GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA

Observar el funcionamiento del generador de Van de Graaff y observar el fenómeno de la inducción electrostática

A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico.

FUNDAMENTO TEORICO

La carga que hoy en día llamamos negativa, también podríamos haberla llamado positiva. El nombre fue un accidente histórico. No hay nada esencialmente negativo en la carga de un electrón (-e).

Los experimentos (los de electricidad por frotamiento) sirven para introducir el concepto de carga; pero la carga en si misma, no se crea durante este proceso, la carga total de dos cuerpos que se frotan, es la misma antes y después de la electrización (si el sistema total está aislado).

Además se observa, que cuerpos con cargas eléctricas de igual especie, se repelen, mientras que los que tienen de distinta clase, se atraen.

Hay dos propiedades de la carga eléctrica, esenciales en la estructura electrostática de la materia:

* La carga se conserva (en un sistema aislado).

* La carga esta cuantisada.

Desde el punto de vista macroscópico, entonces, la carga se refiere a la carga neta, o al exceso de carga, ya sea un exceso de electrones (negativa) o un exceso de protones (positiva) es un hecho experimental que la carga no puede crearse ni destruirse. La carga total de un sistema cerrado no puede cambiar, es decir, las cargas pueden reagruparse y combinarse, pero la carga neta se conserva.

Ley de Cuolomb:

Hacia finales del siglo XVIII, las técnicas de la ciencia experimental lograron suficiente perfeccionamiento como para hacer posibles observaciones refinadas de las fuerzas entre las cargas eléctricas. Los resultados de estas observaciones, que eran extremadamente controvertidas en aquella época pueden resumirse en tres principios:

1) Hay dos y solo dos clases de carga eléctrica, conocidas hasta ahora como, positiva y negativa.

2) Dos cargas puntuales ejercen entre si fuerzas que actúan a lo largo de la línea que las une y que son inversamente proporcionales al cuadrado de las distancias que las separa.

3) Estas fuerzas son también: proporcionales al producto de las

cargas, repulsivas para cargas iguales, y atractivas para cargas contrarias.

Los dos últimos principios, con el primero como preámbulo, se conocen como “la ley de Coulomb”, en honor a Charles Agustín Coulomb (1736-1806), quien fue uno de los principales estudiosos de la electricidad en el siglo XVIII.

En el sistema M.K.S. la ley de Coulomb para la fuerza entre dos cargas puntuales puede escribirse como se muestra en la ecuación:

Donde “ε0 ” se denomina permitividad del vacio

La ley de Coulomb se aplica a cargas puntuales.

La ecuación anterior es una ley experimental. Sin embargo, pruebas teóricas y experimentales indican que la ley del inverso de los cuadrados es exacta dentro de un rango.

Sin embargo en muchas aplicaciones las fuerzas son ejercidas por objetos cargados, como varillas, placas o sólidos, formando una distribución continua de carga.

Cada uno posee cierta longitud, superficie o volumen, según como consideremos cargas que se distribuyen, en una dirección (delgadas varillas cuya dq = λdx), dos direcciones (superficie bidimensional como un bastidor cuya dq = σdA elemento pequeño de la superficie dA) o tres dimensiones (volumen de un objeto tridimensional en don de la carga dq = ρdV). Expresamos dq en función del tamaño del elemento y de la densidad de carga, que describe como se distribuyen las cargas en la longitud, superficie o volumen del objeto.

El procedimiento con que se calcula la fuerza que este tipo de distribución ejerce sobre una carga puntual es:

Campo eléctrico:

Trataremos ahora de dar una idea intuitiva del campo eléctrico ( E) en algún punto del espacio.

Por lo visto hasta ahora sobre una partícula cargada q1, aparece una fuerza debido a la presencia de otra partícula cargada q2, ahora si sacáramos la carga q1 quedaría algo en ese punto del espacio, una magnitud; (que depende del punto del espacio al que hacemos referencia), a esta la llamaremos campo eléctrico y se la atribuiremos a la partícula que quedo q2; por consiguiente, a la expresión matemática del campo eléctrico es la dada por la ecuación

En la figura (2) y (3) se pueden ver las líneas de campo para dos cargas puntuales de igual magnitud.

Conductores y aisladores:

Hay ciertos cuerpos que conservan la carga eléctrica, mientras que otros la pierden rápidamente. El primero que advirtió la diferencia entre conductores y aisladores fue el ingles Gray, en 1729.

Los aisladores se denominan también dieléctricos.

Los conductores son sustancias como los metales que contienen esencialmente un gran número de portadores de carga libres. Estos portadores de carga (electrones en la mayoría de los casos) tienen la libertad de moverse por todo el material conductor.

