UNIVERSIDAD NACIO NAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)
INFORME DE LABORATORIO N°1 CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS
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CURSO
:
Física III (Electromagnetismo)
E.A.P
:
Ingeniería de Sistemas
INTEGRANTES
:
Fernández Díaz, Cristian (15200018) Ramos Panaifo, Deyvi Carlos (15200057) Salazar Becerra, Gemma Rossanna (15200186) Urbina Chico, Ángel Martin (15200061)
PROFESOR
:
Saavedra
HORARIO
:
Sábado 10 am.- 12pm.
Viernes, 28 de Abril de 2017. -1-
Índice 1.
Introducción ............................................................................................................ 3
2.
Objetivos .................................................................................................................. 4
3.
Materiales ................................................................................................................ 4
4.
Procedimiento Experimental ................................................................................. 6
5.
Cuestionario .......................................................................................................... 10
6.
Conclusiones y Recomendaciones ....................................................................... 16
7.
Bibliografía ............................................................................................................ 16
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1. Introducción Un cuerpo puede ser cargado sin importar su tamaño, tal preposición es totalmente cierta, para cargar un cuerpo u objeto no necesariamente debe ser de tamaño atómico, luego de esto se puede dar paso a las diferentes formas como de cómo cargar un cuerpo, ya sea positivo o negativo; este aspecto es que se desea desarrollar en este informe basado en las experiencias realizadas en el laboratorio que son netamente observables, ya que no hay mucho cálculo en este primer tema. Este trabajo es realizado por alumnos de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos; los cuales pertenecen al curso de electromagnetismo, en tal asignación se ha propuesto el estudio de los fenómenos eléctricos que representan con más frecuencia de lo que se cree y son parte fundamental de la actual vida que llevamos, al punto que se podría decir que gran parte de la tecnología que se ha desarrollado y la que está en proceso de creación están basadas en los fenómenos eléctricos y por ende estos modifican toda nuestra vida. La importancia de los distintos fenómenos por llamar de alguna forma a las propiedades pertenecientes al mundo eléctrico hace necesario el estudio del mismo.
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2. Objetivos
Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades fundamentales 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 signos opuestos.
Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador Electrostático máquina de Wimshurst y la máquina de Van der Graff.
3. 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. Máquina de Wimshurst, modelo U15310.
Electroscopio
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Máquina de Van de Graff
Paño de lana, barra de vinilo y acetato
Tablero de Destellos
Juego de Campanas
Péndulo de bolita de tecnopor
Clavija de Conexión en pantalla de seda
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4. Procedimiento Experimental 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.
4 a. MÁQUINA DE WIMHURST 1. Identifique las partes de las máquinas electrostáticas 2. 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. 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 2, 3 y 4 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.
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7. 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.
8. Péndulo doble colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a tr avés de ésta, anote lo observado. (Bolas de ternopor)
9. Clavija de conexión en pantalla de seda; 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.
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10.Juego de campanas; colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.
11.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.
12.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. 13.Aparato fumívoro; 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 o bservado.
4 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.
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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 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 h abía 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 Ud. Determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Explique. En la experiencia realizada en el laboratorio, cuando electrizábamos un cuerpo, ya sea por frotación, por inducción o por contacto, este bien gana o pierde electrones, resulta entonces que el cuerpo obtiene carga positiva o negativa. Cuando acercamos el cuerpo a las esferas de tecnoport notamos que estas esferas son atraídas hacia el cuerpo. Por teoría sabemos que cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen entonces podemos decir que si el cuerpo tiene carga positiva las esferas tendrán carga negativa; y si el cuerpo tiene carga negativa las esferas tendrán carga positiva.
