LABORATORIO DE FISICA III

Experiencia: N°1

Tema:

ELECTROSTÁTICA

Integrantes:

Pablo Sebastián Montoya Pesantes 09140165

Carlos Enrique Falcón Zapata 11190231

Cristhian F. Fernández Tafur 07200048

Jorge Armando Quispe Buitrón

I. OBJETIVO

1. Comprobar experimentalmente la resistencia 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 electrostática-

maquina de Wimshurst y la Maquina de Van der Graaf.

5. Conocer aplicaciones de la maquina de Van Der Graaf.

II. MATERIALES

III. FUNDAMENTO TEORICO

CONCEPTOS GENERALES DE LA ELECTROSTATICA

1. ELECTRIZACIÓN Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado. La electrización por frotamiento permitió, a través de unas cuantas experiencias fundamentales y de una interpretación de las mismas cada vez más completa, sentar las bases de lo que se entiende por electrostática.

Si una barra de ámbar (de caucho o de plástico) se frota con un paño de lana, se electriza. Lo mismo sucede si una varilla de vidrio se frota con un paño de seda. Aun cuando ambas varillas pueden atraer objetos ligeros, como hilos o trocitos de papel, la propiedad eléctrica adquirida por frotamiento no es equivalente en ambos casos. Así, puede observarse que dos barras de ámbar electrizadas se repelen entre sí, y lo mismo sucede en el caso de que ambas sean de vidrio. Sin embargo, la barra de ámbar es capaz de atraer a la de vidrio y viceversa.

Este tipo de experiencias llevaron a W. Gilbert (1544-1603) a distinguir, por primera vez, entre la electricidad que adquiere el vidrio y la que adquiere el ámbar. Posteriormente Franklin al tratar de explicar los fenómenos eléctricos consideró la electricidad como un fluido sutil, llamó a la electricidad «vítrea» de Gilbert electricidad positiva (+) y a la «resinosa» electricidad negativa ( -). Las experiencias de electrización pusieron de manifiesto que:

“Cargas eléctricas de distinto signo se atraen y cargas eléctricas de igual signo se repelen. ”

Una experiencia sencilla sirvió de apoyo a Franklin para avanzar en la descripción de la carga eléctrica como propiedad de la materia. Cuando se frota la barra de vidrio con el paño de seda, se observa que tanto una como otra se electrizan ejerciendo por separado fuerzas de diferente signo sobre un tercer cuerpo cargado. Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la barra con el paño de seda, no se aprecia fuerza alguna sobre el cuerpo anterior. Ello indica que a pesar de estar electrizadas sus partes, el conjunto paño-barra se comporta como si no lo estuviera, manteniendo una neutralidad eléctrica.

Este fenómeno fue interpretado por Franklin introduciendo el principio de conservación de la carga, según el cual cuando un cuerpo es electrizado por otro, la cantidad de electricidad que recibe uno de los cuerpos es igual a la que cede el otro, pero en conjunto no hay producción neta de carga. En términos de cargas positivas y negativas ello significa que los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente próximo al neutro.

2. LA NATURALEZA ELÉCTRICA DE LA MATERIA

La teoría atómica moderna explica el por qué de los fenómenos de electrización y hace de la carga eléctrica una propiedad fundamental de la materia en todas sus formas. Un átomo de cualquier

sustancia está constituido, en esencia, por una región central o núcleo y una envoltura externa formada por electrones.

El núcleo está formado por dos tipos de partículas, los protones, dotados de carga eléctrica positiva, y los neutrones, sin carga eléctrica aunque con una masa semejante a la del protón. Tanto unos como otros se hallan unidos entre sí por efecto de unas fuerzas mucho más intensas que las de la repulsión electrostática -las fuerzas nucleares- formando un todo compacto. Su carga total es positiva debido a la presencia de los protones.

Los electrones son partículas mucho más ligeras que los protones y tienen carga eléctrica negativa. La carga de un electrón es igual en magnitud, aunque de signo contrario, a la de un protón. Las fuerzas eléctricas atractivas que experimentan los electrones respecto del n úcleo hacen que éstos se muevan en torno a él en una situación que podría ser comparada, en una primera aproximación, a la de los planetas girando en torno al Sol por efecto, en este caso de la atracción gravitatoria. El número de electrones en un átomo es igual al de protones de su núcleo correspondiente, de ahí que en conjunto y a pesar de estar formado por partículas con carga, el átomo completo resulte eléctricamente neutro.

