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INFORME DE LABORATORIO DE FISICA 3

AO DEL CENTENARIO DE MACHU PICCHU

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE CIENCIAS FSICAS E.A.P.

ING. MECNICA DE FLUIDOS

TEMA:

CARGAS ELCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS

PROFESOR:

JULIO FABIAN

CURSO:

LABORATORIO DE FSICA III

INTEGRANTES:

PALOMINO MENDOZA, PABLO 06130145

SAMAM MARTINEZ, JOAN MANUEL 06130141 URCO GONZALES, STEVEN 06130133

2 0 1 1


1. OBJETIVOS

1. Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades

fundamentales de la materia llamada carga elctrica.

2. Experimentar con la electrificacin de los cuerpos mediante las diversas formas. 3. Verificar la interaccin electrosttica entre cargas de igual signo y signos

opuestos.

4. Conocer el funcionamiento y los principios fsicos de un generador Electrosttico - mquina de Wimshurt y la mquina de Van der Graff.

2. MATERIALES Juego de equipos de electrosttica u8491500

( tablero de destello, cubierta de electrodos

esfricos, rueda con punta, barra de friccin

de plstico con clavijero de 4mm soporte de

depsito, rodamiento de agujas con clavija

de conexin, soporte de gancho para

pndulo doble de bolitas de sauco, clavija de

conexin en pantalla de seda en varilla,

trozos de medula de sauco, tablero de base

en clavija y conexin y carril de rodamiento

con bolas, cadenas de conexin, esfera

conductora de 30mm de dimetro con

clavija de conexin, cubierta con electrodos

de punta pie de soporte, varilla de soporte

aislada, con manguitos de soporte y de

conexin y juego de campanas).

Pndulos de tecnoport. Electroscopio. Barras de acetato y vinilita.


3. FUNDAMENTO TEORICO Se atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C) haber observado que un trozo de mbar

frotado con un pao o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W.

Gilbert (1540-1603) comprob que no solo el mbar al ser frotado atraa cuerpos

ligeros, sino tambin lo hacan muchos otros cuerpos como la ebonita, el vidrio, 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 elctrica que es la causante de las atracciones, o repulsiones entre ellas.

Existen dos tipos de cargas elctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos

con cargas elctricas de igual tipo se repelen, mientras que los de tipo distinto carga se

atraen. Los dos tipos de cargas elctricas existentes son denominados cargas positivas y

cargas negativas. A un cuerpo que no est cargado elctricamente se le denomina

cuerpo electrostticamente neutro, en este caso decimos que tiene igual nmero de

cargas de ambos tipos.

GENERADOR ELECTROSTTICO: MAQUINA DE WIMSHURST.

La mquina de Wimshurst es un

generador electrosttico de alto voltaje

desarrollado entre 1880 y 1883 por el

inventor britnico James Wimshurst

(1832 - 1903). El generador

electrosttico sirve para generar altas

tensiones constantes, nos son peligrosas

al contacto.

FUNCIONAMIENTO:

Durante el servicio, una carga inicialmente pequea se incrementa constantemente, por

medio del proceso conocido como influencia elctrica, hasta que se alcanza la mxima

tensin de servicio. Esta se ve limitada por descargas de chispa, toma de corriente y

fallos de aislamiento. Para facilitar la explicacin del funcionamiento del generador

electrosttico, en lugar de los discos, imaginemos que se tienen dos cilindros huecos

(VER FIG. 01), que rotan en sentido opuesto alrededor de un eje comn. Luego de que

la hoja B1 adquiera una carga elctrica positiva, tras el frotamiento con el pincel P2,

este pasa sucesivamente a las posiciones B2 y B3. En la posicin B3 se encuentra frente

a la hoja Al, la cual est puesta a tierra por medio del pincel Pl, por lo que su carga de

influencia es negativa. Al mantiene esta carga negativa cuando, debido al movimiento

de giro, pasa ocupar las posiciones A2 y A3. En la posicin A3 ejerce como influencia

una carga positiva sobre la hoja de estao BI, la cual se encuentra ahora enfrente. Este

proceso se repite constantemente, lo cual conduce a un incremento progresivo de la

carga sobre las placas de estao. Al continuar el movimiento, todas las hojas B, con

carga positiva, llegan hasta la escobilla S1, y a las hojas A, con carga negativa, a la

escobilla S2, en donde entregan sus cargas a los electrodos con las esferas conductoras


Kl y K2. Al continuar el movimiento giratorio, se producen los mismos acontecimientos

con la diferencia de qu, ahora, la hoja de estao A que pasa frente a P1* tiene carga

positiva, y la hoja B que pasa frente a P2* es negativa, las tensiones as generadas

crecen de acuerdo con el dimetro de los discos. En realidad, los procesos que aqu se

han descrito paso a paso ocurren simultneamente.

