Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO” FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA PRÁCTICA N° 1. KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS MSc. OPTACIANO L. VÁSQUEZ GARCÍA HUARAZ - PERÚ 2016 1 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 UNIVERSIDAD NACIONAL FACULTAD DE CIENCIAS “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA CURSO: FISICA III PRACTICA DE LABORATORIO Nº 1. APELLIDOS Y NOMBRES: BLAS ROJAS, PEDRO ALFREDO CODIGO: 132.0904.312 FECHA: 07/06/17 FACULTAD: Ingeniería Civil ESCUELAPROFESIONAL: Ingeniería Civil GRUPO: 1 AÑO LECTIVO: 2016 SEMESTRE ACADEMICO: 2017 – 1 NOTA............................ DOCENTE: KIT PARA VÁSQUEZ EXPERIMENTOS GARCÍA, ELECTROSTATICOS OPTACIANO L. FIRMA..................................... INTRODUCCION En nuestra vida diaria hemos experimentado algunos efectos eléctricos algo que de repente nos ha tenido muy inquietos se trata de la fricción; algunos ejemplos se presentan cuando acariciamos un gato, cuando nos peinamos (si lo hiciéramos a oscuras podríamos ver y oír las chispas eléctricas), cuando nos deslizamos sobre la cubierta de plástico del asiento de un automóvil estacionado, etc. En estos casos y muchos otros que no mencionamos se transfieren electrones por fricción cuando un material roza con otro, lo que se conoce como carga por fricción. Se puede transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Cuando ponemos una barra cargada en contacto con un objeto neutro se transfiere una parte de la carga a éste. Este método de carga se conoce simplemente como carga por contacto. Si el objeto es buen conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas iguales se repelen entre sí. Si se trata de un mal conductor puede ser necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una distribución de carga más o menos uniforme. EL ELECTROSCOPIO 2 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Es un instrumento que se utiliza para saber si un cuerpo está cargado eléctricamente. El electroscopio consiste en una varilla metálica vertical de vidrio que tiene una esfera en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de aluminio muy delgado. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normCuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Hay varios tipos de electroscopios, entre las cuales tenemos: médula de saúco, hoja de oro, y el electroscopio que usamos nosotros en nuestro laboratorio que es el electroscopio giratorio. Electroscopio de hoja de oro Electroscopio de saúco ELECTROSCOPIO GIRATORIO Se utiliza con frecuencia para demostrar la electricidad estática, por lo que es básico en muchas aulas de ciencias. El electroscopio giratorio consiste en una placa no conductora con una barra de metal que sale del centro. Este tiene una varilla perpendicular unida a su parte superior, que a su vez tiene dos extremos en ángulo. El electroscopio giratorio girará cuando se acerca a un elemento cargado, como una varilla de fricción. El electroscopio giratorio es el más básico de todos los diferentes tipos de electroscopio. EXPERIMENTO 1. PRODUCCIÓN DE CARGA ELÉCTRICA POR CONTACTO I. OBJETIVOS 3 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 1.1 Objetivos generales Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Conocer las diversas formas de electrización 1.2 Objetivos específicos Producir diferentes tipos de carga eléctrica mediante el proceso de frotamiento Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signo contrario. Utilizar el electroscopio como instrumento detector de cargas Verificar el fenómeno de inducción electrostática por contacto y por conexión a tierra Detectar la presencia de la carga eléctrica en objetos II. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL Consideremos un experimento simple en el que interviene la atracción eléctrica. Una barra de plástico se frota con un trozo de piel y se suspende de una cuerda que puede girar libremente. Si aproximamos a esta barra, una segunda barra de plástico, frotada también con piel, observamos que las barras se repelen entre sí tal como se muestra en la Fig. 01. El mismo resultado se obtiene si repetimos el mismo experimento con dos barras de vidrio que han sido frotadas con seda. Sin embargo si utilizamos una barra de plástico frotada con piel y una varilla de vidrio frotada con seda, observamos que las barras se atraen entre sí. Al frotar el plástico con piel o el vidrio con seda, estas sustancias se “electrizan” o “cargan”. Repitiendo este mismo experimento con diversos tipos de materiales encontramos que todos los objetos cargados pueden clasificarse en dos grupos: aquellos que se cargan como la barra de plástico frotada con piel y los que se cargan como la varilla de vidrio cuando se frota con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) sugirió que todo cuerpo posee una cantidad “normal” de electricidad y cuando dos objetos se frotan entre sí parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo hacia otro; así pues, uno tiene un exceso y el otro un déficit de carga de valor igual. Al tipo de carga adquirida por una barra de vidrio frotada con un paño de seda le llamó carga positiva, lo cual significaba que el paño de seda adquiría una carga negativa de igual magnitud. Por otro lado al tipo de carga que aparecía en el plástico al ser frotado con piel se le llamó carga negativa y la piel adquiría una carga positiva. Como vimos en nuestro experimento, dos objetos que poseen el mimo tipo de carga, es decir, dos cuerpos ambos positivos o ambos negativos se repelen entre sí, mientras que si transportan cargas opuestas se atraen entre sí. Se sabe ahora que cuando el vidrio se frota con un paño de seda se transfieren electrones del vidrio a la seda y por tanto, ésta adquiere un número en exceso de electrones y el vidrio queda con un déficit de electrones, Según la clasificación de Franklin, que todavía tiene vigencia, la seda se carga negativamente, y el vidrio positivamente. Ahora sabemos que la materia está formada por átomos eléctricamente neutros. Cada átomo posee un pequeño núcleo que contiene protones cargados positivamente y neutrones sin carga y rodeando al núcleo existe un número igual de electrones cargados negativamente. El protón y el electrón son partículas muy distintas. Así la masa del protón es aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón. Sin embargo, sus cargas son exactamente iguales pero de signos opuestos. La carga del protón es e y la del electrón es –e, siendo e la unidad fundamental de la carga. Todas las demás cargas se presentan en cantidades enteras de la del electrón. Es decir, la carga está cuantizada. Toda carga Q presente en la naturaleza puede escribirse en la forma Q N .e (1) Donde N es un número entero y e es la carga del electrón. 4 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Cuando dos cuerpos están en íntimo contacto, como ocurre al frotarles entre sí, los electrones se transfieren de un cuerpo a otro. Un objeto queda con un número en exceso de electrones y se carga por tanto, negativamente y el otro queda con un déficit de electrones quedando cargado positivamente. Durante este proceso la carga no se crea sino se transfiere de un cuerpo a otro. La carga neta del sistema es cero. Es decir la carga se conserva. (a) (b) Figura 1. a) Dos objetos con cargas de signo opuesto se atraen; b) Dos cuerpos con cargas del mismo signo se repelen III. MATERIALES Y EQUIPOS. 2.1. Una varilla de vidrio 2.2. Dos varillas de plástico 2,3. Un trozo de lana de oveja 2.4. Una plataforma con soporte 2.5. Un electroscopio IV. METODOLOGÍA. A. PRODUCCIÓN DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA a) el primer paso que se realizo fue limpiar las superficies de las varillas. Sacamos el electroscopio de la caja que lo contenía con mucho cuidado. b) Se dispuso el equipo tal como se muestra en la Figura 2. (a) (b) (c) Figura 2 Equipo utilizado en la experiencia: (a) Electroscopio, (b) varilla de vidrio o plástico (c) electrización por frotamiento c) Se acercó la varilla de vidrio sin frotar al electrodo central del electroscopio. ¿Qué le sucede a la laminilla del electroscopio? Se registró las observaciones. 5 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 2.1. Acercando la varilla de vidrio al electrodo d) El siguiente paso que se realizo fue frotar vigorosamente la varilla de vidrio con lana de oveja ya que la tela que se consiguió era poli seda y nuevamente acercó la varilla de vidrio al electrodo central del electroscopio como se muestra en la figura 3a ¿Qué le sucede a las laminillas del electroscopio? Registramos lo observado. Figura 2.2. Frotación de la varilla de vidrio con lana de oveja Figura 2.3. La laminilla empieza a girar e) Se tocó el electrodo central del electroscopio con la varilla de vidrio previamente frotada con lana de oveja para transferir la carga. Se registró las observaciones. f) Para obtener más carga sobre el electroscopio se tuvo que repetir varias veces el proceso de frotación y transferencia. Registrando las observaciones. (a) Figura. 03. (a) Varilla cargada acercándose al electroscopio, g) Para descargar el electroscopio se tocó con el dedo el electrodo central. 6 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 3.1. Descargando el electroscopio h) Se repitió los pasos anteriores para las varillas de plástico (negro) y se frotó con lana i) Repetimos el proceso para el caso en que la varilla es de acrílico y se frotó nuevamente con lana. B. DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO a) Se frotó vigorosamente la varilla de plástico con lana y se acercó el extremo frotado a la esfera metálica colocada en su soporte aislante como se muestra en la figura. b) En presencia de la varilla frotada se colocó el dedo en el lado opuesto de la esfera metálica como se muestra en las figuras. c) Después de cierto tiempo y en presencia de la varilla cargada se procedió a retirar el dedo de la esfera. d) Se retiró la varilla cargada y se acercó la esfera hacia la cabeza del electroscopio. ¿Qué observa? 