INTEGRANTES:

Mesahuanca Huaman,

Ronald-10140141-

COMPUTACON

CIENTIFICA

Miranda Huayta, Joan

Freddy-10140335

COMPUTACION

CIENTIFICA

Jonathan J. Velásquez

Quesquén - 06140189

COMPUTACION FISICA

Lidia V. Ochoa Roldán-

09070111

ING. QUIMICA

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Perú, DECANADE AMÉRICA)

LaboratorioDe Física III

Experiencia N°1Cargas Eléctricas y

Cuerpos Electrizados

Objetivos:

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades 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.Conocer el funcionamiento y loa principios físicos de un generador electrostático-máquina de Wimshurt y la máquina de Van de Graff.

Fundamentos teóricos:

Desde la Antigua Grecia se conoce que al frotar ámbar con una piel, ésta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos de paja y plumas pequeñas. Su descubrimiento se le atribuye al filósofo griego Tales de Mileto (ca. 639-547 a.C.), quién vivió hace unos 2500 años.

El médico inglés William Gilbert (1540-1603) observó que algunos materiales se comportan como el ámbar al frotarlos y que la atracción que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al ámbar es elektron, Gilbert comenzó a utilizar el término eléctrico para referirse a todo material que se comportaba como aquél, lo que originó los términos electricidad y carga eléctrica. Además, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.

El descubrimiento de la atracción y repulsión de elementos al conectarlos con materiales eléctricos se atribuye a Stephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga es Charles du Fray, aunque fue Benjamín Franklin quién al estudiar estos fenómenos descubrió como la electricidad de los cuerpos, después de ser frotados, se distribuía en ciertos lugares donde había más atracción; por eso los denominó (+) y (-).

Sin embargo, fue solo hacia mediados del siglo XIX cuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre la electrólisis que realizó Michael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relación entre la electricidad y la materia; acompañado de la completa descripción de los fenómenos electromagnéticos por James Clerk Maxwell.

Posteriormente, los trabajos de Joseph John Thomson al descubrir el electrón y de Robert Millikan al medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga.

GENERADOR ELECTROSTATICO

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Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880).

Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto.

MÁQUINA DE WIMSHURST

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máximo que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperes.

MÁQUINA DE VAN DE GRAFF

Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

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En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de

Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F.

La polea F se acciona mediante un motor eléctrico.

Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday).

FUNCIONAMIENTO DEL GENERADOR DE VAN DE GRAAFF

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la 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

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura.

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.

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La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica).

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco.

Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

Materiales instrumentos:

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Procedimiento:

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Máquina de Van de Graff

Péndulos de tecnoport

Electroscopio

Máquina de Wimshurst modelo U15310

1. Coloque en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la Maquina de Wimshurst y de Van de Graff.

2. Máquina de Wimshurst

3. Identifique las partes de las máquinas de Wimshurst y de Van De Graff.4. Gire lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben

señalar, por arriba, hacia la izquierda y, por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45 , en relación con la barra de aislamiento.

5. Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y ante lo observado.6. Cierre el interruptor, anote lo observado.7. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. En los pasos anteriores 8. Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio, este

último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote sus observaciones.

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

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.

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

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.

13.Juego de campanas: colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

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.

15.Danza eléctrica colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de sauco de 5 a 8 unidades, y 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.

16.Aparato fumívoro; colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre éste 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 Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que los distancia dores del carril de rodamiento con bolas no caigan hacia un lado. Colocar 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 anote lo observado.

18.Máquina de Van Der Graff:

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19.Conecte la máquina de Van Der Graff, a la fuente de 220 V de C.A.20.Una vez encendido, la faja vertical comenzará a girar, observe lo que sucede al acercar el

electroscopio.21.Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 16, anote lo observado.22.Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo ángulo que se desvía

las hojuelas.

Respuesta a cuestionario

1.- ¿Cómo puede Ud. Determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport? Explique.

Péndulo de tecnoport.

Sabemos que la carga del vidrio es positiva, por lo tanto para averiguar el tipo de carga del tecnopor bastará con acercar el vidrio ionizado al péndulo de tecnopor y ver si este se acerca o se aleja.Si el tecnopor se alejara concluimos que tiene carga positiva, pero si se acercara tendrá carga negativa, pues cargas diferentes se repelen mientras que cargas iguales se atraen.

2.- En el experimento efectuado, ¿cómo podría explicar el principio de superposición? Explique.

El principio de superposición es cuando en el caso de la presencia de varias cargas, la fuerza resultante es la suma vectorial de las fuerzas debido a cada una de las cargas.

En este caso si se puede efectuar este principio porque existen cargas q van en sentido contrario y puedes sumarlas como vectores ya q para estos pasos se aplica este método de superposición como en el gráfico:

En los experimentos realizados sería calculando la cantidad de energía que pasa por las diferentes partes de las máquinas hasta llegar a las diferentes piezas que detectan la electricidad.

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

otro?

Claro la distribución de cargas es depende del objeto expuesto uno a otro por ejemplo ya q la carga del vidrio es positiva si se acerca a un objeto q tenga carga positiva es claro q se van a repeler pero si se acerca a un ojeto q tenga carga negativa es claro q se van a atraer.

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

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POR FROTAMIENTO O FRICCIÓN

5.- ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique

detalladamente.

