generaciÓn de cargas electrostÁticas
TRANSCRIPT
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 1/30
GENERACIÓN DE CARGASELECTROSTÁTICAS MEDIANTE MAQUINAS
SIMPLES
OBSERVACIÓN Y MEDICIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LASCARGAS ELÉCTRICAS
Objetivo: Aprender A Usar Aparatos Científicos Para La Generación De Cargas Eléctricas
Al estudiante le facultara para calculara fuerzas de interacción entre las cargas, así comocomprender el concepto de campo eléctrico y sus propiedades
Introducción: Los generadores electroestáticos son maquinas que nos sirven para comprobarque se puede generar electricidad a través de diferente métodos. Los primeros generadores de
energía son los siguientes:
La máquina de Wimshurst, fue inventada por James Wimshurst enInglaterra, y fue descrita por primera vez en 1883. Estructuras
similares, no sectoriales, (sin láminas metálicas adheridas) fueron
descritas previamente por Holtz y Poggendorff en Alemania, alrededor
de 1869 y por Musaeus en 1872. Una máquina sectorizada descrita porHoltz en 1876, se hizo muy popular por su funcionamiento fiable y su
construcción simple, aunque su eficacia era relativamente pobre.
La máquina electrostática conocida como generador de Van de Graaff ,fue inventada por Robert J. Van de Graaff en 1929, con el objeto de
generar voltajes elevados para experimentación en Física Nuclear. La ideabase de la máquina, puede ser datada alrededor de 1800, e incluso antes,
concretamente la máquina de Righi. Fue inventada con el propósito deproducir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de
volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contrablancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las
características de los núcleos del material que constituye el blanco. El
generador del Van de Graaff es un generador de corriente constante,
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 2/30
Correlación con temas y subtemas del programa de estudio vigente:
Unidad Tema Subtema
1 Electrostática
o introducción
o sistemas deunidades electrostáticas
1.3 Cargas eléctricas y sus propiedades
Material y equipo necesario:
Máquina de Wimshurst
Generador de Van der. Graaff
Electroscopio
Jaula de Farday Rehilete
Pista de aluminio Simulador de cargas
Metodología:
Descripción de la Maquina de Wimshurst. En la máquina de Wimshurst, las hojas metálicas
actúan como objeto cargado en parte del ciclo y como objetos de carga inducida en otra parte del
ciclo.
Consiste en dos discos de vidrio, recubiertos con una capa de gomalaca, montados paralelamente sobre un mismo eje, de tal modo que
pueden girar en sentidos opuestos con igual velocidad. Los discos
llevan sobre sus lados exteriores pequeños sectores metálicosdispuestos radialmente y equidistantes entre sí. Sobre los diámetros
horizontales se encuentran dos pares de peines conductores montados
en soportes aislados, que se prolongan mediante piezas articuladas, endos varillas metálicas, curvadas que terminan en dos pequeñas esferas.
Estas piezas constituyen un sistema colector y de descarga.
Descripción del generador de Van de Graaff es 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 entredos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 3/30
hechos de puntas conductoras muy finas, están situados a la altura del eje de las poleas. Las
puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la correa.
La rama izquierda de la correa transportadora se mueve hacia arriba,
transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductorhueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea
un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situadoentre la punta G y la correa. El aire ionizado proporciona el medio
para que la carga pase de la correa a la punta G y a continuación al
conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que seintroducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Farday).
Experimento E1
El maestro mostrara el funcionamiento de la Maquina de Wimshurst y explicara elfuncionamiento, asegurándose que las esferas se encuentren separadas unos cuántos
centímetros. Deberá dar vueltas la manivela, hasta acumular la suficiente carga eléctrica en
las botellas de Leyden. Y lograr que se provoquen chispas que brinquen de una esfera a otra.
Experimento E2El maestro muestra el funcionamiento del generador de Van de Graff y explicara elfuncionamiento. Se enciende la maquina después de unos instantes. Se coloca el electroscopio
cerca del generador y se observa la presencia de la acumulación de cargas eléctricas en el domo.