Los dieléctricos son sustancias en las que todas las partículas cargadas, están ligadas muy fuertemente a las moléculas constituyentes. Las partículas cargadas pueden cambiar sus posiciones ligeramente como respuesta a un campo eléctrico, pero no se alejan de la vecindad de sus moléculas.

Acelerador Van De Graff:

En 1929, en la universidad de Princeton, Robert Van De Graff construyo el primer acelerador de este tipo basándose en un generador de diseño propio, un esquema de este se puede observar en la figura. La parte fundamental consta de una banda aislante que gira sobre dos poleas, una dentro del terminal de alto voltaje y la otra conectada a tierra. Por medio de una fuente de alto voltaje y unos peines de puntas se carga la banda con un efluvio de corona.

Estas cargas son llevadas mecánicamente por la banda al interior del terminal de alto voltaje, en donde son colectadas por otro peine de agujas conectado al terminal.

La carga llevada al terminal eleva el voltaje de este hasta que se alcanza un equilibrio

entre la corriente de la banda y la que baja por el tubo acelerador y la corriente de corona que se fuga del terminal y la columna.

Si por la banda sube más corriente de la necesaria, se produce una descarga entre el terminal y el tanque, o una descarga superficial a través de la columna aisladora que sostiene al terminal, la banda o el tubo acelerador.

El tubo acelerador está dividido en secciones por medio de anillos metálicos para producir un campo eléctrico casi uniforme desde el terminal hasta la base. De esta forma se reducen notablemente las descargas en el tubo acelerador y se produce un enfoque del haz en la parte superior que se mantiene durante la aceleración en el tubo.

En la esfera se acumulan cantidades extraordinariamente grandes de electricidad del signo que se desee.

Mediante la máquina electrostática de Van de Graaff se obtiene diferencias de potencial de unos 23 millones de voltios en pocos minutos de funcionamiento. Una partícula cargada que se mueve entre esa diferencia de potencial V adquirida al final de sus trayectoria una energía q V si es un protón su energía es la mitad, por ser mitad su carga.

MATERIALES UTILIZADOS

Generador de Van de Graaff

Cables de conexión banana/banana

Electrodos

Molinete electrostático

Aceite de ricino

Semillas de césped

Tiras de papel ceda

Bolitas de plastoformo

Cinta adhesiva

EXPERIENCIA

El generador electrostático tipo Van de Graaff, tiene capacidad para 240 KV, su esfera removible tiene 20 cm de diámetro y dispone de conexiones para puesta a tierra. El soporte está confeccionado en acrílico, posee una articulación donde se conecta con la base y mide 45 cm de altura. La correa de caucho tiene 6 cm de ancho y se mueve sobre 4 poleas las cuales son accionadas por un motor eléctrico de 1/8 de HP funcionando en 110 o 220 V según la red de la energía local. La rotación del motor es controlada por un circuito electrónico. Todo el conjunto está fijado a una base metálica.

REALIZACION

Primeramente antes de realizar los experimentos calibramos el rozamiento de la cinta de fricción del aparato de van de graff para que este pueda generar una carga eléctrica optima

Para el primer experimento pegamos las tiras de papel ceda en la esfera con la cinta adhesiva, lo que se pudo apreciar es que la esfera se cargó con electricidad y las tiras se empezaron a elevar, después acercando la mano a la esfera las tiras de papel ceda se acercaron a la mano moviéndose de su lugar establecido.

Para el segundo experimento en el cual con nuestras manos acercamos las bolitas de plastoformo al interior de la esfera y estas se dispararon hacia arriba y luego fueron a caer al suelo.

Para el tercer experimento se colocó el soporte del molinillo y encima del soporte se puso el molinete, la energía electrostática de la esfera iso que este empezará a girar.

Para el cuarto experimento se armó el recipiente con los electrodos y aceite de resino para ver el comportamiento de las líneas de campo, al energizar los electrodos con cables de conexión desde el generador de van de graff se denotaron la líneas de campo eléctrico al ordenarse las semillas de césped que estaban dentro del recipiente con aceite de resino.

CONCLUCIONES

Con la práctica de laboratorio se pudo ver el funcionamiento del generador de van de graff el cual por fricción genera energía electrostática la cual como se vio puede generar suficiente energía para elevar y repeler la ceda, mover un molinete y para ver el comportamiento de las líneas de campo energizando electrodos diferentes mostrando formaciones diferentes de las semillas de césped.

RECOMENDACIONES

Las recomendaciones de la práctica son:

realizar el laboratorio en un día que no sea lluvioso porque la humedad no dejara cargar al generador de van de graff.