Bajo los pinceles, las cargas positivas o negativas de las hojas de estao del disco 2

ejercen una influencia sobre las del disco 1. Y sta, por otra parte, influencia las cargas

de las hojas de estao del disco 2, cuando stas pasan por el pincel que se encuentra

enfrente. Las cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para su

descarga, a las barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas

conductoras. La longitud de las chispas depende del dimetro del disco.

GENERADOR DE MAQUINA DE VAN DER GRAFF

El generador de Van der Graff, GVG, es un

aparato utilizado para crear grandes voltajes.

En realidad es un electrforo de

funcionamiento continuo.

Se basa en los fenmenos de electrizacin por

contacto y en la induccin de carga. Este

efecto es creado por un campo intenso y se

asocia a la alta densidad de carga en las

puntas. El primer generador electrosttico fue

construido por Robert Jamison Van der Graff

en el ao 1931 y desde entonces no sufri

modificaciones sustanciales.


EXISTEN DOS MODELOS BSICOS DE GENERADOR:

a) El que origina la ionizacin del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red

elctrica y que crea un gran voltaje)

b) El que se basa en el efecto de electrizacin por contacto. En este modelo el motor externo slo se emplea para mover la correa y la electrizacin se produce por

contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el

motor. En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son

transportadas hasta la parte interna de la cpula donde, por efecto Faraday, se

desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando ms y ms

hasta conseguir una gran carga.

Consta de (Figura 02)

1. Una esfera metlica hueca en la parte superior.

2. Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseo de la izquierda, pero que

es necesaria para soportar el montaje.

3. Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la

correa y el inferior movido por un motor

conectado a su eje.

4. Dos peines metlicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior

est conectado a tierra y el superior al

interior de la esfera.

5. Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que

no lleva componentes de carbono que la

haran conductora). 6- Un motor elctrico

montado sobre una base aislante cuyo eje

tambin es el eje del cilindro inferior. En

lugar del motor se puede poner un

engranaje con manivela para mover todo

a mano.

Funcionamiento (Figura -03)

Una correa transporta la carga elctrica que se forma en la

ionizacin del aire por el efecto de las puntas del peine

inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior.

Veamos el funcionamiento de uno didctico construido

con un rodillo inferior recubierto de moqueta de fibra y el

rodillo superior hecho de metal.

El rodillo inferior est fuertemente electrizado (+), por el

contacto y separacin (no es un fenmeno de rozamiento)

con la superficie interna de la correa de caucho. Se

electriza con un tipo de carga que depende del material de


que est hecho y del material de la correa. El rodillo induce cargas elctricas opuestas a

las suyas en las puntas del peine metlico. El intenso campo elctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del peine situadas a unos milmetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado

arranca electrones al aire convirtindolo en plasma.

El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las

puntas se convierte en viento elctrico negativo. El aire se vuelve conductor, los

electrones golpean otras molculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando

por depositarse sobre la superficie externa Las cargas elctricas negativas (molculas de

aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia

arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga est

garantizado. La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al

rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara

externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubrindola a medida que va

pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor

que sobre el rodillo. Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las-del

cilindro, pero estas no interviene en los procesos de carga de la esfera.

Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve

sobre su superficie.

Parte Superior

Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de tefln que se carga

negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan

por la cara externa de la correa

El peine situado a unos milmetros frente a la correa tiene

un campo elctrico inducido por la carga del cilindro y de

valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine

se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el

interior de la esfera.

Un generador de Van Der Graff no funciona en el vaco. La

eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la

correa.

