FACULTAD DE QUIMICA INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA AGROINDUSTRIAL.

EAP: INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

LABORATORIO DE FISICA III

EXPERIENCIA: Nº1

TEMA:

CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS.

INTEGRANTES:

VEGA ECHEVARRIA, FIORELLA 10070071 LEITON PALACIOS, ELI BRYAN 09070182

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

5. Wimshurst   y la Maquina de Van der Graff.

MATERIALES

o Barra de pvc.o Barra de acetato.o Barra de vidrio.o Barra de vinilito.o Paños de algodón y seda.

o Electroscopio.o Maquina de WIMSHURST MODELO U15310.o MAQUINA DE VAR DE GRAFF.

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 núcleo hace 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 naturaleza 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 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 GRAAFF

El generador de Van der Graaff El generador de Van der Graaff (máquina electrostática), fue ideada por Robert J. Van der Graaff 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 Graaff 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:

Cilindro de PVC en el interior de la esfera que por fricción con la banda móvil se carga negativamente Banda móvil de material dieléctrico que une los rodillos y transporta la carga.

Dos peines metálicos sujetados a la estructura y cercanos a los rodillos.

Una esfera conductora hueca donde se almacenan las cargas Estructura aislante que soporta la esfera.

Rodillo metálico en la parte inferior que unido al eje del motor mueve la cinta.

FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFF.

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 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 mmDistancia de chispas: máx. 120 mmDimensiones: aprox. 360x250x400 mm³Peso: aprox. 3,4 kg.

FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DER GRAAFF.

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.

DESARROLLO EXPERIMENTAL

CUESTIONARIO

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?

Por medio de la inducción magnetica cargamos con carga positva (σ+) o negativa (σ-) a la espera de tecnoport.

- Lo acercamos lentamente a la máquina de Van de Graff cargada negativamente y observamos si este atrae o repele

Carga del trecnoport

Atrae el tecnoport positva (σ+)

Repele el tecnoport negativa (σ-)

2. En que consiste en principio de la superposición.

El principio de superposición o teorema de superposición es un resultado matemático que permite descomponer un problema lineal en dos o más subproblemas más sencillos, de tal manera que el problema original se obtiene como "superposición" o "suma" de estos subproblemas más sencillos.

Se ha comprobado -también experimentalmente- que las fuerzas eléctricas se comportan en forma aditiva, es decir; la fuerza eléctrica sobre una carga q,

debida a un conjunto de cargas es igual a la suma de las fuerzas

que , que cada carga qi,ejerce separadamente sobre la carga q, es decir:

en que las fuerzas

3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

si se puede. Solo depende de la carga de la varilla.

O de lo contrario si la varilla tuviera carga negativa, la esfera de tecnoport se cargaría positivamente.

4. Enuncie los tipos de electrificación.

Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos

Se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes:

1. Electrización por contacto : Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó.

2. Electrización por fricción : Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas.

3. Carga por inducción : Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del

conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).

4. Carga por el Efecto Fotoeléctrico : Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética.

5. Carga por Electrólisis : Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua.

6. Carga por Efecto Termoeléctrico : Significa producir electricidad por la acción del calor.

5. ¿Por qué en cuerpo humano es un buen conductor de electricidad?

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.

Casi el 70% del organismo 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 estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

6. Si tenemos un objeto cargado positivamente y lo acercamos a un electroscopio, ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?

Primero observamos las laminillas juntas por la ausencia de carga.

Luego acercamos un cuerpo electrizado positivamente a la bola del electroscopio, las cargas pasan a través de la barra metálica a las laminillas (esto se da por inducción) las laminillas quedan cargadas positivamente, y por lo tanto se separan. La separación la mediremos con la escala graduada situada en la parte inferior. Cuanto mayor sea la separación, mayor será el valor de la carga eléctrica.

7. Qué función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. 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 ésta 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.

8. Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor caracterisico, investigue a que se debe.

Tras aquellos experimentos percibió un olor característico, único y punzante, alrededor del 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 él, por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica.

9. 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 que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana 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. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por allí escapará la carga del conductor.

10. Aplicaciones de equipo de Van De Graff

Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

- Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza.

11. - Su utilidad es amplia, usándose tanto en experimentos docentes como en procesos Industriales (acelerador de partículas.)

12.13.

- Existen otras variantes del generador de Van de Graaff, como son el Vivitron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Megavoltios.

CONCLUSIONES 

o Existen cuerpos que pueden cargarse positivamente y otros que pueden

cargarse negativamente.

o Los cuerpos al encontrarse en diferente cantidad de carga tienden a

equilibrar su carga.

o Materiales como el vidrio y la lana se carga de una forma positiva.

o Materiales como la resina y la seda se carga de una forma negativa.

o La electricidad estática es quizá la forma de electricidad más antigua

conocida por el hombre.

o Algunos materiales son más difíciles de cargar (Vidrio) debido a su

naturaleza fría. (Los elementos que se calientan más rápidamente son los que se cargan más rápidamente), como el acetato.

o Los rayos que se presencian en una tormenta es la manifestación de

cargas eléctricas que se descargan por un medio húmedo.