electróstatica actividades experimentales

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

ELECTROSTÁTICA Actividades con el Generador Electrostático Van de Graaff

y el Graficador de Líneas Equipotenciales

HÉCTOR COVARRUBIAS MARTÍNEZ

FERNANDO FLORES CAMACHO

EDUARDO JOSÉ VEGA MURGUÍA

JESÚS MANUEL CRUZ CISNEROS

JUAN SALVADOR PÉREZ LOMELÍ

HUMBERTO ÁNGEL ALBORNOZ DELGADO

ISIDRO GABRIEL LEYVA ALATRISTE

LAURA TALÍA ESCALANTE RODRÍGUEZ

2010

JUAN SALVADOR PÉREZ LOMELÍHUMBERTO ÁNGEL ALBORNOZ DELGADOISIDRO GABRIEL LEYVA ALATRISTE LAURA TALÍA ESCALANTE RODRÍGUEZ

Se agradece la colaboración por el diseño editorial de esta obra a:Mercedes Del Valle MerinoDeydreth Martínez Álvarez

México D.F., Ciudad Universitaria, 2010

HÉCTOR COVARRUBIAS MARTÍNEZFERNANDO FLORES CAMACHOEDUARDO JOSÉ VEGA MURGUÍAJESÚS MANUEL CRUZ CISNEROS

CRÉDITOS

Derechos Reservados © 2010Prohibida la reproducción total o parcial

de esta obra, por cualquier medio, sin la autorización escrita del editor

Electrostática


Contenido Pág.

1. Carga Eléctrica (se utiliza el electroscopio) 4 2. Inducción Eléctrica (se utiliza el electroscopio) 11

3. Experiencias con el Van de Graaff 16

4. Líneas equipotenciales 20

5. Motor eléctrico con imanes 32

Bibliografía 39

Partes del Electroscopio 40

Instructivo de operación y cuidado 41

Partes del Generador electrostático Van de Graaff 42


Partes del Graficador de líneas Equipotenciales 44

Instructivo de operación, cuidado y recomendaciones 45

Partes del Motor eléctrico 47


Electrostática 4


1. Carga Eléctrica

En la vida cotidiana tenemos experiencias de fenómenos eléctricos como cuando se levanta el cabello al quitarnos un suéte, la atracción de papelitos por una regla después de haber sido frotada con el cabello, o los toques que nos damos al saludar a otra persona después de habernos frotado sobre una alfombra o un asiento de tela sintética, etcétera.

• ¿Cómo es posible que ocurran estos fenómenos? • ¿Qué ocurre cuando se frotan los objetos? • Además de atracciones ¿puede haber repulsiones? •¿Qué es la electricidad? ¿Qué propiedades tiene?

Son algunas de las preguntas que surgen para buscar explicaciones de los fenómenos arriba mencionados.

Algunos fenómenos eléctricos de este tipo eran conocidos por los antiguos griegos, Tales de Mileto, menciona el poder atractivo del ámbar al ser frotado y de la magnetita o piedra imán. Sin embargo, es hasta el siglo XVII en que registran nuevas y sistemáticas indagaciones de los fenómenos eléctricos que a través de los siglos han ido formando un esquema explicativo congruente que se completa hasta el siglo XIX con las ideas de carga eléctrica.

Pero, ¿cómo sistematizar, integrar y analizar las observaciones de algunos fenómenos eléctricos? y ¿qué esquema se puede generar para explicarlos?

Indagación de ideas

Antes de iniciar esta actividad experimental, contesta las siguientes preguntas

1. ¿Por qué un peine o una regla de plástico frotado atrae trocitos de papel o a tú cabello?

2. ¿Por qué al frotar dos cuerpos, éstos se electrizan?3. En algunas ocasiones cuando sales de un automóvil o saludas a otra

persona sientes un toque eléctrico, ¿cómo y por qué crees que esto ocurre?

4. Si frotas dos globos con el mismo trozo de lana o con tu cabello y los cuelgas separados por una distancia de 10 cm, ¿qué les sucede? ¿Por qué?

5. ¿Qué entiendes por carga eléctrica?

Electrostática 5

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOMaterial

• 1 Electroscopio• 2 Esferas metalizadas o pelotas de ping-pong cubiertas con pintura

metálica• 1 Barra de vidrio de 1 cm de diámetro aproximadamente• 1 Barra de PVC de 1 cm de diámetro aproximadamente• 2 m de hilo nylon delgado• 1 Trozo de lana o seda• 1 Trozo de material sintético como nylon o hule espuma• Cinta adhesiva

Procedimiento

Cargando las esferas

• Atadas con el hilo nylon, cuelga del techo o de una barra las dos esferas metalizadas. Los hilos deben caer verticales. Inicialmente, separa una de las esferas para trabajar con la otra que cuelga, como se muestra en la figura 1.1.

• Frota la barra de vidrio con el hule espuma o la tela de nylon, y sin tocarla, acércala a la esfera que cuelga, observa cuidadosamente lo que ocurre. Después, toca la esfera con la barra ¿qué pasa ahora? Si de nuevo intentas tocar la esfera con la barra ¿se puede, es fácil hacerlo?

Figura 1.1.

• Frota la barra de plástico o PVC con la tela y acércala a la esfera procurando no tocarla ¿qué ocurre?

• Ahora, deja las dos esferas verticalmente colgadas y juntas. Toca ambas con la barra de vidrio. ¿Qué ocurre entre las esferas? ¿Qué pasa si les acercas la barra de vidrio sin tocarlas? ¿Qué pasa si les acercas la barra de plástico o PVC sin tocarlas?

• De nuevo, acomoda las dos esferas verticalmente colgadas. Toca una con la barra de vidrio y la otra con la barra de plástico o PVC ¿Qué ocurre entre las esferas?

Electrostática 6


Cargando el electroscopio por contacto

• Frota las barras y acércalas a la esfera del electroscopio sin tocarla, como se muestra en la figura 1.2. En cada caso ¿qué le ocurre a la aguja interior del electroscopio?

Figura 1.2.

• Ahora toca con la barra de vidrio la esfera y después acerca de nuevo cada una de las barras sin tocar la esfera. ¿Qué pasa con la aguja?¿Qué pasa si tocas la esfera con la mano?

• Sin tocar con la mano, ¿cómo le haces para que la aguja gire y quede abierta? ¿Cómo le haces para que se cierre la aguja?

• Repite las pruebas pero ahora toca el electroscopio con la barra de plástico o PVC. ¿Con qué barra se abre más la aguja, con cuál se cierra? Compara lo que ocurre en ambos casos.

Registra cuidadosamente tus observaciones.

Cargar por Frotamiento

En general, se considera que todos los objetos tienen carga eléctrica, se reconocen dos tipos de carga eléctrica: Positiva “+” y Negativa “-“, y todos los objetos contienen ambos tipos de cargas. La mayoría de los cuerpos parecen no estar cargados debido a que tienen ambos tipos de carga en igual cantidad de manera que neutralizan sus efectos a su alrededor, como se muestra en la figura 1.3.

Electrostática 7


+ +

+ + -

- -

-

+-

+ - - + +-

- +

- + +-+ - -+

Figura 1.3.

Al frotar dos objetos entres sí, estos intercambian cargas de manera que uno queda cargado positivamente y el otro negativamente, como se muestra en la figura 1.4. El tipo de carga que queda en cada objeto depende de múltiples factores. Por procedimientos experimentales se ha elaborado una lista ordenada de materiales denominada serie triboeléctrica, que indica qué cargas tendrán dos objetos hechos con dichos materiales después de frotarse. Para identificar las cargas que obtienen las varillas y las telas o plásticos al frotarse entre sí, puedes consultar dicha serie en tus libros de texto o por internet. Una de las direcciones electrónicas que puedes consultar es: http://focuslab.lfp.uba.ar/public/VandeGraaff/

+-

+ - - + +-+ +

+ + -

- -

- +-

+ - - + +-+ +

+ + -

- -

-

AL FROTAR

+ +

+ + -

- +

+

--

+ - - + --

- -

+ + -

- -

-

++

+ - - + ++

CARGADOS DESPUÉS DE FROTAR

Figura 1.4.

