Pr actica 3: Electrost atica III · Finalmente, en la botella de Leyden se observ o que despu es de...
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Pr´ actica 3: Electrost´ atica III Jolalpa Yescas Mar´ ıa Jos´ e Universidad Nacional Aut´ onoma de Mexico 1 de septitiembre de 2016 Resumen Se realizaron una serie experimentos para estudiar los fe´ omenos electrost´ aticos en diferentes circunstancias. En el primero de ellos se instal´ o un generador de Van de Graaff, donde se not´ o la intensa carga que se desprend´ ıa de la esfera superior, logrando encender un tubo de ne´ on y un diodo LED, m´ as a´ un, al tocar la esfera con las manos se observ´o que el cabello de la persona en cuesti´ on se levant´ o. En un siguiente experimento, se colocaron tiras delgadas de aluminio y papel a lo largo de una barra met´ alica sujeta a un soporte conectado a una fuente de alto voltaje. Se obtuvo que al activar el sistema, las tiras se alzaron, adem´ as cuando a ´ estas se les acerc´ o un cable de corriente con carga distinta, emit´ ıan chispas. Se coloc´ o un par de discos met´ alicos alineados, entre los cuales se instal´ o una pelota de ping pong cubierta con pintura met´alica. A ambos discos se les aplic´ o una carga diferente. Se obsev´ o que al activar la fuente de carga la pelota empez´ o a chocar entre ambos discos. Se le aplic´ o carga a un remolino con puntas, lo que ocasion´ o que el remolino girara en sentido contrario a la direcci´ on de las agujas. Adem´ as, coloc´ o una de las puntas del remolino cerca de la flama de una vela y se observ´o que la flama se sacudia en direcci´ on de la punta. Finalmente, a una botella de Leyden se le aplicaron cargas y posteriormete cuando se descarg´ o con un cable conectado a tierra se observ´ o que a´ un despu´ es de haberlo tocado varias veces la terminal, a´ un emit´ ıan chispas. I. Introducci´ on Durante el estudio de las cargas el´ ectricas se desarrolla- ron numerosos instrumentos capaces de mostrar algunas de sus aplicaciones aplicaciones. Tal es el caso del generador de Van de Graaff, creado con el prop´ osito de producir una diferencia de poten- cial muy alta, con la cual acelerar part´ ıculas cargadas que fueran capaces de chocar contra blancos fijos. Est´ a constituido por dos poleas que se activan con un motor el´ ectrico. Las poleas se encuentran unidas por una cinta de goma y junto a cada una de ellas est´ an colocados dos peines de hilos conductores muy finos. sujeta a la base se encuentran dos soportes aislantes que se encargan de sostener la esfera met´ alica que cubre una de las poleas, tal y como se muestra en la figura 1. [5] La correa se encarga de trasportar la carga el´ ectrica, obtenida por la interacci´ on del peine inferior y la correa, a la esfera superior. La carga que se genera depende del material con el que est´ a echa la correa y el rodillo. La carga se empieza a acumular en la esfera superior, pro- vocando un intenso campo el´ ectrico, capaz de encender tubos de ne´ on o diodos de LED. [5] La botella de Leyden (figura 2) fue un invento produc- to de la necesidad de almacenar cargas el´ ectricas. Con- siste en tres revestiduras en paralelos. A los extremos se encuentra un material conductor y entre ellos uno no conductor, capaz de disminuir el campo el´ ectrico presen- te. Esta configuraci´ on permite que al estar en contacto con una fuente de voltage, acumul´ e la carga en una de las placas por consecuencia de la diferencia de potencial, induciendola a la otra lamina con igual magnitud pero en sentido opuesto.Un alambre que comunica el interior de la botella con el exterior funciona para descargar el Figura 1: Estructura del generador de Van de Graaff http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es sistema, que al ser realizada con un cable conectado a tierra se produce una chispa azul, provocada por el paso de la corriente que ioniza el aire. [4] En base a los inventos anteriores se desarrollaron una serie de experimentos que motivan esta pr´ actica, en la cual se analizar´ an los fen´ omenos que ocurren a ra´ ız ex- puesto anteriormente. 1
Transcript of Pr actica 3: Electrost atica III · Finalmente, en la botella de Leyden se observ o que despu es de...
