Práctica N° 1 Laboratorio de física II

Cargas eléctricas y cuerpos electrizados

I.- Introducción

En esta oportunidad veremos cómo interactúan los diferentes cuerpos con sus respectivas cargas eléctricas las cuales en un momento se pueden encontrar neutrales y en la interacción se puede encontrara cargadas positivamente como negativamente

La 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.

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II.- Procedimiento

01.- Identifique las partes de las máquinas electrostáticas

MÁQUINA DE WIMSHURST

PARTES DEL GENERADOR ELECTROSTÁTICO:

(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 emplea dos escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento.

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02.- Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

Se escuchan chispas de baja intensidad porque el circuito está abierto

03.- Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

Sucede lo mismo que el punto 03, ahora con la diferencia de que trabajamos en un medio seco con esto la chispa que resulta del uso de la máquina de wimshurst es más intensa.

04.- Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 2, 3 y 4 se efectúan girando las manivelas del equipo.

- Con el interruptor abierto: se genera rayos muy finos, menos intensidad

- Con el interruptor cerrado: se produce un rayo (como una luz) bien intenso

05.- Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio. Este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

Frotamos el tubo de seda y se carga negativamente y luego se pasa la carga al electroscopio y este se acerca a la máquina de wimshurst y se muestra la carga que contiene cada electrodo (aunque no es necesario saberlo)

06.- Descarga de punta (figura -04); colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado.

El molinete empieza a girar a causa del campo eléctrico generado por las cargas eléctricas que se transmiten por la cadena desde la máquina de wimshurst

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07.- 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.

El cabello formado por la seda empieza a abrirse como si estuviera flotando por el aire, esto sucede porque por la cadena que conectamos se transporta toda la carga generada por la máquina de wimshurst.

Esto hace que la carga interactué con el medio y genere un campo electico es por eso que el cabello empieza a levantarse

08.- Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

Al conectar las dos cadenas con el juego de campana, nos daremos cuenta que las cargas son trasmitidas desde la máquina de wimshurst por las cadenas cada una cargada de diferente manera, la de arriba puede estar cargada negativamente y la de abajo positivamente.

Al tener cada campana diferentes cargas estas empiezan hacer trabajar al péndulo con un efecto de vaivén

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09.- Tablero de destellos; (figura -08) 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.

En el tablero de destello se genera un circuito pero no conduce electricidad sino que se ioniza las moléculas dieléctricas por la diferencia de potencial eléctrico de las láminas.

10.- Danza eléctrica; (figura -09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado.

Hay un conductor en ambos lados y genera un campo eléctrico lo cual hace que cada bolita de saúco salte esto porque adquieren una carga y luego en el aire toman la otra carga del conductor y se repelan y vuelven a caer

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PÉNDULO ELÉCTRICO.

1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración 5. Anote lo observado.

No sucede nada, no hay ningún tipo de efecto porque todos se mantienen con la carga neutra y por lo tanto no generarían ningún campo eléctrico.

2. Frote la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de vinilito. Anote sus observaciones.

- Con la barra de acetato, se genera más carga en la punta por la poca área que esta tiene, la barra de acetato genera una atracción muy intensa la cual genera un mayor campo eléctrico

- Con la barra de vinilito la atracción es débil entre dicha barra y la esfera de tecnoport

3. Ponga frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación frote la barra de vinilito con el paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2. Anote sus observaciones.

Al momento de colocar la barra de vinilito hace que las esferas de tecnoport se acerquen, luego al momento de retirar la barra hace que estas dos esferas se rechacen muy rápido esto debido a que cuando estaban en contacto con la barra crearon un campo eléctrico de la misma carga y al verse juntas estas se rechacen

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III.- CUESTIONARIO

1.- ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, Explique.

Dentro de la experiencia aprendimos que cuando electrizamos un cuerpo, ya sea por frotación, por inducción o por contacto, este bien gana o pierde electrones; por consecuencia, el cuerpo obtiene carga positiva o negativa, ahora al acercarse el cuerpo a las esferas de tecnoport notamos que estas son atraídas al cuerpo. Sabemos por teoría que cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen entonces podemos decir que si el cuerpo tiene carga positiva las esferas tendrán carga negativa; y si el cuerpo tiene carga negativa las esferas tendrán carga positiva.

2.- En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.