Cargando por contacto

Cuando un objeto cargado eléctricamente se acerca a otro que no está cargado, en éste se separan las cargas que lo constituyen atrayendo las cargas opuestas a la carga del objeto que se acerca, y por lo mismo atrayendo al segundo objeto. Si este objeto es de plástico, la separación de cargas es en una pequeña región del objeto, pero si es metálico entonces

Al frotar

Cargados después de frotar

Electrostática 8


en su extremo cercano se ubican las cargas opuestas al primer objeto que se acerca y en el extremo lejano las cargas semejantes. Al hacer contacto los dos objetos, hay intercambio de cargas de manera que el efecto neto es que el segundo objeto queda cargado con una carga igual a la del primero.Ver las figuras 1.5. y 1.6.

+ +

+ + -

- +

+

+ + --

- +

+ + -

- +

+

+ + +-

Figura 1.5.

- -

+ + -

- +

+

+ +

+ -

+

-

+ +

+ +

+ +

- - -

-

+ +

+ + -

- +

+

Figura 1.6.

Análisis de resultados

Anota las observaciones y las respuestas a las preguntas en forma sistemática en las tablas 1.1. y 1.2. siguientes.

Cargando las esferas

¿Qué pasa cuando se carga una esfera al tocarla con una de las barras?

Electrostática 9


CARGANDO UNA ESFERA

BARRAFROTADA CON LA TELA DE

AL ACERCAR LA BARRA A UNA ESFERACARGA DE LA

BARRAANTES DE TOCARLA AL TOCARLA DESPUÉS DE

TOCARLA

Vidrio

NylonPlástico

PVCNylon

Plástico

Tabla 1.1.

De acuerdo a la serie o lista triboeléctrica ¿cuál se consideraría que es la carga de las barras después de ser frotada con las telas o el plástico?Cuando tocas una esfera con una de las barras, trata de explicar por qué inicialmente se acerca la esfera y después se repele al intentar acercar de nuevo la barra con que hiciste contacto.¿Qué pasa cuando se cargan las dos esferas al tocarlas con las barras?

CARGANDO LAS DOS ESFERAS

ESFERA OCURREBARRA QUE LA TOCA

CARGA AL ACERCARLAS ENTRE SÍ

AL ACERCAR VIDRIO

AL ACERCAR PVC

12121212

Tabla 1.2.

¿Por qué ocurre así? ¿Cuál es la carga de las esferas cuando las tocas con las barras?¿Qué pasa cuando una esfera la cargas por contacto con una de las barras y la otra esfera con la otra barra? ¿Por qué crees que ocurre así?Explica ¿Cómo se carga la esfera al ser tocada por la barra y por qué la carga de la esfera es del mismo tipo que el de la barra que la toca?

Cargando el electroscopio por contacto

¿Qué ocurre cuando acercas las barras de vidrio y de PVC al electroscopio sin tocarlo? ¿Qué ocurre si cargas el electroscopio con las barras?

CARGANDO EL ELECTROSCOPIO POR CONTACTO

BARRAOCURRE AL AL ACERCAR LA BARRA CARGA DEL

ELECTROSCOPIOTOCARLO RETIRARLO VIDRIO PVCVidrioPVC

Tabla 1.3.

Electrostática 10


¿Por qué cuando acercas una de las barras, sin tocar el electroscopio, se abre la aguja y cuando la retiras se vuelve a cerrar, pero si lo tocas, la aguja queda abierta?

¿Cuál es la carga del electroscopio?¿Cómo explicas qué si de nuevo acercas la barra con que cargaste el electroscopio, la aguja se abre más, pero si acercas la otra barra la aguja se cierra?

¿Cómo le hiciste para que la aguja se cerrara después de haber cargado el electroscopio? En este caso, ¿qué le paso al electroscopio?

Si revisas todas las experiencias, podrías explicar ¿por qué se considera que hay dos tipos de cargas elécticas: Positiva “+” y Negativa “-”.

¿Cómo deben ser las cargas de dos objetos para que se atraigan y para que se rechacen?

¿Los efectos entre los objetos cargados indican que se ejercen fuerzas?

Aplicaciones

Hay diversas aplicaciones de las cargas eléctricas estáticas. Algunas de éstas estan en los aparatos para detener el humo del cigarro o de hornos en fábricas, la impresión en fotocopiadoras e impresoras láser conectadas a las computadoras. Revisa en internet, en enciclopedias o en tus libros de física, algunas de estas aplicaciones, describe cómo funcionan y cuál es la aplicación específica de la carga eléctrica.

En los siglos XVIII y XIX se desarrollaron diversas máquinas electrostáticas, como la de Wimshurst. Busca en internet, enciclopedias o libros de física, cómo funciona alguna de estas máquinas y detalla específicamente cuáles son las características eléctricas de su funcionamiento.

Los modelos atómicos de Thomson y Rutherford consideran a los átomos formados por partículas diversas. Busca en internet, enciclopedias o libros de física o química cuáles son estos modelos y dónde se encuentran las partículas cargadas; ¿éstas son de un solo tipo o son de los dos? ¿Estos modelos del átomo son eléctricamente neutros o tienen una carga eléctrica efectiva?

Electrostática 11


2. Inducción eléctrica

Cargar los objetos al frotarlos o por contacto de un objeto cargado con otro, es algo cotidiano. El efecto eléctrico de los objetos cargados se siente y se logra pese a que se esté alejado de ellos, como por ejemplo, cuando se acerca el peine o la regla a los trocitos de papel o sobre nuestra piel. Este efecto también se ve en el electroscopio cuando se le acerca la varilla cargada y se mueve la barra indicadora de carga eléctrica antes de tocarla.

¿Podrá cargarse permanentemente el electroscopio sin tocarlo con la barra cargada? Si es así, ¿cómo se puede cargar el electroscopio? ¿Cómo será la carga del electroscopio en comparación con la carga de la barra, igual o diferente al de la barra?


Para iniciar la actividad, contesta las siguientes preguntas:

Si tienes el electroscopio descargado (sin carga eléctrica neta) y le acercas una barra con carga negativa, como se muestra en la figura 2.1.

- -

+ + -

- -

-

Figura 2.1.

1. ¿Qué le pasa al indicador de carga eléctrica del electroscopio cuando acercas la barra? Explica por qué crees que ocurre así.

2. ¿Cómo le harías para cargar el electroscopio con carga negativa? Explica por qué seguirías dicho procedimiento.

3. ¿Cómo le harías para cargar el electroscopio con carga positiva? Explica por qué seguirías dicho procedimiento.

4. ¿En qué se parecen y en qué se diferencian los procedimientos propuestos en las respuestas de las preguntas 2 y 3?

Electrostática 12

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOMaterial

• 1 Electroscopio• 2 Esferas metalizadas o pelotas de ping-pong pintadas con

pintura metálica• 1 Barra de vidrio de 1 cm de diámetro aproximadamente• 1 Barra de PVC de 1 cm de diámetro aproximadamente• 1 Trapo de lana o seda• 1 Trapo de material sintético como nylon o trozo de hule espuma• 2 m de hilo nylon delgado• Cinta adhesiva

Procedimiento

Cargando una esfera por inducción

• Cuelga las dos esferas metalizadas de manera que estén en contacto y los hilos se mantengan separados a la misma distancia desde arriba hasta las esferas, como se muestra en la figura 2.2.

Acercando la barra cargada eléctricamente

Separando las esferas

Figura 2.2.

• Acerca una de las barras cargadas a una de las esferas sin tocarla, ¿qué le ocurre a la otra esfera?

• Desde arriba, separa las esferas y aleja la barra, ¿qué ocurre con las esferas cuando retiras la barra? ¿Cómo lo explicas? Tal vez convenga que las acerques un poco.

• Si de nuevo acercas la barra a cada una de las esferas sin tocarlas, ¿qué le ocurre a éstas, son atraídas o repelidas? ¿Puedes afirmar que están cargadas? ¿Estas cargas son iguales o diferentes a las de la barra?

