CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIFICADOS

Experiencia Nº 1

1) 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 los diversos procesos.

- Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos.

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

2) Materiales

- Juego de equipos de electrostática : tablero de destellos, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico, con clavijero de 4 mm, soporte de depósito, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de saúco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozos de médula se saúco, tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con electrodos de punta, pie de soporte, varilla de soporte, aislada, con manguito de soporte y de conexión y juego de campanas.

- Paño de algodón, seda y lana.- Barras de acetato, vinilita y vidrio.- Soportes.

- Esferas de Tecnoport.

- Electroscopio.

3) Fundamento Teórico

Se atribuye a Thales de Mileto (640 – 548 A. C.) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos liviano. W. Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no sólo 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.

Gilbert descubrió que muchas sustancias tenían la capacidad de atraer objetos ligeros cuando se frotaban y aplicó el término eléctrica para la fuerza que ejercen estas sustancias después de ser frotadas.

Fue el primero en utilizar términos como “energía eléctrica”, “atracción eléctrica” y “polo magnético”. Quizá su aportación más importante fue la demostración experimental de la naturaleza magnética de la Tierra.

Su obra más importante fue De Magnete (1600), quizá la primera gran obra científica escrita en Inglaterra.

Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los del tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominados cargas positivas y cargas negativas.

A un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tienen igual número de cargas de ambos tipos.

GENERADOR ELECTROSTATICO; MÁQUINA DE WIMSHURST;

GENERADOR ELECTROSTATICO; MÁQUINA DE VAN DE GRAFF;

4) Procedimiento.

01.-Ubique la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Wimshurst y de Van De Graff.

02.-Reviseque todo este en perfectas condiciones, cualquier anomalía informe al profesor de turno.

Maquina de Wimshurst:

03.-Identifique las partes de las maquinas electrostáticas.

04.-Gire lentamente a manivela en sentido horaria, los conductores transversales deben señalar, por debajo, hacia la derecha en un ángulo de 45º, en relación con la barra de aislamiento.

05.-Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

Vemos descargas eléctricas de baja potencia y continuas transfiriéndose de un conductor a otro, esto debido a la diferencia de potencial entre los conductores, es

observable el movimiento de los electrones al ionizarse el aire.

06.-Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

Ahora que el interruptor está cerrado no hay conducción de cargas, no son observables las descargas eléctricas.

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

Ahora vemos descargas más fuertes, pero estas a diferencia del experimento anterior son discontinuas.

08.-Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio, este ultimo de carga con un electrodo y se toca luego con

una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

El signo de la carga es negativo, pues la barra de plástico frotada con lana se carga negativamente y en el electroscopio se observo la separación de las laminillas de pan

de oro.

09.-Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de las lámparas.

Observamos que al acercar la lámpara de fluorescente éste emite luz en el segmento que está más cerca a la carga, como la carga a la cual es acercada es negativa

podemos deducir que la polaridad del fluorescente es negativa.

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.

Vemos que la rueda de punta comienza a girar al conectar un electrodo al soporte.

11.-Pendulo doble; colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente la carga y transmitir una carga a través de esta, anote lo observado.

Al hacer pasar la carga, observamos q las bolitas de saúco se separan, esto debido a que estas se cargan con el mismo signo, y debido a la fuerza de repulsión de la cargas

se separan.

12.-Clavija de conexión en pantalla de seda; colocar 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.

Al ir aumentando la carga vemos que las tiras de seda se levantan, esto a que la barra central se carga y la seda se carga también, y luego de ser cargado por inducción la fuerza de repulsión hace que las tiras de seda se separen de la barra y se levanten.

13.-Juego de campanas; colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

En este experimento vemos que en las campanitas se producen descargas eléctricas, de las cuales son visibles las chispas, y estas oscilan mientras se producen las

descargas.

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.

En este experimento vemos que el tablero se ilumina al conectarlo a la fuente de carga, generando cantidad de luz.