Nota: Las condiciones de humedad relativa del ambiente podrían dificultar la observación de
acumulación de cargas eléctricas. Para disminuir este efecto de humedad ambiente se podráusar un radiador de calor eléctrico y mantener ventilada el área de trabajo
Sugerencias didácticas:
Sugerencias didácticas:
Propiciar la búsqueda y selección de información de temas a fines a la practica
En libros de texto, revistas de actualidad científica, en internet.
Propiciar el debate para plantear otras alternativas para el estudio de la generación de
cargas eléctricas
Uso de video para mejorar la comprensión de los conceptos Desarrollo de nuevos modelos didácticos por los alumnos
Uso de software y laboratorios virtuales en la solución de problemas
y como complementó de la comprensión de conceptos
Elaborar con el estudiante un banco de problemas para reforzar los temas vistos en
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 4/30
clase
Reporte del alumno (Resultados Y Conclusiones)
ResultadosE1. El alumno describirá por escrito en forma detallada el desarrollo del experimento paso apaso además el alumno investigara el funcionamiento detallado de la Maquina deWimshurst, en diversas fuentes bibliográficas apoyándose con imágenes. Y dará
una explicación clara del observado durante la demostración
E2. El alumno describirá por escrito en forma detallada el desarrollo del experimento paso a
paso además el alumno investigara el funcionamiento detallado del generador de Van de
Graaff , en diversas fuentes bibliográficas apoyándose con imágenes. Y dará una explicaciónclara del observado durante la demostración
El alumno hará una investigación de cómo afecta la humedad relativa del ambiente en laoperación de maquinas electrostáticas, eléctricas y electrónicas
Conclusiones
Sugerencia
Podría parecer que ninguno de los dos generadores tiene carga al momento de arrancar, la
pregunta es ¿cómo es que se genera la carga? ¿Por inducción?
Debemos de aclarar que los materiales de estos generadores no son totalmente neutros. Por
supuesto, no es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos.
Por esa razón, algunas máquinas de Wimshurst incorporan un trocito de piel, que ofrece un
mínimo de carga en algún punto, de forma que la máquina arrancará con la misma polaridad
cada vez.
Bibliografía preliminar: Libro de texto oficial de la materia
Serway Raymon y Jewett John.
Física II: Texto basado en calculoEd. Internacional Thompson Editores, ISBN 970-696-340-0
Lea Susan y Burke John (2000)
Física la naturaleza de las cosas. VolumenEd. Internacional Thompson Editores, ISBN 968-7529-38-5
Reese Donald Lane (2002)
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 5/30
Física Universitaria: Volumen II
Ed. Internacional Thompson Editores, ISBN 970=686=103=3
Menu Reportes
embre de 2008
Publicado por CTA en 17:15 0 comentarios
Publicado por CTA en 16:04 0 comentarios
jueves 20 de noviembre de 2008
Descripción
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 6/30
Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean descargas el por inducción
electrostática. En un principio las maquinas 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 exhibió una tendencia imprevisible para cambiar su polaridad. El Wimshurst no tenía este
defecto.
Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos
entre sí y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido contrario.
Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una
cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes
varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo
metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son
movibles y pueden formar un ángulo de 90°. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los
platillos dos puntas metálicas, unidos a conductores independientes, aislados entre sí. Con los
conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la
distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos
conductores hay dos condensadores que sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa.
Publicado por CTA en 10:04 0 comentarios
James Wimshurst
James Wimshurst es el inventor de la máquina más conocida de inducción, que lleva su nombre.
Las maquinas de inducción puede ser un electroscopio de laminas metálicas que es un dispositivo para
detectar cargas eléctricas estáticas. Ambas hojas van cargadas igualmente y se repelen una a otra.
Publicado por CTA en 09:42 0 comentarios
Conclusiones
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 7/30
La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica no es necesaria
para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energia mecánica para rotar los discos
encontra del campo eléctrico, y esta energía la máquina convierte en energía eléctrica.