2. En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique. El principio de superposición es una herramienta matemática que permite descomponer un problema (que es difícil de comprender si se ve en todo el sistema) en dos o más sub problemas simples (fáciles de abstraer). De este modo usando los sub problemas se comprende el original, esto es, la suma o superposición de los sub problemas es equivalente al problema original. Podemos explicarla en la máquina de Vandergraff, pues se observa que es un objeto de dimensión apreciable, si tomamos un diferencial de carga “q” para la esfera de la
máquina de Vandergraff y la interacción con un cuerpo de dimensión despreciable de carga “Q”, entonces cada diferencial de carga e interactúa con la carga “Q” y la suma de todas las fuerzas obtenidas sería la fuerza ejercida entre la carga “Q” y la carga “q”. Aquí
podríamos apreciar el principio de superposición
3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro? Sí, para saber 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 (carga positiva y puntual) si es repelida entonces el cuerpo posee carga positiva, pero si es atraída el cuerpo está cargada negativamente. Después 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 neutralizarán.
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4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso. a) Electrización por contacto.- Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera, los dos cuerpos quedan cargados con el mismo tipo de carga.
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) Electrización por inducción.- Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo 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 relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a este. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente.
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Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique. Porqué casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiología que es la 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.
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?
Como la esfera 1 tiene una carga “Q”, esta generara un campo eléctrico con lo cual se
inducirá de cierta carga a la esfera 2, lo cual originara que las esferas se repelan o atraigan dependiendo del valor de la carga “Q”.
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? • Por el principio de conservación de cargas eléctricas, hallaremos la carga final para
ambas esferas: ∑( Qi ) = ∑( Qf )
Q + 0 = q° + q°
q° = Q/2
Q
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q°
• Las esferas adquirirán una carga del mismo signo, por lo tanto se observara que estas
se empezaran a repeler. • La esfera 2 adquirirá una carga 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 la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2? Como las cargas se conservan al inicio y al final, al poner en contacto las 2 esferitas las cargas se distribuirán en forma proporcional a su superficie. De esta manera la esfera 1 quedara con una carga de 4Q/5 y la esfera 2 con una carga de Q/5.
9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12cm, (ilustración). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16cm. ¿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 30cm? • Haciendo el D.C.L
De donde:
==0.5×10 16− = 9.8 ⁄
F = Fuerza Eléctrica T = Tensión
Se puede ver que la fuerza eléctrica se igualara a la componente horizontal que resulta de la descomposición de la tensión y la fuerza de gravedad se igualara con la componente vertical de esta. • Del D.C.L:
= = ×si ×cos n = × ×tan
… (1) … (2)
• De (1) y (2):
… (3)
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• Hallando “α”: Para esto usaremos el triángulo formado por la longitud de la cuerda y
la distancia de la esfera a su posición inicial
α = sin− α = 3.82
α
30cm
2cm •
De la ley de coulomb:
= = √ = √ 2() 2 3 0 . 1 6 (5×10 ×9.89×3.82) = 8.98×10 =>
•
Despejando q y reemplazando (3) en la ecuación :
•
Reemplazando los datos:
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 inicio el electroscopio tenía una carga negativa, ya que al acercar el objeto con carga positiva producía que las hojuelas se cerrasen (se atraen). Pero luego este fue adquiriendo una carga positiva, lo cual trajo como consecuencia que las hojuelas se abran (se repelen). Por lo tanto se puede deducir que tiene una carga negativa.
11.Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente Las Botellas de Leyden son condensadores capaces de aguantar tensiones altísimas. Permite acumular las cargas eléctricas de las máquinas electrostáticas y efectuar demostraciones del poder de la electricidad en que eran capaces de hacer saltar chispas consistentes y de aturdir e incluso matar pequeños animales. La función de l as botellas de Leyden es almacenar la carga eléctrica producida en la máquina de Wimshurt después de su condensación.
12.Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente. El olor percibido es causado por la formación del ozono (O3). El ozono es producido por una reacción química del oxígeno del aire circundante al producirse las descargas eléctricas. Dicha reacción se resume como sigue:
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13.Explique a qué se debe el efecto de rodamiento o giro del proceso experimental 7. Se debe a que las fuerzas se están repeliendo, ya que al frotar la barra de vinilito c on el paño de lana estamos pasándole electrones a esta, por lo cual al acercarla a las esferas se produce una pequeña repulsión, y al estar las esferas colgando, el proceso se manifiesta en los giros que dan.
