Universidad Nacional Santiago Antnez de Mayolo UNASAM
FACULTAD DE CIENCIAS
Ingeniera de Sistemas e. InformticaSemestre Acadmico : Curso
Tema Docente Alumno 2011 1 : FISICA III : KIT PARA EXPERIMENTOS
ELECTROSTTICOS : Eduardo Cabrera : Caushi Sigeas Johann
Huaraz Per 2011
-1-
FSICA III PRCTICA DE LABORATORIO N 01. TTULO: KIT PARA
EXPERIMENTOS ELECTROSTTICOSEXPERIMENTO N01:
PRODUCCIN DE CARGA ELCTRICA POR CONTACTO
I.
OBJETIVOS
1.1. Producir carga elctrica sobre una varilla de vidrio orgnico
por frotamiento. 1.2. Estudiar y mostrar los efectos que producen
los cuerpo cargados elctricamente (interaccin elctrica).II. MARCO
TERICO Y CONCEPTUAL
Consideremos un experimento simple en el que interviene la
atraccin elctrica. Una barra de plstico 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 plstico, frotada
tambin con piel, observamos que las barras se repelen entre s 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
plstico frotada con piel y una varilla de vidrio frotada con seda,
observamos que las barras se atraen entre s. Al frotar el plstico
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
plstico frotada con piel y los que se cargan como la varilla de
vidrio cuando se frota con seda. Benjamn Franklin (1706-1790)
sugiri que todo cuerpo posee una cantidad normal de electricidad y
cuando dos objetos se frotan entre s parte de la electricidad se
transfiere de un cuerpo hacia otro; as pues, uno tiene un exceso y
el otro un dficit de carga de valor igual. Al tipo de carga
adquirida por una barra de vidrio frotada con un pao de seda le
llam carga positiva, lo cual significaba que el pao de seda adquira
una carga negativa de igual magnitud. Por otro lado al tipo de
carga que apareca en el plstico al ser frotado con piel se le llam
carga negativa y la piel adquira 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 s, mientras que si transportan cargas opuestas se atraen
entre s.
-2-
Se sabe ahora que cuando el vidrio se frota con un pao de seda
se transfieren electrones del vidrio a la seda y por tanto, sta
adquiere un nmero en exceso de electrones y el vidrio queda con un
dficit de electrones, Segn la clasificacin de Franklin, que todava
tiene vigencia, la seda se carga negativamente, y el vidrio
positivamente. Ahora sabemos que la materia est formada por tomos
elctricamente neutros. Cada tomo posee un pequeo ncleo que contiene
protones cargados positivamente y neutrones sin carga y rodeando al
ncleo existe un nmero igual de electrones cargados negativamente.
El protn y el electrn son partculas muy distintas. As la masa del
protn es aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrn. Sin
embargo, sus cargas son exactamente iguales pero de signos
opuestos. La carga del protn es e y la del electrn es e, siendo e
la unidad fundamental de la carga. Todas las dems cargas se
presentan en cantidades enteras de la del electrn. Es decir, la
carga est cuantizada. Toda carga Q presente en la naturaleza puede
escribirse en la forma: Q=N.e Donde N es un nmero entero y/e es la
carga del electrn. Cuando dos cuerpos estn en ntimo contacto, como
ocurre al frotarles entre s, los electrones se transfieren de un
cuerpo a otro. Un objeto queda con un nmero en exceso de electrones
y se carga por tanto, negativamente y el otro queda con un dficit
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.
(1)
(a)
(b)
Fig. 1. a) Dos objetos con cargas de signo opuesto se atraen; b)
Dos cuerpos con cargas del mismo signo se repelen
-3-
En 1909, Robert Millkan (1886 - 1953), demostr que la carga
elctrica esta cuantizada, es decir, que siempre se presenta en la
naturaleza como un mltiplo entero de la unidad fundamental de la
carga elctrica del electrn /e/ = 1.60219 x 10-19 C. entonces
podemos escribir: q = Ne, donde n es un numero entero.
Los conductores son materiales en los cuales las cargas
elctricas se mueven libremente por todo su volumen, mientras que
los aisladores o malos conductores son aquellos en los cuales sus
cargas elctricas no se mueven con facilidad. Cuando estos
materiales son cargados por frotamiento, solo el rea que se frota
se carga y esta no se mueve en otras regiones del material. En
cambio cuando un conductor es cargado en una pequea regin, la carga
elctrica se distribuye sobre toda la superficie del conductor.III.
MATERIALES Y EQUIPOS
3.1.
Una varilla de vidrio orgnico.
3.2.
Dos varillas de plstico.
3.3.
Un trozo de seda.
-4-
3.4.
Una plataforma giratoria con soporte.
3.5.
Electroscopio
IV.
METODOLOGA
A. PRODUCCIN DE UNA CARGA POSITIVA Y NEGATIVA
a) b) c) d)
Limpiar las superficies de la varilla de vidrio y el
electroscopio Disponga el equipo como se muestra en la gua Acerque
la varilla sin frotar al electrodo del electroscopio Luego frote la
varilla con la tela de seda y acerque nuevamente la varilla de
vidrio al electrodo central
-5-
e) Registre sus observaciones. Para descargar el electroscopio
toque con un dedo el electrodo central f) Repita los pasos
anteriores con la varilla de plstico frotada con seda g) Repita los
pasos anteriores con la varilla de acrlico frotada con seda
B. DETERMINACIN DEL TIPO DE CARGA QUE Y TIENE UN CUERPO
a) Se toma como carga positiva aquella que aparece en el vidrio
cuando esta frotada con seda. Dicha carga ha sido transferida al
electroscopio quedando como se muestra en la gua. b) Se frota
vigorosamente la varilla de plstico con la lanilla y se acerca sin
tocar hacia la esfera del electrodo central. En caso de que las
lanillas del electroscopio se abriesen ms, la varilla de plstico
tendr la misma carga del electroscopio. En caso contrario la
varilla tendr signo contrario. c) Repita los pasos anteriores para
la varilla de acrlico.C. ATRACCIN Y/O REPULSIN ELCTRICA
a) Friccionar fuertemente la varilla de plstico a con la tela de
seda y luego colocarlo en la plataforma giratoria con soporte, como
se muestra en la Figura 3. ubicar su centro de gravedad y permitir
que gire libremente.