El generador puede lograr una carga ms alta de la esfera si

el rodillo superior se carga negativamente e induce en el

peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a l

y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la

parte interna de la esfera.

El campo creado en el peine por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con molculas de aire. Las partculas de aire

cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento elctrico positivo). Las cargas

positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por

arriba y baja descargada.

El efecto es que las partculas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden

el electrn que pasa al interior de la esfera metlica de la cpula que adquiere carga

negativa. Por el efecto Faraday (que explica el por qu se carga tan bien una esfera

hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situndose en la cara externa. Gracias a

esto la esfera sigue cargndose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine

al interior.


4. PROCEDIMIENTO

1) Ubique en la mesa de trabajo en la posicin ms adecuada la Mquina de Wimshurst y de Van De Graff.

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

MAQUINA DE WIMSHURST

3) Identifique las partes de las mquinas electrostticas 4) Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los conductores transversales

deben sealar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un

ngulo de 45, en relacin 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

efectan girando las manivelas del equipo.

8) Determine la polaridad del generador electrosttico por medio de un electroscopio. Este ltimo se carga con un electrodo y se toca luego con una

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

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

10) Descarga de punta (figura-04); 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) Pndulo doble; (figura-05) colocar un pndulo de bolitas de saco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a travs de sta,

anote lo observado.

12) clavija de conexin en pantalla de seda; (figura-06) colocar la clavija de conexin 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; (figura-07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo

observado.

14) Tablero de destellos; (figura-08) 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 elctrica; (figura-09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre l

bolitas de saco de 5 a 8 unidades, y poner

encima de la cubierta con electrodos esfricos

invertida., conectar la fuente de carga y

aumentar lentamente la cantidad de carga

suministrada, anote lo observado.

16) Aparato fumvoro (figura-10) colocar el tablero de base sobre el soporte invertir sobre ste la cubierta con electrodos 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.

17) Carril de rodamiento con bolas;( figura -11) Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegrese de que la distancia

del carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Coloca la bola,

limpia y seca, sobre a placa de base de tal manera que entre en contacto con el

canto del electrodo esfrico superior. Conectar la fuente de alimentacin y

suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

MAQUINA DE VAN DER GRAFF

18) Conecte la mquina de Van Der Graff, a a fuente de 250V de C.A. Tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor.

19) Una vez encendido, la faja vertical comenzar a girar, identifique el signo de las carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

20) Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17, anote lo observado.

21) Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el mximo valor del ngulo que se desva las hojuelas


5. CUESTIONARIO

1. Cmo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnopor?

Por medio de la induccin magnetica cargamos con carga positva (+) o negativa (-) a la espera de tecnoport. Lo acercamos lentamente a la mquina de Van de Graff cargada negativamente

y observamos si este atrae o repele

Carga del Tecnoport

Atrae el tecnoport Positiva (+)

Repele el tecnoport Negativa (-)

2. En las experiencias efectuadas. Cmo podra explicar el principio de superposicin?

Al tener nicamente las cargas uno y dos no se puede aplicar el principio de

superposicin, pero si tomamos en cuenta la carga de la barra podemos hallar la

fuerza total que interacta sobre la barra, de la siguiente manera: F total = F1 + F2

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

Lo hacen indirectamente. Todas las "partculas" (desde el punto de vista del

observador), se mueven a causa de las fuerzas internas que actan entre ellas. Esto

ahora lo hemos demostrado a travs de los experimentos utilizando los mtodos y

condiciones necesarias para la observacin y anlisis del movimiento de los

cuerpos a causa de estas fuerzas. Podemos afirmar que las partculas que se

mueven son electrones debido a que se desplazan de un cuerpo a otro por exceso

(repulsin) o defecto (atraccin).

4. Enuncie los tipos de electrizacin, explique cada caso.

Formas para cambiar la carga elctrica de los cuerpos

Se denomina electrizacin al efecto de ganar o perder cargas elctricas,

normalmente electrones, producido por un cuerpo elctricamente neutro. Los

tipos de electrificacin son los siguientes:

1. Electrizacin 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 as el conductor queda cargado, positivamente si cedi

electrones o negativamente si los gan.