15.-Danza eléctrica; colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, 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.

Vemos que los trozos de saúco se mueven a gran velocidad y de forma aleatoria, y estas tienden a chocar con los electrodos.

16.-Aparato fumívoro; Colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre éste la cubierta con electrodo de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado.

En este caso podemos ver pequeñas descargas de electrodo a electrodo, descargas discontinuas de cierta intensidad de acuerdo a la carga aplicada a los electrodos.

17.-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 distanciadotes 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.

Maquina de Van De Graff:

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

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

Con la ayuda del electroscopio constatamos que la esfera esta cargada, luego la carga de la esfera es negativa.

20.-Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17. Anote lo observado.

Vemos que acurre exactamente lo mismo, lo único que varia es la intensidad de los fenómenos, esto solo se debe a la fuente de carga (a la magnitud de la aplicación).

21.-Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor de ángulo que se desvía las hojuelas.

Aproximadamente podemos apreciar que las hojuelas se separa formando un ángulo de 30º.

5) Cuestionario.

01.- ¿Cómo puede UD determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, explique. Péndulo de tecnoport.

El tecnoport era atraído por la esfera cargada negativamente por lo que podemos determinar que el tecnoport tiene carga positiva.

02.- En las experiencias efectuadas, ¿Cómo podría aplicar el principio de superposición? .Explique

No se puede aplicar el principio de superposición a conceptos que pueden variar de acuerdo a la dirección, un ejemplo muy bueno es el de la temperatura, no se puede

decir que la temperatura de la tierra es igual a la temperatura de cada país.

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

En nuestra experiencia el tipo de carga que se traslada de un cuerpo a otro es de tipo negativo (en la máquina de Van De Graff); pues son electrones los cuales se

transfieren de un cuerpo a otro.

04.- Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

Por FROTAMIENTO: Los antiguos griegos sabían ya hacía el año 600a.c. que el ámbar frotado con la lana adquiría la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Al interpretar hoy esta propiedad decimos que el ámbar está electrizado, que posee una carga eléctrica, o bien que está cargado eléctricamente. Es posible comunicar carga eléctrica a cualquier sólido material frotándolo con otra sustancia. En conclusión por frotamiento se ceden o se reciben electrones.

Así, un automóvil adquiere carga por efecto de su roce con el aire, como un peine se electriza al frotarlo con el cabello. El frotamiento sirve simplemente para establecer un buen contacto entre muchos puntos de la superficie.

Por INDUCCION: Si por ejemplo al cargar por contacto un electroscopio de agujas, donde un objeto de forma de barra, como la ebonita, ha sido frotado con un paño, algunos de los electrones en exceso sobre la barra son cedidos electroscopio, quedando la ebonita con una carga negativa menor. Sin embargo, hay otro procedimiento de utilizar la barra de ebonita para cargar otros cuerpos por el cual la barra de ebonita puede comunicar una carga de sentido opuesto. Este método se denomina carga por inducción.

Por ejemplo: se tiene las esferitas metálicas neutras en contacto sostenidas por pies aislantes; cuando una barra de ebonita cargada negativamente se aproxima a una de las esferas, pero sin tocarla son repelidos algunos de los electrones libres de las esferitas metálicas.

La deficiencia de electrones en la esfera más próxima a la barra de ebonita se denomina carga inducida positiva, y el exceso de electrones en la esfera más alejada en una carga inducida negativa. Estas cargas inducidas permanecen separadas mientras se mantenga cerca la barra de ebonita.

Por CONTACTO: Si una ebonita y un paño se ponen en contacto hay un paso espontaneo de electrones del paño a la ebonita. Esta adquiere, por tanto, un exceso de electrones y resulta cargada negativamente, mientras que el paño que ha perdido electrones se carga positivamente. Se sabe y se puede demostrar que la carga adquirida por la ebonita cuando se pone en contacto con el paño es exactamente igual y opuesta a la adquirida por esta.