b) Friccionar la varilla de plstico con la tela de seda y luego
acercarlo a la varilla de plstico colocada en la plataforma
giratoria. Hacer girar la varilla A en varias vueltas. c) Friccione
fuertemente con la tela de seda a la varilla de vidrio (C), luego
acercarlo a la varilla A hacindola girar varias vueltas. Evite
tocar con la-6-
varilla de vidrio a la varilla de plstico mientras gira; sta
debe ser guiada por la varilla de vidrio. d) Repita el
procedimiento anterior combinando las varillas A, B y C.
V.
CLCULOS Y RESULTADOS
A. Produccin de una carga positiva y negativa 5.1. Al acercar la
varilla de vidrio sin frotar al electroscopio Qu ocurre con las
laminillas del electroscopio? Que implica esto? No ocurre nada,
pues el vidrio y el electroscopio forman un sistema de Qn=0. 5.2.
Al acercar la varilla de vidrio previamente frotada con seda al
electroscopio sin tocarlo. Qu ocurre con las laminillas del
electroscopio? Ha adquirido alguna propiedad la varilla de vidrio?
Hay una ligera separacin entre las laminillas, lo que nos da a
entender que la varilla de vidrio tiene una misma carga que la del
electroscopio 5.3. Qu sucede con las laminillas del electroscopio
cuando Ud. Toca la esfera central? En esta ocasin hay una separacin
en las laminillas ms visible pues no solo se acerco la varilla i no
que se topo. 5.4. Cules fueron sus observaciones con las varillas
de plstico y acrlica siguiendo los pasos anteriores?
-7-
-
Con la varilla de plstico la intensidad en cada observacin fue
diminuta comparada con la del vidrio Con la varilla de acrlico por
el contrario los resultados fueron ms intensos.
B. Determinacin del tipo de carga que y tiene un cuerpo 5.1.
Tomando como referencia la carga del vidrio cuando se frota con
seda Qu tipo de carga adquiere la varilla de vidrio? Carga positiva
Qu tipo de carga adquiere la varilla de acrlico? Carga negativa
5.2.
C. Atraccin y/o repulsin elctrica 5.1. Por qu al acercarse la
varilla B cargada a la varilla A, tambin cargada, sta es atrada?
Por qu gira la varilla A?
Al acercarse la varilla B a la Varilla A estas cargadas, por ser
del mismo material se cargan del mismo signo teniendo cargas
negativas, estas se repelan. La varilla A gira por que hay una
fuerza electrosttica de repulsin que el acercar la varilla B sta
gira. 5.2. Girara la varilla A descargada al acercrsele la varilla
B cargada? Por qu?
Claro la varilla A girara aunque est descargada porque la
varilla B al estar cargada y ser acercada a las cargas de A se
ordenan (por induccin) todos las cargas positivas se van al extremo
donde est cerca la varilla B y por lo tanto sta la atrae hacindola
girar. 5.3. Qu sucede si se toca la varilla A cargada con la
varilla B, tambin cargada? Explique el fenmeno.
Si ambas varillas estn cargadas y se tocan entonces si hay una
cierta diferencia de carga estas se transfieren cargas para
uniformalizar sus cargas por que las cargas se conservan por lo
tanto cada varilla mantendra su carga (negativa) y al acercarse
estos se repelen girando la varilla A. 5.4. Responda las preguntas
anteriores si usamos las varillas A y C.
Como la varilla de vidrio C al momento de ser frotada se carga
positivamente; y la varilla de plstico se carga negativamente,
entonces para los tres casos la varilla A atrae a la varilla C por
tener cargas opuestas en signo.
-8-
5.5.
Es posible cargar un alambre conductor? Si es posible describa
el mtodo.
Si es posible cargar un alambre conductor, y se realiza:
Frotamos una varilla de vidrio o plstico cualquiera con un pao de
seda de esta manera estamos cargando la varilla, para esto el
alambre conductor debe estar en la plataforma giratoria; luego
acercamos la varilla al alambre conductor sin tocarla y el alambre
quedar cargado por induccin. 5.6. Qu sucede cuando toca con la mano
la regin de la varilla cargada? Explique.
Cuando se toca una varilla cargada, con la mano, sta se descarga
instantneamente, ya que nuestro cuerpo hace las veces de un
conductor de electrones; y se transfiere espontneamente las cargas
para neutralizar la varilla. Si a una varilla cargada se le toca
esta varilla se neutraliza porque nosotros podemos donar electrones
o neutrones; por lo tanto; la varilla si necesita uno de ellos al
estar en contacto lo transferimos uno de ellos lo que necesite.VI.
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES
6.1.1. La fuerza de repulsin y atraccin se demuestran en estos
experimentos. 6.1.2. Un cuerpo que se encuentra descargado puede
ser cargado por induccin al acercrsele otro cargado, sin tocarse.
6.1.3. Se produjo una carga elctrica a la varilla de vidrio por
medio del frotamiento esto fue lo que hace a la varilla A. 6.1.4.