7 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 (a) (b) Figura 4 (a) Varilla de plástico frotada acercándola a la esfera conductora sin tocarla, (b) En presencia de la barra se coloca el dedo de la mano. e) Se repitió el paso anterior para el caso en que la varilla que se frota es la varilla de acrílico con lana. C. ATRACCIÓN Y/O REPULSIÓN ELÉCTRICA a) Se frotó fuertemente el extremo de la varilla de plástico A de color negro con lana y luego se colocó en la plataforma giratoria con soporte, como se muestra en las figuras. Ubicar su centro de gravedad y permitir que gire libremente. Figura 5. Equipo utilizado para mostrar la interacción eléctrica. b) Se frotó el extremo de la varilla de plástico negro B con lana y luego se acercó a la varilla de plástico A colocada en la plataforma giratoria. ¡Qué observa?. Se registró dichas observaciones. 8 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 c) Se frotó el extremo de la varilla de vidrio C con lana de oveja y luego se acercó a la varilla A. ¿Que observa Ud.? Se evitó tocar la varilla de vidrio con la de plástico mientras gira. d) Frotar el extremo de la varilla de acrílico D con lana y luego acérquelo al extremo de la varilla A evitando tocarla. ¿Qué sucede? Registre sus observaciones. 9 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 V. CUESTIONARIO A. PRODUCCIÓN DE CARGA. 5.1. Al acercar la varilla de vidrio sin frotar al electroscopio. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Qué implica esto? Las laminillas no se mueven, esto indica que no hay interacción de electricidad o esta descargado. En un estado inicial cuando la varilla se encuentra cargada de manera neutra esta no produce ningún tipo de movimiento sobre las laminillas del electroscopio. Esto implica que no se ha transferido ningún tipo de carga al electroscopio. 5.2. Al acercar la varilla de vidrio previamente frotada con lana al electroscopio sin tocarlo. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Se ha cargado el electroscopio? Después de haber frotado la varilla de vidrio con lana podemos ver que acercándola al electroscopio esta produce movimiento y excitación en las laminillas del electroscopio, haciéndola girar. Esto nos indica que se ha transferido carga al electroscopio; efectivamente, iniciando el giro de las laminillas. Si al electroscopio se le acerca un cuerpo cargado, o se toca con él, todo el aparato se carga de electricidad por inducción, por lo que las dos tiras de lámina, al quedar cargadas con electricidad del mismo signo, se repelen entre sí, entonces se abren. 5.3. ¿Qué sucede con las laminillas del electroscopio cuando Ud. toca la esfera central del electroscopio? Explique Cuando tocamos la esfera del electroscopio con el dedo hacemos que las laminillas caigan repentinamente debido a la transferencia de carga eléctrica por que al entrar en contacto con el dedo, hacemos tierra (conductor) y descargamos el instrumento el electroscopio. 5.4. Si Ud. remplazó la varilla de vidrio por una de plástico o una de acrílico previamente frotada. ¿Cuáles fueron sus observaciones? Explique Al acercar la varilla de plástico frotada anteriormente se observó que ésta hace girar a la laminilla del electroscopio en sentido horario es decir tiende a ponerlo en posición originar debido a que el plástico esta cagada negativamente ya que, al frotar plástico con lana, el plástico captura electrones de la lana y en consecuencia, queda con carga negativa mientras la laminilla se carga positivamente. B. TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO. 5.1. Al frotar el extremo de la varilla de plástico con lana. ¿Qué tipo de carga adquiere la varilla de plástico? La varilla de plástico al ser frotada con lana adquiere signo negativo 5.2. Al acercar la varilla de plástico a la esfera metálica, sin tocarla ¿Cómo es la distribución de cargas sobre la esfera? La distribución de cargas sobre la esfera es en todo el contorno, la parte más cercana a la varilla de plástico acercada, está cargada positivamente mientras que por repulsión las cargas negativas se alejan. 10 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 5.3. Al tocar con el dedo el extremo derecho de la esfera. ¿Qué sucede con la carga de dicho lado? Al tocar con el dedo el lado opuesto las cargas negativas; son descargadas esto debido a que hacemos las veces de conductor. 5.4. Al separar el dedo en presencia de la varilla cargada. ¿Qué tipo de carga adquiere la esfera conductora? ¿En dónde se ubica dicha carga? La esfera adquiere signo positivo ya que las negativas se descargaron y las cargas se ubican en la superficie de la esfera. 5.5. Al repetir el procedimiento con la varilla de acrílico. ¿Qué tipo de carga adquiere la esfera de acero? El tipo de carga que adquiere la esfera de acero al ser frotada con la varilla de acrílico es negativa C. ATRACCIÓN Y REPULSIÓN DE CARGAS. 5.1. Al acercar la varilla B a la varilla A, ¿Existe atracción o repulsión? ¿Por qué gira la varilla A? Cuando se acercó la varilla B a la varilla A empezó a girar debido a que ambos estaban cargados negativamente; por tanto, había una fuerza de repulsión ente las varillas de plástico. 5.2. ¿Girará la varilla A descargada al acercársele la varilla B cargada? ¿Por qué? En este caso la varilla A no girará debido a que no hay transferencia entre la varilla A y la varilla B 5.3. ¿Qué sucede si se toca la varilla A cargada con la varilla B también cargada? ¿Explique el fenómeno? Lo que suceder es que como la varilla A esta cargada negativamente y la varilla B también cargada negativamente se van a repeler porque tienen signos iguales. 5.4. Responda a las preguntas anteriores si se usa las varillas A; C y D. USANDO LA VARILLA C 5.4.1. Cuando acercamos la varilla C de vidrio frotada anteriormente hubo una atracción ya que el vidrio estaba cargado positivamente mientras que la varilla de plástico negativamente. 5.4.2. No va girar porque no hay transferencia 5.4.3. Tendera a pegarse porque ambas varillas de plástico y de vidrio tienen signos opuestos. USANDO LA VARILLA D 5.4.4. Cuando se acercó la varilla D de acrílico frotada también con anterioridad se observó que se repelen porque ambos tienen signos iguales, pero la repulsión es con menos intensidad, en comparación con otra varilla de plástico. 5.4.5. No girará porque no hay transferencia entre las varillas A y D ya que uno nada mas está cargada y el otro neutro. 5.4.6. En este caso se van a tratar de repelerse porque ambas varillas tienen signos iguales. 11 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 5.5. ¿Qué sucede cuando toca con la mano la región cargada de la varilla? Explique Como ya vimos antes con la bolita del electroscopio; sucede que en este caso al tocar la punta de la varilla cargada lo estamos descargando pasando las cargas negativas a la mano. 5.6. Describa lo que sucede cuando acerca Ud. el extremo frotado de la varilla de vidrio C al extremo de la varilla de plástico de la plataforma. Lo que pasa simplemente es que como la varilla (negro) de plástico está cargada negativamente, mientras que la varilla de vidrio está cargada positivamente, existe una fuerza de atracción entre ellas razón por la cual tenderán a acercarse las varillas y al momento de girar la varilla C la otra varilla empezará a seguirle. 5.7. Explique por qué algunas de las combinaciones barra-lana utilizadas en la práctica producen interacciones más intensas que otras. Idea: use la teoría atómica. Para responder esta pregunta vamos a 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, tiene el mismo número de cargas positivas y negativas. Algunos átomos tienen más facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es más positivo en la serie Triboeléctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es más negativo en la serie triboeléctrica. Se sabe también que la cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales (de su separación en la serie triboeléctrica), y del área de la superficie que entra en contacto. Otro de los factores que intervienen es el estado de las superficies, si son lisas o rugosas (entonces, la superficie de contacto es pequeña). La humedad o impurezas que contengan las superficies proporcionan un camino para que se recombinen las cargas. La presencia de impurezas en el aire tiene el mismo efecto que la humedad. 5.8. ¿Explique por qué el chorro de agua es atraído por la barra cargada? Cuando frotamos la varilla de plástico con lana de oveja por un período de tiempo determinado, ocurre un fenómeno de migración de electrones. En uno de los cuerpos que forma parte del proceso de frotación, se efectúa una pérdida de electrones, lo que permite que dicho cuerpo obtenga una carga negativa y el otro cuerpo gane electrones obteniendo una carga positiva. El agua es un elemento de carga neutra que cuenta con una peculiaridad, sus moléculas son asimétricas, es decir, no están distribuidas de manera uniforme en el elemento teniendo un extremo positivo y otro negativo como si tuviese polos. Esto, genera un campo magnético que al ser acercado a una carga eléctrica se alinea con dicha carga, de manera, que el polo del chorro de 12 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 agua opuesto a la carga que acercamos es atraído por esta carga, y el flujo de agua es desviada por un efecto electroestático muy interesante, pudiendo desviar el chorro de agua sin tocarlo. VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES Efectivamente se comprobó una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Se verificó el fenómeno denominado inducción electrostática por conexión y contacto a tierra cuando colocamos el dedo en la bolita de la parte superior del electroscopio. El electroscopio es el instrumento utilizado para determinar si un cuerpo se encuentra cargado. Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un cuerpo al otro, uno de los cuerpos adquiere un exceso de carga positiva y el otro, un exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si la laminillas se abren significa que el objeto está cargado del mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Los experimentos realizados, aparte de ser divertidos, fueron interesantes y se aprendió bastante. Se usó un pedazo de lana de oveja en los experimentos en vez de tela de seda ya que la tela que consiguió nuestro grupo no era 100% seda (poli seda) El efecto triboeléctrico es un tipo de electrificación causado por el contacto con otro material (por ejemplo el frotamiento directo). La polaridad y la fuerza de las cargas producidas se diferencian según los materiales, la aspereza superficial, la temperatura, la tensión, y otras características. 6.2 SUGERENCIAS Para un mejor resultado la lana de oveja debe estar bien seca antes de realizar el frotamiento. en el experimento de la determinación del tipo de carga que tiene un objeto no juntar la varilla de plástico con la esfera de metal, si no acercarla a una pequeña distancia. Se debe tener mucho cuidado en la manipulación de los instrumentos de laboratorio usados, aparte de tener un costo elevado, servirán para los demás compañeros que hagan este tipo de laboratorios. La cantidad de chorro que debe pasar por el caño debe ser mínima, porque si no fuera así al acercar la varilla, el agua sería atraída con menos intensidad debido al peso del agua y el fenómeno sería menos visible. 13 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 2: INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA. I. OBJETIVOS 1.1 Objetivos generales Conocer las diversas formas de electrización 1.2 Objetivos específicos Producir diferentes tipos de carga eléctrica por contacto e inducción electrostática Verificar el fenómeno de inducción electrostática mediante la conexión a tierra Construir un electróforo y usarlo en la obtención de carga por inducción electrostática Utilizar el electroscopio en la detección de cargas por inducción electrostática II. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL Existe un método simple y práctico de cargar un conductor aprovechando el movimiento de los electrones libres en un metal. Como se indica en la Figura1 tenemos dos esferas metálicas sin cargar en contacto. Al acercar a una de las esferas una barra cargada negativamente, los electrones libres de una esfera fluyen de una esfera a la otra. Si la barra está cargada negativamente, repele a los electrones cargados negativamente y la esfera más alejada a la barra adquiere electrones de la otra. La esfera más próxima adquiere carga positiva y la más alejada carga negativa (Fig. 1b). Si las esferas se separan antes de retirar la varilla (Fig. 1c), quedarán con cargas iguales y opuestas (Fig. 1d). Un resultado semejante se obtiene con una barra cargada positivamente, la cual hace que los electrones pasen de la esfera más alejada a la que está más próxima. Este proceso se llama inducción electrostática o carga por inducción. Figura 1. Carga por inducción. a) Esferas en contacto cerca de una barra cargada positivamente. b) esferas separadas en presencia de la varilla cargada. c) Al quitar la barra las esferas quedan cargadas con cargas iguales y opuestas Por otro lado nuestro planeta tierra se constituye en un conductor que para muchos propósitos puede considerarse como un cuerpo cargado negativamente infinitamente grande. Cuándo un conductor se pone en contacto con la tierra se dice está conectado a tierra. Esto se representa esquemáticamente mediante un cable de conducción que termina en unas pequeñas líneas horizontales como se indica en la Figura 2c. Figura 2 Electrización por inducción utilizando conexión a tierra. (a) Esfera metálica inicialmente descargada; (b) acercamiento de la barra inductora hacia la esfera para producir la polarización; (c) Conexión de la esfera con 14 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 la tierra mediante un hilo conductor (los electrones viajan a tierra); (d) retiro de la conexión a tierra en presencia del inductor, (e) Esfera conductora cargada positivamente. Es posible usar a la tierra para cargar un conductor por inducción electrostática. En la Figura1a se muestra una esfera conductora descargada, en la figura 2b se acerca una barra cargada negativamente a una esfera conductora sin carga. Los electrones son repelidos ubicándose en el extremo derecho de la esfera, dejando el extremo cercano con carga positiva. Si se conecta a tierra la esfera con la barra cargada presente, aquella adquiere una carga opuesta a la de la barra, ya que los electrones se desplazan a través de hilo conductor hacia la tierra como se muestra en la Figura 2c. La conexión a tierra se interrumpe antes de retirar la barra para completar la carga por inducción (Fig. 2d). Retirando entonces la barra, la esfera queda cargada positivamente (Figura 2e). III. MATERIALES Y EQUIPOS 2.1. Una placa cuadrada de vidrio orgánico 2.2. Un tubo pequeño de neón sacado de un destornillador con voltaje 2.3. Una placa circular de aluminio con tornillo 2.4. Una barra cilíndrica de plástico negro con tuerca 2.5. Tela de seda, lana y otros IV. METODOLOGÍA a) Se entornilló el manubrio plástico a la placa circular de aluminio. b) Se procedió a frotar fuertemente la parte superior del acrílico con un trozo de piel de conejo o con un trozo de lana, a fin de que la superficie quede cargada negativamente por fricción. Evitando el contacto físico de la zona frotada. c) Se cercó el disco de aluminio sosteniéndolo por el mango aislante hacia la placa aislante hasta que haga contacto para que la electrización en la placa circular por inducción sea efectiva. d) Se sostuvo con la otra mano, el tubo de neón y se puso en contacto con la placa de aluminio (se usó el tubo de neón sacado de un destornillador con voltaje). Se notó que el tubo de neón relampaguea instantáneamente debido al flujo de carga eléctrica. 15 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 e) Se separó el tubo de neón y posteriormente la placa de aluminio, quedando está cargada positivamente como se muestra en la Figura 04e. f) Una vez separada la placa de aluminio, se acercó el tubo de neón, ahora nuevamente el tubo de neón relampagueó, indicando que existe nuevamente flujo de carga tal como se muestra en la Figura 03f. (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figura. 3. Esquema de electrización por inducción g) También se demostró que existe otra forma como demostrar que la lámina de aluminio se carga. Se colocó la placa metálica sobre la superficie cargada, se observó que se induce carga de signo contrario en la parte de la placa más próxima a la superficie, con carga del mismo signo en la parte superior. Con la ayuda de un conductor, la parte superior de la placa se descargó, quedando una carga neta sobre la placa de signo contrario al de la superficie. Esta carga se puede transportar si la placa está dotada de un mango aislante (véase la figura 04) 16 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Fig. 04. (a) Cargando el electróforo de Volta (b) Mostrando que la placa metálica está cargada V. CUESTIONARIO 5.1. Explique el proceso físico por el cual se carga la placa metálica circular de aluminio. Al frotar con lana de oveja la placa de acrílico, esta se carga negativamente, entonces cuando acercamos la placa metálica, las cargas del acrílico repelen a las cargas negativas de la placa circular quedando las positivas, a esta acción se denomina inducción. 5.2. Indique el tipo de carga que se induce en la placa metálica en ambas caras y donde se ubica dicha carga. ¿Qué sucedería si toca Ud. la placa con su mano? Explique La carga que se obtiene en la placa metálica es positiva; dicha carga se ubican en la superficie. Cuando una persona toca la placa lo neutraliza porque el ser humano es un conductor y la tierra es un cuerpo infinitamente negativa. 5.3. Explique por qué relampaguea el tubo de neón al ponerlo en contacto con la superficie de la placa metálica. El relampagueo del tubo de neón es un indicador de que existe un flujo de carga eléctrica. 5.4. Como debe ser la distribución de carga en un conductor aislado puntiagudo? La carga de un conductor es por todo el sistema pero, suele ser mayor en la región puntiaguda debido a que se concentra mayor campo eléctrico. 5.6. Describa el funcionamiento del electróforo de volta. Al momento de acercar el “electróforo de volta” a la perilla del electroscopio, se inducen cargas de diferente signo en la placa superior, y de igual signo en la parte más alejada, es decir, en las hojuelas, produciéndose repulsión entre ellas. Durante esta experiencia se observa que el apartamiento (y en consecuencia la fuerza entre las hojuelas) crece al disminuir las distancias. 5.11. Utilizando materiales caseros se podría construir un electróforo de volta? Efectivamente se puede construir un electrodo de volta, se podría realizar los siguientes pasos: Primero colocamos en forma circular un material aislante como la goma sobre un molde de madera; y un disco conductor, de diámetro algo inferior, y con un mango aislante de vidrio colocado en su centro. 17 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1 CONCLUSIONES 1. En el experimento N° 2 se demostró que un cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. 2. Es importante tener en cuenta que la carga obtenida por este método es de signo opuesto a la carga del inductor. 