Electrostática 13


Cargando el electroscopio por inducción

• Con el electroscopio descargado (el indicador de carga eléctrica cerrado), acerca una de las barras sin llegar a tocar la esfera. Toca brevemente la terminal del electroscopio con la mano (como se muestra en la figura 2.3.) o con un objeto largo de metal, por ejemplo una regla, clavo o aguja, y finalmente, retira la barra. ¿Qué le pasa al indicador de carga eléctrica del electroscopio?

Figura 2.3.

• ¿Qué pasa si de nuevo acercas la barra?

• ¿Puedes afirmar que el electroscopio se ha cargado eléctricamente? Si es así, ¿esta carga es igual o diferente a la de la barra?

• Registra cuidadosamente tus observaciones.

Cargando por inducción

Cuando se acerca la barra cargada eléctricamente a las esferas, las cargas eléctricas de ambas esferas se redistribuyen de manera que son atraídas a la esfera cercana a la barra, las cargas que son opuestas a la carga de la barra, mientras que las cargas iguales son repelidas a la esfera que está más alejada.

Al separar las esferas, cada una tiene carga diferente, de manera que deben de atraerse cuando se aleja la barra. Ver la figura 2.4.

Electrostática 14


Acercando la barra cargada eléctricamente

+ + + ++++ -

Separando las esferas

+ - + + + +++

Figura 2.4.

Cuando acercas el dedo o una varilla metálica a la terminal del electroscopio, se neutraliza la carga del indicador de carga eléctrica, manteniéndose en la terminal una carga opuesta a la de la barra. Al retirar el dedo y la barra cargada, la carga de la terminal se redistribuye por el electroscopio hasta el indicador de carga eléctrica, quedando cargado con una carga opuesta a la de la barra. Ver la figura 2.5.

+ +

+ + -

- +

+

- = - =

+ -

- +

+ -

- +

= = -

- +

- -

--

=

-

-

+

+

+

Figura 2.5.


Anota las observaciones y las respuestas a las preguntas en forma sistemática en la tabla 2.1. siguiente.

Cargando una esfera por inducción

Describe qué hiciste y qué observaste cuando acercaste la barra cargada eléctricamente a las esferas.

Electrostática 15


¿Qué pasó con las esferas cuando retiraste la barra? ¿Tuviste que acercar las esferas?

¿Qué pasó con las esferas cuando de nuevo les acercaste la barra cargada?

¿Puedes asegurar que las esferas estaban cargadas? ¿Cómo lo averiguaste? Si es así ¿cómo son sus cargas comparadas con las de la barra?

CARGANDO UNA ESFERA POR INDUCCIÓN

Esfera Al acercar la barra cargada

Al retirar la barra cargada Carga de las esferas

Esfera 1Esfera 2

Tabla 2.1.

Cargando el electroscopio por inducción

Describe lo qué hiciste y observaste al cargar el electroscopio por inducción.

¿Qué ocurre cuando de nuevo acercas las barras al electroscopio?

¿Qué tipo de carga es con la que se carga el electroscopio? ¿Es igual a la de la barra que se le acercó para cargarlo o es diferente?

¿Cómo explicas que el electroscopio se cargue sin que la barra lo toque?

¿Por qué se cierra el indicador de carga eléctrica cuando lo tocas y después se abre cuando retiras la mano y la barra?

¿Por qué su carga es del tipo diferente a la carga de la barra que acercaste?

Tanto el electroscopio como las esferas los cargaste eléctricamente sin tocarlos con la barra cargada. En ambos casos, al procedimiento que seguiste se denomina “cargando por inducción”. Aparte de no haber tocado los objetos con la barra, describe que otras características en común tienen ambos procedimientos y sus resultados. Trata de describir una definición del proceso de “cargar por inducción”.

Aplicaciones

De las aplicaciones que investigaste al final de la actividad CARGA ELÉCTRICA, revisa si corresponde a procesos de carga por inducción.

El capacitor es uno de los dispositivos eléctricos más importantes. En éste, el material dieléctrico o aislante se carga por inducción. Investiga que pasa con las cargas dentro del capacitor y por qué se considera que ocurre el proceso de carga por inducción.

Entre los primeros capacitores inventados, está el llamado “Vaso de Leyden”. Averigua en qué consiste éste y cómo funciona.

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3. Experiencias con el van de Graaff

Se sabe que una de las formas de cargar eléctricamente un cuerpo es mediante la fricción con otro. Basándose en esta característica se construyó la máquina electrostática de Wimshurst, que fue muy utilizada en las escuelas durante muchos años y con la cual se podían alcanzar voltajes altos. Sin embargo, la investigación requería de generar voltajes aún más grandes y de forma continua. Esto llevó al desarrollo de un generador de carga eléctrica por el físico Robert Jamison Van de Graaff en 1931. Este generador consiste en una banda elástica ancha colocada entre dos poleas, que se mueve mediante un motor eléctrico. En cada uno de los extremos de la banda están dos escobillas metálicas, una de ellas está conectada a tierra y la otra a una esfera metálica, de manera que, conforme la banda se mueve la esfera se carga eléctricamente.


• ¿Cómo podemos detectar el campo eléctrico que genera el Van de Graaff?

• ¿Qué experiencias eléctricas podemos llevar a cabo con este generador?

A continuación se proponen algunas actividades.

Material

• 1 Generador Electrostático Van de Graaff• 1 Electroscopio• Globos inflados• Hilo nylon

Electrostática 17

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOProcedimiento

• Pon a funcionar el Van de Graaff durante unos segundos, en seguida acerca el electroscopio a la esfera del generador y observa lo que sucede con la aguja del electroscopio. Ver la figura 3.1.

Figura 3.1. Esquema de la inducción eléctrica que genera el Van de Graaff en el electroscopio

• Observa cuidadosamente lo que sucede con la aguja del electroscopio. ¿Notas alguna relación entre la aguja del electroscopio con la distancia entre éste y la esfera del Van de Graaff?

• Aleja el electroscopio de la esfera del Van de Graaff y observa lo que pasa con la aguja. ¿Notas hasta qué distancia la aguja deja de moverse?

• Con cuidado acerca el electroscopio hasta tocar la esfera del Van de Graaff (esto lo debes hacer tomando el electroscopio por la base para no recibir una descarga eléctrica). ¿Qué ocurre?

• Ata un hilo a los globos para que puedas colgarlos. Acerca uno de los globos a la esfera del Van de Graaff. Ahora aléjate del generador e intenta juntar los globos. ¿Qué sucede con el globo después de juntarlo con la esfera?

• Después de haber puesto en contacto el globo con la esfera del generador, une el globo al electroscopio, ¿notas alguna reacción en la aguja del electroscopio?

Electroscopio

Van de Graaff

Electrostática 18


Podrás darte cuenta que cuando acercas el electroscopio al Van de Graaff, no se te pide que lo acerques en una dirección determinada, de manera que lo puedes hacer de arriba hacia abajo, de izquierda a derecha o en la dirección que elijas. Esto lleva a pensar que la interacción entre los dos objetos es de carácter radial, es decir, la interacción se presenta en todas direcciones.

Seguramente habrás notado que la aguja del electroscopio se desplaza más entre más cercano esté con la esfera del Van de Graaff, de manera que la interacción entre el electroscopio y la esfera es mayor cuando la distancia entre ellos es menor.

Al poner en contacto el globo con la esfera, observarás que el globo trata de alejarse de la esfera, es de suponer que el globo adquiere esa propiedad que posee la esfera, en otras palabras, parte de la “carga eléctrica” de la esfera se trasfiere al globo, ambos cuerpos poseen entonces la misma carga eléctrica.

Otro de los fenómenos que seguramente notaste fue que, cuando pusiste en contacto el globo cargado electrostáticamente con el electroscopio, la aguja de éste se mantuvo desplazada aún cuando el globo fue despegado del electroscopio. ¿Qué indica eso?