Practica 3: Electrostatica III
Jolalpa Yescas Marıa JoseUniversidad Nacional Autonoma de Mexico
1 de septitiembre de 2016
Resumen
Se realizaron una serie experimentos para estudiar los feomenos electrostaticos en diferentes circunstancias. Enel primero de ellos se instalo un generador de Van de Graaff, donde se noto la intensa carga que se desprendıa dela esfera superior, logrando encender un tubo de neon y un diodo LED, mas aun, al tocar la esfera con las manosse observo que el cabello de la persona en cuestion se levanto. En un siguiente experimento, se colocaron tirasdelgadas de aluminio y papel a lo largo de una barra metalica sujeta a un soporte conectado a una fuente de altovoltaje. Se obtuvo que al activar el sistema, las tiras se alzaron, ademas cuando a estas se les acerco un cable decorriente con carga distinta, emitıan chispas.
Se coloco un par de discos metalicos alineados, entre los cuales se instalo una pelota de ping pong cubierta conpintura metalica. A ambos discos se les aplico una carga diferente. Se obsevo que al activar la fuente de carga lapelota empezo a chocar entre ambos discos. Se le aplico carga a un remolino con puntas, lo que ocasiono que elremolino girara en sentido contrario a la direccion de las agujas. Ademas, coloco una de las puntas del remolinocerca de la flama de una vela y se observo que la flama se sacudia en direccion de la punta.
Finalmente, a una botella de Leyden se le aplicaron cargas y posteriormete cuando se descargo con un cableconectado a tierra se observo que aun despues de haberlo tocado varias veces la terminal, aun emitıan chispas.
I. Introduccion
Durante el estudio de las cargas electricas se desarrolla-ron numerosos instrumentos capaces de mostrar algunasde sus aplicaciones aplicaciones.
Tal es el caso del generador de Van de Graaff, creadocon el proposito de producir una diferencia de poten-cial muy alta, con la cual acelerar partıculas cargadasque fueran capaces de chocar contra blancos fijos. Estaconstituido por dos poleas que se activan con un motorelectrico. Las poleas se encuentran unidas por una cintade goma y junto a cada una de ellas estan colocados dospeines de hilos conductores muy finos. sujeta a la basese encuentran dos soportes aislantes que se encargan desostener la esfera metalica que cubre una de las poleas,tal y como se muestra en la figura 1. [5]
La correa se encarga de trasportar la carga electrica,obtenida por la interaccion del peine inferior y la correa,a la esfera superior. La carga que se genera depende delmaterial con el que esta echa la correa y el rodillo. Lacarga se empieza a acumular en la esfera superior, pro-vocando un intenso campo electrico, capaz de encendertubos de neon o diodos de LED. [5]
La botella de Leyden (figura 2) fue un invento produc-to de la necesidad de almacenar cargas electricas. Con-siste en tres revestiduras en paralelos. A los extremosse encuentra un material conductor y entre ellos uno noconductor, capaz de disminuir el campo electrico presen-te. Esta configuracion permite que al estar en contactocon una fuente de voltage, acumule la carga en una delas placas por consecuencia de la diferencia de potencial,induciendola a la otra lamina con igual magnitud peroen sentido opuesto.Un alambre que comunica el interiorde la botella con el exterior funciona para descargar el
Figura 1: Estructura del generador de Van de Graaffhttp://teleformacion.edu.aytolacoruna.es
sistema, que al ser realizada con un cable conectado atierra se produce una chispa azul, provocada por el pasode la corriente que ioniza el aire. [4]
En base a los inventos anteriores se desarrollaron unaserie de experimentos que motivan esta practica, en lacual se analizaran los fenomenos que ocurren a raız ex-puesto anteriormente.
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Figura 2: Estructura de la botella de Leyden
II. Procedimiento
Se instalo un generador de Van de Graaff, a este se leconecto un generador electrostatico a tierra y el motoral variac, ademas se conecto un alambre a tierra paradescargar la terminal. Una vez encendido el sistema, sele acerco lentamente un tubo de neon y un diodo LED.Despues una persona se subio sobre una caja de plasticoy coloco sus manos sobre la esfera del generador.