Se puede diferenciar las cargas de cada varilla por el frotamiento
de uno de ellos o de ambos donde la repulsin o la atraccin segn el
material estudiado.6.2. SUGERENCIAS
6.2.1. Recomendamos utilizar la varilla de vidrio con sumo
cuidado, adems de todos los materiales que se utilizaron a lo largo
del experimento. 6.2.2. Sugerimos frotar las varillas
correspondientes con la tela de seda o lanilla en un solo sentido
pues si no se corre el riesgo de no adquirir los resultados
esperados
-9-
EXPERIMENTO N02:
INDUCCIN ELECTROSTTICAI. OBJETIVOS 1.1. Verificar el fenmeno de
induccin electrosttica. 1.2. Describir y fundamentar las distintas
interacciones entre cuerpos
electrizados y no electrizados.II. MARCO TERICO Y CONCEPTUAL
Existe un mtodo simple y prctico de cargar un conductor
aprovechando el movimiento de los electrones libres en un metal.
Como se indica en la Fig.01 tenemos dos esferas metlicas sin cargar
en contacto. Al acercar a una de las esferas una barra cargada, los
electrones libres de una esfera fluyen de una esfera a la otra. Si
la barra est cargada positivamente, atrae a los electrones cargados
negativamente y la esfera ms prxima a la barra adquiere electrones
de la otra. La esfera ms prxima adquiere carga negativa y la ms
alejada carga positiva (Fig. 1a). Si las esferas se separan antes
de retirar la varilla (Fig. 1b), quedarn con cargas iguales y
opuestas (Fig. 1c). Un resultado semejante se obtiene con una barra
cargada negativamente, la cual hace que los electrones pasen de la
esfera ms prxima a la que est mas alejada. Este proceso se llama
induccin electrosttica o carga por induccin. Si un conductor
esfrico cargado se pone en contacto con una esfera idntica sin
carga, la carga de la primera esfera se distribuye por igual en
ambos conductores. Si ahora se separa las esferas entonces, cada
una de ellas quedar con la mitad del exceso de carga originalmente
en la primera esfera.
Fig.01. Carga por induccin. 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 La propia tierra constituye
un conductor que para muchos propsitos puede considerarse como
infinitamente grande. Cundo un conductor se pone en contacto con la
tierra se dice est conectado a tierra. Esto se representa
esquemticamente mediante un cable de conduccin que termina en unas
pequeas lneas horizontales como se indica en la Fig.02. Es posible
usar tierra para cargar un conductor por induccin. En la Fig.1a se
muestra una esfera
- 10 -
conductora descarada, en la fig. 2b se acerca una barra cargada
negativamente a una esfera conductora sin carga. Los electrones son
repelidos ubicndose 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
travs de hilo conductor hacia la tierra como se muestra en la Fig.
2c. La conexin a tierra se interrumpe antes de retirar la barra
para completar la carga por induccin (Fig. 2d). Retirando entonces
la barra, la esfera queda cargada positivamente (Fig. 2d).
Fig. 02 Electrizacin por induccin utilizando conexin a tierra.
(a) Esfera metlica inicialmente descargada; (b) acercamiento de la
barra inductora hacia la esfera para producir la polarizacin; (c)
Conexin de la esfera con la tierra mediante un hilo conductor (los
electrones viajan a tierra); (d) retiro de la conexin a tierra en
presencia del inductor, (e) Esfera conductora cargada
positivamente. Se ha demostrado experimentalmente que la carga
elctrica al ser depositada sobre un conductor se redistribuye
dirigindose a la superficie exterior del conductor. Esta carga
elctrica se concentra en mayor cantidad en las partes puntiagudas
del conductor cargado a tal punto que pueden escapar a travs de
ella, producindose una chispa elctrica.III. MATERIALES Y EQUIPOS
3.1. Una placa cuadrada de vidrio orgnico (22.0 x 22.0 cm ).2
3.2. Una placa de aluminio redondo con tornillo.
- 11 -
3.3. Un tubo pequeo de nen.
3.4. Una barra cilndrica de plstico (negro) con tuerca.
3.5. Tela de seda.
IV.
METODOLOGA
a) Entornillar el manubrio plstico a la placa circular de
aluminio. b) En primer lugar, frotar la superficie superior de la
torta de resina o de la lmina de aislante (acrlico) con una piel de
gato o conejo o con un tejido de lana, a fin de que la superficie
quede cargada negativamente por friccin (figura 03a). Evite el
contacto fsico de la zona frotada. c) Una vez que el aislante est
cargado, acerque el disco de aluminio sostenindolo por el mango
aislante (figura 03b) hacia la placa aislante (se recomienda hacer
contacto para que la electrizacin en la placa circular por induccin
sea ms efectiva). Puede colocarse firmemente el disco de metal
sobre la lmina aislante frotada d) Sostener con la otra mano, el
tubo de nen y ponerlo en contacto con la placa de aluminio (en caso
no disponga del tubo de nen, toque con el dedo la parte supero del
disco de aluminio). Se notar que el tubo de nen relampaguea
instantneamente debido al flujo de carga elctrica; ver Fig. 03c. e)
Separar el tubo de nen y posteriormente la placa de aluminio,
quedando est cargada positivamente como se muestra en la Fig. 03d.
f) Una vez separada la placa de aluminio, conecte con el tubo de
nen, ahora nuevamente el tubo de nen relampaguear, indicando que
existe nuevamente flujo de carga tal como se muestra en la Fig.
03e. g) Repetir el experimento (cuantas veces sea necesaria) para
verificar el proceso de induccin.
- 12 -
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
Fig. 03. Esquema de electrizacin por induccin h) Existe otra
forma como demostrar que la lmina de aluminio se carga. Al colocar
la placa metlica sobre la superficie cargada se induce carga de
signo contrario en la parte de la placa ms prxima a la superficie,
con carga del mismo signo en la parte superior. Si con la ayuda de
un conductor, la parte superior de la placa se descarga, queda una
carga neta sobre la placa de signo contrario al de la superficie.