3. Un ejemplo que comúnmente nosotros podemos observar es cuando cargamos un globo al frotarlo con el cabello y lo acercamos a pequeños papelitos, estos son atraídos por el globo, debido que el frote del globo con el cabello se carga de electrones y al acercarlo con los papelitos estos son atraídos por él. 6.2. SUGERENCIAS 1. Tener cuidado de no tocar la placa circular al momento de acercar al electroscopio, porque de lo contrario lo descargaríamos y ya no funcionaría el experimento. 2. Tener cuidado y no jugar en el laboratorio durante el experimento, esto facilitara al momento de anotar las observaciones y dar el resultado adecuado en el informe. 3. Las prácticas de laboratorio para estos temas debemos hacerlo en lugares donde no haya mucha humedad ya que con la humedad tarda en cargarse o se descargan rápido los elementos. 18 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 3: MÁQUINA DE WIMSHURST. INTRODUCCION En el siguiente informe se plantea una forma muy práctica de observar fenómenos físicos electromagnéticos mediante la máquina de Wimshurst. El fundamento científico de esta máquina es el efecto triboelectrico que es un tipo de electrificación causada por el contacto con otro material. 1. OBJETIVOS 1.1 Objetivos generales Familiarizarse con el manejo de la Máquina de Wimshurst 1.2 Objetivos específicos Mostrar experimentalmente las líneas de campo eléctrico. Verificar experimentalmente las diferentes interacciones electrostáticas. Verificar el poder de las puntas II. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL 2.1 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). 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. 2.2 Descripción de la máquina de Wimshurst Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto. En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los 19 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa. La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperios. 2.3 Partes de la máquina de wimshurst 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. 8. Palanca de acodamiento para conexión de las botellas de Leyden (a) (b) Figura 1. (a) Fotografía de una máquina de Wimshurst, (b) partes de la máquina de Wimshurst. 20 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. 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. 3.2. Péndulos de tecnoport 3.3. Máquina de Wimshurst, modelo U15310. 3..4. Electroscopio 3.5. Barras de acetato y vinilito y vidrio 3.6. Dos plumeros electrostáticos 3.7 Cables de conexión Figura 2. Equipo de electrostática U8491500. IV. METODOLOGÍA 4.1. ADVERTENCIAS DE SEGURIDAD Descargar las piezas de experimentación antes de tocarlas, Descargar el generador electrostático antes de tocarlo Realizar los experimentos solamente con fuentes de alta tensión que tengan una corriente de cortocircuito ≤ 15 μA 4.2. OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS Los equipos permiten buenos resultados experimentales, solamente si éstos se realizan bajo condiciones de limpieza y ausencia de humedad Descargar las piezas de experimentación antes de cada prueba Se aconseja utilizar una ventilador si existen condiciones climáticas de humedad Encajar las piezas de experimentación sobre el soporte y conectarlas mediante las cadenas de experimentación al generador electrostático. Tener cuenta las advertencias de seguridad. 21 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 4.3. EXPERIMENTOS A REALIZAR EXPERIMENTO 01. LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO a) Con un cable de conexión se conectó un electrodo de la máquina de Wimshurst al soporte metálico del plumero como se muestra en la figura 3a. b) Se hizo girar el manubrio de la máquina de Wimshurst hasta notar que los hilos del plumero se carguen observándose que estos se repelen formando la configuración mostrada en la figura 3b c) Se colocó dos plumeros a una distancia de 15 cm y conectando mediante cables de conexión a los dos electrodos de la máquina de Wimshurst se procedió a cargar los plumeros haciendo girar la máquina de Wimshurst. Se notó que los hilos electrizados se atraen tal como se muestra en la figura 03c. 22 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 d) Se colocó dos plumeros a una distancia de 15 cm y conecte mediante alambres a un mismo electrodo de la máquina de Wimshurst se procedió a cargar los plumeros haciendo girar la máquina de Wimshurst se notó que los hilos electrizados se atraen tal como se muestra en la figura 3c. (a) (b) (c) (d) Figura 3. Imagen tridimensional de las líneas de campo eléctrico de cuerpos cargados. EXPERIMENTO 02. DESCARGA DE PUNTA a. Se colocó la rueda de puntas (3) sobre el rodamiento de agujas (6) y el conjunto se insertó en el soporte. b. Se colocó los electrodos de la máquina de wimshurst en posición vertical, c. Se conectó uno de los electrodo de la máquina de wimshurst con la rueda de puntas como se muestra en la figura4 23 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 4. Rueda de puntas instalada a la Máquina de Wimshurst d. Se hizo girar el manubrio de máquina de wimshurst. ¿Qué le sucede a la rueda de puntas?. Registrando las observaciones. e. Se aumentó la velocidad de giro del manubrio. ¿Qué le sucede a la rueda de puntas? Se registró las observaciones. f. Ahora se dejó de girar el manubrio de la máquina de wimshurst. ¿Qué observa? g. Se descargó la máquina de wimshurst uniendo los extremos de sus electrodos 24 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 03. PÉNDULO DOBLE a. Se instaló el soporte con gancho en el soporte. b. Se colgó del soporte con gancho (7) un péndulo doble de cuerpos de médula de sauco como se muestra en la figura 5 c. Con la cadena se conectó el soporte con gancho a uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst. d. Se Puso en funcionamiento la máquina de wimshurst para transferir carga al péndulo doble. Registrando lo observado Figura 5. Péndulo doble instalado a la Máquina de Wimshurst 25 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 04. CLAVIJA DE CONEXIÓN EN PANTALLA DE SEDA a. Se colocó la clavija de conexión en pantalla de seda (8) sobre el soporte b. Con la cadena se conectó la clavija a uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura c. Se Puso en funcionamiento la máquina de wimshurst para transferir carga a la clavija de conexión en pantalla de seda. ¿Qué observa? Se registró lo observado Figura 6. Clavija de conexión en pantalla de seda instalada a la Máquina de Wimshurst 26 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 05. JUEGO DE CAMPANAS a. Se colocó el juego de campanas (16) sobre el soporte aislante. b. Con las cadenas se conectó el juego de campanas a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura 7. c. Se hizo girar lentamente el manubrio de la máquina de wimshurst hasta que los badajos golpeen las campanas, d. ¡Observación! Una carga demasiado alta produce una descarga entre los soporte Figura 7. Juego de campanas instalada a la Máquina de Wimshurst 27 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 06. TABLERO DE DESTELLOS a. Se colocó el tablero de destellos (1) en el soporte aislante, b. Con las cadenas se conectó el tablero de destellos a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura 8. c. Se hizo girar el manubrio de la máquina de wimshurst aumentando progresivamente el volumen de carga suministrada, d. Si existe una tensión lo suficientemente alta, se producen cargas de destellos a través de los espacios libres del tablero. 28 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 8. Tablero de destellos instalado a la Máquina de Wimshurst EXPERIMENTO 07. DANZA ELÉCTRICA a. Se colocó el tablero de base (10) sobre el soporte b. Se colocó sobre el tablero un conjunto de bolitas de médula de sauco (de 5 a 8 unidades) c. Se puso encima la cubierta con electrodos esféricos invertida. d. Con las cadenas se conectó el equipo a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura 9. e. Se Puso en funcionamiento la máquina de wimshurst y se aumentó lentamente la cantidad de carga suministrada, hasta que los trozos de médula de sauco empiecen a bailar. f. Se interrumpió el suministro de carga y se observó el proceso 29 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 9. Equipo utilizada para verificar la danza eléctrica EXPERIMENTO 08. APARATO FUMÍVORO a. Se colocó el tablero de base (10) sobre el soporte b. Se invirtió sobre éste la cubierta con electrodos de punta, c. Con las cadenas se conectó el equipo a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura 10. Figura 9. Equipo utilizada para verificar el poder de las puntas d. Se hizo penetrar en el interior de la cubierta el humo de un papel doblado en forma de embudo. e. Se puso en funcionamiento la máquina de wimshurst y se aumentó lentamente la cantidad de carga suministrada, hasta que el humo se asiente en el fondo f. Se repitió el proceso g. Los electrodos de punta cargan las partículas de humo, estas chocan entre sí y caen sobre el tablero de base que tiene la misma carga. EXPERIMENTO 09. CARRIL DE RODAMIENTO CON BOLAS a. Se colocó sobre el soporte la placa de base (10) y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, se aseguró de que los distanciadores de carril de rodamientos con bolas no caigan hacia un lado 30 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 b. Se colocó la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre el contacto con el canto del electrodo esférico superior. c. Se conectó la fuente de alimentación y se suministró lentamente carga, hasta que la esfera sea repelida y empiece a moverse. Un suministro de carga demasiado alto conduce solamente a descargas eléctricas d. La esfera se carga de manera diferente, y a través de este esfuerzo dinámico resultante se produce un movimiento motriz, en el cual la esfera se carga y se descarga continuamente, e. En el caso de que la esfera gire tan solo sobre su eje, es necesario darle un pequeño empuje. Figura 9. Equipo utilizada para verificar la rodadura de bolas V. CUESTIONARIO EXPERIMENTO 01. LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO 5.1. ¿Por qué toman la forma que Ud. ve los hilos del plumero al ser conectada a los electrodos en cada uno de los casos de la figura 3? .Explique. La forma que tomaron los hilo del plumero es un indicador que estos hilos están cargados del mismo signo. Las líneas de campo eléctrico nunca se cruzan y son invisibles al ojo humano es por ello que los hilos nos dan una representación d ellos. 