Publicado por CTA en 08:20 1 comentarios
Página principal
Suscribirse a: Entradas (Atom)
Generador de Van de Graaff De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación, búsqueda
Generador de Van De Graaff
El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para
acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Lasdiferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegara alcanzar los 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción
de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.
Contenido
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 8/30
[ocultar]
1 Descripción
2 Historia
3 Generadores de Van de Graaff en exhibición
4 Enlaces externos
[editar] Descripción
El generador consiste en una cinta, transportadora de material aislante motorizada, que transporta
carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por inducción en la cinta, ya que la
varilla metálica o peine, esta muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportadapor la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se
encarga de producir energía.
[editar] Historia
Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van deGraaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se
aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los
resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que
constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1
megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias
de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él.
Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerarcargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y
ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la
facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos.
El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante, mientras que la batería
es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que losaparatos que se conectan.
[editar] Generadores de Van de Graaff en exhibición
Uno de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el mismo
Robert J. Van de Graaff , está ahora en exhibición permanente en el museo de Boston de la
ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que están estáticas en unascolumnas altas, este generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios. Las
demostraciones usando el generador Van Der Graaff y varias bobinas de Tesla se realizan varias
veces cada dia
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 9/30
El generador de Van de Graaff
Electromagnetismo
Campoeléctrico La ley deCoulomb El motor deFranklin Campo ypotencial deuna cargapuntual Campo ypotencialde dos
cargas Dipoloeléctrico Línea decargas.Ley deGauss. Anillocargado Modeloatómico deKelvin-Thomson
La cubetade Faraday.Conductores
GeneradordeVan de
Graaff Conductores(II) Cargainducida enunconductor
Esferaconductoraen un campouniforme Un pénduloque des- carga uncondensado
El generador de Van de Graaff
Campo producido por un conductor esférico cargado.
Potencial de la esfera conductora
Potencia del motor que mueve la correa
Fuerza electromotriz
Actividades
Referencias
Cuando se introduce un conductor cargado dentro de otro hueco y se ponen encontacto, toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la cargainicial del conductor hueco
Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga delconductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite debido a las
dificultades de aislamiento de la carga. Cuando se eleva el potencial, el aire que lerodea se hace conductor y se empieza a perder carga.
La diferencia entre la cubeta de Faraday y el generador de Van de Graaff, es queen la primera la carga se introduce de forma discreta mientras que en el segundo,
se introduce en el conductor hueco de forma continua mediante una cinta
transportadora.
El generador de Van de Graaff 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 devolts) 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.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 10/30
r. Ping-pongeléctrico Método delasimágenes.
Fuerza entredosesferasconductoras
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 intensidaddependiendo 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 esferahueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.
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 conectadoa 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 hilosconductores muy finos, están situados a
la altura del eje de las poleas. Las puntas
de los peines están muy próximas perono tocan a la cinta.
La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta unflujo 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, alconductor 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
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 11/30
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
del 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 esmucho mayor en la superficie de la polea
que en la cinta, ya que las cargas se
extienden por una superficie muchomayor
Supongamos que hemos elegido losmateriales de la cinta y de la superficie
del rodillo de modo que la cinta adquiera
un carga negativa y la superficie de lapolea 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 sedepositan en su superficie, cancelando
parcialmente la carga positiva de la polea.
Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el
proceso comienza de nuevo.
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 (unapolea cuya superficie es metálica).
Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 12/30
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, enla 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 negativahacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga
positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como
descendente.
Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el
laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes:
Diámetro de la esfera conductora 21 cm
Capacidad 15 pF Tensión máxima 150-200 kV
Máxima corriente 6 A
Campo producido por un conductor esférico decargado.
El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una
superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dichasuperficie dividido entre 0.
Consideremos una esfera hueca de radio R cargada con una carga Q. La aplicación
del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 13/30
1.-A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la direccióndel campo eléctrico.
La distribución de carga tiene simetría esférica luego, la dirección del campo es
radial
2.-Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo
Tomamos como superficie cerrada, una esfera de radio r.
