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EXPERIENCIA N°1: CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS

I.    

OBJETIVOS

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades fundamentales de la materia llamada carga eléctrica. Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas. Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos. Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador electrostático-máquina de Wimshurst y la máquina de Van de Graaff.

II.

MATERIALES

  

Máquina de Wimshurst Máquina de Var de Graff Juego de equipos de electrostática: tablero de destellos, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de sauco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cubierta con electrodos de punta y juego de campanas. Péndulos de tecnoport. Electroscopio Barras de acetato y vinilita

  

MAQUINA DE VAN DER GRAFF

MAQUINA DE WIMSHURST PÉNDULO ELECTRICO

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO

CARGA ELÉCTRICA:

Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La denominada interacción electromagnética entre carga y campo eléctrico es una de las cuatro interacciones fundamentales de la física. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad que posee una partícula para intercambiar fotones. Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Qi=Qf La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se los ha podido observar libres en la naturaleza.

HISTORIA : Se atribuye a Thales de Mileto (640 –548 A. C.) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. William Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no sólo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina, el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Otras formas de electrización son: por contacto y por inducción. Aplicó el término eléctrica para la fuerza que ejercen estas sustancias después de ser frotadas. Fue el primero en utilizar términos como “energía eléctrica”, “atracción eléctrica” y “polo magnético”. Quizá su aportación más importante fue la demostración experimental de la naturaleza magnética de la Tierra. También se observa la existencia de una cierta carga eléctrica que es la causante de las atracciones, o también las repulsiones que se producen. Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los del tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominados cargas positivas y cargas negativas. A un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tienen igual número de cargas de ambos tipos.

1.

GENERADOR ELECTROSTÁTICO (MAQUINA DE WIMSHURST)

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst. Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí. Descripción y datos técnicos: El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente y con escasa distancia entre sí. El accionamiento de los discos se realiza independientemente el uno del otro, por medio de correas de accionamiento, a través de poleas y una manivela. Una correase desplaza de manera cruzada, por lo cual los discos giran en sentido opuesto. Lacara externa de los discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado un conductor transversal, girable, con dos pinceles de metal, que frotan las hojas de estaño. Para la toma de corriente se emplean dos escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La distancia entre las escobillas y los discos es regulable y debe ser de algunos milímetros. Éstas se encuentran conectadas con las barras de electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas.    

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

Funcionamiento: La teoría de esta máquina es algo compleja, consistiendo lo fundamental en que al girar por el manubrio los discos en sentido opuesto el uno del otro, el roce de los sectores con las escobillas produce por inducción en éstas una carga inicial a expensas de la cual, y por inducción, se electrizan los discos con electricidad de nombre contrario en las dos mitades de cada disco, y en cada sector del uno y el correspondiente del otro: de este modo mantenidas las cargas contrarias en cada sector y su opuesto, que marchan en sentido inverso, al pasar por los peines atrae, para su neutralización, la electricidad de nombre contrario, y los conductores quedan así cargados, el uno con electricidad positiva y el otro con negativa, con lo cual se recoge el fluido de signos contrarios encada peine colector, pasando a las escobillas, entre las que se hace saltar la chispa en la descarga.

El generador de Van de Graff Van de Graff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador de Van de Graff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación,

al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday).

Funcionamiento del generador de Van de Graff Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico. En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la polea y la cinta están hechas de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario. Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera una carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura. Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta. Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo.

La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica). Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco. Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

IV.

PROCEDIMIENTO

A-1. MÁQUINA DE WIMSHURST 1. Identificamos las partes de las maquinas electrostáticas 2. Giramos lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y, por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45º, en relación con la barra de aislamiento. 3. Mantuvimos el interruptor de aislamiento abierto y anotamos lo observado.  Al mantener el interruptor abierto y girar la manivela en sentido horario podemos apreciar que se produce una descarga de chispas por la palanca de acoplamiento. 4. Ahora cerramos el interruptor y anotamos lo observado  De igual manera al mantener el interruptor cerrado se aprecia una descarga de chispas. 5. Conectamos las botellas de Leyden y anotamos lo observado. Los pasos observados5, 6 y 7 se efectúan girando las manecillas del equipo. 6. Determinamos la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio, este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga. 7. Ahora acercamos una lámpara de fluorescente y anotamos lo observado, identificando la polaridad de las lámparas.