5.2. ¿Qué relación cree Ud. que guarda el ángulo de abertura de los hilos de seda de los plumeros con la cantidad de electricidad? Respondiendo esta pregunta, el ángulo de abertura de los hilos de seda del plumero con relación a la cantidad de electricidad es proporcional, cuanto más carga tengan los hilos mayor será el ángulo entre ellos y a menos carga, disminuirá el ángulo. 5.3. Describa el funcionamiento de la Máquina de Wimshurst El funcionamiento de la máquina de Wimshurt surge del efecto de la triboelectricidad que se refiere en forma general a un tipo de electrificación causado por el contacto con otro material (por ejemplo el frotamiento directo). La polaridad y la fuerza de las cargas producidas se diferencian según los materiales, la aspereza superficial, la temperatura, la tensión, y otras características. Otro fundamento de esta máquina es el efecto corona que se representa cuando el potencial de un conductor en el aire se eleva hasta valores tales que sobrepasan la rigidez dieléctrica del aire que rodea al conductor, que en el caso de la máquina de Wimshurt impedirá que la tensión se eleve a causa de las pérdidas provocadas al ionizar el aire circundante. EXPERIMENTO 02. DESCARGA DE PUNTA 31 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 5.4. ¿Qué le sucede a la rueda con puntas cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Lo que le sucede a la rueda de puntas es que empieza a girar debido a la presencia de carga eléctrica generada por la máquina de wimshurt 5.5. ¿Qué le sucede a rueda con puntas cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. Al suministrar mayor cantidad de carga la rueda empieza a girar con mayor velocidad debido a que se le suministra gran cantidad de carga eléctrica. 5.6. ¿Explique el poder de las puntas? En electrostática el poder de las puntas está relacionado con la definición de la rigidez dieléctrica. Se sabe que en un conductor electrizado la carga tiende a acumularse en la región puntiaguda. Tal fenómeno fue descubierto hace por Benjamín Franklin, al observar que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie, descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado. EXPERIMENTO 03. PÉNDULO DOBLE 5.7. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Al momento de suministrarle carga con la máquina de wimshurt el péndulo empieza a abrirse 5.8. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. En este caso el péndulo se abre aún más debido al aumento de la carga 5.9.¿El péndulo doble es un electroscopio simple? Efectivamente el péndulo doble nos da una idea de un electroscopio simple EXPERIMENTO 04. CLAVIJA DE CONEXIÓN EN PANTALLA DE SEDA 5.10. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda del plumero cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Lo que sucede con los papeles de seda es que se abren en forma de una sombrilla 5.11. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. Lo que pasa es que los papeles de seda se abren aún más debido al aumento de la carga. 5.12. ¿La clavija de conexión en pantalla de seda puede considerarse como un electroscopio simple? 32 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Como en el caso del péndulo doble, si se puede considerar como un electroscopio simple, ya que tienen similitudes. EXPERIMENTO 05. JUEGO DE CAMPANAS 5.13. ¿Qué le sucede a cada uno de los badajos de las campanas cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Al momento de suministrarle carga, los badajos empiezan a vibrar, emitiendo un sonido, esto debido a la presencia de la carga eléctrica. 5.14. ¿Qué le sucede a cada uno de los badajos de las campanas cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. Se observó que al incrementar la cantidad de carga con la maquina se wimshurt, los badajos de las campanas emiten un ruido mucho mayor. 5.14. ¿Durante el contacto de los badajos con las campanas con estos se cargan o descargan? Los badajos se cargan y empiezan a vibrar. EXPERIMENTO 06. TABLERO DE DESTELLOS 5.15. ¿Qué le sucede al tablero de destellos cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. El tablero de destellos empezó a prenderse en los puntos de luminiscencia debido a la carga generada por la máquina de wimshurt. 5.17. ¿Qué le sucede al tablero de destellos cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. La luminiscencia es mucho mayor, por el aumento de la carga. 5.18. ¿Para qué utilizaría este experimento en la electrónica? Tomando como bases este experimento, en la electrónica se puede usar, por ejemplo para detectar si por una radio, un televisor o algún equipo circula corriente eléctrica; ayudando en la detección del punto de falla. Si pasa corriente efectivamente se prenderán las luces del tablero de destello, de los contrario se mantendrán apagadas, por lo que será necesario arreglar dichos equipos. EXPERIMENTO 07. DANZA ELÉCTRICA. 5.19. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Las medulas de saúco empiezan a saltar con distintas direcciones cada uno, debido a la presencia de carga; razón por la cual este experimento se denomina danza eléctrica. 33 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 5.20. ¿Qué le Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco si se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. Estos trozos de saúco brincan con mayor intensidad, ya que se le suministró mayor carga con la máquina de wimshurt. 5.21. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco cuando se deja de hacer funcionar la máquina de wimshurst? Según lo observado, los trozos al momento de dejar de funcionar con la máquina de wimshurt, se pegan unos a otros. EXPERIMENTO 08. APARATO FUMÍVORO. 5.22. ¿Qué le sucede al humo cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. El humo empieza a girar como un remolino, se pudo observar que esta acción sucedía de una forma rápida. 5.23. ¿Qué le Qué le sucede al humo cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. Al momento de suministrar mayor carga el humo en cuestión de segundo se forma como un remolino y rápidamente de desvanece, es decir se acoplo a lasuperficie del electrodo invertido en forma de punta. 5.24. ¿Cómo explica el poder de las puntas en este experimento? La concentración de carga en una región casi llana es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las regiones planas. Valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobre pasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor. EXPERIMENTO 09. CARRIL DE RODAMIENTO CON BOLAS 5.25. ¿Qué le sucede a la esfera de vidrio cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. Lo que sucede es que la esfera en contacto con el soporte emite un relampagueo por la acción de la carga. 5.26. ¿Qué le Qué le sucede a la esfera de vidrio cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. El relampagueo es aún más violento 5.27. ¿Cómo explica electrostáticamente este experimento? 34 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Al momento a suministrar carga con la máquina de wimshurt, existe una reacción ente la bola y el soporte, produciendo un relampagueo. VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES 1. Se aprendió el mecanismo de funcionamiento de la máquina de Winshurt. 2. Los electrones se conservan, por lo tanto no se crean ni se destruyan solo se trasladan. 3. Se comprueba una vez más experimentalmente que los cuerpos con cargas eléctricas de igual especie se repelen mientras que los tiene cargas de distinto signo se atraen. 4. En todo cuerpo conductor, las cargas se distribuyen superficialmente buscando las zonas de mayor convexidad. En este caso la distribución de las cargas es uniforme. 5. La explicación del funcionamiento de la máquina de Winshurt nos ayuda a conocer los conceptos básicos de la electrostática como la existencia de la carga eléctrica, la repulsión entre cargas del mismo género y atracción de las opuestas. 6.2. SUGERENCIAS 1. Revisar la teoría antes de ir al laboratorio de esta manera se hace más fácil y en menos tiempo el laboratorio. 2. Tener cuidado al momento de manipular los materiales ya que se puede romper o dañar algunos de ellos. 35 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 EXPERIMENTO 4: EL GENERADOR DE VAN DE GRAAFF I. OBJETIVOS 1.1 Objetivos generales Comprender el funcionamiento del Generador de Van de Graaff 1.2 Objetivos específicos Observar y analizar la presencia de cargas haciendo uso del Generador de Van de Graaff Mostrar experimentalmente la atracción y repulsión electrostática Mostrar experimentalmente la descarga corona Verificar el poder de las puntas II. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los cinco mega voltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear. En 1929 Robert J. Van de Graff aplicó este principio para diseñar y construir un generador electrostático tal como se muestra en la Figura 1a. La idea básica del generador se describe en la Figura 1c. Se entrega continuamente carga a un electrodo de alto voltaje sobre una banda móvil de material aislante. El conductor de alto voltaje es un conductor hueco montado sobre una columna aislante. La banda recoge carga por medio de una descarga corona entre el peine ionizado de agujas metálicas y una rejilla conectada a tierra en la base del generador. Las agujas normalmente se mantienen a un potencial positivo de 104 voltios. La carga positiva se transfiere al electrodo de alto voltaje por medio de un 36 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 segundo peine colector de agujas que se encuentra en la parte superior del generador. Como el campo eléctrico en el interior del conductor hueco es despreciable, la carga positiva de la banda se transfiere con facilidad hacia el electrodo de alto voltaje, sin importar su potencial. En la práctica, es posible incrementar su potencial del electrodo de alto voltaje hasta que se presenta una descarga eléctrica a través del aire. Dato que la tensión de ruptura dieléctrica del aire es del orden de 3.106 V/m, una esfera de 1 m de radio puede alcanzar hasta un potencial de 3.106 V. Puede aumentarse aún más el potencial aumentando el radio del casco del generador. Los generadores Van de Graaff pueden producir diferencias de potencial tan altas como 20 millones de voltios. Los protones acelerados a través de diferencias de potencial de este orden reciben energía suficiente como para iniciar reacciones nucleares entre ellos y diversos núcleos que sirven de blanco. (a) (b) (c) (d) Figura 1. Diagrama esquemático de un generador de Van de Graff. (a) Generador Van de Graff, (b) Base del Generador, (c) Mitad inferior del Generador, (d) Partes del generador III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. Un generador Van de Graff 3.2. Una esfera de descarga grande y otra pequeña 3.3. Un plumero electrostático 3.4. Un electroscopio 3.5. Cables de conexión 3.6. Un electrodo puntual de cobre 3.7. Un péndulo simple 3.8. Una vela de cera 3.9. Un soporte aislante IV. METODOLOGÍA a) Se limpió con un paño o franela, el domo esférico del generador, las ruedas, la correa y el tubo de poliglás. b) Se ajustó el colector para que se acerque al máximo a la correa, sin tocarla. c) Se conectó el colector con la bola de la descarga eléctrica. 37 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 d) Se conectó el interruptor de fuente eléctrica del motor para iniciar su funcionamiento. e) Para aumentar la eficiencia del generador se conectó hacia tierra utilizando un cable conductor. f) En aquellos lugares donde no existe corriente eléctrica y la humedad relativa es menor al 80%, se puede recurrir a la operación manual, es decir hacer girar la manivela en el sentido del reloj. g) Cuando comienza a funcionar el generador, no se tocó con las manos el domo esférico metálico del generador ni las partes metálicas expuestas. Cuando se dejó de usar el generador, se usó la esfera de descarga y se hizp/o contacto varias veces con el domo esférico del generador para que se descarguen la electricidad remanente. h) Se procedió a realizar las siguientes experiencias 4.1. Electrización por contacto. 38 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Se acercó lentamente la bola de descarga al domo esférico del generador de Van de Graaff hasta hacer contacto mecánico directo, como se muestra en la figura 2a. En el siguiente paso se tocó la esfera de descarga con el generador y se mantuvo en contacto por un período de tiempo corto hasta extraer un poco de carga. Se separó la esfera de descarga de generador y se acercó hacia el electroscopio sin tocarlo como se muestra en la figura 2b. ¿Qué le sucede al electroscopio? Se tocó la cabeza del electroscopio con la esfera de descarga tal como se muestra. se registró las observaciones (a) (b) Figura 2. Transferencia de carga del acelerador hacia el electroscopio: (a) Contacto de la esfera de prueba con el acelerador, (b) transferencia de carga al electrodo central del electroscopio 4.2. Arco disruptivo Se colocó sobre la mesa a la bola de prueba y al Generador Van de Graaff como se muestra en la figura 3a. Se desconectó de tierra al generador y en su lugar de dicha terminal de puesta a tierra se conectó la terminal con la esfera de prueba como se muestra en la figura 3b, Se encendió el generador y se esperó unos minutos hasta que éste se cargue. Cogiendo la parte aislante de la esfera de prueba, se acercó lentamente y con cuidado hacia el domo esférico del Generador. Dependiendo de las condiciones de humedad, se observó una gran descarga de color azul brillante (rayo)) cuando acerca la esfera de prueba al Generador. Cuando se produce la chispa también se oyó un crujido fuerte. Esto demuestra una descarga eléctrica de un rayo que va acompañado de un destello brillante y el sonido fuerte. 39 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Una vez terminado ésta parte del experimento se apagó el generador y se procedió a descargarlo poniendo en contacto la esfera de prueba con la del Generador. (a) (b) (c) Figura 3 (a) Instalación del equipo para visualizar la descarga corona; (b) descarga corona 4.3. Campo eléctrico de un conductor cargado. Se conectó nuevamente el generador a tierra y a la ves éste a la red eléctrica y se puso en funcionamiento Se cogió la base aislante del plumero electrostático. se acercó el plumero a la cabeza del Generador, como se muestra. ¿Qué ocurre? Se describió detalladamente Se desplazó el plumero siguiendo trayectorias paralelas al ecuador o meridiano como se muestra en la figura 3a. se registró lo observado. 40 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Para demostrar la simetría radial del campo eléctrico, se tomó un solo hilo del plumero y se desplazó alrededor del casco siguiendo circuitos paralelos al ecuador o meridiano como se muestra en la Figura 4b, pero sin intentar disminuir la distancia al casco, el hilo se tuvo que mantener a una distancia constante. Se registró las observaciones Se acercó la esfera del péndulo eléctrico hacia el generador como se muestra en la figura 4c y se observó la interacción entre ambos. Se repitió este paso para diferentes posiciones de la esfera (a) (b) (c) Figura 4. Diagrama para mostrar la simetría del campo eléctrico. 4.4. Campo eléctrico de un conductor cargado. Con el generador de Van de Graaff apagado y previamente descargado, se colocó en el piso una placa de tecnoport, sobre ésta se colocó una placa de madera seca y se hizo parar a una compañera sobre ella, haciendo que coloque sus manos sobre el domo esférico del Generador. Se ennciendió el motor del generador, luego de cierto tiempo los cabellos de la alumna se levantaron como se muestra en la Figura 5a. según la teoría dependiendo de la humedad en el ambiente del laboratorio y en el generador, podría tomar de dos a cinco minutos antes de que su pelo comienza a erizarse y los cabellos tienen que estar lavados y secos recientemente. Se anotó lo que sucede y se tomaron varias fotografías. Se apagó el generador, luego la alumna retiró sus manos del Generador y se dejó pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se descargó, entonces bajó de la tabla con mucho cuidado y calma. 41 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 5. (a) La alumna ha sido cargada a un potencial muy elevado por contacto con un generador de Van de Graaff. (b) La profesora y su hija cogen el generador Se acercó la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo Se dejó pasar cierto tiempo hasta que el cabello bajó indicando que ya se ha descargado, entonces recién bajó de la tabla, se procedió con cuidado. Se acercó la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo 4.5. Viento iónico Su generador de Van de Graaff puede crear un viento eléctrico que es lo suficientemente potente como para desviar la llama de una vela y hacer girar las hélices de un molino de viento de juguete. Para crear el viento eléctrico siga el siguiente procedimiento. Manteniendo el generador de Van de Graaff apagado, se instaló un electrodo puntiagudo como se muestra en la figura 6a. Figura 6. Instalación del equipo para observar el viento eléctrico usando el generador de Van de Graff Se encendió el generador y se esperó unos minutos hasta que se cargue. Se acercó la palma de la mano hacia la punta del electrodo sin tocarlo. ¿Qué sensación experimenta? Se describió detalladamente lo experimentado Ahora se encendió una vela y se observó la ubicación de la flama de ésta. Se acercó lentamente la vela encendida en la cercanía del objeto aguzado sin tocarlo. ¿Qué observa? Se describió lo observado Usando un cable de conexión se conectó el electrodo aguzado a uno de los electrodos de la máquina de Wimshurst como se muestra en la figura 7. ¿Se podría observar también el viento eléctrico? 