No tocar el generador con las manos mojadas porque podría darnos una descarga

Al realizar la vista del comportamiento de líneas de campo no colocar muchas semillas de césped porque estas se estorbaran

CUESTIONARIO

1. Las cargas eléctricas A y B se atraen entre sí. Las cargas eléctricas B y C se repelen una a otra .Se mantienen juntas A y C que ocurre

como A y B se atraen entre si A es + y B es – entonces C seria – entonces A y C se atraerían entre si ya que A es + y C es -

2. Las cargas eléctricas A y B se repelen entre sí. Las cargas B y C se repelen una a otra. Si mantienen juntas A y C que ocurre

A y C no se atraen más bien se repelen entre si ya que todas las cargas son +

3. Si un objeto hecho de la sustancia A frota a otro hecho de la sustancia B, A adquiere carga positiva, y B carga negativa. Pero si un objeto hecho de la sustancia A se frota contra otro hecho de la sustancia C, A adquiere carga negativa. ¿Qué sucederá si un objeto hecho de la sustancia B se frota contra otro hecho de la sustancia C?

El objeto de sustancia B tendrá carga – y el objeto de sustancia C tendrá carga +

4. Una varilla con carga positiva es mantenida cerca de una bola colgada de un hilo aislante. La vemos oscilar hacia la varilla. ¿Qué conclusiones podemos sacar?

Ya que la bola oscila hacia la varilla se entiende que uno tiene carga + y el otro carga – por lo que se atraen entre si

5. Los objetos A, B y C son tres conductores esféricos idénticos y aislados. Originalmente A y B tiene carga de 3 mC en tanto que C tiene una carga de -6 mC. Se deja que los objetos A y

C se toquen y luego se los separa. Después se deja que los objetos B y C se toquen y se los separa.

a) Si se sostienen los objetos A y B cerca uno de otro, justifique.

b) Si, en cambio, se sostienen los objetos A y C cerca uno de otro justifique.

6. Si caminamos rápidamente por una alfombra, sentimos a menudo una chispa al tocar la manija de una puerta. ¿A qué se debe esto? ¿Cómo se puede evitar?

Se debe a la fricción que se produce al contacto entre el zapato y la alfombra se genera una carga que recorre todo el cuerpo y como la manija es de metal es un buen conductor la carga se traslada a la manija generando dicha chispa. Un método para evitar esto es poner una chincheta atravesando la zapatilla punta hacia abajo esto genera lo que se conoce en la electricidad como tierra y resuelve el problema.

7. Porque en los experimentos electrostáticos no se obtiene buenos resultados en días húmedos

Esto se debe a que en los días húmedos la humedad absorbe una parte de la carga eléctrica

8. ¿Por qué se recomienda tocar el marco metálico de la computadora personal antes de instalar accesorios internos?

es recomendable porque uno tiene electricidad electroestática y al tocar el marco metálico esta electricidad se descarga y así no daña los accesorios que se desea instalar

9. Según el teorema de Earnshaw, ninguna partícula puede permanecer en equilibrio estable exclusivamente bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Suponga, sin embargo, que el punto P se halla en el centro de un cuadrado de cuatro cargas positivas iguales. Si coloca allí una carga positiva de prueba, podría dar la impresión de hallarse en equilibrio estable. Las cuatro cargas externas la impulsan hacia P y aun así se cumple el teorema de Earnshaw. Puede explicar porque

10. Un campo eléctrico es un campo conservativo? Justifique su respuesta. Si el campo eléctrico es un campo conservativo porque cualquier función vectorial

que sea el gradiente de una función escalar que dependa solo de la posición, es conservativa. Es decir, la integral de línea de esa función vectorial sobre una curva cerrada siempre es 0. El campo eléctrico es un ejemplo de función que se obtiene de aplicar el gradiente a otra función escalar llamada potencial definida en cada punto del espacio.

11. Indicar los campos eléctricos generados en la naturaleza.

Los campos eléctricos ambientales existentes, que pueden ser detectados por aparatos de alta sensibilidad. Los hay naturales y artificiales. Los naturales pueden ser las tormentas eléctricas, los generados por el campo magnético terrestre, etc... los artificiales los generados por cualquier aparato eléctrico o electrónico existente.Estamos rodeados y atravesados por ondas electromagnéticas de distinto orígenes; sea ondas de radio, TV, celulares, fluorescentes, motores eléctricos, etc. También, las naturales como el campo magnético terrestre, las tormentas eléctricas.Los campos eléctricos producidos en el agua corporal por movimientos vibratorios, sonidos.

12. ¿Cuál es la función del aceite en la práctica de líneas de fuerza? Explique. Son experimentos de electrostática por lo tanto se deben realizar sin que se

verifique pasaje de corriente. Para ello se debe usar un medio muy aislante, que permita la presencia del campo eléctrico en su interior, sin producir el pasaje de corriente eléctrica. Algunos aceites son ideales para conservar el campo eléctrico en las condiciones que te indiqué, en especial el aceite de ricino que es el más usado.

13. Indicar los tipos de errores cometidos en la realización de la práctica.

14. Define electrostática. La Electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos

producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado.

15. ¿Qué establece la ley general de las cargas? La Ley de cargas establece que las cargas de igual signo se repelen, mientras que

las de diferente signo se atraen; es decir que las fuerzas electrostáticas entre cargas de igual signo (por ejemplo dos cargas positivas) son de repulsión, mientras que las fuerzas electrostáticas entre cargas de signos opuestos (una carga positiva y otra negativa), son de atracción.

16. ¿Cómo puede cargar un cuerpo positivamente y negativamente? Los cuerpos se cargan positivamente ó negativamente dependiendo de si en la

reacción química pierden o ganan electrones.17. ¿Cuáles son los métodos utilizados para electrizar los cuerpos?

Hay varias formas de electrizar un cuerpo pero las principales son:Electrización por Contacto: Se puede cargar un cuerpo con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga +

Electrización por Frotamiento: Al Frotar 2 cuerpos eléctricamente neutros ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.

Electrización Por Inducción: Un cuerpo cargado eléctricamente, puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro. Como resultado de está relación, la redistribución de cargas se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a este. 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 otros negativamente.

18. ¿Qué es un material conductor y aislador de electricidad? Se llama material conductor al material que permite el paso de las cargas

eléctricas. Son conductores todos los metales, las aleaciones, el carbón, entre los sólidos; y entre los líquidos, las soluciones ácidas (agua y ácido) y las soluciones básicas (agua e hidróxido).Los aisladores eléctricos son materiales que presentan cierta dificultad al paso de la electricidad y al movimiento de cargas. Tienen mayor dificultad para ceder o aceptar electrones. En una u otra medida todo material conduce la electricidad, pero los aisladores lo hacen con mucha mayor dificultad que los elementos conductores.

19. Define la Ley de Coulomb.

La ley de Coulomb puede expresarse como:

La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario.

20. ¿En qué proporción varía la fuerza que existe entre dos cargas eléctricas, si la distancia que existía entre ella aumentara al doble?

21. ¿Cómo se llama a la región del espacio que rodea una carga eléctrica?

Esta región del espacio se llama campo electrico

22. ¿Qué dirección presentan las líneas de campo eléctrico en una carga negativa?

Para una carga puntual negativa, las líneas están dirigidas radialmente hacia adentro

23. Define Diferencia de Potencial.

El Diferencial de Potencial es la diferencia de voltaje entre dos puntos, equivalente al trabajo que se necesita para transferir una unidad de carga desde un punto de referencia a otro determinado.

24. ¿Qué sucede con la intensidad del campo eléctrico generado por una carga eléctrica, a medida que nos vamos alejando de la carga?

25. ¿Cómo se define el flujo de electrones que pasan a través de un conductor en un tiempo determinado?

Se denomina corriente eléctrica, ya que es un flujo de cargas (y como lo electrones son los únicos que se mueven) entonces es un flujo de electrones.

26. ¿Qué es una batería?

Una batería es un dispositivo electroquímico el cual almacena energía en forma química. Cuando se conecta a un circuito eléctrico, la energía química se transforma en energía eléctrica. Todas las baterías son similares en su construcción y están compuestas por un número de celdas electroquímicas.

27. Menciona las unidades que se utilizan para: las cargas, corrientes y voltajes eléctricos.

Culombio (C, unidad de carga eléctrica). Intensidad de la Corriente = AMPERIOS. Voltaje o diferencia de potencial, se mide en VOLTIOS.

UNIVERSIDAD AUTONOMA JUAN MISAEL SARACHOFacultad de Ciencias integradas de Villa Montes

INGENIERIA PETROQUIMICA NOMBRES: o JORGE LUIS FERNANDEZ ZARATEo JORGE ALBERTO QUIROGA FIGUEREDOo JHON LEONARD ARENAS ANAGUAo DANIA GUDIÑO SANDOVALo LIZ ALBORNOZo FRESIA FERNANDA YANINA MOLINA

MATERIA: LABORATORIO DE FISICA IIIDOCENTE: ING. FERNANDO ROCAVADOFECHA DE PRESENTACIÓN: 05/06/2014

VILLA MONTES-TARIJA-BOLIVIA2014