Esta carga se puede transportar si la placa est dotada de un mango
aislante (vase la figura 04)
Fig. 04. (a) Cargando el electrforo de Volta (b) Mostrando que
la placa metlica est cargada
- 13 -
V.
CLCULOS Y RESULTADOS
5.1. Explique el proceso fsico por el cual se carga la placa
metlica circular de aluminio. Cuando frotamos la placa de vidrio
con seda existe un traslado de electrones del vidrio a la tela,
afirmando que la placa de vidrio est cargada positivamente; luego
al acercar la placa de aluminio circular a la placa, esta se carga
negativamente en la cara adjunta pues los electrones negativos de
la placa de aluminio son atradas por los electrones positivos
creados de la placa de vidrio. 5.2. Indique el tipo de carga que se
induce en la placa metlica en ambas caras y donde se debe ubicar
dicha carga. Qu sucedera si usted toca la placa metlica con su
mano? Explique. Cuando aceramos la placa metlica circular de
aluminio a la placa de vidrio orgnico (frotada y con carga
positiva), entonces la cara ms cercana al vidrio tendr un exceso de
electrones, mientras que la cara ms alejada de la placa de vidrio
obtendr un exceso de cargas positivas. Las cargas de la placa
circular de aluminio se encuentran distribuidas uniformemente en su
superficie. Al tocar la placa de aluminio con la mano, sta se
descarga, es decir que la placa de aluminio ganar electrones en su
superficie superior hasta que sea neutra. 5.3. Explique por qu
relampaguea el tubo de nen al ponerlo en contacto con la superficie
de la placa metlica. El tubo de nen relampaguean porque es estar en
contacto en la parte superior de la placa que se encuentran las
cargas positivas y nosotros que lo sostenemos del otro extremo
donamos cargas negativas el estar en contacto hay un flujo de
cargas distintas por los extremos, esto es lo hace relampaguear el
tubo de nen. Despus que las cargas del disco se a uniformizado
(cargas negativas) al ponerlo en contacto con el tubo de nen est le
dona sus cargas y el extremo como est en contacto con nosotros que
dona cargas positivas es por eso que relampaguea. 5.4. Cmo debe ser
la distribucin de carga en un conductor aislado puntiagudo? Al
cargar un conductor, la distribucin de la carga es en toda la
superficie del conductor, entonces habr mayor concentracin de
cargas positivas o negativas en las puntas del conductor.
- 14 -
VI.
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES 6.1.1.
6.1.2.
6.1.3.
6.1.4.
6.1.5. 6.1.6.
Se llego a comprobar el fenmeno de induccin porque despus de
frotar el vidrio se carga positivamente y el estar en contacto con
la placa de aluminio est queda inducido o sea sus molculas se
ordenan. Cuando los cuerpos son frotados por lana y/o seda ganan
electrones y el otro lo pierden cargas positivas y negativas
respectivamente. Las cargas de un objeto estn distribuidas
uniformemente en su superficie debido a las fuerzas repulsivas
entre las cargas de mismo signo. Cuando un objeto se carga por
induccin el signo del objeto que se utiliz para cargarlo es
opuesto, adems ste objeto no pierde su carga. Cuando se cargar un
objeto por induccin se transfieren cargas de forma indirecta. Un
aislante como el plstico se carga solo en el rea de
frotamiento.
6.2. SUGERENCIAS 6.2.1. 6.2.2.
Tocando el disco con un dedo se puede descargar una de sus caras
cargadas por induccin. Para comprobar que el disco est cargado,
basta acercarlo a un pndulo simple o a un electroscopio.
- 15 -
EXPERIMENTO N3:
LNEAS DE CAMPO ELCTRICOI. OBJETIVOS 1.1. Mostrar la configuracin
de las lneas de fuerza del campo elctrico de
un objeto cargado, dos objetivos con igual carga y dos objetos
con distintas carga.II. MARCO TERICO Y CONCEPTUAL
Experimentalmente se ha demostrado que existen dos tipos de
carga elctrica, una llamada carga positiva y la otra llamada carga
negativa. Asimismo se ha comprobado que cargas de igual signo se
repelen y cargas de distinto signo se atraen. El espacio que le
rodea a una carga elctrica se llama campo elctrico y este nos
permite medir los efectos que ejerce dicha carga sobre sus
alrededores. Un concepto muy til introducido por Michael Faraday
para visualizar la configuracin de un campo elctrico es el de lneas
de campo elctrico y lneas de fuerza. Es posible conseguir una
representacin grfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas
lneas de fuerza. Son lneas imaginarias que describen, si los
hubiere, los cambios en direccin de las fuerzas al pasar de un
punto a otro. En el caso del campo elctrico, puesto que tiene
magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las lneas
de fuerza o lneas de campo elctrico indican las trayectorias que
seguiran las partculas positivas si se las abandonase libremente a
la influencia de las fuerzas del campo. El campo elctrico ser un
vector tangente a la lnea de fuerza en cualquier punto considerado.
Una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas de fuerza
radiales, pues las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin
de la lnea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia
fuera porque las cargas mviles positivas se desplazaran en ese
sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una
carga puntual negativa el mapa de lneas de fuerza sera anlogo, pero
dirigidas hacia la carga central. Como consecuencia de lo anterior,
en el caso de los campos debidos a varias cargas las lneas de
fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las
negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales y las
segundas sumideros de lneas de fuerza. Las lneas de fuerza permiten
visualizar la distribucin del campo elctrico alrededor de una carga
o de una distribucin de carga.
- 16 -
Las lneas de fuerza del campo elctrico se dibujan teniendo en
cuenta los siguientes criterios: 1. Las lneas de fuerza salen de
las cargas positivas y entran a las cargas negativas. 2. El vector
campo elctrico E est dirigido a lo largo de la tangente a cualquier
punto de la lnea de fuerza. 3. Donde las lneas de fuerza estn ms
juntas, la intensidad del campo elctrico es ms intenso. 4. Las
lneas de fuerza de campo elctrico nunca se cruzan.