Figura 3: Generador de Van de Graaff
Se cortaron tiras delgadas de aluminio y papel en unabarra horizontal fija en un soporte quımico. Se conectocon el generador de algo voltaje, un caiman se coloco enla parte inferior del soporte y el otro se acerco lentamente
a las tiras de aluminio y papel.A continuacion, se amarro con un hilo una pelota de
ping pong cubierta de pintura metalica a la barra hori-zontal; a su alrededor se instalaron dos discos metalicosalineados. A un primer disco se le conecto una carga ne-gativa y al otro una carga positiva.
Figura 4: Pelota de ping pong metalizada entre discos demetal
A un remolino electrico se le conecto un caiman carga-do. Despues se coloco la flama de una vela, cerca de unade las puntas del remolino.
Figura 5: Remolino metalico con puntas.
Finalmente, se conectaron distintas cargas dentro yfuera de una botella de Leyden.
Figura 6: Botella de Leyden
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III. Resultados
En el primer experimento se observo que al acercar eltubo de neon a la superficie del generador se encendioligeramente, mientras que el diodo LED lo hizo comple-tamente. Cuando la persona coloco sus manos sobre elgenerador de Van de Graaff su cabello se levanto, sinembargo, cuando se toco la superficie con un cable co-nectado a tierra su cabello cayo rapidamente.
Con el siguiente experimento se observo que las tirasde aluminio y papel se alzaron, ademas, cuando se acercoun caiman con una carga opuesta al que se encontrabaen la base del soporte, se desprendıan chispas.
Con los discos, se obtuvo que despues de encender elgenerador de cargas, la pelota empezo a chocar entre losdiscos, observando que al acercarlos la pelota colisionabacada vez mas rapido.
En el caso del remolino, se noto que empezo a girardespues de aplicarle una carga, ademas se obtuvo quesin importar la direccion del impulso inicial, siempre ad-quirio un movimiento levogiro.
Finalmente, en la botella de Leyden se observo quedespues de aplicar las cargas y desconectar la fuente dealto voltaje, la botella aun contenıa carga, puesto quecuando se le acerco un caiman descargado a la terminalde la botella se obtuvo una gran chispa, mas aun, des-pues de haberlo tocado 4 veces mas la chispa continuosaliendo.
IV. Discusion
Al acercar el tubo de neon y el diodo LED al gene-rador de Van de Graaff se encendieron debido a que laintensidad de carga alrededor de la esfera era demasiadoalta, logrando incluso encenderlos sin necesidad de tocarla superficie de la esfera.
Las tiras de aluminio y papel se levantaron debido aque se encontraban cargadas por el contacto con el me-tal conectado a la fuente de voltaje. Cada tira adquiriola misma carga, por lo que se repelieron entre sı. Laschispas producidas por el acercamiento de un cable condistinta carga es debido a la diferencia de potencial entreambos objeto. Ademas la carga al rededor de las tiras eralo suficientemente alta que las moleculas del aire fueroncargadas, provocando que el aire se convierta un conduc-tor.
La pelota empieza chocar entre los discos debido a que,al activar la fuente de voltaje, la pelota se siente atraidapor una de las cargas de los discos, por lo que adquirıa lamisma su misma carga, provocando una repulsion y unaatraccion por parte del otro disco, volviendo a cargarsey a repetir el proceso.
El movimiento obtenido en el remolino es debido alefecto punta, lo que provoca que el giro sea en el sentidocontrario al de las puntas. En el caso de la llama suce-de lo mismo, puesto que al acercar el objeto con punta
cargado se puede apreciar un ”viento”provocado por elefecto punta.
Por ultimo, se tiene que la botella de Leyden funcionacomo un condensador que permite el almacenamiento decargas. Al estar construida por dos capas de un mate-rial conductor (aluminio) y entre ellas una capa de unmaterial no conductor (vidrio), encargado de disminuirel campo electrico presente. Esta configuracion permiteque al entrar en contacto con una fuente de voltaje, sealmacene la carga en una de las placas debido a la dife-rencia de potencial. Al momento de tocar con tierra laterminal de la bottella se observan chispas azules debidoal paso de corriente que ioniza el aire.