 No se realizó este paso por falta de materiales. 8. Descarga de punta; colocamos la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectando la fuente descarga y transmitimos la carga, anotamos lo observado.  Se observa que las agujas empiezan a girar en sentido anti horario. 9. Péndulo doble; colocamos un péndulo de bolitas de sauco en soporte con gancho, conectándolo a la fuente de carga y transmitiendo una carga a través de esta, anotando lo observado.  Se observa que las bolitas de sauco empiezan a alejarse entre sí, es decir se repelen.

10. Clavija de conexión en pantalla de seda; colocamos la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectándolo a las fuentes de carga y acrecentando lentamente la carga aplicada, anotamos lo observado.  No se realizó este paso por falta de materiales. 11. Juego de campanas; colocamos sobre el juego de campanas, conectamos la fuente de carga y aumentamos lentamente la carga suministrada, anotamos lo observado.  Se observa que los péndulos se repelen y durante una fracción de segundo se pegan a las campanas y generan electricidad en contacto. 12. Tablero de destellos; colocamos el tablero de destellos en el soporte, conectamos las fuentes de carga y aumentamos lentamente el volumen de la carga suministrada, anotando lo observado.  Se observa que el tablero presenta destellos de luz. Estos destellos son bastante pequeños pero se presentan en todo el tablero. 13. Danza eléctrica; colocamos el tablero de base sobre el soporte, colocando sobre las bolitas de sauco de 5 a 8 unidades y pusimos encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida, conectando la fuente de carga y aumentamos lentamente la cantidad de carga suministrada, anotando lo observado.  No se realizó este paso por falta de materiales. 14. Aparato fumívoro; colocamos el tablero de base sobre el soporte, invirtiendo sobre este la cubierta con electrodos de punta y conectamos la fuente de carga. Hacemos penetraren la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anotamos lo observado.  No se realizó este paso por falta de materiales. 15. Carril de rodamiento con bolas; Colocamos sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, nos aseguramos de que la distancia de carril de rodamiento con bolas no caiga hacia un lado. Colocamos la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera

que entre en contacto con el canto del electrodo superior. Conectamos la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anotamos lo observado.  No se realizó este paso por falta de materiales.

B. PÉNDULO ELÉCTRICO

1. Acercamos cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico, muestra la ilustración.  Se observa que las bolitas de tecnoport se repelen con la barra de vinilito.

2. Frotamos la barra de acetato con el paño de seda, luego la acercamos a la esfera de tecnoport. Repetimos la operación frotando la barra de vinilito. Anotamos lo observado.  Cuando frotamos la barra de acetato y la acercamos a las esferas de tecnoport, no hubo reacción alguna. Todo lo contrario sucedió con la barra de vinilito, que género atracción. 3. Pusimos frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación frotamos la barra de vinilito con el paño de lana, luego tocamos la esfera 1 y a la esfera 2. Anotamos lo observado.  Se observa que las bolitas de tecnoport se atraen con la barra. Pero entre ellas se repelen, después de sacar la barra.

4. Frotamos nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño de lana y tocamos la esfera 1 con la barra de acetato y a la esfera 2 con la barra de vinilito. Anotamos lo observado.  Con respecto a la esfera 1, no se obtuvo ninguna reacción.  Y en la esfera 2 se observó una fuerza de atracción.

5. Asignamos el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los paso 3y 4.  Carga 1 (Cuando las esferas se repelen, tienen carga positiva, es decir la misma carga.)  Carga 2 (Cuando se atraen tienen carga negativa, es decir diferentes cargas.)