Para el caso de cargas puntuales, las lneas de fuerza son
radiales (Figura 1b). Para un radio r constante medido desde la
carga a un punto P, el campo elctrico ser constante. Para el caso
de un dipolo elctrico, sistema formado por dos cargas de igual
magnitud pero de signo contrario, las lneas de fuerza salen de las
cargas positiva y van a la carga negativa (Figura 2a). El mismo
nmero de lneas de fuerza que emerge de la carga positiva llega a la
negativa. En la Figura 2b, se muestra las lneas de fuerza de dos
cargas positivas de igual magnitud. Las lneas divergen al llegar al
eje de simetra, indicando la repulsin.
- 17 -
III.
MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. Dos plumeros electrostticos.
3.2. Una varilla de vidrio y un trozo de seda.
3.3. Cables de conexin.
3.4. Una mquina de Winshurst.
- 18 -
3.5. Un acelerador de Van de Graaff
IV.
METODOLOGA
Descripcin del equipo: Consiste en una barra aislante, dentro de
la cual se inserta la barra metlica, en cuyo extremo se fijan
mediante tuercas y tornillos, dos laminas metlicas redondas
montadas, las cuales presionan a muchos hilos de seda dejndolos
colgados.(Figura 3a)
a) Cargar la varilla de vidrio y luego tocar la barra metlica
del plumero electrosttico. Realizar este procedimiento varias
veces, hasta que los hilos se abran como se muestra en la Figura
3b. Anote lo que observa. b) Descargue el plumero tocndolo con la
mano. c) Cargar dos varillas, una de vidrio y otra de plstico, y
luego cargas a los plumeros electrostticos con distinta carga,
hasta que sus hilos se levanten en punta. (Figura 3c). Luego
acercarlos, pero evitando ponerlos en contacto. Anote lo que
observa. d) Repetir el paso anterior cargando los dos plumeros
electrostticos con igual carga (Figura 3b) e) Usando la mquina de
Wimshurt se puede tener un mejor resultado. En este caso, con un
alambre se conecta un electrodo de esta mquina al soporte metlico
del plumero; luego se le carga haciendo rotar el manubrio de la
mquina de Wimshurt.(Figura 4a) f) Para demostrar las lneas de
fuerza de los objetos con distinta carga, se colocan los dos
plumeros en una mesa ubicados a distancia de 10 a 15 cm, y se les
conecta mediante un alambre con los electrodos de la mquina de
Wimshurt. Observe el fenmeno. (Figura 4b)
- 19 -
g) Para demostrar las lneas de fuerza de dos objetos que tienen
la misma carga, se procede como en el paso anterior, salvo que los
dos plumeros se conectan a un solo electrodo de la mquina de
Wimshurt.
V.
CLCULOS Y RESULTADOS 5.1. Explique lo que sucede cuando toca con
la varilla cargada al plumero
electrosttico. Cuando acercamos le varilla de carga positiva o
negativa al plumero electrosttico de carga neutra, el plumero cede
electrones o protones para neutralizar la varilla, quedando el
plumero con la carga que tenia inicialmente la varilla.5.2. Por qu
toman la forma que usted ve las lumas al ser tocada la varilla
metlica del plumero con la varilla cargada? Explique. Toma esta
forma por que los hilos como son de un material que dona una de sus
cargas al ser frotada con un cuerpo cuando el plumero es cargado,
las cargas de los hilos se ordenan y por efecto de las fuerzas
electrostticas estas tiende a abrirse. Porque tienen el mismo signo
de carga y por tanto se repelen.5.3. Qu relacin cree usted que
guarda el ngulo de apertura de los hilos
de seda de la pluma con la cantidad de electricidad? En uno de
los postulados de Wimshurst el establece a relacin de A mayor
electricidad mayor ngulo de apertura, ese postulado nos explica la
relacin del ngulo en funcin de la electricidad ejercida.
- 20 -
5.4. Detalle lo que observ cuando en el procedimiento se utiliz
la mquina
de Wimshurt, sustentando correctamente su anlisis. Primero se
colocaron alambres conductores a los plumeros electrostticos y stos
se conectaron a los electrodos opuestos de la mquina de Wimshurst;
esto origin que se erizaran los hilos de los plumeros y se atraan
los hilos de signo diferente. Luego se colocaron los alambres
conductores a un mismo electrodo de la mquina de Wimshurst,
entonces se observ cmo se erizaban y se repelan ambos plumeros pues
tenan la misma carga.
5.5. Qu sucedera si se tocaran los hilos de los dos plumeros?
Explique
por qu. No pasara nada pues los hilos representan las lneas de
fuerzas que producen las cargas de los plumeros, pero estos no son
conductores de electricidad por lo tanto al estar el primer sistema
en equilibrio no pasara nada.
- 21 -
VI.
CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES 6.1.1.
6.1.2. 6.1.3. 6.1.4. 6.1.5.
Se ven las configuraciones de las lneas del campo elctrico
cuando estas se cargan los plumeros de igual carga y diferentes
cargas. La teora es ms fortalecida despus de la prctica ejecutada.
Que la mquina de Wimshurst es adecuada para la transmisin de cargas
para ser mejor observadas. Las lneas de fuerza salen de las cargas
positivas y se dirigen a las cargas negativas. Los plumeros
electrostticos son ejemplo de cmo se muestra el campo elctrico en
una carga.
6.2. SUGERENCIAS 6.2.1.
Cada vez que la varilla cargada tenga contacto con la varilla
metlica de la pluma, la varilla debe moverse y girar adelante y
atrs para permitir que su carga elctrica se transmita por completo
a la pluma.