Lo observado con el electroscopio

Describe lo que hiciste y observaste cuando usaste el electroscopio. ¿Qué le ocurre al electroscopio cuando lo acercas y alejas de la esfera del Van de Graaff? ¿Existe alguna relación entre la abertura de la aguja con la distancia al generador?¿Qué otra relación conoces que se comporte de esa manera?

Después de que el electroscopio hace contacto con la esfera del generador ¿Qué le sucede a la aguja del electroscopio cuando éste lo acercas o alejas del generador?

Lo observado con los globos

• ¿Qué les sucedió a los globos después de que tocarón la esfera del Van de Graaff?

• ¿Qué le paso al electroscopio cuando lo acercaste al globo?• ¿Qué ocurre entre los globos?• ¿Cómo explicas lo que pasa con los globos?

Electrostática 19


De lo observado en las actividades anteriores, se puede advertir que existe una relación inversa entre la interacción entre los objetos cargados y la distancia entre ellos.

A la región de espacio en torno a un objeto cargado electrostáticamente donde se pone de manifiesto los efectos de esté objeto, se le denomina Campo Eléctrico.

El electroscopio es entonces un aparato que sirve para detectar la presencia de cargas electrostáticas y de cómo éstas se distribuyen en una región del espacio.

Aplicaciones

Existen generadores Van de Graaff de una gran capacidad de carga que permiten generar voltajes muy altos de varios miles de voltios. Su primera aplicación en la investigación fue la de acelerar partículas y de esta manera poder hacer estudios sobre la naturaleza de la materia, al hacer chocar partículas que viajan a gran velocidad. En la actualidad se emplean otros mecanismos mucho más podersos donde las partículas subatómicas se aceleran a velocidades muy grandes, lo que ha permitido conocer la estructura de la materia.

Sin embargo, el Van de Graaff se utiliza en la actualidad para hacer demostraciones en museos de ciencia y en los laboratorios escolares. Una de las experiencias favoritas de los museos es levantar los cabellos de las chicas cuando tocan el generador. ¿Cómo debe tocarse el generado para que se levanten los cabellos pero no se den toques? ¿Qué condiciones deben cumplirse para que la carga del generador no vaya a tierra teniendo como conductor a la persona que lo toca?

Hay muchas demostraciones interesantes con un generado Van de Graaff. Encuentra en Internet al menos tres que te parezcan muy interesantesPuedes llevarlas a cabo en tu laboratorio.

Electrostática 20


4. Líneas equipotenciales

Para explicar la interacción entre objetos con carga eléctrica, en el siglo XIX, Michael Faraday propuso la idea de Campo Eléctrico como la entidad física responsable de dicha interacción, ya sea que las cargas se consideren puntuales, como en la ley de Coulomb o distribuidas en una superficie como por ejemplo, en la esfera del Van de Graaff o a lo largo de una barra que ha sido cargada.

El campo se encuentra alrededor de los objetos cargados, así como dentro y en la superficie de ellos, dependiendo del material de que están constituidos y de sus características internas. Para describir cómo interacciona ese campo con otro, es decir con otros objetos cargados, Faraday inventó las denominadas Líneas de Fuerza, las cuales indicaban la dirección y la intensidad de la fuerza eléctrica que se aplicaban sobre una partícula puntual con carga positiva que era afectada por una carga o una distribución de cargas determinada.

Junto con el desarrollo de la idea de campo, se analizó el cambio en la energía potencial eléctrica (Trabajo) por unidad de carga, denominado Diferencia de Potencial Eléctrico, que ocurre al moverse una carga puntual inmersa en el campo. Este cambio, fundamentalmente depende de la posición inicial de la que parta la carga y de la posición final a la que llega, independientemente de la trayectoria que siga.

Un caso especial ocurre cuando, al moverse la partícula cargada, los cambios de potencial eléctrico son nulos, es decir, la partícula se mueve por aquel conjunto de puntos que tienen el mismo potencial, de manera que su cambio de potencial es cero. Estas trayectorias son denominadas Superficies Equipotenciales si se consideran en el espacio, o Líneas Equipotenciales si se consideran sobre una superficie. Estas regiones son útiles para describir el campo eléctrico junto con las líneas de fuerza. Una relación importante entre las superficies o líneas equipotenciales con las líneas de fuerza, es que son perpendiculares entre sí.

• ¿Cómo dependen las líneas equipotenciales de la distribución de la carga eléctrica?

• ¿Qué relación tienen las líneas equipotenciales con el campo eléctrico y cómo lo describen?

• ¿Puede hablarse de diferencia de potencial en el espacio intermedio que hay entre dos cargas o sólo de una carga a otra?

Electrostática 21

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOIndagación de ideas

Antes de plantear alguna actividad contesta las siguientes preguntas:

1. ¿Qué entiendes por líneas o superficies equipotenciales?2. Recordando lo que ocurre alrededor de un generador Van de Graaff

¿cómo describirías el campo eléctrico a su alrededor? ¿Cómo serían sus superficies equipotenciales?

3. Si hubiera dos generadores Van de Graaff en el mismo laboratorio, uno con carga positiva y otro con carga negativa, como se muestra en la figura 4.1. ¿Cómo describirías el campo eléctrico? ¿Cómo variaría esta descripción si se alejarán o se acercaran los dos generadores? ¿Cómo serían sus superficies equipotenciales en ambos casos? Puedes hacer tu descripción dibujando sobre la figura.

Dos generadores uno con carga positiva y otro negativa

Figura 4.1.

Material

• 1 Graficador de líneas equipotenciales• 6 Hojas de papel conductor (se recomiendan las de la marca

PASCO, Catálogo No. PK-9025)• 1 Fuente de poder de CC o 4 pilas de 1.5V en su porta-pilas• 2 Cables con al menos una terminal tipo banana en cada uno

(para conectar la fuente al graficador)• 1 Multímetro o medidor de voltaje con rango de 0 a 10V y cables

de prueba• 2 Puntas semiesféricas para adaptar el multímetro para medir el

voltaje sobre el papel conductor• 1 Plumón de tinta metálica o conductora• 1 Regla • 1 Plantilla de círculos o figuras (opcional)

Electrostática 22


• Un recurso experimental sencillo para identificar como son las líneas equipotenciales del campo producido por dos zonas cargadas eléctricamente, es usar papel conductor en el que se dibujan diversas zonas con pintura metálica, dándoles la forma que se deseé. Estas zonas se conectan a una pila o a una fuente de poder para cargarlas y así tener una diferencia de potencia entre las figuras.

• Las formas de las zonas cargadas y su ubicación en la hoja, definen una configuración de distribución de cargas eléctricas, determinando a su vez, una configuración específica del campo eléctrico que se genera en la superficie. Algunas figuras posibles son las siguientes (ver la figura 4.2.):

Figura 4.2.

• En las configuraciones donde hay un círculo pequeño dentro de un círculo grande, la línea punteada indica que el cable que conecta a la fuente de poder o a la pila se conecta directamente al círculo pequeño.

Electrostática 23


• Las hojas conductoras con las configuraciones pintadas se colocan sobre el bastidor del graficador y se insertan en los esquineros, mientras que las pinzas de contacto eléctrico se ubican sobre los cuadrados. La fuente de poder o las pilas se conectan a los bornes del graficador para proporcionarle un voltaje entre 3 y 5V.

• Con el medidor de voltaje registra los valores de voltaje entre dos puntos cualesquiera sobre el papel. Procura evitar que se maltrate el papel.

• ¿Cómo son los voltajes en cada una de las posiciones elegidas?

• ¿Dónde colocas las puntas para obtener un voltaje máximo y dónde las colocas para obtener un voltaje mínimo o igual a cero?

• ¿Qué pasa con el voltaje medido si acercas o alejas entre sí las puntas del medidor?

• ¿Cómo cambia el voltaje cuando intercambias de posición las puntas del medidor?

• Para las localizaciones de las líneas de potencial, selecciona 5 o 6 valores intermedios del voltaje de la alimentación de la fuente o de las pilas. Para cada uno de estos valores, localiza en la hoja, conjuntos de al menos 15 puntos que tengan los valores de los voltajes seleccionados. Procura que estos puntos estén distribuidos en la hoja, es decir, procura que no sean los puntos contiguos ni que estén muy cercanos unos de otros.