El campo E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos
los puntos de la superficie esférica por lo que,
El flujo total es E·4 r 2
3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada
r<R. No hay carga en el interior de la esfera de radio r<R, q=0
r>R .Si estamos calculando el campo en el exterior de la esfera cargada, la carga
que hay en el interior de la superficie esférica de radio r es la carga total q=Q.
4.-Aplicar el teorema de Gauss y despejar el módulo del campo eléctrico
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 14/30
En la figura, se muestra la representación del módulo del campo eléctrico E en
función de la distancia radial r .
El campo en el exterior de la esfera conductora cargada con carga Q, tiene la
misma expresión que el campo producido por una carga puntual Q situada en sucentro.
Potencial de la esfera conductora
Se denomina potencial a la diferencia de potencial entre un punto P a una distanciar del centro de la esfera y el infinito.
Como el campo en el interior de le esfera conductora es cero, el potencial es
constante en todos sus puntos. El potencial en la superficie de la esfera es el área
sombreada (figura de la derecha)
Se denomina capacidad de la esfera (más adelante definiremos esta magnitud) alcociente entre la carga y su potencial, C=Q/V=4 0 R.
Potencia del motor que mueve la correa
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 15/30
Supóngase que la diferencia de potencial entre el conductor hueco del generador
de Van de Graaff y el punto sobre el cual se esparcen las cargas sobre la correa esV . Si la correa proporciona carga positiva a la esfera a razón de i amperes.
Determinar la potencia necesaria para mover la polea en contra de las fuerzas
eléctrica.
El trabajo que hay que realizar para
que una carga dq positiva pase de unlugar en el que el potencial es cero a
otro en el que el potencial V es
dW=Vdq
La potencia
Para el generador de Van de Graaff de nuestro laboratorio que transporta en la
correa una carga máxima 6 C en cada segundo, desde un potencial 0 a unpotencial máximo de 200 kV, la potencia será P=200·103·6·10-6=1.2 W
Fuerza electromotriz
El agua que abastece una ciudad baja espontáneamente desde un depósito situadoen la cima de una colina. Ahora bien, para mantener el nivel del depósito, es
necesario ir llenándolo a medida que el agua se consume. Un motor conectado a
una bomba puede elevar el agua desde un río cercano hasta el depósito.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 16/30
En una pista de esquí, los remontes mecánicos suben a los esquiadores hasta el
alto de una colina, después, los esquiadores bajan deslizando pendiente abajo. Losesquiadores son equivalentes a los portadores de carga, el remonte mecánico
incrementa la energía potencial del esquiador. Luego, el esquiador bajadeslizándose por la colina hasta la base del remonte.
En un conductor los portadores de carga (positivos) se mueven espontáneamentedesde un lugar en el que el potencial es más alto hacia otro lugar en el que el
potencial es más bajo, es decir, en la dirección del campo eléctrico. Para mantener
el estado estacionario es necesario proveer de un mecanismo que transporte los
portadores de carga desde un potencial más bajo hasta un potencial más elevado.
El generador de Van de Graaff es un ejemplo de este mecanismo. Las cargaspositivas se mueven en dirección contraria al campo eléctrico, en el que el
potencial aumenta, y las negativas en la misma dirección que el campo, en el que
el potencial disminuye. La fuerza o la energía necesaria para este transporte decargas lo realiza el motor que "bombea" las cargas.
Se denomina fuerza electromotriz o fem V al trabajo por unidad de carga querealiza el dispositivo. Aunque la unidad de la fem es la misma que la de unadiferencia de potencial, se trata de conceptos completamente diferentes. Una fem
produce una diferencia de potencial pero surge de fenómenos físicos cuya
naturaleza no es necesariamente eléctrica (en el generador de Van de Graaff es
mecánica, en una pila es de naturaleza química, magnética, etc. ).
Una fem es un trabajo por unidad de carga, este trabajo no lo realizanecesariamente una fuerza conservativa, mientras que la diferencia de potencial es
el trabajo por unidad de carga realizado por una fuerza eléctrica que es
conservativa.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 17/30
Actividades
En el applet se simula el generador de Van de Graaff, con la descripción dada en lasección anterior. En el generador real la cinta transporta carga de forma continua.
En la simulación, se transporta de forma discreta, sobre la cinta aparecen puntos
rojos igualmente espaciados, cada unos de ellos representa una unidad de carga
positiva cuyo valor genera el programa interactivo de forma aleatoria.
Al igual que en un generador real, el simulado pone un límite al campo máximo en
la superficie de la esfera a partir del cual, el aire se ioniza y el generador no puedeincrementar más la carga. Podemos aproximar el conductor hueco a una esfera
conductora de radio R. Conociendo la carga acumulada Q se calcula el campo
producido por un esfera conductora en su superficie
El generador deja de acumular carga cuando el aire se vuelve conductor. La
intensidad del campo eléctrico límite es de aproximadamente 3.0 106
V/m. Para
una esfera de radio R podemos calcular la carga máxima que puede acumular y elmáximo potencial que adquiere la esfera cargada.
Se introduce
el radio de la esfera en cm, en el control de edición titulado Radio, .
Se pulsa en el botón titulado Empieza.
Supongamos una esfera de 40 cm de radio. Comprobar que
La capacidad de la esfera C =4 0R. es 44.4 pF
La carga máxima que puede acumular es Q=53.3 C hasta que se produce la
ruptura dieléctrica (el campo eléctrico límite es de 3.0 106
V/m)
El máximo potencial V es de 1.2 millones de volts.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 18/30
Jaula de Faraday
Una jaula de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos.Debe su nombre al físico Michael Faraday, que construyó una en 1836. Se emplean para
proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo.
El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en las propiedades de un conductor en
equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico
externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo,
que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dadapor:
Donde e es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se
mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero,
uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de
carga negativa, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva).Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico
(representado en rojo en la siguiente animación) de sentido contrario al campo externo,
representado en azul.
El campo eléctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 19/30
.
Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello seemplea para proteger dispositivos de cargas eléctricas. El fenómeno se denomina
apantallamiento eléctrico.
Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana están provistos de una jaula deFaraday: los microondas, escáneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar provistos de una
jaula de Faraday actúan como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc. Por esta razónse recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta eléctrica: su
carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday.
Página realizada por Teresa Martín Blas y Ana Serrano Fernández - Universidad Politécnica deMadrid (UPM) - España.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 20/30
Jaula de Faraday
La jaula de Faraday es un espacio cerrado que se forma con cubiertas metálicas o rejas de malla que se
encuentran tensionadas e impiden en el interior el flujo de los campos eléctricos exteriores, como por
ejemplo los celulares, los radios, módem, y demás tipos de aparatos que usan estos tipos de campos,este fenómeno fue descubierto por el físico y químico británico llamado Michael Faraday que es
conocido por el descubrimiento de la inducción electromagnética.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 21/30
La jaula de Faraday hace que el campo electromagnetico en el interior de un conductor en equilibrio se
anule, anulando los campos externos de manera que las descargas de afuera de la jaula no perturban el
interior.
En la vida cotidiana se usa este efecto en muchos aparatos para brindarnos seguridad. El ejemplo mas
común esta en los aviones, y gracias a la jaula de Faraday estamos a salvo de las tormentas eléctricas
que ocurren en el cielo.
ElectroscopioDe Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación, búsqueda
Esquema del funcionamiento del electroscopio
El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo eidentificar el signo de la misma.
El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte
superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla estásostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en
contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las
laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergenciauna medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 22/30
equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las láminas, al perder la
polarización, vuelven a su posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga
eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el
objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan,el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del
aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un
electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir ladensidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para
medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. El electroscopio de hojuelas
fue inventado por Bennet.
[editar] Explicación de su funcionamiento
Un electroscopio es un dispositivo que permite detectar la presencia de un objeto cargadoaprovechando el fenómeno de separación de cargas por inducción. Explicaremos su
funcionamiento empezando por ver que sucede con las cargas en los materiales conductores.
Si acercamos un cuerpo desnudo cargado con carga positiva, por ejemplo una lapicera que ha
sido frotada con un paño, las cargas negativas del conductor experimentan una fuerza atractiva
hacia la lapicera . Por esta razón se acumulan en la parte más cercana a ésta. Por el contrario las
cargas positivas del conductor experimentan una fuerza de repulsión y por esto se acumulan en la
parte más lejana a la lapicera.
Lo que ha ocurrido es que las cargas se han desplazado, pero la suma de cargas positivas es iguala la suma de cargas negativas. Por lo tanto la carga neta del conductor sigue siendo nula.
Consideremos ahora que pasa en el electroscopio. Recordemos que un electroscopio está
formado esencialmente por un par de hojas metálicas unidas en un extremo. Por ejemplo una tira
larga de papel de aluminio doblada al medio.
Si acercamos la lapicera cargada al electroscopio, como se indica en la figura, la carga negativa
será atraída hacia el extremo más cercano a la lapicera mientras que la carga positiva se
acumulará en el otro extremo, es decir que se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio.
La situación se muestra en la figura: los dos extremos libres del electroscopio quedaron cargados
positivamente y como las cargas de un mismo signo se rechazan las hojas del electroscopio seseparan.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 23/30
Si ahora alejamos la lapicera, las cargas positivas y negativas del electroscopio vuelven aredistribuirse, la fuerza de repulsión entre las hojas desaparece y se juntan nuevamente.
¿Qué pasa si tocamos con un dedo el extremo del electroscopio mientras esta cerca de la lapicera
cargada? La carga negativa acumulada en ese extremo "pasará" a la mano y por lo tanto elelectroscopio queda cargado positivamente. Debido a esto las hojas no se juntan cuando alejamos
la lapicera.
[editar] Determinación de la carga a partir del ángulo deseparación de las láminas
Electroscopio simplificado
.
Un modelo simplificado de electroscopio consiste, en dos pequeñas esferas de masa m cargadascon cargas iguales q y del mismo signo que cuelgan de dos hilos de longitud l, tal como se indica
la figura. A partir de la medida del ángulo θ que forma una esfera con la vertical, se puede
calcular su carga q.
Sobre cada esfera actúan tres fuerzas: el peso g, la tensión de la cuerda T y la fuerza de repulsióneléctrica entre las bolitas F .
En el equilibrio: (1) y (2).
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 24/30
Dividiendo (1) entre (2) miembro a miembro, se obtiene:
Midiendo el ángulo θ se obtiene, a partir de la fórmula anterior, la fuerza de repulsión F entre lasdos esferas cargadas.
Según la Ley de Coulomb: y como y
Entonces, como se conoce y ha sido calculado, despejando se obtiene
Queda demostrada entonces la utilidad del electroscopio para determinar la presencia de cargas
eléctricas y su signo.
Experiencias con el
Generador de Van der Graaff
Objetivo
Realizar una serie de experiencias con el generador de Van der Graaff.
Introducción
El generador Van der Graaff va a ser el protagonista de una serie de experiencias que pretendemos realizar en las que vamos a poner de manifiesto diversos fenómenos relacionados con la electrostática.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 25/30
Materiales
Generador de van der graff
Cubeta de Faraday Aguja de descarga Molinete electrostático
Mechón de pelo Unidad de "partículas
vibradoras" Lámpara Flaneras individuales de
aluminio
Cubeta de Faraday
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 26/30
Cubeta de Faraday
La cubeta de Faraday se conecta en el enchufe de 4 mm en la parte superior de la cúpula. La barra acrílica se inserta al vastago interior a la cubeta de manera que el hilo y la partícula metalizada se puedan colgar tanto por dentro como por fuera de la cubeta. Ponemos el generador en funcionamiento hasta que se cargue y entonces paramos el generador durante este experimento. Cuando la partícula se cuelga por dentro de la cubeta, su comportamiento demuestra que la superficie interior de la cubeta no está cargada. Cuando la partícula cuelgue por fuera será evidente que la carga se sitúa en la superficie exterior del conductor.