V. Conclusion
Con los experimentos realizados en esta practica sepuede concluir que, en base a los experimentos con elgenerador de Van de Graff y la botella de Leyden, losefectos de atraccion y repulsion entre cargas son capa-ces de producirse tanto en objetos solidos como a nivelmolecular.
Referencias
[1] Textos Cientıficos: Efecto coronahttp : //www.textoscientificos.com/fisica/transmision−energia/efecto− corona/~uno/abcde.html
[2] Revista Muy Interesante: Fuego de San Telmohttp : //www.muyinteresante.es/curiosidades/preguntas−respuestas/icomo− se− origina− el− fuego− de−san− telmo/~uno/abcde.html
[3] Ciencias Naturales: Electrostaticahttp : //cienciasnaturales −fisica.blogspot.mx/2007/03/electrosttica.html/~uno/abcde.html
[4] Castellanos Ortegon y Vija Suarez: BOTELLADE LEYDEN COMO INTRODUCCION A LOSCAPACITORES.http : //revistas.udistrital.edu.co/ojs/index.php/revcie/article/viewFile/805/1103/~uno/abcde.html
[5] Generador de Van de Graaffhttp : //www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campoelectrico/graaf/graaf.htm/~uno/abcde.html
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VI. Preguntas
Explicar el efecto puta, efecto corona y fuego de SanTelmo
El efecto punta ocurre cuando se le aplica una cargaa un objeto que termina en punta. Ocurre que todala carga se acumula en areas reducidas por lo quelas moleculas de aire al rededor de estas adquierense ionizan.
El efecto corona se presenta cuando el potencial deun conductor en el aire se eleva hasta valores quesobrepasan la rigidez dielectrica del aire que rodeaal conductor. La descarga va acompanada de un so-nido silbante y de olor de ozono. La corona se de-be a la ionizacion del aire; os iones son repelidosy atraıdos por el conductor a grandes velocidades,produciendose nuevos iones por colision. El aire ioni-zado resulta conductor y aumenta el diametro eficazdel conductor metalico. [1]
El fenomeno de ”fuego de San Telmo”se producecuando el campo electrico creado por una tormentaintensa ioniza el aire y hace que en su interior se for-me un plasma de partıculas cargadas que se muevenconjuntamente. Ese plasma adquiere un resplandorblanco azulado, que a veces tiene la apariencia deun haz de fuego. [2]
¿Como se carga un generador de Van deGraaff?¿Cual es la diferencia entre positivo y nega-tivo? El generador consta de dos poleas y una correaunida a ellas, en cada correa hay dos peines hechosde finos hilos de cobre. Sostenida por barras de ma-teriales aislantes se encuentra una esfera hueca don-de se acumula la carga transportada por la cinta.Un motor se encarga de hacer girar las poleas, pro-vocando el roce entre la cinta transportadora y lospeines de cobre, cargando ası el sistema. [5]
La carga del sistema dependera del material del queesten hechas las poleas, es decir, si la cinta esta hechade goma y la polea inferior de nylon cubierta conplastico, en la polea se creara una carga negativa yen la goma positiva, por lo que la cinta trasportaracarga positiva.
¿Por que se mueve la pelota?
Al encender la fuente de alto voltaje la pelota, quese encontraa neutralizada, se atrae hacia una de lasdos cargas presentes en los discos. En el momentoque choca contra uno de ellos, la pelota adquiere lamisma carga que el disco, por lo que se repelen entresı. La pelota se atrae hacia el otro disco con cargacontraria, volviendo a chocar y cargarse para repetirel proceso.
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¿Por que se mueve la flama?
Sabemos por el efecto punta que cuando un objetocargado termina en punta, sus cargas se acumulanen esta y las moleculas de aire al rededor adquierenla misma carga que la punta, por lo que se repelenentre sı. Por lo que al acercar la punta a la flama dela vela se observa como se lleva a cabo esta repulsion.
¿Por que se mueve el remolino?
Al igual que la flama, en el remolino se tiene que alalbergar gran carga en sus puntas estas se repelende las moleculas de aire a su alrededor, ocasionandogiros en un sentido contrario a las puntas.
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