Cargas Eléctricas y Cuerpos Electrizados

Experiencia Nº1

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

El equipo de electrostática U8491500 consta de un tablero de destellos, 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 con ganchos 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 de 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 aislado, con manguitos de soporte y conexión y luego de campanas.

Péndulos de tecnoport Electroscopio Barras de acetato y vinilito Máquina de Wimshurst Máquina de Van de Graaff

Paños de algodón, seda y lana Barras de acetato, vinilito y vidrio

Electroscopio Péndulo eléctrico

Maquina de wimshurst Generador de van de graff

III. FUNDAMENTO TEÓRICO:

Desde la antigüedad ya los griegos habían observado que cuando frotaban enérgicamente un trozo de ámbar, podía atraer objetos pequeños.

Posiblemente el primero en realizar una observación científica de ese fenómeno fue el sabio y matemático griego Thales de Mileto, allá por el año 600 A.C., cuando se percató que al frotar el ámbar se adherían a éste partículas del pasto seco, aunque no supo explicar la razón por la cual ocurría ese fenómeno.

No fue hasta 1660 que el médico y físico inglés William Gilbert, estudiando el efecto que se producía al frotar el ámbar con un paño, descubrió que el fenómeno de atracción se debía a la interacción que se ejercía entre dos cargas eléctricas estáticas o carente de movimiento de diferentes signos, es decir, una positiva (+) y la otra negativa (–). A ese fenómeno físico Gilbert lo llamó “electricidad”, por analogía con “elektron”, nombre que en griego significa ámbar.

En realidad lo que ocurre es que al frotar con un paño el ámbar, este último se electriza debido a que una parte de los electrones de los átomos que forman sus moléculas pasan a integrarse a los átomos del paño con el cual se frota. De esa forma los átomos del ámbar se convierten en iones positivos (o cationes), con defecto de electrones y los del paño en iones negativos (o aniones), con exceso de electrones.

Para que los átomos del cuerpo frotado puedan restablecer su equilibrio atómico, deben captar de nuevo los electrones perdidos. Para

Trozo de ámbar

A.- Montoncitos de papeles

A.- Trozo de ámbar y trozo de paño con las cargas eléctricas de sus átomos equilibradas.

B.- Trozo de .ámbar electrizado con carga estática positiva, después de haberlo frotado con el  paño. Los  electrones<del ámbar han pasado al paño, que con esa acción éste adquiere carga negativa.

eso es necesario que atraigan otros cuerpos u objetos que le cedan esos electrones. En electrostática, al igual que ocurre con los polos de un imán, las cargas de signo diferente se atraen y las del mismo signo se repelen.

A.- Montoncitos de papeles

GENERADOR ELECTROSTÁTICO:

a) 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).

Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de

ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso.

Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos

curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. No es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por eso algunas máquinas incorporan un trocito de piel que tiene un mínimo de carga de manera que la máquina arrancará siempre con la misma polaridad. Hay cuatro funciones iguales que se realizan, dos en cada disco. Se puede decir que tenemos cuatro electróforos, dos positivos y dos negativos. Al aproximarse las partes positivas y neutras de los discos producen el efecto de electróforo. La corriente estática se almacena en botellas de Leyden. 

b) MÁQUINA DE VAN DE GRAAFF:

Se define el Generador de Van der Graff como una maquina electrostática utilizada para originar grandes voltajes. Se fundamenta en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Robert Jamison Van der Graff fue el creador de este generador, construido en el año 1931.En cuanto a su constitución tiene un motor, una correa, dos rodillos uno superior (que gira libre arrastrado por la correa) y otro inferior (manejado por un motor conectado a su eje), dos peines metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire (el inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera), y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta. El funcionamiento de la maquina se basa en como adquiere la cinta la carga que lleva hasta el terminal esférico. Al principio se provee de electricidad a la superficie de la polea inferior, debido a que la superficie de la polea y la cinta están hechas de materiales distintos. 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. Suponiendo que se ha 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. 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 actúa en sentido contrario a la inferior. 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 haciaarriba 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 la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta cargaviene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

IV. PROCEDIMIENTO

ELECTRIZACION POR FROTAMIENTO

Cogimos la barrilla de vidrio y el pedazo de seda y lo frotamos

La Barrilla De Vidrio de cargo positivamente

Juntamos la barrilla de vidrio con una esfera de Tecnopor Neutro

El Tecnopor al entrar en contacto con la barrilla se cargó positivamente

Se acerca la esfera de tecnopor a La Máquina De Van Der Graaf

La esfera se acerca a La Máquina De Van Der Graaf, de ahí deducimos que la máquina está cargada positivamente.

ELECTRIZACION POR CONTACTO

1. La máquina de Wimshurst ha sido girada en sentido horario y los conductores transversales están en con un Angulo de 45 grados en relación con la barra de aislamiento.

2. Cuando el interruptor de aislamiento estuvo abierto, las manijas del electroscopio giraban en sentido anti horario con menor intensidad.