Aunque los electrones se encuentran ligados al núcleo por fuerzas de naturale za eléctrica, en algunos tipos de átomos les resulta sencillo liberarse de ellas. Cuando un electrón logra escapar de dicha influencia, el átomo correspondiente pierde la neutralidad eléctrica y se convierte en un Ion positivo, al poseer un número de protones superior al de electrones. Lo contrario sucede cuando un electrón adicional es incorporado a un átomo neutro. Entonces el Ion formado es negativo.

3. ELECTRICIDAD

La palabra Electricidad deriva de "electrón" que quiere decir "ámbar". Es un agente natural que se manifiesta por atracciones y repulsiones de masa cargadas de electrones o masas deficitarias de electrones.

4. ELECTROSTATICA

Es la parte de la Física que estudia a las cargas eléctricas en reposo (masa de electrones ganada o cedida). Aproximadamente 6 siglos antes de Cristo vivió Thales, nacido en la ciudad de Mileto (antigua ciudad de Asia Menor con puerto en el mar Egeo. Fue sede de la escuela filosófica de Jonia, Grecia). Según la historia científica, parece que fue Thales quien descubrió que frotando una barra de AMBAR con un paño, atraía objetos muy livianos como pedazos de papel o plumas. Posteriormente, a este fenómeno se le llamo Electricidad, derivado de "electrón", que en griego quiere decir ámbar.

5. CARGA ELÉCTRICA

Se llama carga eléctrica a la masa de electricidad ganada o perdida por un cuerpo cualquiera; por eso hay dos clases de electricidad.

6. ELECTRICIDAD POSITIVA O VITREA

Es la que aparece en una barra de vidrio al ser frotada por una tela de seda, debido a que los electrones de los átomos superficiales del vidrio han pasado a la tela de seda y la barra de vidrio

ha quedado deficitaria en electrones, por consiguiente, cargada de protones o con electricidad positiva.

7. ELECTRICIDAD NEGATIVA O RESINOSA

Es la que aparece en una barra de resina (o plástico) cuando se frota con una tela o lana, debido a que los electrones debido a que los electrones de la lana han pasado a la re sina; la lana se ha quedado deficitaria de electrones y la barra de resina ha quedado cargada de electrones o con electricidad negativa.

LEYES DE LA ELECTROSTÁTICA

A. Primera ley de la electrostática

“Los cuerpos con cargas diferentes se atraen, cuerpos con cargas iguales se repelen".

B. Segunda ley de la electrostática (LEY DE COULOMB)

“La fuerza de atracción o repulsión en la línea que une los centros entre dos cargas electrostáticas, es directamente proporcional al producto de su masa e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa sus centros".

GENERADORES ELECTROSTATICOS

MAQUINA DE VAN DER GRAAF

El generador de Van der Graaf El generador de Van der Graaf (máquina electrostática), fue

ideada por Robert J. Van der Graaf en 1929, con el fin de generar voltajes elevados para

experimentos en Física Nuclear, aunque la idea base de la máquina, puede ser originaria

alrededor de los años 1800. El generador de Van der Graaf clásico, consiste en un cinturón

aislante, motorizado, que transporta carga a un terminal hueco, dentro del terminal, la carga es

recolectada por un peine metálico que se aproxima al cinturón y transferida a la superficie

exterior mediante contactos. Las cargas, en el dispositivo original, se transfieren al cinturón

aislante, mediante un dispositivo electrónico de alto voltaje en continua. La máquina original era

doble, con dos terminales cargados de signo opuesto. El sistema de excitación puede construirse

de muchas formas diferentes, la original, usando un excitador electrónico, es la más adecuada.

PARTES:

FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAF

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior 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 de nsidad 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.

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 MÁQUINA DE WIMSHURST

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880

y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con

dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano

vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una

distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan

cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Montaje experimental histórico, para generación

de alta tensión continua, no peligrosa, para

numerosos experimentos sobre electrostática.