- 22 -
EXPERIMENTO N4:
EL GENERADOR DE VAN DE GRAAFFI. OBJETIVOS
1.1. Utilizar el acelerador de Van de Graaff para producir
cargas elctricas 1.2. Conocer las partes y el funcionamiento de
este generador de cargas elctricasII. MARCO TERICO Y CONCEPTUAL
Es un aparato para almacenar carga elctrica en un conductor. Se
basa en la carga por frotamiento. El Generador de Van de Graaff es
una mquina electrosttica empleada en fsica nuclear para producir
tensiones muy elevadas. El generador fue desarrollado en 1931 por
el fsico estadounidense Robert Jemison Van de Graaff. Consiste en
un terminal de alta tensin formado por una esfera metlica hueca
montada en la parte superior de una columna aislante. Una correa
continua de material dielctrico, como algodn impregnado de caucho,
se mueve desde una polea situada en la base de la columna hasta
otra situada en el interior de sta. Mediante una tensin elctrica de
unos 50.000 voltios se emiten electrones desde un peine metlico de
pas afiladas, paralelo a la correa mvil. La correa transporta las
cargas hasta el interior de sta, donde son retiradas por otros
peines y llevadas a la superficie de la esfera. A medida que la
correa va recogiendo cargas y las transporta hasta la esfera, se
crea una diferencia de potencial de hasta 5 millones de voltios. El
generador Van de Graaff se usa para acelerar un haz de electrones,
protones o iones destinado a bombardear ncleos atmicos. Descripcin:
El generador es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una
correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de
cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por
la cinta. En la figura, se muestra un esquema del generador. Un
conductor metlico hueco A de forma aproximadamente esfrica, est
sostenido por soportes aislantes de plstico, atornillados en un pi
metlico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no
conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se
acciona mediante un motor elctrico.
- 23 -
Dos peines G y H estn hechos de hilos conductores muy finos,
estn situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los
peines estn muy prximas pero no tocan a la cinta. Si conectamos a
la esfera algo poco pesado, mechn de pelo, unos copos de cereales,
etctera), al adquirir carga del mismo signo estos cuerpos se
repelen y los pelos se ponen de punta, los copos salen volando.
Cuando un conductor cargado se coloca en contacto con el interior
de un conductor hueco, toda la carga del primer conductor se
transfiere al conductor hueco y su potencial, sin lmite, repitiendo
el proceso. En 1929 Robert J. Van de Graaff aplico este principio
para disear y construir un generador elctrico, el cual se utiliza
en las investigaciones de fsica nuclear. Las agujas del generador
normalmente ese mantienen en un potencial positivo de La carga
positiva se transfiere al electrodo alto voltaje por medio de un
segundo peine de agujas. Los generadores de Van Graaff pueden
producir diferencias de potencial tan altas como 20 millones de
voltios. El Generador de Van de Graff es un generador de corriente
constante, mientras que la batera es un generador de voltaje
constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los
aparatos que se conecten.III. MATERIALES Y EQUIPOS
3.1.
Un generador de Van de Graaff y Una esfera de descarga
- 24 -
3.2.
Un plumero electrosttico
3.3.
Un electroscopio
3.4.
Cables de conexin
IV.
METODOLOGA
a) Antes de la operacin, hay que limpiar, con tela suave y
limpia, las dos esferas, las ruedas, la correa y el tubo de
poligls. b) Se abre la mitad superior del casco y se ajusta el
tornillo para que la correa quede adecuada y las ruedas superior e
inferior paralelas. c) Se ajusta el colector superior para que se
acerque al mximo a la correa, sin tocarla. d) Se conecta el
colector con la bola de la descarga elctrica. Se conecta el
interruptor de colector con el colector debajo, al mismo tiempo,
coloque la tabla de alambre de tierra en el suelo. e) Se conecta el
interruptor de fuente elctrica del motor para arrancarlo. Si la
humedad del ambiente es alta, se enciende la lmpara secadora,
Cuando el
- 25 -
f) g)
h)
i)
aire hmedo es expelido del aparato, se apaga el motor y se
cierra la mitad superior de casco. Ahora el generador est listo
para la demostracin. Se conecta el circuito de tierra del motor
para arrancarlo y proteger contra la fuga de carga. En aquellos
lugares donde no existe corriente elctrica y la humedad relativa es
menor al 80%, se puede recurrir a la operacin manual, es decir
hacer girar la manivela en el sentido del reloj. Cuando comienza a
funcionar el generador, no debe tocar con las manos las bolas ni
las partes metlicas expuestas. Cuando deje de usar el generador,
debe hacer contacto las dos bolas para que se descarguen la
electricidad remanente, con la finalidad de que pase corriente a
travs del cuerpo humano (no hay peligro para la vida, porque la
corriente es muy pequea. Proceda a realizar las siguientes
experiencias 4.1.Electrizacin por contacto Acerque la bola de
descarga al casco del acelerador de Van de Graaff, como se muestra
en la figura 2a Al tocar la esfera de descarga al acelerador habr
sacado un poco de carga Acerque ahora la esfera de descarga hacia
el electroscopio. Toque la cabeza del electroscopio con la esfera
de descarga tal como se muestra en la Fig. 2b. Registre sus
observaciones
(a) (b) Fig. 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.Descarga de corona Con el generador apagado
instale la bola de prueba mediante un alambre conductor al polo
negativo del acelerador como se muestra en la figura 03.1.
- 26 -
Ponga en funcionamiento el generador y espere unos minutos hasta
que este se cargue Acerque con cuidado la esfera de prueba hacia la
cabeza del generador. Observa el arco voltaico?. Explique este
fenmeno.