• Para localizar los puntos donde está el valor de voltaje, es necesario definir un marco de referencia o de coordenadas, éste puede tener su origen en el centro de la hoja o en una de las esquinas, como se ejemplifica en las dos primeras configuraciones propuestas, y graduarlo en centímetros. Algunas hojas conductoras vienen impresas con un marco de coordenadas que se pueden usar.

• Al tomar las medidas es conveniente hacer una lista de las coordenadas y los valores de voltaje que le corresponden.

• Se recomienda en estas pruebas, conectar la punta de referencia en el borne de tierra o en el extremo negativo donde está conectado, mientras que la otra punta se va colocando sobre el papel, buscando los puntos donde se obtienen los valores de voltaje seleccionado.

Electrostática 24


Se denomina carga de prueba, a una partícula puntual con carga positiva y unitaria “q”. Cuando esta partícula cargada se mueve dentro de un campo eléctrico, la fuerza eléctrica realiza un trabajo que significa un cambio de energía potencial eléctrica. Este cambio es negativo, significando una pérdida de energía del sistema. Si este cambio se considera por unidad de carga, entonces se define la Diferencia de Potencial Eléctrico “V”, es usual denominarlo.

Al moverse la carga puntual dentro del ámbito del campo eléctrico, el trabajo por unidad de carga que se realiza, depende de la posición inicial y final, esto es debido a que la intensidad del campo depende exclusivamente de la posición y de las cargas eléctricas. De esta manera, la diferencia de potencial también es una función de estos dos puntos extremos del movimiento.

Si el movimiento de la carga puntual se realiza sobre las líneas de campo, entonces las fuerzas eléctricas y los desplazamientos son paralelos, resultando entonces que su trabajo es igual a la magnitud de la fuerza por la distancia recorrida. Pero si las cargas se mueven perpendicularmente a las líneas de campo, y por lo tanto, a la dirección de la fuerza eléctrica, entonces al moverse la carga de prueba no se realiza trabajo. En este caso, la carga de prueba se mueve a lo largo de una trayectoria donde no cambia ni la energía potencial eléctrica ni el potencial eléctrico. Esta trayectoria ocurre en una superficie donde el potencial es constante y se denomina Superficie Equipotencial.

En el ejemplo de un objeto esférico de radio “R” con carga positiva “Q+” (que se puede considerar como si la carga estuviese ubicada en el centro de la esfera), como el de un Van de Graaff, la diferencia de potencial al moverse la carga de una posición r1 a la posición r2 respecto al centro de la esfera es:

V = - T / q = k Q+ [(1/r2) – (1/r1)]

Donde “k = 1/4πε0” es la constante electrostática de proporcionalidad que depende de la constante de permitividad “ε0”, la cual tiene un valor determinado por el material en el que está inmersa la carga eléctrica, en este caso corresponde al vacío. En forma general, se toma como referencia una posición r1 por lo que el voltaje queda:

V(r) = - T / q = k Q+ /r

De acuerdo a la ecuación anterior, el voltaje sobre la superficie de la esfera cargada (r = R) tiene el valor máximo de la diferencia de potencial que es:

Vmáx = Q+/4 πε0 R

Electrostática 25


El trabajo de llevar la carga a la esfera se realiza por una fuerza externa que proporciona energía al sistema de cargas, por lo que el cambio en el potencial es positivo, como lo expresa la ecuación.

Como el potencial eléctrico sólo depende de la distancia “r”, cualquier esfera concéntrica a la esfera cargada tiene un valor constante de potencial, esto es, las superficies equipotenciales son esferas concéntricas a la esfera cargada.

Si se consideran cambios constantes en la diferencias de potencial, por ejemplo de un volt, las superficies equipotenciales se van separando cada vez más. En la figura 4.3. se aprecia, cómo se distribuyen las superficies equipotenciales alrededor de una carga positiva y también alrededor de una carga negativa.

Q+ r

Q-

r

Superficies equipotenciales de una carga esférica

Figura 4.3.

El análisis de una esfera cargada negativamente es semejante, y su resultado también, sólo cambia el considerar una carga negativa en lugar de positiva:

V = - T / q = k Q- [(1/r2) – (1/r1)]

Y si se lleva una carga de prueba desde el infinito, el trabajo es:

V = Q-/4 πε0 r

También resulta un cambio negativo en la energía potencial del sistema eléctrico y por ende de su potencial. Si esta posición se extiende hasta la superficie de la esfera, resulta que su voltaje ahora es mínimo e igual a:

Vmín = Q-/4 πε0 R

De nuevo las superficies equipotenciales son esferas concéntricas a la carga, como se muestra en la figura anterior.

Cuando la esfera es de material conductor, puede ser metálica, como la esfera del Van de Graaff, todas las cargas se distribuyen sobre su superficie, ya que se repelen y reducien al valor mínimo posible la energía eléctrica

Q + Q -

Electrostática 26


de la esfera. En este caso, no hay cargas en el interior y el campo eléctrico se reduce a cero, sin embargo, el potencial eléctrico no se reduce a cero sino que es igual al Potencial de la Superficie, esto es, no hay diferencia de potencial en el interior de la esfera.

Otro ejemplo, es considerar el sistema formado por dos cargas, una positiva y otra negativa, de magnitud igual llamado dipolo eléctrico. En este caso, el campo eléctrico es la superposición de los dos campos eléctricos y el voltaje en algún punto es igual a la suma de los voltajes que corresponda a cada carga eléctrica. Considerando a la carga positiva como Q1

+ y a la carga negativa como Q2

-, y seleccionando un punto dentro del ámbito del campo total, donde la distancia de dicho punto Q1

+ es “r1” y su distancia a Q2

- es “r2” (ver la figura 4.4.), entonces el potencial del dipolo en dicha posición es:

V(r) = 1/4 πε0 (Q+/r1 + Q-/r2)

r1 r2

Q+ Q-

Figura 4.4.

En tus libros de texto de Física o por internet puedes encontrar como son las líneas equipotenciales del dipolo eléctrico.

Otro ejemplo es, cuando las cargas están distribuidas en dos objetos planos y cercanos ente sí, como dos placas separadas a la distancia “D”, una con carga positiva y la otra con carga negativa. En este caso, la intensidad del campo eléctrico entre las superficies es constante y sus líneas de fuerza van dirigidas de la superficie positiva a la negativa, de manera que las superficies equipotenciales correspondientes son planas y si se consideran que entre ellas la diferencia de potencial es un valor fijo, entonces están uniformemente separadas entre sí, como se muestra en la figura 4.5.

Q+ Q-

Figura 4.5.

Generalmente se considera a la placa con carga negativa como punto de referencia, de manera que la carga positiva está a un voltaje Vmáx respecto a la negativa. Así, el voltaje en algún punto entre las placas que están a la distancia “d” de la placa negativa es:

V = Vmax d/D

Q -Q +

Electrostática 27


En la actividad, las marcas pintadas sobre el papel conductor se cargan eléctricamente al estar en contacto con la fuente de poder. La marca conectada al borne positivo de la fuente o de las pilas se carga positivamente, mientras que la marca conectada al otro borne o polo se carga negativamente.

Al hacer la actividad, se trabaja en la hoja de papel conductor donde las esferas y las placas cargadas se han sustituido por círculos o barras pintadas en el papel, de manera que se pueden considerar como la proyección en el plano transversal que corta perpendicularmente a las esferas o placas. De esta manera, las superficies equipotenciales en el espacio se convierten en líneas sobre el papel, como se muestran en la figura 4.6., para una esfera cargada positivamente o para el par de placas una con carga positiva y la otra con carga negativa.

Q+ Q- Q-

Figuras de líneas equipotenciales sobre el papel conductor.

Figura 4.6.

Al tomar la proyección de las superficies equipotenciales sobre el plano del papel, se obtienen líneas que van paralelas a las zonas cargadas y rodeándolas hasta cerrarse, sólo la línea cuyo potencial es de la mitad de la diferencia de potencial de las zonas cargadas se extenderá sin cerrarse.


