experimento se observa que se presenta un brillo azulado este debería ser por que la atmosfera que rodea a los conectores debería alcanzar una temperatura relativamente alta. 13. Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones. En las proximidades a las puntas, el campo eléctrico es más intenso; esto se puede demostrar de una manera empírica. Tomamos como ejemplo dos esferas conductoras cargadas conectadas por un hilo muy largo también conductor. Las 2 esferas y el hilo forman un conductor que es equipotencial, por lo tanto, las 2 esferas estarán al mismo potencial. Y

.

Como la relación entre las cargas será:

Las cargas son directamente proporcionales a los radios de las esferas. Como el hilo es muy largo, las esferas están muy alejadas y como el campo eléctrico en la superficie lo puedes expresar como:

Y Sustituyendo y dividiendo uno por otro

Al ser la intensidad de campo inversamente proporcional al radio de la esfera, el campo eléctrico es más intenso en las proximidades de la esfera menor aunque el potencial es el mismo en las 2 esferas. Es por esto que el campo es más intenso en las puntas. Esto se usa en los para conducir las descargas de las nubes en las tormentas y evitar daños, también se utiliza para los descargadores estáticos de los aviones para reducir

UNMSM

Página 10


la carga estática que se acumula en el avión debido al rozamiento con el aire y que podría afectar el funcionamiento del avión y las comunicaciones.

6. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS Este experimento nos deja una serie de apreciaciones en cuanto a la energía eléctrica que se deben tener en cuenta al momento de trabajar con corriente eléctrica, tal vez lo más importante es resaltar que la humedad del ambiente dificulta mucho este tipo de experimentos ya que por acción de la humedad del ambiente se pierden cargas a través del aire. Otra cosa a tener en cuenta es el hecho de que algunos experimentos tuvieron problemas para ejecutarse debido a pequeñas fallas que se presentaron momentáneamente en algunos equipos. Las conclusiones que se pueden extraer de este experimento es entre las más importantes es el hecho de haber podido indagar a través de experimentos la naturaleza de la carga eléctrica así como también tratar de inducir algunas aplicaciones que la utilizan en cada una de las ramas que son el objeto de estudio de nuestras respectivas especialidades. Como sugerencia se puede decir que se debería implementar un mejor sistema para extraer la humedad del aire que como ya se dijo dificulta en trabajo en el laboratorio. 7. Bibliografía y enlaces 

Física General Ing. Juan Goñi Galarza LIMA - PERU



Fundamentos de Electromagnetismo Cheng Finney Volumen I Paris – Francia.

UNMSM

Página 11


http://www.pulsodigital.net/2009/10/por-que-el-cuerpo-humanoconduce.html#axzz2eOcUbwyM http://es.wikipedia.org/wiki/Botella_de_Leyden http://www.pps.k12.or.us/district/depts/edmedia/videoteca/curso3/htmlb/SEC_65. HTM http://www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/cargaycampoelect ricos/contenidos/01d56993080930f36.html

UNMSM

Página 12

primer laboratorio de física 3

Recommend Documents