Fig. 03.1 El equipo para visualizar la descarga corona 4.3.Campo
elctrico de un conductor cargado Tome por la base aislante el
plumero electrosttico. Acerque los hilos del plumero al casco, como
se muestra en a Fig. 3. Tome un solo hilo del plumero y desplcelo
alrededor del casco siguiendo circuitos paralelos al ecuador o
meridiano como se muestra en la Fig. 3-b, pero sin intentar
disminuir la distancia al casco, el hilo se mantiene a una
distancia constante. Registre sus observaciones. Acerque la esfera
del pndulo elctrico hacia el generador y observe la interaccin
entre ambos. Repita este paso para diferentes posiciones de la
esfera
Fig. 3. Diagrama para mostrar la simetra del campo elctrico.
- 27 -
Con el generador de Van de Graaff apagado y previamente
descargado, disponga de una placa de madera seca forrada en la
parte superior con cualquier plstico grueso y haga parar a un
compaero suyo sobre ella, haciendo que coloque sus manos sobre el
casco. Encienda el motor del generador, luego de cierto tiempo los
cabellos del alumno se levantarn como se muestra en la Fig. 4. (Los
cabellos del alumno deben estar recin lavados y secos). Luego de
esta experiencia retire las manos del casco. Acerque la lmpara de
nen al cuerpo del alumno sin tocarlo Deje pasar cierto tiempo hasta
que el cabello baje indicando que ya se ha descargado, entonces
recin hgalo bajar de la tabla. Proceda con cuidado y con calma!
(a) (b) Fig. 3. (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 4.4.Viento elctrico
Manteniendo el generador de Van de Graaff , instale un objeto
puntiagudo a la cabeza del acelerado con un alambre largo tal como
se muestra en la figura
- 28 -
Coloque una vela encendida cerca de la punta del objeto
puntiagudo Encienda el generador de van de Graff y deje que se
carga Moviendo la vela encendida alrededor de la punta del objeto,
sin tocarlo busque el lugar en donde se produce el viento elctrico.
Obtendra la misma experiencia si remplaza al generador d Van de
Graff por la mquina de Wimshurst, conectndolo un polo de dicha
mquina al objeto puntiagudo?
V.
CLCULOS Y RESULTADOS 5.1. Explique lo que sucede cuando la
esfera de descarga
es puesta en
contacto con el electrodo central del electroscopio. Se
transfieren los electrones del electrodo cargado hacia
electroscopio provocando en este la separacin entra las laminillas.
el
5.2. Al acercar el plumero electrosttico al generador de van de
graaff qu
sucede con los hilos de seda? Explique. Los hilos del plumero
adquieren una posicin final es decir se extienden hacia el espacio
en la direccin de las lneas de campo elctrico.5.3. Qu tipo de
simetra tiene el campo elctrico producido por el caso del
generador? Explique. Tiene una simetra esfrica. Si tomamos como
los ejes bidimensionales se observa que el campo elctrico en uno de
los ejes se cancela por simetra.5.4. Por qu los cabellos del alumno
se levantan?
Porque cada cabello tanto como todo el cuerpo se carga de
electrones del mismo signo y estas al llegar hacia los cabellos se
repelen haciendo que cada cabello se separe entre s.
- 29 -
5.5. Cuando Ud. Acerca la lmpara de nen al alumno Qu
observo?
Explique su respuesta. Una descarga elctrica pues la lmpara de
nen recibe todos los electrones distribuidos en el cuerpo del
alumno, este entre tanto regresa a su estado normal5.6. El radio
del casco esfrico es de 20 cm, determine Cunta carga
puede producir sin provocar la ruptura elctrica en el aire? La
carga mxima que puede producir el casco esfrico es de: 3x106C.5.7.
El electrodo conductor esfrico de un generador de Van de Graaff
est
cargado hasta un potencial de 0,18*106 v halle el radio mnimo
que debe tener el cascaron esfrico para que no ocurra la ruptura
dielctrica del aire. El radio mnimo que debe tener el cascaron
esfrico para que no ocurra la ruptura dielctrica del aire es de:
0.06.VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES 6.1.1.
Mediante el generador de van de graaff podemos producir
diferencias de potencia tan altas como 20 millones de voltios
6.2. SUGERENCIAS
6.2.1. Al momento en que la persona se encuentre tocando la bola
de Van de Graaff se debe de acercar la lmpara de nen al cuerpo de
la persona sin tocarlo, luego se debe dejar pasar cierto tiempo
hasta que el cabello baje indicando que ya se ha descargado;
entonces ya es posible hacer bajar a la persona de la tabla.
- 30 -
EXPERIMENTO N5:
LA JAULA DE FARADAYI. OBJETIVOS
1.1. 1.2.II.
Mostrar el blindaje electrosttico Determinar en donde reside la
carga elctrica en un conductor
MARCO TERICO Y CONCEPTUAL
El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagntico
en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el
efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el
conductor est sujeto a un campo electromagntico externo, se
polariza, de manera que queda cargado positivamente en la direccin
en que va el campo electromagntico, y cargado negativamente en el
sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este
genera un campo elctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido
al campo electromagntico, luego la suma de ambos campos dentro del
conductor ser igual a 0. El funcionamiento de la jaula de Faraday
se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio
electrosttico. Cuando la caja metlica se coloca en presencia de un
campo elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las
posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal
son libres, se mueven en sentido contrario al campo elctrico y,
aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la
caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso
de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin
electrones (carga positiva).
Cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se
distribuye sobre la superficie de manera que el campo elctrico es
el interior es cero. Para mostrar lo mencionado puede realizarse el
siguiente experimento. Introduzca. Una pequea bola metlica cargada
positivamente, la cual cuelga de un hilo de seda dentro de un
conductor hueco sin carga atreves de un pequeo orificio como se
indica en la gua. El conductor hueco 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.