Generador de Van der Graaff concubeta de Faraday
Generador de Van der Graaff con agujade descarga
A guja de descarga
La aguja de descarga se enchufa en la parte superior de la cúpula con la aguja señalando hacia arriba. Aoscuras se puede observar una descarga de la punta. La corriente que fluye desde la aguja se puede medir y también se observa que la cúpula no puede producir una chispa grande puesto que la cúpula no puede alcanzar un voltaje muy alto si una punta afilada está unida a la cúpula. También se puede acercar la llama de una vela a la punta y el viento electrostático generado por la ionización del aire hará mover e incluso apagar la llama.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 27/30
Molinete electrostático
El molinete electrostático se puede situar sobre la punta de descarga de
manera que gire sobre ella. El molinete está provisto de un pequeño enchufe de forma que pueda colocarse cuidadosamente sobre la punta de aguja. Cuando se genera una carga, la reacción de descarga desde las dos puntas del molinete hace que el molinete rote. Observese esto también en la oscuridad.
Generador de Van der Graaff conmolinillo electrostático (I.d.)
Generador de Van der Graaff
con mechón de pelo
Mechón de pelo
El "mechón de pelo" se inserta en la parte superior de la cúpula para demostrar el efecto de la carga electrostática sobre filamentos. Cuando conectamos el
generador los pelos del mechón se separan al cargarse separándose de la cúpula y entre ellos a causa de "la repulsión de cargas de igual signo".
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 28/30
U nidad de "partículas vibradoras"
La unidad de "partículas vibradoras" se puede enchufar en la parte superior de la cúpula. Cuando el generador de Van der Graaff está en funcionamiento, las partículas se cargan en principio mediante la placa inferior la cual está conectada a la cúpula y se elevan,separándose de la cúpula a causa de "la repulsión de cargas de igual signo".Cuando alcanzan la placa superior, se descargan por la atmósfera que las
rodea o hacia tierra, entonces son atraídas violentamente hacia la cúpula cargada a causa de "la atracción de cargas de signo opuesto". Las partículas vibran rápidamente hacia arriba y hacia abajo a causa del cambio continuo del signo de la carga en la parte superior y en la inferior del lugar que las contiene.
Generador de Van der Graaff con launidad de "partículas
vibradoras" (I.d.)
Generador de Van der Graaff conPunta de descarga y barrita y partícula
Punta de descarga
La punta de descarga se puede invertir de manera que el extremo sin punta sobresalga de la cúpula. Sitúe la barra acrílica en la cúpula insertando el pasador sin punta que sobresale de la cúpula en el orificio taladrado a través de la barra acrílica en uno de sus extremos. El hilo debe sujetar la partícula aproximadamente en el punto diametral de la cúpula. El
movimiento de la partícula puede ser observado a medida que se carga el generador. La ranura del final de la barra es el lugar normal de unión,pero se puede atar el hilo en cualquier lugar a lo largo de la barra acrílica.
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 29/30
Portalámparas con lámpara
Uno de los extremos del portalámparas puede situarse cercano a la cúpula mientras se sostiene el otro con la mano. Asegúrese que la mano toca el enchufe metálico del extremo del portalámparas. La corriente que fluye desde la cúpula al portalámparas, a través del cuerpo de usted y después a tierra, es la suficiente para hacer que la lámpara de neón se ilumine. Esta corriente es
tan pequeña que no se puede sentir en el cuerpo. Generador de Van der Graaff yportalámpara con lámpara
Generador de Van der Graaff conflaneras (I.d.)
Flaneras
Colocamos sobre la esfera del generador de Van der Graaff una serie de flaneras individuales de aluminio encajadas unas sobre otras. Al conectar
el generador las flaneras se cargan y se elevan de una en una, separándose de la esfera debido a la repulsión
5/9/2018 GENERACI N DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/generacion-de-cargas-electrostaticas 30/30