14.Explique por qué el péndulo de las bolitas de sauco se repelen, puede Ud. Determinar el signo de la carga eléctrica? Proceso experimental 8. Se usaron bolitas de tecnopor, estas se repelen debido a que al ca rgarlas con la máquina de Wimshurst cconectadas a sus polos opuestos estas adquieren cargas opuestas, por lo tanto empiezan a repelerse.
15.En el procedimiento 9 (pantalla de seda) a qué se debe que los hilos de seda se extienden. Explique. Se debe a que la carga que los afectan hace que la fuerza de gravedad disminuya, y al ser hilos de seda, muy livianos, es muy fácil que se extiendan.
16.Los péndulos del juego de campanas tendrán la misma carga eléctrica luego de impactar con las campanas ¿Por qué? Explique. No, pues al entrar en contacto con otros cuerpos hay automáticamente una compartición de cargas, por lo tanto su carga variará.
17.Explique ¿Por qué se produce el efecto de destello en el tablero de destellos? Proceso experimental 11. Porque en el tablero de destellos hay un camino hecho de un elemento conductor de electricidad, y al llegar la carga eléctrica estos se activan.
18.En el proceso 12, explique ¿Por qué se desplazan las bolitas de sauco? (No se experimentó con esto) 19.¿Qué ocurre con el humo, en el aparato fumívoro cuando se conecta con la fuente de carga. Explique. Proceso Experimental 13. (No se experimentó con esto) 20.Mencione al menos 3 aplicaciones del equipo de Van De Graff. a) Se usa para realizar experimentos en física nuclear, para conocer características de los núcleos de los átomos. b) Aceleración de electrones para esterilizar alimentos. c) Aceleración de electrones para esterilizar materiales usados en procesos industriales o científicos. d) Generar Rayos-X mediante grandes f lujos de energía. e) Fines educativos y de instrucción en temas de cargas eléctricas.
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6. Conclusiones y Recomendaciones Conclusiones: •Se logró comprobar experimentalmente con el uso de la bolita de tecnopor y las varillas,
una propiedad de la materia que es la electricidad. •Se experimentó con éxito con la Electrostático-máquina de Wimshurst la cual se usó para
diversas aplicaciones. •Se verificó la interacción electrostática entre cargas de igual signo y así mismo de signos
opuestos.
Se pudo demostrar experimentalmente que cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen.
Recomendaciones: •Se recomienda elaborar los experimentos y/o aplicaciones en un ambiente seco y limpio
ya que podría no funcionar una de las máquinas. •Se recomienda alejarse un poco de las cadenas de fierro, ya que transmiten algo de
electricidad. •La electrostático-máquina de Wimshurst se debe girar estrictamente en sentido horario,
de caso contrario puede averiarse.
7. Bibliografía
FCF. (2014). Laboratorío de Física III: Electricidad y Magnetismo. 19/04/2016, de Facultad de ciencias físicas Sitio web: http://fisica.unmsm.edu.pe/index.php/Laboratorio_de_F%C3%ADsica _III:_Electricidad_y_Magnetismo Francis W. Sears y Mark W. Zemansky. Física, Edt. Aguilar (1970) pág. 565. Física con ordenador. (2000). El generador de Van de Graaff. 19/04/2016, de SC Sitio web: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/gra af/graaf.htm Ángel Franco García. (2013). Electricidad por frotamiento. El electróforo. 19/04/2016, de SC Sitio web: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/campo_electrico/fu erza/fuerza.html El blog de Endesa. (2010). Experimento sobre electricidad estática: el electroscopio. 18/04/2016, de ende Sitio web: http://blog.endesaeduca.com/experimentos/electrostatica-electroscopio/
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