Para registrar los resultados, has una copia en papel cuadriculado o si es posible en milimétrico, de cada una de las configuraciones que se trabajaron. En la figura 4.7. se muestran algunos ejemplos. Debes de conservar la escala del sistema de coordenadas que permite ubicar las zonas cargadas y los puntos donde se mide el voltaje.

Electrostática 28


Figura 4.7.

Describe como son las medidas de voltaje cuando colocas las puntas del medidor en los puntos indicados en la tabla 4.1.

VOLTAJE ENTRE DOS PUNTOS CUALESQUIERA DE LA HOJAPUNTA VOLTAJE MEDIDO

ROJA EN NEGRA EN POSICIÓN INDICADA POSICIÓN INVERTIDA

Zona de carga positiva

Zona de carga negativa






Un punto cercano sobre el papel


Un punto lejano sobre el papel





Un punto sobre el papel


Un punto sobre el papel


Tabla 4.1.

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Explica:

• ¿Por qué se puede considerar que las zonas pintadas con tinta conductora tienen carga eléctrica positiva y negativa, según que terminal de la fuente o polo de la pila se conecte en ellas?

• ¿Por qué los voltajes valen cero cuando colocas las dos puntas del medidor sobre las zonas cargadas eléctricamente, y son diferentes de cero si una de las puntas la ubicas sobre el papel o en alguna otra zona pintada?

• Si inviertes la posición de las puntas del medidor en dos puntos determinados, ¿por qué se invierte el voltaje de positivo a negativo o viceversa?

Para cada una de las configuraciones, describe qué voltaje conectaste en las configuraciones y cuál es el polo de referencia.

Anota estos voltajes y las coordenadas de los puntos que tienen estos en una tabla como la 4.2.

COORDENADAS DE LOS PUNTOS QUE ESTÁN EN LÍNEAS EQUIPOTECIALES DE LA CONFIGURACIÓN: ____________________________

PUNTO

DIFERENCIA DE POTENCIAL

1_______ [V]


2_______ [V]


3_______ [V]


4_______ [V]


5_______ [V]


6______ [V]

123456789

10

Tabla 4.2.

• Si colocas las puntas del medidor sobre dos puntos de la misma línea equipotencial ¿cuánto vale la diferencia de potencial? ¿Por qué?

• Si la distancia entre dos líneas equipotenciales que tienen la misma diferencia de potencial es igual en toda la hoja, ¿dónde están más separadas y dónde más cercanas? ¿A qué se debe esto?

• ¿Cómo es la línea equipotencial cuya diferencia es la mitad del voltaje de la fuente? ¿Tiene forma cerrada o abierta?

• Si usaste como zona de carga eléctrica a la marca anular conectada a la terminal de la fuente o a la pila (la segunda de arriba hacia abajo de la tercera columna del esquema de configuraciones). ¿Cómo es el voltaje dentro del círculo? ¿Por qué es constante?

Electrostática 30


• Si usaste la configuración del anillo que rodea la carga circular, ¿cómo es la diferencia de potencial dentro del anillo: a) entre la carga puntual y el anillo; b) entre la carga puntual y el papel que está en el interior del anillo y c) entre el anillo y el papel de su interior?

• Si usaste la configuración con la zona de carga con punta, ¿cómo son las líneas cerca de la punta? ¿La distancia que separa a las líneas es igual de cerca de la punta que lejos de ella?

Aplicaciones

Una extensión de esta actividad, se puede hacer con un alambre de nicromel de calibre del No. 20 AWG (0.81 mm de diámetro) de un metro (longitud “L”). Extiende el alambre y conéctalo a sus extremos a una pila de 1.5V. Ubica sobre el alambre las posiciones que lo dividen en cinco partes iguales de longitud, (“l = L/5”, así las divisiones son de l = 0.2 m). Después, dejando la punta común del multímetro en el extremo elegido, mide las diferencias de potencial en los puntos marcados. ¿Cómo es el voltaje en todos los casos? ¿La diferencia de potencial depende de en qué parte del alambre se mida? ¿Se puede decir qué hay una relación entre la diferencia de potencial medido con la distancia que separa los puntos? Si es así, ¿cómo es esta relación? Para contestar estas preguntas, además de hacer la actividad, consulta tus libros de Física, enciclopedias e Internet.

Los capacitores eléctricos como los que hay en los laboratorios escolares de física, así como en cualquier aparato o instrumento electrónico doméstico, de diversión y de la escuela, son dispositivos que permiten almacenar carga y energía eléctrica. Averigua ¿en qué consiste básicamente un capacitor?, ¿cómo está construido? y ¿cómo es posible que almacene carga y energía? ¿A cuál de las configuraciones de la actividad se parece un capacitor?

Cuando una partícula con carga eléctrica se mueve dentro de un campo eléctrico, puede cambiar su energía cinética cuando pasa de una superficie equipotencial a otra. Esto permite acelerarla hasta obtener una velocidad deseada o puede desviarla para orientarla en cierta dirección. Una de sus aplicaciones de esto, consiste en acelerar electrones dentro de un tubo de rayos catódicos para diversas funciones. ¿Cuáles son las funciones de las placas eléctricas? ¿A cuáles de las configuraciones usadas en la actividad se parecen? Puedes consultar la página electrónica: http://members.chello.nl/~h.dijkstra19/index.html.

Otra aplicación importante fue usar un campo eléctrico en el conocido experimento de la gota de aceite de Millikan, en el cual se detienen gotas de aceite electrizadas que caen dentro de una cámara cuyas tapa inferior y superior están electrizadas. Describe ¿en qué consiste el experimento de Millikan?, ¿cuál fue el resultado que obtuvo? y ¿cómo se empleó el campo eléctrico?, en especial ¿cómo se consideró la diferencia de potencial entre las placas? ¿A cuál de las configuraciones se parece las placas electrizadas de la cámara del experimento de Millikan?

Electrostática 31


Los fenómenos eléctricos en la atmósfera de la Tierra son muy comunes, se conoce, por ejemplo que las capas superiores de la atmósfera están ionizadas y la radiación del Sol contribuye a ionizarlas. Tal vez, los fenómenos más conocidos sean los rayos y los relámpagos, debido al peligro que se tiene cuando se producen los rayos, se han desarrollado los pararrayos. En general, las condiciones de la atmósfera no son de neutralidad eléctrica sino de una distribución compleja de cargas que producen diversos fenómenos. Averigua cuáles son las condiciones eléctricas de la atmósfera, cómo y por qué se producen los rayos, qué otros efectos o fenómenos eléctricos se producen en la atmósfera o de su interacción con la superficie terrestre.

Electrostática 32


5. Motor eléctrico con imanes

Cuando en el siglo XIX se observó que se podía obtener el movimiento de un objeto como efecto de la corriente eléctrica, se pensó en la posibilidad de crear un dispositivo que generase un movimiento para impulsar otros objetos, esto es, un motor eléctrico. Los motores eléctricos están constituidos, al menos, por un electroimán y un imán, formando una parte fija llamada “estator” y otra móvil denominada “rotor”, siendo esta última la que se conecta a otros objetos para transmitir el movimiento.

Muchos juguetes que tienen un motor eléctrico, como coches o trenes, tienen la cualidad de poder avanzar hacia el frente y hacia atrás, debido a que tienen un motor con imanes permanentes.


Para iniciar la actividad contesta las siguientes preguntas:

• Básicamente, un electroimán consiste en una bobina de alambre por el que circula una corriente eléctrica ¿Cómo es posible que un electroimán pueda interaccionar con un imán? ¿Cómo funciona?

• ¿La fuerza de interacción entre el imán y el electroimán será atractiva o repulsiva?

• ¿Cómo crees que funciona un motor para lograr que el rotor gire?