- 31 -
Cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se
distribuye sobre la superficie de manera que el campo elctrico en
el interior es cero. Para mostrar lo mencionado puede realizarse el
siguiente experimento. Introduzca. Una pequea bola metlica cargada
positivamente, la cual cuelga de un hilo de seda dentro de un
conductor hueco sin carga a travs de un pequeo orificio como se ve
en la Fig.1a,. El conductor hueco est 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 deflexin del electrmetro. La
deflexin del electrmetro no cambia cuando la bola toca la
superficie interior del conductor hueco (Fig. 1c). Cuando la bola
se extrae la lectura del electrmetro 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 pequea bola metlica cargada en
el centro del conductor hueco cargado, la bola metlica no ser
atrada por el conductor hueco. Finalmente si la bola pequea cargada
se coloca fuera de la superficie exterior del cascarn, la bola ser
repelida por el conductor indicando que el campo fuera del
conductor hueco es diferente de cero. A este experimento se
denomina blindaje electrosttico. En nuestro experimento para
demostrar lo antes mencionado se utilizar la Jaula e Faraday
Fig. 1. Demostracin experimental que muestra que cualquier carga
transferida a un conductor reside en su superficie en equilibrio
electrosttico.III. MATERIALES Y EQUIPOS
3.1.
Dos plumeros electrostticos
- 32 -
3.2.
Una jaula de Faraday
3.3.
Una base con soporte para colocar la jaula de Faraday
3.4.
Una maquina de Wimshurt o un generador de Graaff
- 33 -
3.5.
Un electroscopio
IV.
METODOLOGA
4.1. Montar el equipo mostrado como se indica en la gua.
4.2. Con un alambre de conexin de cobre conecte la jaula de
Faraday con un electrodo de la mquina de Wimshurt. 4.3. Haga girar
la manivela para producir carga elctrica en la jaula. 4.4. Observe
lo que sucede a los plumeros exterior e interior a la jaula. Anote
sus observaciones. 4.5. Remplace la mquina de Wimshurt por el
acelerador de Van Graaff y con un alambre conductor conecte la
cabeza del acelerador con la jaula de Faraday 4.6. Haga funcionar
el acelerador y observe lo que sucede con los plumeros 4.7.
Desconecte el acelerador de la jaula, el plumero exterior retrelo
de su lugar 4.8. Acerque la jaula hacia el acelerador a una
distancia pequea 4.9. Encienda el acelerador y observe la descarga
corona que aparece
- 34 -
V.
CLCULOS Y RESULTADOS
5.1. Explique lo que le sucede a los plumeros cuando la jaula de
Faraday est conectado con la mquina de Wimshurt en funcionamiento.
No generas ningn campo pues la intensidad de carga que la mquina de
Wimshurt es encerada por la jaula de Faraday 5.2. Explique lo que
sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday est conectado con
el generador de Van de Graaff El plumero exterior reacciona con un
movimiento radial sobre su eje lo que es generado por el campo
inducido del generador de Van de Graaff.
5.3. Segn sus observaciones existe campo elctrico en el interior
de la jaula? existe campo elctrico en el exterior de la jaula de
Faraday? Justifique sus respuestas En el interior de la jaula no
existe campo pues como se observo el plumero ah residente no sufri
ningn campo electrosttico, permaneci esttico; mientras que se
observa que en la parte externa existe una fuerza de atraccin lo
que indica la existencia de un campo elctrico. 5.4. En donde reside
la carga en la jaula de Faraday?
El plumero que se encuentra en la parte interna de la Jaula de
Faraday se carga positivamente, ocasionado por el flujo de
corriente del generador de Van de Graaff, y el otro plumero que se
encuentra en la parte externa de la jaula, pero ambos plumeros
tratan de repelerse como tambin de atraerse pero en pequea
magnitud.
- 35 -
5.5. Si reemplazo el plumero exterior por un electrmetro Qu
observaciones tiene? Observamos que indica una intensidad de medida
que nos demuestra la medida del campo que atraviesa la jaula de
FaradayVI. CONCLUSIONES
6.1. La jaula de Faraday fue diseada con el propsito de
distribuir la cargo junto con el campo uniformemente sobre su
superficie, por que se llego a demostrar en el experimento 6.2. El
campo generado por la mquina de Wimshurt y el generador de Van de
Graaff es atrapado a travs de la jaula de Faraday.
VII.
BIBLIOGRAFIA 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. 7.8. 7.9.
BEATRIZ ALVARENCIA A. DIBENIO. Fsica General. Editorial Harla,
Mxico. FRANCIS W. SEERS. Fundamentos de Fsica, Edit. Aguilar S.A.
Espaa VII, edicin 1967. MAIZTEGUI Y JORGE A. SABATO. Fsica, edit.
Kapeluz, Buenos Aires, (1975). SINTES, F. Fsica General Aplicada,
Ed. Ramn Sopena 1983. WASTON, W. Curso de Fsica. Edit. Nacional
S.A. 1983. SEARS ZEMANSKY. Fsica General Edit. Prentice Hall, 1994.
DOUGLAS C. GIANCOLI. Fsica, Edit. Prentice Hall, Hispanoamericana
S.A. Mxico 1994. FRANK J. BLATT. Fundamentos de Fsica, Edit.
Prentice Hall, Hispanoamericana S.A. Mxico 1994. RAYMOND A. SERWAY.
Fsica, Edit. Mc Graw Hill. Mxico 1994.
- 36 -
7.10. W. EDWAR GETTYS, FREDERICK J. KELLER Y MALCOIM J.
SKOVE. Fsica Clsica y Moderna, Edit. Mc Graw hill, Espaa 1994. a
7.11. LANGLEBERT, J. Fsica, Edicin 63 . Bouret, Paris. 7.12.
http://es.wikipedia.org/wiki/Inducci%C3%B3n_electrost%C3%A1tica
- 37 -