Para cuerpos volumétricos la carga se distribuye proporcional a su volumen, la carga se comparte y en electrostática la carga se conserva. No hay creación de carga eléctrica en el proceso de electrización por contacto, sino simplemente una transmisión de carga de un cuerpo a otro. En realidad todo lo que se necesita para producir una carga eléctrica es un íntimo contacto.

05.- ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de electricidad?

Explique detalladamente.

Primero porque el cuerpo humano está constituido en su mayor parte de agua, y como se sabe el agua es un buen conductor de la electricidad. Segundo, que el cuerpo

humano posee iones libres los cuales permiten conducir la electricidad.

06.- 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?

Al acercar el objeto las laminillas se cierra, al acercar aun más dicho objeto a la esfera metálica del electroscopio sin llegar a tocarla, estas laminillas se abren; por tanto se

deduce que la carga del electroscopio sería positiva, ya que sólo mediante una fuerza de rechazo entre dos cargas de igual signo las laminillas se pueden abrir.

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

Funcionan como condensadores, la carga se acumula y las botellas se carga hasta un punto en que deja que se libere toda la carga (debido a esto se puede observar las

descargas en las palancas de acoplamiento de la máquina de Wimshurst).

08.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

Durante las descargas eléctricas se produce chispas las cuales emiten el olor a quemado ya que el movimiento de las cargas genera calor.

09.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones.

Debido a que cada punta está bien cargada, uno con carga positiva y otro con carga negativa debido al fuerte campo eléctrico y diferencia de potencial entre ellos se

liberan electrones

10.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graff.

Los usos para éstos altos voltajes(de los generadores), incluyen conducir Tubos de radiografía, acelerando electrones para esterilizar los materiales del alimento, y

aceleración protones para física nuclear en experimentos.El generador de De Graff de la furgoneta se puede pensar como fuente constante-

actual conectada a un condensador y una resistencia eléctrica muy grande.

6) Conclusiones y sugerencias.

1. Al realizar el experimento se demostró que los cuerpos habían sido electrizados por frotamiento, se acepta que en ellos han aparecido una cantidad de electricidad o cierta carga eléctrica que es la causa de las atracciones o repulsiones.

2. Se comprueba experimentalmente que los cuerpos con cargas eléctricas de igual especie se repelen mientras que los tiene cargas de distinto signo se atraen. Por ejemplo en la práctica se observó, cuando al acercar la barra de vinilita previamente frotada con el paño de seda, esta se atraía con las esferitas de tecnoport, aquí se manifestó la atracción de los cuerpos.

3. En todo cuerpo conductor, las cargas se distribuyen superficialmente buscando las zonas de mayor convexidad. En este caso la distribución de las cargas es uniforme.

4. La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia, es por eso que se concluye, en que estas no son engendradas, ni creadas, sino que mediante procesos físicos adquieren una carga eléctrica, que consiste en ceder algo de un cuerpo, de tal modo que uno de ellos tenga un exceso de carga y el otro tenga un déficit de carga.

5. La existencia de dos clases de fuerzas eléctricas tales como son: la fuerza de atracción y la fuerza de repulsión; se explica por la existencia de dos tipos de cargas eléctricas como son: la carga positiva y la carga negativa.

6. Los cuerpos experimentan fuerzas de repulsión o de atracción dependiendo de la naturaleza del origen de su carga al ser electrizados.

7. Los fenómenos de electrización son por frotamiento, por contacto y por inducción, los cuales alteran el equilibrio de cargas eléctricas que se encuentran en los cuerpos.

8. Muchos de los cuerpos debido a sus dimensiones son difíciles de cargar eléctricamente porque el cuerpo humano al rozarlos por algún motivo cuando ya están cargados este lo neutraliza rápidamente.

9. Si se llegan a tocar un cuerpo cargado con otro eléctricamente neutro, luego de un brevísimo tiempo se produce una repulsión.