FACULTAD DE CIENCIAS FISICAS

DPTO. DE FISICA INTERDISCIPLINARIA

TEMA :

CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIFICADOS

CURSO :

FISICA III

PROFESOR :

Víctor Barinotto

GRUPO :

Martes de 10 AM - 12 AM

INTEGRANTES:

Ciudad Universitaria 14 de Septiembre de 2010

CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIFICADOS

EXPERIENCIA Nº01

I. OBJETIVOS

Comprobar experimentalmente la existencia de la propiedad de la materia llamada carga eléctrica.

Experimentar con la electrificación de cuerpos mediante los diversos procesos.

Verificar la interacción de cuerpo de carga de igual signo y de signos opuestos.

Conocer el funcionamiento de los principios físicos de un generador electrostático-máquina de Wimshurst y la máquina de Van de Graff.

II. MATERIALES

Máquina de Wimshurst modelo U15310. Máquina de Van de Graff. Juego de equipos electrostáticos U8491500 (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 clavijas de conexión, soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de suco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozo de médula de saúco, Tablero de base de clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadena 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).

Péndulo de tecnoport. Electroscopio. Barras de acero y vinilita.

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

Se atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C.) haber observado que trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no solo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina, el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la causa de las atracciones, o también las repulsiones, que se producen.

Carga Eléctrica

Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que el proceso de adquirir cargas eléctricas consiste en ceder algo de un cuerpo a otro, de modo que una de ellas posee un exceso y la otra un déficit de ese algo (electrones).

Coulomb ideó un método ingenioso para hallar como depende de su carga la fuerza ejercida por o sobre un cuerpo cargado. Para eso se basó en la hipótesis de que si un conductor esférico cargado se pone en contacto con un segundo conductor idéntico, inicialmente descargado, por razones de simetría la carga del primero se reparte por igual entre ambos. De este modo dispuso de un método para obtener cargas iguales a la mitad, la cuarta parte, etc., de cualquier carga dada. Los resultados de sus experimentos están de acuerdo con la conclusión de que la fuerza entre dos cargas puntuales, q y q', es proporcional al producto de éstas.

La intensidad de la fuerza F depende, por una parte, de la magnitud de las cargas que intervienen pero, por otra parte, también de la distancia que separa a los cuerpos entre sí. Para dos cargas puntuales Q1 y Q2; separadas entre sí por una distancia r, es válida la ley de Coulomb.

La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separan ambas cargas. La magnitud ε0 = 8,85*10-12 As/Vm es la denominada constante eléctrica de campo, la magnitud εr es el índice

dieléctrico, el cual depende del material que circunda las cargas puntuales. Sí, en este caso, una de las cargas tiene el valor de 0, entonces no aparece ninguna fuerza. El sentido de la fuerza (atrayente o repelente) depende de la polaridad de ambas cargas.

La carga más pequeña posible es, por tanto, la carga de un electrón (arbitrariamente) se designa como negativa. Es válido lo siguiente:

El electrón es el portador de la carga elemental negativa. Esta es

igual a e = ± 1,602 x 10-19C

En esta ecuación, la unidad “C” designa la carga en coulomb, en honor a Coulomb, físico francés. En general, la carga se escribe por medio del símbolo “Q”. De esta manera, la carga de un coulomb tiene 1/e = 6,25*1018

electrones.

Propiedades Fundamentales de las cargas eléctricas

Experimentalmente se establece las siguientes propiedades.

Existen dos tipos de cargas eléctricas, las cuales se denominan carga positiva y carga negativa.

Los Cuerpos con cargas del mismo signo se repelen, mientras que los de distinto signo se atraen.

A un cuerpo que no esté electrizado se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tienen igual cantidad de carga de ambos tipos

Maquina electrostática 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)

Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática.

Descripción y Datos técnicos:

El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico (1), de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. El eje se encuentra sobre dos soportes de madera, los cuales, a su vez, están montados sobre la placa base. El accionamiento de los discos se realiza independientemente el uno del otro, por medio de correas de accionamiento, a través de poleas y una manivela; una correa se desplaza de una manera cruzada, por lo cual los discos giran en sentido opuesto. 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 (6), girable, con dos “pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño.

Para la toma de corriente se emplean dos escobillas (7) fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento (2), el cual se encuentra atornillado al eje. La distancia entre las escobillas y los discos es regulable, y debe de ser de algunos milímetros. Estas se encuentran conectadas con las barras de electrodos (3), cuyos extremos tiene forma de doble esfera y entre las que se efectúa a descarga de chispas. Dos botellas de Leyden (4) se pueden conectar adicionalmente por medio de las palancas de acoplamiento (8). EL interruptor de aislamiento conectan las botellas de Leyden entre sí.

Diámetro de los discos: 310 mmLongitud de Chispa: 120 mm (máx.)Dimensiones: 360 mm x 290 x 450 mmCorriente de Cortocircuito: 30 µA (aprox.)Peso: 3,4 kg

(1) Disco de acrílico con placas de estaño.(2) Listón de aislamiento(3) Barra de electrodos.(4) Botellas de Leyden(5) Interruptor de aislamiento(6) Conductor transversal con pinceles de metal(7) Estribo con escobillas(8) Palanca de acoplamiento para conexión de las

botellas de Leyden.

Funcionamiento:

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 electrophori, 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.

Las chispas brillantes requieren una corriente de gran intensidad. La corriente puede ser obtenida almacenando la carga extraída de los discos rotantes en botellas de Leyden.