42 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 7. Instalación del equipo para observar el viento eléctrico usando la máquina de Wimshurst 4.6. Péndulo eléctrico Con el generador de Van de Graaff apagado, se instaló el péndulo como se muestra en la figura 8. Se encendió el generador y se esperó unos minutos hasta que se cargue. Se acercó lentamente el soporte universal con el péndulo el Generador de Van de Graaff De la teoría leída debido a la cantidad de carga positiva que se acumula en el exterior de la cabeza del generador, la esfera del péndulo fue atraída hacia el generador. Una vez en contacto parte de la carga positiva del generador se transfiere a la esfera del péndulo, quedando ésta última cargada positivamente y ahora produciendo una repulsión eléctrica, repulsión que fuerza a la esfera pendular a ubicarse lo más lejos posible, produciéndose las oscilaciones pendulares. Figura 8. Instalación del generador Van de graaff para observar el péndulo eléctrico 4.7. Líneas de campo eléctrico Con el generador de Van de Graaff apagado, y usando cables de conexión se conectó el Generador con la bola de prueba pequeña provista de su mango plástico como se muestra en la figura 9a. Por separado en un depósito de vidrio se vació un poco de aceite y sobre éste aceite los trozos de anís filtrante Se cogió de la parte aislante la bola de prueba y se encendió el generador Se sumergió parte de la bola de prueba en el aceite. ¿Qué le sucede a las partículas de anís? Se describió cualitativamente su comportamiento 43 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 (a) (b) (c) Figura 8. Equipo necesario para mostrar las líneas de fuerza: (a) Generador Van de Graaff, (b) Bola de prueba y (c) aceite Precauciones a) Se utilizó el Generador bajo la supervisión de su profesor. Este Generador no es un juguete b) Se conectó el generador a una conexión estándar con conexión a tierra (3 clavijas) y salida de 220 V c) No se hizo funcionar al generador en un lugar húmedo o mojado. d) Se verificó si existen cables sueltos o defectuosos. Si ocurre lo último se remplazó dichos cables e) Se desconectó el generador antes de realizar ajustes o mantenimiento. Ojo no retiró la placa de cubierta de la base cuando el Generador estaba enchufado a la red eléctrica ya que Existe un riesgo de descarga eléctrica peligrosa. f) La descarga eléctrica que recibe de contacto normal con el generador no es perjudicial, aunque puede ser incómodo, sorprendente, y en ocasiones incluso doloroso. El choque estático que se obtiene de este generador es similar, aunque mucho más fuerte que, el que la compañera podría obtener de tocar la manija de una puerta de metal después de caminar sobre una alfombra en un día seco. g) La compañera pudo obtener una pequeña descarga estática cuando se desenchufa el cable de corriente. Para evitar esto, tuvo que tocar varias veces la esfera de descara con la cúpula del generador hasta que se disipa la electricidad estática. A continuación, se desenchufó el cable. V. CUESTIONARIO 5.1. Explique lo que sucede cuando la bola de prueba se le acerca (aleja) del electrodo central. ¿Qué sucede cuando la bola de prueba es puesta en contacto con el electrodo central del electroscopio? Cuando la bola de prueba se acerca al electrodo central, emite una luz de color azul y un sonido característico. Y cuando acercamos la bola de prueba al electrodo central del electroscopio, las laminillas de éste giran debido que la bola está cargada positivamente. 44 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 5.2. Al acercar el plumero electrostático al generador de Van de Graaff. ¿Qué sucede con los hilos de seda? Explique. Al acercar el plumero al generador, los hilos de seda son atraídas por el electrodo central. 5.3. ¿Qué tipo de simetría tiene el campo eléctrico producido por el casco del generador? Explique El tipo de simetría que tiene el generador de Van der Graaf es esférica y la dirección es radial. 5.4. Explique físicamente la descarga eléctrica del acápite 4.2 Explicando físicamente, lo que sucede es que cuando se acerca la bola de prueba al generador, se observa que de ambas bolas sale una especie de relámpago de color azul acompañado de un crujido. Para entender aún más a detalles. Lo que hace un generador de Van der Graaff es acumular carga, con ése aparato es posible explicar la electrostática. Cuando se conecta a un alto voltaje, las cargas que acumula son muy grandes; en el momento en el que el generador tiene contacto con algo que haga cerrarse el circuito a tierra (como cuando ponemos nuestra mano en la superficie aislante protectora), es tal la diferencia de potencial que se establece del lado del generador (alto voltaje) con la parte que cierra el circuito (muy bajo voltaje) que produce la descarga en forma de chispa eléctrica. 5.5. Describa y explique la generación del viento eléctrico Para entender mejor definamos el efecto punta que es un efecto físico que se produce por la acumulación de energía en esa parte de un cuerpo. Cuando los conductores metálicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire. El campo E produce una ionización de las moléculas de aire vecina a la punta, e decir producen iones positivos y negativos. Los iones de signo contrario a la carga de la punta van sobre esta descargándola. Pero dado que los iones están muy cerca a la punta este movimiento es muy lento. Los iones de igual signo son repelidos muy lejos, ellos comunican su movimiento a las moléculas de aire (moléculas neutras) y producen el llamado viento eléctrico. 5.6. ¿Cuál es la dirección de la fuerza sobre la esfera del péndulo eléctrico? Explique La dirección de la fuerza sobre la esfera del péndulo, como es radial es saliente. 5.7 ¿Por qué los cabellos del alumno se levantan? El motivo de esto es que el campo que tenemos en el generador es electrostático. Esto quiere decir que el hecho de estar en electrostática implica que no hay una intensidad que recorra la esfera metálica. Aparece una intensidad cuando tocamos la esfera y nos convertirnos en un hilo conductor las cargas no se adentran en nuestro cuerpo por tratarse de electricidad estática, pero nos abandonará por aquellos lugares con terminación más puntiaguda debido al conocido efecto punta, como pueden ser los dedos o lo que es más habitual, los pelos de la cabeza. 5.8. ¿Qué importancia tiene que el alumno que coge el Generador se encuentre aislado? 45 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Es de suma importancia que el alumno, en nuestro caso nuestra compañera este bien aislada ya que de esta manera se evita cualquier tipo de daños o descargas. 5.9. Cuando Ud. acerca el tubo de neón al alumno ¿Qué observó? Explique su respuesta. Al momento de acercar el tubo de neón al generador, se observa que se enciende, esto nos indica que hay un campo eléctrico. 5.10. El radio del casco esférico del Generador Van de Graff es de 20 cm, determine. ¿Cuánta carga puede producir sin provocar la ruptura eléctrica en el aire? La carga máxima que puede adquirir una esfera conductora viene limitada por la rigidez dieléctrica del aire que en condiciones óptimas es 30kv/cm (EESFERA) y la propia capacidad de dicha esfera. En cuanto a la esfera de nuestro experimento de 20cm (RESFERA) de radio crea un campo correspondiente a un potencial de: 𝑉𝑀𝐴𝑋 = 𝐸𝐸𝑆𝐹𝐸𝑅𝐴 𝑋 𝑅𝐸𝑆𝐹𝐸𝑅𝐴 = 3𝑥106 𝑉/𝑚 𝑥 2𝑥10−1 𝑚 = 6𝑥105 𝑉 5.11. El electrodo conductor esférico de un generador Van de Graaff está cargado hasta un potencial de 0,18.106 V. Halle el radio mínimo que debe tener el cascarón esférico para que no ocurra la ruptura dieléctrica del aire. El radio mínimo antes que ocurra la ruptura dieléctrica del aire es: 0.18𝑥106 𝑉 = 𝐸𝐸𝑆𝐹𝐸𝑅𝐴 𝑋 𝑅𝐸𝑆𝐹𝐸𝑅𝐴 = (3𝑥106 𝑉/𝑚)𝑋 0.18𝑥106 𝑉 𝑋= = 0.600000024𝑚 = 6𝑥10−2 𝑚 3𝑥106 𝑉 𝑚 𝑋 = 6 𝑐𝑚 𝑑𝑒 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑜 5.12. Explique el poder de las puntas y por qué no debemos colocarnos bajo un árbol grande si estamos en medio de una tormenta eléctrica. Para esto leer sobre los experimentos de Benjamín Franklin El efecto punta es el nombre de un efecto que se produce por la acumulación de energía en esta parte del cuerpo. Cuando un material posee carga electica, esta se distribuye por todo el cuero siempre que sean conductores. La densidad de carga es carga por unidad de volumen, de manera que si la carga se distribuye en el cuerpo, su densidad será mayor en las zonas de menos superficie. Dicho esto se produce una acumulación en las zonas del material acabadas en punta, donde su volumen es menor y existe mayor cantidad de carga. 5.13. Describa detalladamente el funcionamiento del péndulo eléctrico Al acercar el péndulo al generador de Vander Graaf so observó que básicamente interactúan las cargas eléctricas, cuando hay una carga cerca del péndulo este se mueve resultado de los campos eléctricos de las cargas. 5.14. ¿Obtuvo las líneas de campo eléctrico usando el generador, el aceite y las partículas de anís? Qué forma tenían éstas. 46 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Definitivamente si se obtuvo las líneas de campo en el aceite. Se determinó mediante las pequeñas partículas de anis que las líneas de campo tienen una forma radial, tal como el docente nos explicó en clase. 5.15. Explique porqué el cuerpo humano es un buen conductor Nuestro cuerpo está formado por 75% de agua, y como sabemos, el agua conduce corriente. Además de que todos los compuestos químicos de los cuales estamos compuestos, la sangre y los minerales dentro de ella. Incluso los constantes pulsos eléctricos de nuestro sistema neurológico hace que seamos un buen conductor eléctrico. VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES a) Por la simetría de la esfera el campo eléctrico es radial. 47 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 b) Un generador de Van der Graaff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo. c) Los generadores de Van der Graaff están diseñados para no proporcionar más de un par de mili-Amperios de corriente, de modo que como mucho puede darnos un pequeño calambre similar a los que nos pueden dar en las piernas después de hacer mucho ejercicio físico. Por tanto, no es peligroso. d) Las pautas dadas en clase por el docente fueron comprobadas en laboratorio, donde se aprendió de una manera muy divertida. 6.2. SUGERENCIAS a) Se debe leer la separata facilitada por el docente para un mejor desempeño durante la práctica de laboratorio. b) Preguntar al profesor del curso o al laboratorista sobre el manejo y uso de los equipos. c) Para realizar el experimento de la carga con una persona, esta debe tener el cabello limpio, seca y estar aislada para evitar descargas. d) La descarga de chispas debe realizarse en un ambiente oscuro para observar las reacciones. e) El generador de Van de Graaf es un instrumento utilizado para crear diferencias de potencial. EXPERIMENTO 5: LA JAULA DE FARADAY I: OBJETIVOS 1.1 Objetivos generales Familiarizarse con el funcionamiento de la Jaula de Faraday 48 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 1.2 Objetivos específicos Mostrar el blindaje electrostático usando la Jaula de Faraday Verificar que la carga en un conductor cargado reside en la superficie. Internalizar en el estudiante la importancia de los fenómenos electrostáticos II. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL Se conoce como jaula de Faraday el efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a cero Cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se distribuye sobre la superficie de manera que el campo eléctrico en el interior es cero. Para mostrar lo mencionado puede realizarse el siguiente experimento. Introduzca. Una pequeña bola metálica cargada positivamente, la cual cuelga de un hilo de seda dentro de un conductor hueco sin carga a través de un pequeño orificio como se ve en la Fig.1a,. El conductor hueco está aislado de la tierra. La bola cargada induce una carga negativa en la pared interna del conductor, dejando una carga igual pero positiva en la superficie exterior (Fig. 1b). La presencia de las cargas positivas en la pared exterior se indica por la deflexión del electrómetro. La deflexión del electrómetro no cambia cuando la bola toca la superficie interior del conductor hueco (Fig. 1c). Cuando la bola se extrae la lectura del electrómetro no cambia y la bola se encuentra descargada (Fig.1d). Esto muestra que la carga transferida al conductor hueco se encuentra sobre la superficie exterior. Si ahora se introduce una pequeña bola metálica cargada en el centro del conductor hueco cargado, la bola metálica no será atraída por el conductor hueco. Finalmente si la bola pequeña cargada se coloca fuera de la superficie exterior del cascarón, la bola será repelida por el conductor indicando que el campo fuera del conductor hueco es diferente de cero. A este experimento se denomina blindaje electrostático. Figura 1. Demostración experimental que muestra que cualquier carga transferida a un conductor reside en su superficie en equilibrio electrostático. En nuestro experimento para demostrar lo antes mencionado se utilizará la Jaula e Faraday III. MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. Dos plumeros electrostáticos. 3.2. Una jaula de Faraday 3.3. Una base con soporte para colocar la jaula de Faraday 3.4. Un generador Van de Graaff 3.5. Un electroscopio 49 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 3.6. Cables de conexión IV. METODOLOGÍA a. Se instaló el equipo como se muestra en la Fig.2. b) Con el Generador de Van de Graaff y con un alambre conductor se conectó la cabeza del acelerador con la Jaula de Faraday. c) Se hizo funcionar el acelerador y se observó lo que sucede con las tiras de papel. f) Se observó lo que le sucede a las tiras de papel exterior e interior a la jaula. Se anotó las observaciones. g) Se desconectó el acelerador de la jaula. Figura. 2. Instalación del equipo para mostrar el blindaje electrostático h) Se acercó la jaula hacia el acelerador a una distancia pequeña como se muestra en la Fig. 3. i) Se encendió el acelerador y se observó la descarga corona que aparece. Figura 3. El generador de Van de Graaff produce descargas espectaculares sobre la jaula de alambre conectada a tierra. j) Con el alambre en forma de malla (se consiguió malla para cercar animalito) se construyó el dispositivo mostrado en la figura 4a. 50 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Figura 4. (a) versión sencilla de la jaula de Faraday, (b) Radio portátil en el interior de una jaula de Faraday. k) Se tomó una radio pequeña y se encendió sintonizando una determinada emisora. Se insertó dicha radio en el interior de la malla cilíndrica como se muestra en la figura 4b. ¿Qué observa? l) Tambien se tomó un celular de uno de los compañeros y se hizo el mismo experimento. V. CUESTIONARIO 5.1. Explique lo que le sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday está conectado con la máquina de Wimshurst en funcionamiento. No se usó la máquina de Wimshurt, solo se trabajó con el generador de Van De Graaf 5.2. Explique lo que le sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday está conectado con el generador Van de Graaff. En este caso usamos la jaula de Faraday pegada con tiras de papel y lo que se observo fue lo siguiente: alrededor de la jaula, en el exterior las tiras de papel empezaron a abrirse, pero algo impresionante pasó en la parte inferior de la jaula ya que las tiras de papel se mantuvieron inmóviles. 5.3. Según sus observaciones ¿existe campo eléctrico en el interior de la jaula? ¿Existe campo eléctrico en el exterior de la jaula de Faraday? Justifique sus respuestas. 51 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Las tiras de papel permanecieron inmóviles en el interior de la jaula, debido a que el campo eléctrico es nulo, la explicación es la siguiente: El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en el domo del generador de Van De Graaf, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse en sentido opuesto al campo eléctrico puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por: 𝐹⃗ = 𝑒𝐸 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ 𝑒𝑥𝑡 Esta distribución de carga dentro del conductor genera un campo eléctrico interno de sentido opuesto al externo y de igual módulo, de modo que en el interior del conductor el campo eléctrico total es nulo. Este hecho constituye en principio de funcionamiento de una jaula de Faraday. 5.5. Remplaza el plumero exterior por un electrómetro ¿Qué observaciones obtiene) Se observó que al momento de acercar la bola al electroscopio, este empezó a girar indicando que la bola tenia carga positiva. 5.6. Explique el comportamiento del péndulo eléctrico en el interior de la jaula mostrado en la figura, cuando se acerca al generador de Van de Graaff mostrado en la figura 01. Y lo que ocurre en la figura 02 No se realizó esta acción. 5.7. Explique porqué la radio portátil en el interior de la jaula de Faraday no funciona correctamente. La explicación de por qué no pasa nada dentro de la jaula es que su cuerpo metálico cuando se somete a un campo eléctrico (o electromagnético), se reorganizan de tal manera que el campo eléctrico dentro de la jaula es cero, es decir impide en el interior la influencia de los campos eléctricos exteriores. Al ser las ondas de radio ondas electromagnéticas no se pueden percibir en el interior de la jaula. 5.8. Explique el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. La misma lógica que se vio con la radio portátil también se aplica con los teléfonos móviles dentro de un ascensor, ya que el cuerpo metálico del ascensor actúa como una jaula de Faraday. 5.9. Indique otras aplicaciones eléctricas y electrónicas del efecto jaula de Faraday 52 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 Uno de los cuantos ejemplos es el pararrayos, que está formado por un antena metálica, que termina en punta, con una bola de cobre o platino. La barra está a tierra por un cable conductor, que lleva la descarga hacia el suelo. En la punta del pararrayos aparece cargas positivas que crean inones positivos que al ascender reducen la carga negativa de las tormentas, del mismo modo atraen cargas negativas hacia abajo. Al ocurrir una descarga eléctrica tiende a seguir la línea de los iones hasta chocar con el pararrayos. La corriente se desplaza por el cable y llega tierra sin producir ningún daño. Otras aplicaciones son en las microondas, escáneres, cables, aviones, etc. Este último, como el avión tiene un cuerpo metálico actúa como una jaula de Faraday como en el caso de los ascensores, aislando los campos eléctricos y electromagnéticos, por esta razón los aviones son inmunes a los rayos VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES a) No se detecta carga en el interior del domo debido que el número de líneas que entran es igual al número de líneas que salen. En la teoría se vio claramente y en la práctica lo pudimos comprobar. b) Una caja de Faraday es una caja que ante una carga eléctrica exterior, la carga en el interior es neutra. Así por ejemplo, no pasa nada si a un avión le cae un rayo. Mucha gente se asusta cuando viaja en avión en medio de una tormenta eléctrica. Los rayos en esa situación son la menor de tus preocupaciones. c) en una tormenta el mejor refugio es un coche. Ciertamente un ascensor también es un buen refugio pero en ese caso es probable que se vaya la luz y te quedes encerrado. Pero lo importante es que no te electrocutas. 53 Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III KIT PARA ELECTROSTÁTICA Optaciano Vásquez García 2017 d) De los resultados realizados en el laboratorio se concluye que la teoría que se brindó en aula fue comprobada. e) La jaula de Faraday tienes muchas aplicaciones en nuestra vida diaria solo que a veces no sabemos el funcionamiento de algunas de ellas, pero gracias a este laboratorio somos capaces de ver lo interesante y maravilloso que puede resultar las leyes de la física. f) En general el aprendizaje de este laboratorio se realizó de una manera interactiva y divertida. 6.2. SUGERENCIAS a) Estar atentos a las indicaciones brindadas por el docente del curso así como también del encargado del laboratorio. b) Tener cuidado en la manipulación de los equipos como el generador de Van De Graaf. c) Estar atento al experimento y anotar cada uno de las observaciones d) Mi sugerencia al docente del curso, que siga adelante con los mismos ánimos de enseñar ya que, es uno de los pocos docentes que tienen buena metodología en la enseñanza. VII. BIBLIOGRAFÍA. 7.1.1. GOLDEMBERG, J. Física General y Experimental. Vol II. Edit. Interamericana. México 1972. 7.1.2. MEINERS, H. W, EPPENSTEIN. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 1980 7.1.3. SERWAY, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España 1992, 7.1.4. TIPLER, p. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000. 7.1.5. VAZQUEZ, O. Fisica general III. Huaraz, 2016. 54
Report "Practica de Laboratorio N_ 01 Fisica III - 2016 Olvg"