2. Electrizacin por friccin: 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 induccin: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsin entre el cuerpo cargado y los

electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se

desplacen a la parte ms alejada del conductor al cuerpo cargado,

quedando la regin ms cercana con una carga positiva, lo que se nota al

haber una atraccin 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 Fotoelctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiacin

electromagntica.

5. Carga por Electrlisis: Descomposicin qumica de una sustancia, producida por el paso de una corriente elctrica continua.

6. Carga por Efecto Termoelctrico: Significa producir electricidad por la accin del calor.

5. Por qu el cuerpo humano es buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.

Como se sabe, existen cuerpos que poseen la propiedad de presentar mayor o

menor resistencia al paso de los electrones, conocidos como aislantes o

conductores respectivamente; dependiendo esta propiedad de las caractersticas del

cuerpo o materia por donde circule dichos electrones. El cuerpo humano es un

buen conductor de la electricidad, debido a que el 98% del mismo est formado por

agua y fluidos, los cuales poseen diferentes tipos de minerales y compuestos, tales

como: sales, cidos, hierro, calcio, etc. los cuales ya se ha demostrado son ele-

mentos conductores. Tal es as que dependiendo de otros factores (psicolgicos,

somticos), existen personas que puede "percibir" o sentir magnitudes de potencial

hasta el rango de los mV (milivoltios).

6. 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. Qu tipo de carga tiene el

electroscopio?

El electroscopio tiene carga negativa ya que a un principio se encuentran

separadas las laminillas, cuando se acerca la carga negativa de las laminillas se

van a la esfera y quedan con carga neutra. Al acercarse ms el objeto cargado

positivamente, mayor cantidad de carga negativa se va a la esfera metlica y

nuevamente las laminillas quedan cargadas y se separan pero esta vez con carga

positiva.

7. Qu funcin cumplen las botellas de Leyden en la mquina de Wimshurst?,

explique detalladamente.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas elctricas

comportndose como un condensador o capacitor. La varilla metlica y las hojas

de estao conforman la armadura interna. La armadura externa est constituida

por la capa que cubre la botella. La misma botella acta como un material


dielctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. El nombre de

condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga

elctrica que asimilaban sta a un fluido que poda almacenarse tras su

condensacin 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

avin, este no sufrir en su interior ningn tipo de descarga ni alteracin

elctrica.

8. Durante el uso del generador electrosttico se percibe un olor caracterstico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

Tras aquellos experimentos percibi un olor caracterstico, nico y punzante,

alrededor del generador; van Marum se refiri al mismo como el olor de la

materia elctrica. Este olor era producto de la formacin de ozono, siendo el

primero en describirlo cientficamente.[

Es el olor a Ozono (O3) variedad alotrpica del Oxigeno (O2), que se genera a

partir de l, por efecto de las chispas. Tambin se percibe cuando hay una

tormenta elctrica.

9. Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones.

En Electrosttica, el poder de las puntas est ntimamente relacionado con el

concepto de la rigidez dielctrica. sta es el mayor valor de campo elctrico que

puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenmeno fue

descubierto hace 200 aos por Benjamin Franklin, al observar que un conductor

con una porcin puntiaguda en su superficie, descarga su carga elctrica a travs

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 regin puntiaguda. La concentracin de carga en

una regin casi plana es mucho menor que la acumulacin de carga elctrica en

un saliente acentuado. Debido a esta distribucin, el campo elctrico de las

puntas es mucho ms intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez

dielctrica del aire en la porcin ms aguzada ser sobrepasado antes que en las

otras regiones, y ser por ello que el aire se volver conductor y por all escapar

la carga del conductor.


10. Mencione aplicaciones del equipo de Van Der Graff.

Las diferentes aplicaciones de esta mquina

incluyen la produccin de rayos X, esterilizacin de

alimentos y experimentos de fsica de partculas y

fsica nuclear.

- Gracias al generador podemos hacer experimentos

de ruptura dielctrica en alta tensin sin peligro para

el que los realiza.

- Su utilidad es amplia, usndose tanto en

experimentos docentes como en procesos

Industriales (acelerador de partculas.)

1. 2.

- Existen otras variantes del generador

de Van de Graaff, como son el

Vivitron o el Pelletron capaces de

conseguir tensiones de 30

Megavoltios.

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