El diseño clásico incluye dos botellas de Leyden con los terminales aislados de la máquina conectados a los terminales de entrada de carga de las botellas, existiendo interconexión entre los terminales exteriores de las mismas.

Arcos significantemente mayores, pueden obtenerse añadiendo unas pequeñas esferas a los terminales de la

máquina, concretamente al terminal positivo. El efecto conseguido, consiste en la ampliación de la zona de ionización, lo que equivale a una ampliación de la zona de influencia del campo eléctrico.

En arcos cortos, el extremo positivo se presenta más brillante. En arcos largos, el extremo positivo, presenta un pequeño tramo recto, mientras que el negativo se presenta habitualmente fibrilado y de mayor brillo.

El porqué de esta inversión del brillo, es algo que aún hoy en día representa un misterio

Maquina de Van Der Graff

El generador de Van Der Graff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van Der Graff moderno pueden llegar a alcanzar los 5 megavatios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

El generador consiste en una cinta transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por frotamiento a través del efecto tribo eléctrico. Dentro del terminal, la carga es recolectada por una varilla metálica que se aproxima a la cinta. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo.

Precauciones:

Siempre que se trabaja con un generador de Van Der Graff hay que extremar las precauciones al máximo para evitar recibir descargas.

Explicación científica:

El generador de Van Der Graff es un aparato para conseguir almacenar carga eléctrica en un conductor.El generador de Van de Graff 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.Se basa en la carga por frotamiento. La correa de goma movida por un motor arranca cargas eléctricas de un conductor conectado a tierra y las transporta a la esfera conductora superior, donde se va acumulando la carga.Si conectamos a la esfera algo poco pesado (mechón de pelo, unos copos de cereales, etcétera), al adquirir carga del mismo signo estos cuerpos se repelen y los pelos se ponen de punta, los copos salen volando. Lo mismo ocurre si ponemos varios moldes de aluminio boca abajo, es decir, como si fueran sombreros.

Curiosidades y otras cosas:

La máquina electrostática conocida como generador de Van Der Graff, fue inventada por Robert J. Van Der Graff en 1929, con el objeto de generar voltajes elevados para experimentación en Física Nuclear.El generador de Van de Graff 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.

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).

Funcionamiento:

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 una 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 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 Graff 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

Existen dos modelos básicos de generador;

El que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y crea un gran voltaje).El que se basa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo solo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos a mano con una manivela y funciona igual que con el motor.

En los dos modelos de la cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga.

IV. PROCEDIMIENTO

1. Ubique en la mesa de trabajo, en la posición más adecuada, la Máquina de Wimshurst y de Van Der Graff.

2. Revise que todo este en perfectas condiciones, cualquier anomalía informe al profesor de turno.

Maquina de Wimshurst

3. Identifique las partes de las máquinas electrostáticas.

4. Gire lentamente la manivela en sentido horaria, 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.

5. Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

6. ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

7. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 5, 6 y 7 se efectúan girando las manivelas del equipo.

8. 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.

9. Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara.

10. Descarga de punta; 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.

11. Péndulo doble; colocar un péndulo de bolitas de saúco 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; conectar 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; colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

14. Tablero de destellos; 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; 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.

16. Carril de rodamiento con bolas; colocar sobre el soporte la placa de base y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que los distanciadores del carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Coloca 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.

Maquina de Van Der Graff:

17. Conecte la máquina de Van Der Graff, a la fuente de 250V de C. A., tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor.

18. Una vez encendido, la faja vertical comenzara a girar, identifique el signo de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

19. Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 16, anote lo observado.

20. Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que se desvía las hojuelas.

V. CUESTIONARIO

1. ¿Cómo puede Ud. Determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport, explique? Péndulo de tecnoport. 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 conectado el péndulo sabremos que carga tienen los péndulos ya que es la misma de los brazos por esta conectado.

2. En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique.Sabemos que le principio de superposición es una herramienta matemática que permite descomponer un problema (que es difícil de comprender si se ve en todo el sistema) en dos o más subproblemas simples (fáciles de abstraer). De este modo usando los subproblemas se comprende el original, esto es, la suma o superposición de los subproblemas es equivalente al problema original.En los experimentos realizados se puede usar el principio de superposición en la comprensión de los fenómenos observados por ejemplo: evaluar que carga tiene cada bola de acero, a qué distancia se encuentran, en qué sentido jira la máquina de Wimshurst si esta tiene un objeto que hace que las cargas se orienten siempre al mismo sentido, que tanto afecta la humedad en la máquina de Wimshurst, si la máquina de Wimshurst está conectada a otro objeto del experimento, porque se atraerían o repelerían, etc. Es decir al analizar cada parte del sistema comprenderíamos el sistema y su funcionamiento completo.

3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?Si, para comprender que cargas se trasladan de un cuerpo a otro primero se debería haber probado que tipo de carga posee el cuerpo, esto se puede lograr acercando una carga de prueba (de carga positiva y que sea puntual) si repelida entonces el cuerpo posee carga positiva mientras si es atraída el cuerpo está cargada negativamente. Luego de haberlas identificado podemos deducir que tipo de cargas se trasladan, estas cargas son flujo de electrones que irán del cuerpo que está

cargado negativamente (con exceso de electrones) al cuerpo que está cargado positivamente (con déficit de electrones), una vez concluida este proceso los cuerpos se neutralizaran.