Accionamiento mediante manivela y correa,

distancia entre chispas regulable, dos

condensadores de alta tensión (botellas de

Leyden).

Diámetro: 310 mm

Distancia de chispas: máx. 120 mm

Dimensiones: aprox. 360x250x400 mm³

Peso: aprox. 3,4 kg.

FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE WIMSHURST

En la máquina de Wimshurst, las hojas metálicas actúan como objeto cargado en parte del ciclo y como objetos de carga inducida en otra parte del ciclo. Se observará, sin embargo, que el proceso de carga inductiva, requiere que exista con anterioridad un objeto cargado. Si admitimos que la máquina arranca en su movimiento, con ausencia total de carga, ¿cómo se produce el fenómeno? El problema es similar al de la cuchilla de afeitar apoyada en equilibrio sobre su filo; en teoría, la cuchilla no debería caer al estar perfectamente equilibrada y no existir una dirección privilegiada de caída en el espacio. Sin embargo cae, debido simplemente a que es imposible equilibrar la cuchilla de forma perfecta. En el caso de la máquina de Wimshurst, el arranque y la construcción de carga, se producen simplemente porque en principio, la máquina no es perfectamente neutra. Por supuesto, no es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos (la hoja de afeitar puede caer en cualquier dirección). Por esa razón, algunas máquinas de Wimshurst incorporan un trocito de piel, que ofrece un mínimo de carga en algún punto, de forma que la máquina arrancará con la misma polaridad cada vez. Una vez la máquina arranca, hay cuatro funciones idénticas realizándose, dos en cada disco. En realidad, se trata de cuatro electrophorus, dos positivos y dos negativos.

El efecto de aproximación entre las secciones positivas y neutras de los discos en rotación, realiza el efecto de inducción del electrophorus, y los cepillos de carga de los brazos aislados, recogen la carga positiva para llevarla al terminal.

IV. CUESTIONARIO 1.

12. Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico,

investigue a que se debe.

Cuando se producen las chispas el oxígeno de aire (𝑂2) los enlaces entre estas dos moléculas

cercanas a las chispas se destruyen, y si encuentran a una molécula de 02 , entonces tras la

reacción química de O y 𝑂2 se obtendría 𝑂3 , desprendiendo un olor a acre y a grandes

concentraciones de ozono este toma un color azulado oscuro.

Por lo tanto en el uso del generador electrostático como no se trabajó durante mucho tiempo

y no se concentró, por ende no pudimos observar el color no obstante si percibimos el olor a

acre.

La reacción que se muestra aquí es parecida a la que se hizo en el laboratorio, solo que en

lugar de radiación UV lo reemplazamos por chispas eléctricas.

13. Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones.

El poder de las puntas se refiere que cuando a un cuerpo que posee una punta o varias, y se

encuentra cargado eléctricamente (no importa con que signo); entonces esta se distribuye por

todo la superficie, y como sabemos que la densidad de carga es carga sobre volumen.

Entonces tendremos que en las partes con menor volumen se tendrá mayor densidad de

carga.

Como en las puntas se concentra mucha carga, entonces se crea un intenso campo.

En la figura que la punta se carga positivamente y que al entrar en contacto con el aire los

iones positivos son repelidos y los negativos son atraídos.

En el caso del experimento en laboratorio hecho con la máquina de Wimshurst como se

muestra en la figura:

En el experimento las dos varillas están cargadas de signos

contrarios al establecerlos cerca crean un campo eléctrico por

donde trata de fluir la corriente y por eso se establecen chispas

en el intermedio de la separación de las dos puntas.

Y en el caso de las aplicaciones este concepto es muy importante para la construcción de un

pararrayos.

14. 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 máquina electrostática empleada en física nuclear para producir tensiones muy elevadas. La correa transporta las cargas hasta el interior de ésta, 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, debido a tal funcionamiento e l generador Van de Graaf se usa para acelerar un haz de electrones, protones o iones destinado a bombardear núcleos atómicos.

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 del alto voltaje.

Pruebas experimentales de materiales aisladores industriales para aplicaciones en

transmisión de energía a altos voltajes.