Material

• 1 Motor eléctrico• 1 Fuente de poder de corriente continua o 4 pilas tamaño “D” con

su estuche o portapilas• 1 Brújula• 2 Imanes de barra• 2 Cables con extremos banana-banana o banana-caimán, según

se requiera para la fuente de poder o para las pilas

Electrostática 33


Motor con imanes

Pega los imanes a los costados externos de las bobinas del estator.

Ahora, conecta la fuente de poder o las 4 pilas conectadas en serie al rotor del motor a través de los dos bornes de conexión posteriores. En la figura 5.1. se muestran las dos maneras como se conecta el motor a la fuente de poder o a las pilas.

Figura 5.1.

Los bornes hacen contacto con el conmutador del rotor (pequeño cilindro en el eje del rotor con dos casquillos semi-tubulares con ranuras conectadas a sus bobinas) por medio de las escobillas (alambres delgados que forman una pequeña brocha) que permanentemente deben estar tocando el conmutador.

¿Qué le ocurre al rotor cuando lo conectas a las pilas o la fuente y la enciendes a 6 Voltios? 1

Repite la actividad intercambiando las conexiones de la fuente o volteando uno o los dos imanes.

¿Cómo se debe conectar la fuente y cómo deben estar colocados los imanes para que gire el rotor en el sentido de las manecillas del reloj? ¿Cómo se debe conectar la fuente y cómo deben estar colocados los

1 Si el rotor no gira tal vez sea necesario un leve empujón o que se ajuste la presión que

ejercen las escobillas que rozan el conmutador.

Electrostática 34


imanes para que gire el rotor en el sentido contrario al de las manecillas del reloj? ¿Cómo deben estar los imanes para que no gire el rotor?

De acuerdo a la conexión de la fuente o las pilas en el rotor, ¿en qué sentido circula la corriente eléctrica en la bobina del rotor? ¿Qué pasa con este sentido cuando los cortes del conmutador pasan por las escobillas?

Con la brújula, analiza cómo es el campo magnético que se produce con el electroimán del rotor. Para que los imanes no interfieran en esta revisión, conviene retirarlos.

¿De qué depende el sentido del campo de la corriente eléctrica que circula por la bobina del rotor?

¿Qué le pasa al campo magnético del rotor cuando los cortes del conmutador pasan por las escobillas?

¿Cómo influye el campo magnético del electroimán en el giro del rotor?

Motor sin imanes

Conecta el motor, sin imanes, por los bornes de conexión frontales a la fuente de poder, como se muestra en la figura 5.2.

Figura 5.2.

Enciende la fuente a un voltaje de 6 Voltios.

¿Qué le pasa al motor cuando enciendes la fuente? ¿Qué le ocurre si inviertes la conexión de la fuente? ¿En qué sentido gira el rotor en cada caso?Con la brújula explora el campo magnético de las bobinas del estator ¿En qué se parece al campo magnético de los imanes? ¿Cómo cambia su campo magnético cuando se invierte la conexión en la fuente de poder?

Electrostática 35


Cuando circula corriente por una bobina o solenoide, ésta produce un campo magnético tanto en su interior como a su alrededor. La intensidad del campo magnético producido depende principalmente de la intensidad de la corriente que circula por la bobina y del número de vueltas que la conforman; otro factor que afecta la intensidad del campo es el material del ambiente que rodea la bobina, es frecuente usar una barra de hierro dentro de la bobina para incrementar el campo. El sentido del campo magnético producido por la bobina depende del sentido en que circula la corriente por ella.

El campo magnético de una bobina se parece al campo magnético de un imán, de manera que frecuentemente se le considera como tal, por lo que a veces también se le llama “electroimán”. En la figura 5.3. se muestra como son las líneas de campo magnético de una bobina y de un imán, ¿puedes apreciar las semejanzas y las diferencias de los campos magnéticos? Busca en tus libros de física, en enciclopedias o por internet de qué depende el sentido y la intensidad del campo magnético.

Figura 5.3.

Considerar la bobina del rotor como un electroimán permite analizar su movimiento como el resultado de la interacción entre imanes donde uno gira. ¿Cómo explicarías el movimiento del rotor considerando que es un electroimán?

Otra manera de analizar el motor es considerando la interacción entre el campo magnético del imán y la corriente eléctrica que circula por la bobina. Cuando circula una corriente “I” por la bobina del rotor, que se encuentra inmersa dentro de un campo magnético, éste interactúa con la corriente aplicándole una fuerza “F” que es perpendicular tanto al sentido de la corriente como a la dirección del campo.

En forma simplificada, se considera una espira cuadrada de una bobina por la que circula la corriente “I” dentro del campo magnético “B” de un imán de barra. En la figura 5.4. se muestra la bobina perpendicular y al centro del imán, el campo magnético de éste se representa por las líneas de campo, en este caso, el plano de la espira y el campo son paralelos.

Electrostática 36


Los lados “a” y “b” de la espira tienen una longitud “L”, por ellos, circula la corriente en sentidos opuesto y perpendicular al campo, de manera que las fuerzas sobre dichos lados de la espira son:

Fa = IBL y Fb = - IBL

Nota que las dos fuerzas son de igual magnitud pero de sentidos opuestos. La fuerza se puede determinar por la regla de la mano derecha. En general, entre el campo magnético y la superficie de la espira hay un ángulo “θ” que va cambiando conforme gira el rotor.

Figura 5.4.

Las fuerzas sobre la espira producen una torca total “τ” que provoca el giro del rotor, esta torca depende de las fuerzas y del ángulo “θ”, quedando expresada como:

τ = IABsen(θ)

Donde A es el área de la espira. La ecuación de la torca, calculada para una espira cuadrada, también es válida para espiras de otras formas.

El valor total de la torca aplicada al rotor, corresponde a la suma de las torcas de todas las espiras de la bobina del rotor, además de depender del ángulo a la que se encuentre el rotor respecto a los imanes. La velocidad del rotor (rapidez y sentido de giro) depende de la torca total aplicada sobre el rotor.

Electrostática 37

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOAnálisis de resultados

Motor con imanes

Dibuja en la siguiente tabla 5.1. cuáles son las maneras en que conectaste el motor y colocaste los imanes para que el rotor gire en:

SENTIDO DE GIRO MODOS DE CONECTAR EL MOTOR Y COLOCAR LAS PILAS

Manecillas del reloj

Contrario al de las manecillas del reloj

No gira

Tabla 5.1.

En la figura 5.5. aparecen las dos maneras de conectar el motor a la fuente de poder o a las pilas y las dos posiciones que pueden tener las escobillas en contacto con el conmutador al girar el rotor, además, para cada figura se tiene un círculo que representa una vuelta del alambre de la bobina vista transversalmente, donde la doble flecha indica el eje vertical de giro del rotor.

Figura 5.5.

Electrostática 38


Dibuja sobre el rotor y el círculo, cómo es la corriente que circula por la bobina del rotor y la posición de los polos Norte (N) y Sur (S) del campo magnético que produce.

¿Qué pasa con este sentido cuando los cortes del conmutador pasan por las escobillas? ¿Cómo depende el campo del sentido de la corriente que circula por la bobina del rotor? ¿Qué le pasa al campo magnético del rotor cuando los cortes del conmutador pasan por las escobillas?

En los dibujos que hiciste en el cuadro anterior, traza flechas sobre el rotor que indiquen las fuerzas en que es impulsado el rotor.

Describe cómo es la fuerza que impulsa el rotor al interaccionar con los imanes al:

A. Girar en el sentido de las manecillas del reloj.B. Girar en el sentido contrario de las manecillas del reloj.

¿Por qué hay casos en que no gira el rotor? ¿Cómo son las fuerzas sobre el rotor? ¿Cómo influye, en el giro del rotor, el campo magnético que produce?

Motor sin imanes

En las dos maneras de conectar el motor a la fuente de poder, describe cómo es el campo magnético de las bobinas del estator. Haz los dos dibujos, indicando cuáles son las orientaciones magnéticas en ambos casos. ¿A qué casos se parecen de las pruebas que realizaste con los imanes?

En los dibujos, traza flechas sobre el rotor que indiquen las fuerzas en que es impulsado el rotor.