6. Frotamos nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego la acercamos a la esfera 1 y esfera 2. Anotamos las observaciones.

 Se observa que no hubo atracción.

7. Frotamos nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego la acercamos a la esfera 1 y esfera 2. Anotamos las observaciones.  Se observa que se atraen.

8. Acercamos sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acercamos sin tocar, la barra de vinilito a la esfera 2. Anotamos las observaciones.  Se observa que las esferas se juntan a la barra, es decir existe atracción.

9. La ilustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo esta electrizado o no lo está. Acercamos la barra de acetato previamente frotada con el paño de seda a la esfera metálica del electroscopio. Anotamos las observaciones.  Se observa que no pasa chispa en el electroscopio.

10. Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, colocamos un dedo de su mano sobre la esfera. Anotamos lo observado.  Se observa que no pasa chispa en el electroscopio, porque la carga se va al cuerpo y a la tierra. 11. Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retiramos el dedo que se había colocado sobre ella. Anotamos lo observado.  Se observa que cuando se retira el dedo hay chispa.

12. Retiramos la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anotamos lo observado.  Se observa que cuando acerco y retiro el dedo hay chispa, es decir no hay ninguna reacción.

13. Repetimos los pasos 7, 8,9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.    

Se observa que hay reacción. Se observa que hay reacción. Se observa que la barra está cargada. Se observa que hay reacción

V.

CUESTIONARIO

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Por medio de la inducción magnética, cargando con carga positiva(σ+) o negativa(σ-) a la de la esfera de tecnoport. Lo acercamos lentamente a la máquina de van de Graff cargada negativamente y observamos si se atrae o repele. CARGA DE TECNOPORT Atrae el tecnoport

Positiva(σ+)

Repele el tecnoport

Negativa(σ-)

2. En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique. Sabemos que le principio de superposición es una herramienta matemática que permite descomponer un problema (que es difícil de comprender si se ve en todo el sistema) en dos o más sub problemas simples (fáciles de abstraer).De este modo usando los sub problemas se comprende el original, esto es, la suma o superposición de los sub problemas es equivalente al problema original. En los experimentos realizados se puede usar el principio de superposición en la comprensión de los fenómenos observados por ejemplo: Evaluar que carga tiene cada bola de acero, a qué distanciase encuentran, en qué sentido gira la máquina de Wimshurst si esta tiene un objeto que hace que las cargas se orienten siempre al mismo sentido, que tanto afecta la humedad en la máquina de Wimshurst, si la máquina de Wimshurst está conectada a otro objeto del experimento, porque se atraerían o repelerían, etc. Es decir al analizar cada parte del sistema comprenderíamos el sistema y su funcionamiento completo. 3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro? Si, para comprender que cargas se trasladan de un cuerpo a otro primero se debería haber probado que tipo de carga posee el cuerpo, esto se puede lograr acercando una carga de prueba (de carga positiva y que sea puntual) sise repela entonces el cuerpo posee carga positiva mientras si es atraída el cuerpo está cargada negativamente. Luego de haberlas identificado podemos deducir que tipo de cargas se trasladan, estas cargas son flujo de

electrones que irán del cuerpo que está cargado negativamente (con exceso de electrones) al cuerpo que está cargado positivamente (con déficit de electrones), una vez concluida este proceso los cuerpos se neutralizaran.

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso. Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes: a) Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado encontacto con un conductor se puede dar una t ransferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó. b) Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

c) Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente aún conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro). d) Carga por el Efecto fotoeléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética. e) Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua. f)

Carga por Efecto termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

VI.

VII.

BIBLIOGRAFÍA

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http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica

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FÍSICA GENERAL Ing. Juan Goñi Galarza LIMA - PERU

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FÍSICA GENERAL Adisson Wesley Longman Boulevard de las cataratas N3México 01900, DF.

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FÍSICA GENERAL Sears ZemanskyYoung Freedman Volumen II.

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Fundamentos de Electromagnetismo Cheng Finney Volumen I Paris–Francia