El cuerpo humano es un conductor de energía eléctrica. Esa es la razón más sencilla para explicar las descargas de corriente que sufre un automovilista cuando se baja de su vehículo y siente un chispazo al hacer contacto con otra pieza metálica.

Este fenómeno es llamado electricidad estática y es idéntico cuando saludamos a alguna persona y se produce una descarga eléctrica; o al quitarnos un chaleco escuchamos un sonido metálico en repetidas ocasiones. Nuestro organismo tiene energía y puede almacenarla, ya que trabaja como un condensador capaz de almacenar pequeñas dosis de electricidad.

En los automóviles, generalmente ésta se produce gracias al roce con el viento en un clima seco .Entonces, el conductor absorberá parte de esa energía, cuando esté manejando mientras no toca tierra. El cuerpo guarda la electricidad, cuando aterriza asuelo esa energía se descarga y hace contacto en un objeto metálico u otra persona. De esta forma, los electrones y protones se trasladan.

La ropa sintética adherida los asientos del coche de igual material, almacena mayor cantidad de electricidad en nuestro cuerpo producto del roce. Esto unido a zapatos con una gruesa suela de goma (que alejan nuestras pisadas de tierra y aumentan el almacenamiento de corriente), logra una descarga más fuerte También es posible que al traer portafolios sintéticos o de material poliuretico, se logre al contacto de nuestro cuerpo o ropas producir y acumular electricidad estática. Los aviones se descargan por la humedad del aire.

6.-Un objeto cargado positivamente se acerca 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 cierran, pues está habiendo un acomodamiento de cargas, al acercar más el objeto a la esfera metálica del electroscopio sin llegar a tocarla estas laminillas se abren, pues ya hubo un mejor acomodamiento y la parte de la esfera del electroscopio está cargada positivamente parcialmente, por lo que en la parte inferior las laminillas se cargan negativamente parcialmente por lo que se rechazan. Entonces la carga del electroscopio es neutra solo hubo un reordenamiento de cargas que sumadas dan cero ya que es por inducción.

7.- ¿Qué función cumplen las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst?

Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880).

Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se

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montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de micro amperes.

8.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor característico, Investigue a q

se debe ese olor.

Un generador eléctrico es todo dispositivo capaz de mantener una diferencia de potencial eléctrico entre dos de sus puntos, llamados polos, terminales o bornes. Los generadores eléctricos son máquinas destinadas a transformar la energía mecánica en eléctrica. Esta transformación se consigue por la acción de un campo magnético sobre los conductores eléctricos dispuestos sobre una armadura (denominada también estátor). Si mecánicamente se produce un movimiento relativo entre los conductores y el campo, se generará una fuerza electromotriz (F.E.M.). Están basados en la ley de Faraday.

Un generador es una máquina eléctrica que realiza el proceso inverso que un motor eléctrico, el cual transforma la energía eléctrica en energía mecánica. Aunque la corriente generada es corriente alterna, puede ser rectificada para obtener una corriente continua. En el diagrama adjunto se observa la corriente inducida en un generador simple de una sola fase. La mayoría de los generadores de corriente alterna son de tres fases.Cuando la carga es ionizada produce un olor particular y por eso que la maquina desprende este olor.

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

Una superficie puntual tiene área muy pequeña y si está cargada, la densidad de carga eléctrica se hace máxima en dicha punta, tanto así que las cargas ahí acumuladas tienden a escaparse más o menos con gran fuerza, generando él llamado “viento eléctrico” capaz de apagar una vela. Una aplicación directa de este fenómeno es el pararrayos. Electroscopio cargado negativamente. Al conectar el electroscopio a Tierra, los electrones del primero escaparán hacia Tierra hasta que el electroscopiologre ser descargado. También 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 Benjamín 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

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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.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van de Graaff

Podemos darle función en:1.-Gracias al generador podemos hacer experimentos de ruptura dieléctrica en alta tensión sin peligro para el que los realiza.2.- Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X.3.- Esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.4.- Comprender otras variantes del generador de Van de Graaff, como son elVivieron o el Pelletron capaces de conseguir tensiones de 30 Mega voltios

Conclusiones:

El funcionamiento de la máquina de Wimshurst pone de manifiesto conceptos básicos de la electrostática como la existencia de la carga eléctrica, la repulsión entre cargas del mismo género y atracción de las opuestas. Polarización de los dieléctricos, (en los discos, para poder inducir cargas). La presentación de esta máquina nos cautiva pues pone en manifiesto que la electricidad es una propiedad de la materia y no un producto que llega a nuestras casas por medio de cables.El generador de Van der Graf produce electricidad electrostática, lo cual significa la reunión de electrones en reposo que se transfieren al cuerpo que entra en contacto con él, siempre y cuando este cuerpo tenga diferente carga o menor carga. La electricidad estática se puede transferir a un cuerpo que está aislado, y este gana aún más cargas.

Bibliografía:

Paul A. Tipler – Gene Mosca, “Física para la ciencia y la tecnología” Editorial Reverté S.A (pp.684-685 )http://calima.univalle.edu.co/revista/Vol36_2/articulos/pdf/3602430.pdfhttps://sites.google.com/site/fisicacbtis162/services/2-1-3-generador-de-van-de-graffElectrostática y MagnetismoAutor: Lic. Humberto Leyva NaverosMoshera SRL

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