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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América) TEMA: CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS EL

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

TEMA: CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS

INTEGRANTES: VILLANUEVA CASAPIA, Astrid MECHATO DIAZ, David JIMENEZ MORALES, Jose

PROFESOR

:

Lic. Biviano Miramira Tipula

CURSO

:

Física III - Laboratorio

AÑO

:

2012

Lima, 16 de abril de 2012

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS

Laboratorio de Física III

ÍNDICE

I.

OBJETIVOS ............................................................................................................... 3

II. MATERIALES ............................................................................................................ 4 III. FUNDAMENTO TEÓRICO ......................................................................................... 5 IV. PROCEDIMIENTO ................................................................................................... 10 V. CUESTIONARIO ...................................................................................................... 13 VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS ........................................................................... 16

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I.

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OBJETIVOS

1.- Comprobar experimentalmente la existe de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. 2.- Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante los diversos procesos. 3.- Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos 4.- Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador Eléctrostatico- maquina de Winshurst y la máquina de Van de Graff.

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II.

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MATERIALES

 -Juego de equipos de electrostática u8491500 ( tablero de destello, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico con clavijero de 4mm soporte de depósito, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte de gancho para péndulo doble de bolitas de sauco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozos de medula de sauco, tablero de base en clavija y conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30mm 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). -Péndulos de tecnoport -Electroscopio -Barras de acetato y vinilita -Maquina de Wimshurst modelo U15310 -Maquina de Var de Graaff

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III.

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FUNDAMENTO TEÓRICO El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó que algunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los términos electricidad y carga eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fay, aunque fue Benjamin Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó (+) y (-). Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell. Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.

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GENERADOR ELECTROSTATICO; MAQUINA 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 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 micro amperes.

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GENERADOR ELECTROSTATICO; MAQUINA DE VAN DE GRAFF Van de Graaff 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 Graaff 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 Graaff 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 Graaff. 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).

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Funcionamiento del generador de Van de Graaff 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 del polea y la cinta están hechos 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 un 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

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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. Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes: Diámetro de la esfera conductora 21 cm Capacidad 15 pF Tensión máxima 150-200 kV Máxima corriente 6 mA

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IV.

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PROCEDIMIENTO

01. Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Winshurst y de Van De Graff. 02. Revise que todo este en perfectas condiciones cualquiera anomalía informe al profesor de turno MAQUINA DE WIMSHURST 03. Indique las partes de las maquinas electrostáticas 04. Gire lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45º, en relación con la barra de aislamiento. 05. Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado 06. Ahora encierre el interruptor, anote lo observado 07. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 5.6.7 se efectúa girando las manivelas del equipo 08. Determinar la polaridad de generador electrostático por medio d 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. 09. Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, indique la polaridad de las lámparas.

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10. Descargar de punta (figura 04) colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente y la carga y transmitir la carga, anote lo observado. 11. Péndulo doble; (figura 05) colocar un péndulo de bolitas de sauco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de esta anote lo observado. 12. Clavija de conexión en pantalla de seda;(figura 06) colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado. 13. Juego de campanas (figura 07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga lentamente la carga suministrada, anote lo observado 14. Tablero de destellos (0.8) colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado 15. Danza eléctrica (figura 09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre el bolitas de sauco de 5 a 8 unidades y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado. 16. Aparato fumívoro (figura 10) colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre este la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado. 17. Carril de rodamiento con bolas (figura 11) colocar sobre el soporte la placa de base y el carril de rodamiento de bolas al hacerlo, asegúrese de que los distanciadores de carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Colocar la bola limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga anote lo observado

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CUESTIONARIO

01. ¿Cómo puede UD determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Explique. Para comprender que cargas tiene los péndulos de tecnoport primero deberíamos saber a qué polo de la máquina de Wimshurst está conectado el péndulo. Sabemos que la máquina de Wimshurst puede cargar aleatoriamente (positivo o negativo) cualquiera de los brazos a los que está conectado a menos que haya un objeto (como el pelo) que genere una diferencia de carga que oriente que los brazos se carguen siempre con la misma carga; en todo los casos para saber cual es esta carga se debe acercar una carga de prueba (positiva) y si la repele es positiva por el contrario si la atrae es negativa. Una vez identificado a que brazo está conectado y con que carga está conectada el péndulo sabremos que carga tienen los péndulos ya que es la misma de los brazos por esta conectado. 02. En las experiencias efectuadas ¿cómo podría explicar el principio de superposición? Explique El principio de la superposición dice que la fuerza existente entre dos cargas no se modifica por la presencia de una tercera. En la presente experiencia se podría deducir que la fuerza existente entre las bolas cargadas no se alteraría al acercarse a estos una tercera carga presente en una barra de acetato o de vinilita. 03. ¿del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro? Sabemos de la experiencia que el tipo de carga adquirida por una barra de vidrio frotada con un paño de seda le llamó positiva, la cual significa que el paño de seda adquiere una carga negativa de igual magnitud, el plástico frotado con piel, adquiere carga negativa y la piel adquiere una carga positiva de igual magnitud. Como vimos en nuestro experimento, dos objetos que transportan el mismo tipo de carga, es decir dos objetos ambos positivos o negativos se repelen entre sí, mientras que si transportan cargas opuestas se atraen mutuamente, entonces sabemos que cuando el vidrio se frota con un paño de seda, se transfieren electrones del vidrio a la seda y por lo tanto, esta adquiere un número en exceso de electrones y en el vidrio queda un déficit de partículas. La materia está formada por átomos eléctricamente neutros. Cada átomo posee un pequeño núcleo que contiene protones dotados cada uno con una carga positiva y neutrones de carga nula. El número de protones en el núcleo es el número atómico.

04. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso Por frotamiento.- dos cuerpos eléctricamente neutros se ponen en contacto al ser frotando el uno con el otro. Resultando del frotamiento, las cargas pasan de un cuerpo a otro y los cuerpos se cargan de diferente signo. Por Inducción.- La presencia de una carga puntual Q cerca de una esfera de radio R descargada origina una distribución de cargas de tal forma que en una parte del cuerpo surge un exceso de cargas con signo negativo y en otra parte un exceso de cargas positivas.

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Por Contacto.- Los cuerpos conductores se ponen en contacto y se establece una transferencia de cargas entre los cuerpos cesando luego esta transferencia quedando los cuerpos con igual potencial eléctrico. 05. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente. El cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad por estar constituido por un buen porcentaje de agua, además contiene concentraciones de iones en el interior de las células del cuerpo. Cuando el pulso eléctrico llega al extremo de la célula, una sustancia (ACH), acetilcolina, es expulsada de las células de las vesículas donde se secretan y atraviesan el espacio libre entre las dos células (sinapsis). La otra célula absorbe esta sustancia y cambia la permeabilidad de su membrana causando una diferencia de potencial que se propaga como en la transmisión eléctrica en los nervios. El medio intracelular de las células nerviosas se caracteriza por estar cargado negativamente y poseer una gran riqueza de iones de potasio y una gran pobreza de iones de sodio, mientras que el medio extracelular es todo lo contrario. El impulso nervioso corresponde a la transmisión del potencial de reposo que se desplaza a lo largo de la membrana celular con una velocidad de 30 m/seg. La célula nerviosa pasa por dos fases: una pasiva, correspondiente al paso del impulso nervioso en el cual los iones de Na y P se desplazan en el sentido de su gradiente de concentración respectiva. Una segunda fase endotérmica, de restauración en la cual restablece su estado inicial expulsando con intercambio de los iones de K, los iones que han penetrado por difusión en la fase presente, es llamado de mecanismo de bomba de sodio. Otras de las grandes razones también, de que el cuerpo humano sea un gran conductor es que está formado por un porcentaje de agua y el agua es un buen conductor de la Electricidad. 06. Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que laminillas se cierran; y cuando se sique acercando, sin tocar la esfera de pronto las hojuelas se abre ¿qué tipo de carga tiene el electroscopio? Cuando la carga del objeto está lejos de la esfera del electroscopio no hay carga sobre esta; ni en las hojas flexibles de oro del electroscopio, estas cuelgan libremente. A medida de que la barra u objeto cargado se acerca a la esfera del electroscopio, puesto que estaba inicialmente en estado neutro, aparecen cargas desbalanceadas en el interior y de esta participan las hojas del electroscopio. Las hojas que al estar cargadas de la misma polaridad, se repelen entre sí, por lo tanto se alejan. En este objeto al hacer contacto, las cargas interiores se neutralizan mutuamente. Las cargas exteriores permanecen inalterables, entonces el electroscopio tiene carga neutra, es decir detiene momentáneamente la carga que se le acerca.

07. Qué función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente

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Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los 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. 08. Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor característico, investigué a que se debe, explique detalladamente Es el olor del ozono que se ha formado debido a que se experimenta con aire atmosférico, que se reduce un 1,5% después de 30 minutos. Como el volumen de los gases siempre se reduce, se deduce que durante las descargas eléctricas tenían lugar reacciones químicas. Tras aquellos experimentos percibió un olor característico, único y punzante, alrededor del generador; van Marum se refirió al mismo como «el olor de la materia eléctrica». Este olor era producto de la formación de ozono, siendo el primero en describirlo científicamente. 09. Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones El rodamiento de puntas sería muy útil como generador de energía, ya que la polaridad de sus puntas impulsan a que esta gire de forma continua. 10. Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graff Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS VI.

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CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

 Se comprobó la existencia de la carga eléctrica mediante los experimentos realizados.  Se pudo verificar la electrificación por diversos procesos como: frotación, inducción y contacto.  Se pudo interacción electrostática en la máquina de Wimshurts y la máquina de vandergraff mas notoriamente que en las demás experiencias.