El principio de superposición es un resultado matemático que permite descomponer un problema lineal en dos o más sub problemas más sencillos, de tal manera que el problema original se obtiene como "superposición" o "suma" de estos sub problemas más sencillos. Se hacomprobado también experimentalmente que las fuerzas eléctricas secomportan en forma aditiva, es decir; la fuerza eléctrica sobre una carga q, debida a un conjunto de cargas es igual a la suma de las fuerzas, que que cada carga, ejerce separadamente sobre la carga q

3.- Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

Se cargará en el área en el cual se transmitirá la carga sobre un material aislante o dieléctrico, ya que no tiene electrones libres.

4.- 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.

5.- ¿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.

6.- En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r. ¿Qué sucederá?

La bola 1 y la bola 2 se atraen, estableciéndose una transferencia de cargas debido a la diferencia de potencial entre la superficie de ambos cuerpos conductores, el flujo de cargas

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cesa cuando las superficies de ambos cuerpos tienen el mismo potencial eléctrico

7.- Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada ¿Qué es lo que se observará? ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Se observaría que la bola 1 y la bola 2 establecen entre sí una transferencia de cargas. Luego la sumatoria de cargas iniciales es igual a la sumatoria de cargas finales; siendo Q la carga de la bola 2 entonces:Q = Q' + q, donde Q' es la nueva carga de la bola negra y q es la carga de la bola blanca.

8.- Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

Si la esfera 1 tuviera el doble de radio que la esfera 2, esta tendría más superficie, es decir la fuerza de atracción seria mayor que la fuerza producida por la carga del cuerpo neutro como es la otra esfera , formaría el desplazamiento angular, un ángulo de q grados.

9.- Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?

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.

10.- Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.

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La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa esta por la capa que cubre la botella.La misma botella actúa como un material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. En la máquina de Wimshurst la carga que se acumula en los conductores y en las botellas de Leyden para que en el momento propicio se produzca la ruptura en forma de arco voltaico

 11.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

Durante las descargas eléctricas tienen lugar reacciones químicas que producen un color característico único y punzante, alrededor del generador; Van Marum se refirió al mismo como “el color de la materia eléctrica”. Es el color del Ozono (O3) variedad alotrópica del Oxigeno (O2) que se genera a partir de él, por efecto de las chispas.La cual también se percibe cuando hay una tormenta eléctrica

12.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones

El poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. 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. Actualmente se sabe que esto se produce debido que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana 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. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor. Las puntas son un sistema idóneo para dejar libre paso de cargas de un medio a otro utilizándose como pararrayos, ya que a través de la punta de dicho pararrayos se produce la descarga aire-tierra.

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13.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaf.

Entre las aplicaciones de este instrumento:

El generador de Van de Graaf es una maquina electrostática empleada en fisca nuclear para producir tensiones muy elevadas

La generación de rayos X mediante grandes cantidades de energía Esterilización de materiales y alimentos por el método de acelerar electrones En espectáculos para demostrar algunos efectos de alto voltaje Pruebas experimentales de materiales aisladores industriales para aplicaciones en

transmisión de energía a altos voltajes

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IV.- CONCLUSIONES

Existen cuerpos que pueden cargarse positivamente y otros que pueden cargarse negativamente.

Los cuerpos al encontrarse en diferente cantidad de carga tienden a equilibrar su carga.

Materiales como el vidrio y la lana se carga de una forma positiva.

Materiales como la resina y la seda se carga de una forma negativa.

La fuerza de atracción entre cargas depende también del radio de las esferas.

La electricidad estática es quizá la forma de electricidad mas antigua conocida por el hombre.

El electroscopio al quedarse cargado (al poner el dedo en la esfera, luego sacar la varilla y retirar el dedo) se quedara cargado indefinidamente. Solo se descargará dependiendo de las características del medio ambiente. Un medio Seco, le permitirá conservar su carga, mientras que un medio húmedo logrará descargarlo en algún tiempo.

Algunos materiales son mas difíciles de cargar (Vidrio) debido a su naturaleza fría. (Los elementos que se calientan mas rápidamente son los que se cargan mas rápidamente).

La electricidad estática al acumularse y entrar en contacto con el agua se manifiesta en forma de chispas.

Los rayos que se presencian en una tormenta es la manifestación de cargas eléctricas que se descargan por un medio húmedo.

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