Describe cómo es la fuerza que impulsa el rotor al interaccionar con las bobinas en ambos casos.

Aplicaciones

El motor que se usó en la actividad utiliza corriente continua, hay modelos que usan imanes y otros que no los requieren. Los motores eléctricos de corriente continua tienen múltiples usos en coches y trenes de juguete, también se aprovechan en las grabadoras de audio y en las cámaras de vídeo donde el motor corre la cinta en un sentido u otro de acuerdo a como se active. Investiga en libros de física o de tecnología, en enciclopedias o por Internet, cómo funciona un motor de corriente continua y en qué casos puede trabajar en los dos sentidos de giro ¿Cómo le hacen para que así sea?

Electrostática 39


1. Arons, A. B. (1970). Evolución de los conceptos de la Física, 1a. edición, Trd. al español por Lorenzo Razo Morales, Edit. Trillas, México, D. F., México, 1008 pp.

2. Giancoli, D. C. (1997). Física. Principios con aplicaciones, 4a edición, trd. al español por Ángel Homero Flores Samaniego, Edit. Prentice Hall Hispanoamericana, S. A., México, D. F., México, 785 pp.

3. Hecht, E. (1987). Física en perspectiva, Trd. Pedro Felix González Díaz y José Alejandro Dosal Lice, Addison Wesley Iberoamericana, S. A., Wilmington, Delaware, E. U. A, 634 pp.

4. Hewit, (1995). Física conceptual, 2a. edición en inglés, Trd. Sergio de Régules Ruiz-Funes y Antonio Flores Lira, Addison Wesley Iberoamericana, S. A., Wilmington, Delaware, E. U. A. 738 pp.

5. Resnick, R., Halliday, D. y Krane, K., (1993). Física, Vol. 2, 4a edición en inglés (3a edición en español), trd. Francisco Andión Uz, Edit. Compañía Editorial Continental, S. A., México, D. F., México, 742 pp.

6. Slisko, J. (2009). Física. El gimnasio de la mente, Vol. 1, Edit. Pearson Prentice Hall, Naucalpan de Juárez, Edo de México, México, 296 pp.

Electrostática 40


Partes del Electroscopio

Poste

Terminal

Aislante de la terminal

Estructura transmisora de la carga eléctrica

Cuerpo

Cubierta

Indicador de la carga eléctrica

Soportes

Electrostática 41


• Al aproximar o tocar el extremo del poste o terminal con un objeto cargado eléctricamente, se produce un movimiento de giro de la barra que indica que el electroscopio está cargado al separarse de su soporte (estructura transmisora de la carga eléctrica).

• Si el electroscopio queda cargado, basta con tocar el extremo del poste para descargarlo.

Operación

• La montura del indicador es delicada por lo que se debe tener cuidado de evitar sacudidas o golpes al instrumento.

Cuidado

Instructivo de operación y cuidado

Electrostática 42


Partes del Generador Electrostático Van de Graaff

Esferoide

Base

Interruptor

Banda

Tubo

Caparazón

Electrostática 43


• El generador funciona con corriente alterna de 120V, 60 Hz.

• El motor mueve la polea inferior, la banda queda cargada eléctricamente cuando se despega de la polea y la carga es recogida por el electrodo del cepillo que está en la parte superior de la columna. La carga queda depositada en la esfera.

• El cable conector a tierra se conecta al contacto de la base y a una tierra física.

• Para que la transferencia de carga sea óptima es necesario ajustar la separación entre las puntas del cepillo y la banda, debe ser de aproximadamente un milímetro. El cepillo no debe rozar a la banda.

• Para ajustar el cepillo se separa la esfera con sólo levantarla. Se aflojan los tornillos de ajuste, se mueve el cepillo a la posición deseada y se vuelven

a apretar los tornillos.

Operación

• La operación del generador es mejor en un ambiente de aire seco y limpio.

Cuidado


Electrostática 44


Partes del Graficador de Líneas Equipotenciales

Electrostática 45


Operación

Instructivo de operación, cuidado y recomendaciones

• En una hoja de papel conductor, se debe dibujar con un marcador de tinta conductora la configuración de las zonas cargadas eléctricamente que se desean probar. En la mayoría de los casos, se debe pintar un cuadrado o un círculo unido a la zona cargada por medio de una línea. La ubicación de este cuadrado o círculo debe ser debajo de las pinzas que presionan el papel conductor para que tengan buen contacto eléctrico con la fuente de poder. También pueden proponerse configuraciones que no requieren del cuadrado o círculo donde se conecte la fuente de poder.

• Sobre la hoja conductora se debe definir un marco de coordenadas, ubicando un origen y un par de ejes perpendiculares entre sí, de acuerdo a como más convenga y en función a la configuración de la zona cargada seleccionada. Esto, permitirá identificar la posición donde se coloque la punta del medidor. En algunas hojas de papel conductor ya vienen impresos los ejes de coordenadas con su origen.

• La hoja con la configuración pintada se coloca sobre el bastidor del graficador de líneas equipotenciales, insertando las cuatro puntas de ésta en los esquineros y presionándola con las pinzas.

• El graficador se debe conectar por medio de los bornes, a una fuente de poder de corriente directa o a un conjunto de pilas, a un voltaje entre 1 y 6 Volts.

• En las configuraciones donde no se requiere el círculo o el cuadrado, la fuente de poder se debe conectar en la zona pintada que se determine para tal propósito.

• Para medir el voltaje de las configuraciones, se debe utilizar un multímetro o un voltímetro establecido para medir voltaje en corriente continua. La punta común de éste, se conecta al borne de tierra de la fuente de poder o al borne del graficador conectado a tierra. Y la otra punta, se coloca en el punto a medir de la zona pintada sobre el papel conductor.

• Se debe identificar la posición del punto donde se coloca la punta de prueba del medidor de voltaje y registrar tanto esta posición como el valor del voltaje medido.

• Para determinar las líneas equipotenciales, conviene determinar de 4 a 10 valores intermedios al voltaje de la fuente y buscar dichos valores sobre toda la superficie de la hoja de papel conductor. Para esto, se debe deslizar la punta del medidor sobre la superficie buscando dichos valores.

Electrostática 46


Cuidado• El graficador debe estar limpio y seco antes de usarse. Si se encuentra sucio,

se puede limpiar con un trapo húmedo y secarlo o dejarlo secar.

• Al colocar la punta de prueba del medidor de voltaje sobre la hoja de papel conductor, hacerlo de manera suave para no romperla, rasgarla o maltratarla, sobre todo si la punta de prueba es aguda.

• No se debe trabajar con voltajes grandes, es decir, superiores a 6 Volts.

• Evitar hacer corto circuito sobre el papel conductor, al colocar muy cerca entre sí las puntas de los cables de conexión.

Recomendaciones• Procurar no dibujar las zonas cargadas eléctricamente demasiado cerca unas

de otras, a menos que la configuración lo amerite, es recomendable que estén separadas unos 4 cm como mínimo.

• Es conveniente que la punta de prueba del medidor de voltaje sea roma o redondeada para no dañar la hoja de papel conductor.

Electrostática 47


Partes del Motor Eléctrico

Bornes de conexión posterioresRotor

Conmutador

Base

Bobinas del estator

Bornes de conexión frontales

Escobillas

Soporte del eje del rotor

Electrostática 48


• Las escobillas deben hacer buen contacto con el conmutador.

• El motor funciona al conectarse una fuente, que puede ser una batería de 3 a 6 V de corriente directa, a los bornes de conexión frontales. Quizá sea necesario dar un leve impulso al rotor para iniciar el movimiento.

• Es posible hacer funcionar al motor sin el paso de corriente por las bobinas, con ayuda de uno o dos imanes de barra situados junto a las bobinas, paralelos a ellas, y conectando la batería a los bornes posteriores.

Operación


• El motor eléctrico debe estar limpio antes de usarse. Si se encuentra sucio, se puede limpiar con un trapo seco.

• El conmutador debe estar libre de óxido, así como las escobillas para que haya buen contacto.

Cuidado

2010

electróstatica actividades experimentales

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