3. Cuando se cerraba el interruptor, las manijas del electroscopio giraban en sentido anti horario.

4. Uno de nuestros compañeros agarro el conductor transversal que debe formar 45 con la barra de aislamiento enseguida todos los compañeros fueron sujetándose la mano continuamente y el ultimo compañero cogió el conductor transversal opuesto; luego giramos la máquina y se formó un campo eléctrico. Debido a que todos los miembros de nuestro grupo había formado un circuito cerrado, la corriente eléctrico flujo por todos sin causar ningún daño y nadie salió lastimado.V. CUESTIONARIO

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, explique.Por medio de la inducción magnética cargamos con carga positiva e(+)O negativa e(-) 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.

2. En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.La influencia del campo producido por una carga aislada se puede generalizar al caso de un sistema formado por más de una carga y luego extenderse al estudio de un cuerpo cargado. Experimentalmente se verifica que las influencias de las cargas aisladas que constituyen un sistema son aditivas, o en otras palabras, se suman o superponen vectorialmente. Así, la intensidad de campo E en un punto cualquiera del espacio que rodea a varias cargas será la suma vectorial de las intensidades de los campos debidos a cada una de las cargas individualmente consideradas.

3. Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?Claro, cuando una varilla de vidrio es frotada con seda se transfiere electrones del vidrio a la seda debido a la conservación de la carga, cada electrón añade carga negativa a la seda ,y una cantidad igual de carga positiva queda atrás en la varilla y son de signos diferentes así si acercamos un cuerpo a la varilla de

vidrio ,el cuerpo quedara cargado positiva mente por perdida de electrones y en el caso contrario quedara cargado negativamente por ganancia de electrones .

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

1 ELECTRIZACIÓN POR FROTAMIENTOAl frotar un cuerpo fuertemente con un paño, este se carga positiva o negativamente dependiendo de su tendencia a perder o ganar electrones respectivamente. Por ejemplo al frotar una barra de vidrio, ésta se cargará positivamente.

2 ELECTRIZACIÓN POR CONTACTO Cuando un cuerpo cargado se pone en contacto con otro, la carga eléctrica se distribuye entre los dos y, de esta manera, los dos cuerpos quedan cargados con el mismo tipo de carga. 

La figura muestra un electroscopio. Al tocar con un cuerpo cargado la esfera superior, la carga penetra hasta las láminas, éstas al adquirir la misma carga se repelen y se separan. 

3 ELECTRIZACION POR INDUCCIONUn cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.

Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste.

En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamenteDecimos entonces q aparecen cargas eléctricas inducidas .entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por tanto lo atrae.

5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.Por todos los compuestos quimicos de los cuales estamos compuestos, incluyendo el agua, la sangre y los minerales dentro de ella. Ademas de las siempre constantes pulsos electricos de

nuestro sistema neurologico que esta presente en todo nuestro cuerpo.El cuerpo humano conduce electricidad porque el mismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad.De acuerdo con la electrofisiología ,ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estimulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

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?

Si entran en contacto la bola blanca adquirirá carga y ambos se repelerán por ser de cargas del mismo signo

Por influencia, la bola blanca empezará a ser atraída por la bola negra. (La bola blanca se polarizará)

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? Después del contacto las bolas se repelerían. La carga de la bola blanca, dependiendo del tamaño de la bola negra, será del mismo signo de la bola negra

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 tenemos q+ como en el caso anterior, las cargas inducidas de la bola blanca se localizan en los extremos, como la bola blanca es más pesada quela negra, ésta atraerá a la negra poniéndose en contacto, entonces la bola blanca cederá los electrones a la bola negra poniéndola en equilibrio, quedando la bola blanca cargada positivamente

9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

Graficamos el diagrama de cuerpo libre:

T:Tension

M:masa

G: gravedad

D:distancia(longitud de la cuerda)

α:el angúlo entre la ubicación inicial y final de las esferas

Sabemos:

Tcosα= m.g…………………………………………..(1) ∑ FY=0

Tsenα=F………………………………………………(2) ∑ F X=0

De la ecuación 1 y 2 tenemos:

F=m .g . tgα

Deacuerdo con la ley de Coulomb :

F= k . q2

L2

Reemplazando valores :d=0.30m ;L=0.16m; m=5x10−3Kg; g=9.87m/s2

q=√ Fx L2

K=√ m. g .tgα L2

K=√ 5 x10−3 x 9.87 xtg (3.823 ) x0.1 62

9 x109

q=9.65 x10−8C

10. 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?

Si el electroscopio está en estado neutro, entonces la manecilla estará junto a la varilla vertical.

Si se acerca un cuerpo electrizado a la esfera metálica P, cierta cantidad de la misma carga que la del cuerpo es repelida al interior observándose un movimiento de la manecilla

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

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitador. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material dieléctrico aislante entre las dos capas del condensador. El nombre de condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban esta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado como la botella de Leyden. Este es el principio por el cual, si un rayo cae por diferencia de potencial en

un avión, este no sufrirá en su interior ningún tipo de descarga ni alteración eléctrica.

12. Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.Tras aquellos experimentos se percibió un olor característico, único y punzante, 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. Es el olor a Ozono O3 (variedad alotrópica del Oxigeno O2), que se genera a partir de el, por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica.

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

En electrostática, el poder de las puntas está íntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue descubierto hace 200 años por Benjamin Franklin, al observar que 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 a que un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi llana 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. Valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobre pasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

14. Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.

Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen producción de rayos x, esterilización de alimentos y experimentos de física de particulares y física nuclear. Gracias al generador podemos hacer

experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza