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- 1. 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
- 2. I. OBJETIVO 1. Comprobarexperimentalmentelaresistenciade unade laspropiedadesde la materia llamadacarga eléctrica. 2. Experimentarconlaelectrificaciónde loscuerposmediante losdiversosprocesos. 3. Verificarlainteracciónelectrostáticaentre cargasde igual signoy de signosopuestos. 4. Conocerel funcionamientoylosprincipiosfísicosde un generadorelectrostática- maquinade Wimshurst y la Maquinade Van derGraaf. 5. Conoceraplicacionesde lamaquinade VanDerGraaf. II. MATERIALES
- 3. III. FUNDAMENTO TEORICO CONCEPTOS GENERALES DE LA ELECTROSTATICA
- 4. 1.ELECTRIZACIÓN Cuando a un cuerpo se le dota de propiedades eléctricas se dice que ha sido electrizado. La electrizaciónporfrotamientopermitió,atravésde unascuantas experienciasfundamentales y de una interpretaciónde lasmismascada 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 puedenatraerobjetosligeros,comohilosotrocitosde papel,lapropiedadeléctricaadquirida 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 tipode experienciasllevaron a W. Gilbert (1544-1603) a distinguir, por primera vez, entre la electricidadque 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 Gilbertelectricidadpositiva(+) ya 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 eléctricacomopropiedadde lamateria.Cuandose frotala barra de vidriocon el paño de seda, se observaque tantouna como otra se electrizanejerciendoporseparadofuerzasde diferente signo sobre un tercer cuerpo cargado. Pero si una vez efectuada la electrización se envuelve la barra con el pañode seda,nose apreciafuerzaalguna 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 unode loscuerposesigual a laque 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 cuerpocargadoloestápositivamentelaparte del cuerponeutro más próximo se cargará con electricidadnegativa y la opuesta con electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características eléctricas opuestas hace que a la electrización por influenciase ladenomine tambiénpolarización 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 teoríaatómica modernaexplicael porqué de losfenómenosde electrizaciónyhace de la carga eléctrica una propiedad fundamental de la materia en todas sus formas. Un átomo de cualquier
- 5. 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 lasde la repulsiónelectrostática -lasfuerzasnucleares- formandountodocompacto.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 núcleo 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 númerode electronesenun 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 naturaleza eléctrica, en algunostiposde átomos les resulta sencillo liberarse de ellas. Cuando un electrón logra escapar de dicha influencia,el átomocorrespondientepierdelaneutralidadeléctrica 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 palabraElectricidad deriva de "electrón" que quiere decir "ámbar". Es un agente natural que se manifiestapor atracciones y repulsiones de masa cargadas de electrones o masas deficitarias de electrones. 4.ELECTROSTATICA Es la parte de laFísica que estudiaa lascargas eléctricasen 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,aeste fenómenose le llamo Electricidad, derivado de "electrón", que en griego quiere decir ámbar. 5.CARGA ELÉCTRICA Se llamacarga eléctricaala masa de electricidadganada 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 electronesde losátomossuperficiales del vidrio han pasado a la tela de seda y la barra de vidrio
- 6. ha quedado deficitaria en electrones, por consiguiente, cargada de protones o con electricidad positiva. 7.ELECTRICIDAD NEGATIVA O RESINOSA Es la que aparece enuna barra de resina(oplástico) cuandose frotacon una tela o lana, debido a que los electrones debido a que los electrones de la lana han pasado a la resina; 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 transportacargaa unterminal 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 undispositivoelectrónicode altovoltaje encontinua.Lamáquinaoriginal era doble,condosterminalescargadosde signoopuesto.El sistemade excitaciónpuede construirse de muchas formasdiferentes,laoriginal, usando un excitador electrónico, es la más adecuada.
- 7. 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 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. Si una aguja metálicase colocacerca de la superficie de lacinta,ala altura de su eje.Se produce un intensocampo 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 lasuperficie de lapolea,peroenmediodel caminose encuentralacinta,yse depositanen su superficie,cancelandoparcialmentelacarga positivade lapolea.Perolacintase mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo.
- 8. LA MÁQUINA DE WIMSHURST La máquinade Wimshurstesungeneradorelectrostático de altovoltaje desarrolladoentre 1880 y 1883 por el inventorbritánicoJamesWimshurst(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,parageneración de alta tensióncontinua,nopeligrosa,para numerososexperimentossobre electrostática. Accionamientomediantemanivelaycorrea, distanciaentre chispasregulable,dos condensadoresde altatensión(botellasde Leyden). Diámetro:310 mm Distanciade chispas: máx.120 mm Dimensiones: aprox.360x250x400 mm³ Peso:aprox.3,4 kg. FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE WIMSHURST En la máquinade Wimshurst,lashojasmetálicasactúancomoobjetocargadoen parte del cicloy como objetosde carga inducidaenotraparte del ciclo. Se observará,sinembargo,que el procesode carga inductiva,requiere que existacon anterioridadunobjetocargado. Si admitimosque lamáquinaarrancaensu movimiento,con ausenciatotal de carga, ¿cómo se produce el fenómeno? El problemaessimilaral de lacuchillade afeitarapoyadaenequilibriosobre sufilo;en teoría,la cuchillanodeberíacaer al estar perfectamenteequilibradaynoexistiruna direcciónprivilegiadade caídaen el espacio.Sinembargocae,debidosimplementeaque es imposibleequilibrarlacuchillade formaperfecta.Enel casode lamáquinade Wimshurst,el arranque y la construcción de carga, se producensimplementeporque enprincipio,la máquinanoes perfectamente neutra. Por supuesto,noesposible saberlapolaridadque lamáquinatomaráuna vezla arranquemos(lahojade afeitarpuede caerencualquierdirección). Por esarazón, algunasmáquinasde Wimshurstincorporanuntrocitode piel,que ofrece un mínimode carga enalgúnpunto,de forma que lamáquinaarrancará con lamismapolaridad cada vez. Una vez lamáquinaarranca, hay cuatro funcionesidénticasrealizándose,dosencadadisco. En realidad,se tratade cuatro electrophorus,dospositivosydosnegativos.
- 9. El efectode aproximaciónentrelasseccionespositivasy neutrasde losdiscosenrotación, realizael efectode induccióndel electrophorus,yloscepillosde cargade losbrazosaislados, recogenlacarga positivaparallevarlaal terminal.
- 10. IV. CUESTIONARIO 1. 12. Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Cuandose producenlaschispasel oxígenode aire (𝑂2) losenlacesentre estasdosmoléculas cercanas a laschispasse destruyen,ysi encuentranaunamoléculade 02 , entoncestrasla reacciónquímicade O y 𝑂2 se obtendría 𝑂3 , desprendiendounoloraacre y a grandes concentracionesde ozonoeste toma uncolorazuladooscuro. Por lotanto enel uso del generadorelectrostáticocomonose trabajódurante muchotiempo y no se concentró,por ende nopudimosobservar el colornoobstante si percibimosel olora acre. La reacciónque se muestraaquí esparecidaa la que se hizoen el laboratorio,soloque en lugarde radiaciónUV lo reemplazamosporchispaseléctricas. 13. Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones. El poderde las puntasse refiere que cuandoaun cuerpoque posee unapuntao varias,y se encuentracargadoeléctricamente(noimportaconque signo);entoncesestase distribuyepor todola superficie,ycomosabemosque ladensidadde carga escarga sobre volumen. Entoncestendremosque enlaspartesconmenorvolumense tendrámayordensidadde carga. Comoen laspuntasse concentramucha carga, entoncesse creaun intensocampo.
- 11. En la figuraque la puntase carga positivamente yque al entrarencontacto con el aire los iones positivossonrepelidosylosnegativossonatraídos. En el caso del experimentoen laboratorio hechocon lamáquinade Wimshurstcomose muestraenla figura: En el experimentolasdosvarillasestáncargadasde signos contrariosal establecerloscercacreanuncampo eléctricopor donde trata de fluirlacorriente ypor esose establecenchispas enel intermediode laseparaciónde lasdospuntas. Y en el caso de las aplicacionesesteconceptoesmuyimportante paralaconstrucciónde un pararrayos. 14. Mencione al menos5 aplicacionesdel equipode VanDe Graaf. Entre lasaplicacionesde este instrumento: El Generadorde Vande Graaf esuna máquinaelectrostática empleadaenfísicanuclearparaproducirtensionesmuy elevadas. La correatransporta lascargas hasta el interiorde ésta,donde son retiradasporotros peinesyllevadasala superficiede la esfera.A medidaque lacorrea varecogiendocargasy las transportahasta la esfera,se creauna diferenciade potencial de hasta 5 millonesde voltios,debidoatal funcionamiento el generadorVande Graaf se usapara acelerarunhaz de electrones,protonesoionesdestinadoabombardearnúcleos atómicos. La generaciónde rayosXmediante grandescantidades
- 12. de energía. Esterilizaciónde materialesyalimentosporel métodode acelerarelectrones. En espectáculosparademostraralgunosefectosdel altovoltaje. Pruebasexperimentalesde materialesaisladoresindustrialesparaaplicacionesen transmisiónde energíaaaltosvoltajes.