Universidad Nacional Mayor de San Marcos - Laboratorio de Fsica 32

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOSFACULTAD DE QUIMICA INGENIERIA QUIMICA E INGENIERIA AGROINDUSTRIAL

Escuela Acadmico Profesional de Ingeniera Qumica (07.2)

LABORATORIO DE FISICA IIIPRACTICA N01CARGAS ELCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS

HORARIO: Lunes: 8-10 amFECHA DE REALIZACION: 7 de abril del 2014FECHA DE ENTREGA: 14 de abril del 2014INTEGRANTES:

INTRODUCCIN Desde un simple telfono mvil hasta la grandiosa organizacin de un complejo industrial, nuestro mundo est dominado por la energa elctrica. La gran parte de lo que usualmente conocemos funciona a travs de ella. Tan solo el siglo pasado no se tena ni la ms mnima idea del desarrollo tecnolgico que nos traera el conocimiento de este campo de la ciencia. Es sabido que no existe algo esttico en el universo, todo est en constante cambio, igualmente en los cuerpos existen interacciones atmicas entre cargas positivas y negativas (que es el nombre que se le da a las cargas protnicas y electrnicas respectivamente). Esta interaccin genera fuerzas de dos tipos, atractivas y repulsivas, es decir que las cargas de un mismo tipo o signo se repelen y las de signo diferente se atraen. Estudiaremos las formas de dotar de energa elctrica a un cuerpo (friccin, induccin y contacto) y a la vez como esta se transmite y genera las fuerzas atractivas y repulsivas.El dominio de este campo, estudiado por la ciencia fsica, es de vital importancia para el desarrollo de otras materias, as como para el desarrollo de la ciencia y tecnologa modernas y su aplicacin en las ciencias aplicadas como medicina y tambin en el desarrollo de nuestra rea: LA INGENIERA.

1. OBJETIVOS1. Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga elctrica.2. Experimentar con la electrificacin de los cuerpos mediante los diversos procesos.3. Verificar la interaccin electrosttica entre cargas de igual signo y signos opuestos.4. Conocer el funcionamiento y los principios fsicos de un generador Electrosttico- mquina de Wimshurst y la mquina de Van de Graaff.

2.-MATERIALES:Juego de equipos de electrosttica U8491500 (tableros de destellos, cubierta de electrodos esfricos, rueda con punta, barra de friccin de plstico, con clavijerote 4mm, soporte de depsito, rodamiento de agujas con clavija de conexin, soporte con gancho para pndulo doble de bolitas de saco, clavija de conexin enpantalla de seda en varilla, trozos de medula de saco, tablero de base en clavija de conexin y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexin, esfera conductora de 30mm de dimetro, con clavija de conexin, cubierta con electrodos de punta, pie de soporte, aislada con manguitos de soporte y de conexin y juego de campanas.

Equipo de Electrosttica U8491500.

Pndulos de Tecnoport.

Paos de algodn, seda y lana. Barras de acetato, vinilito y vidrio.

Electroscopio

Mquina de Wimshurt modelo U15310

Mquina de Var de Graaff

3.-FUNDAMENTO TERICO:Desde laAntigua Greciase conoce que al frotarmbarcon una piel, sta adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros tales como trozos depajay plumas pequeas. Su descubrimiento se le atribuye al filsofogriegoThales de Mileto(ca. 639-547 a.C.), quin vivi hace unos 2500 aos.3El mdico inglsWilliam Gilbert(1540-1603) observ que algunos materiales se comportan como el mbar al frotarlos y que la atraccin que ejercen se manifiesta sobre cualquier cuerpo, aun cuando no fuera ligero. Como el nombre griego correspondiente al mbar eselectrn, Gilbert comenz a utilizar el trminoelctricopara referirse a todo material que se comportaba como aqul, lo que origin los trminos electricidadycarga elctrica. Adems, en los estudios de Gilbert se puede encontrar la diferenciacin de los fenmenoselctricosymagnticos.3El descubrimiento de la atraccin y repulsin de elementos al conectarlos con materiales elctricos se atribuye aStephen Gray. El primero en proponer la existencia de dos tipos de carga esCharles du Fay, aunque fueBenjamn Franklinquin al estudiar estos fenmenos descubri como la electricidad de los cuerpos, despus de ser frotados, se distribua en ciertos lugares donde haba ms atraccin; por eso los denomin (+) y (-).3Sin embargo, fue solo hacia mediados delsiglo XIXcuando estas observaciones fueron planteadas formalmente, gracias a los experimentos sobre laelectrlisisque realizMichael Faraday, hacia 1833, y que le permitieron descubrir la relacin entre la electricidad y lamateria; acompaado de la completa descripcin de los fenmenos electromagnticos porJames Clerk Maxwell.Posteriormente, los trabajos deJoseph John Thomsonal descubrir el electrn y deRobert Millikanal medir su carga, fueron de gran ayuda para conocer la naturaleza discreta de la carga

GENERADOR ELECTROSTTICO: MQUINA DE WIMSHURTLamquina de Wimshurstes ungenerador electrostticode altovoltajedesarrollado entre 1880 y 1883 por el inventorbritnicoJames Wimshurst(1832-1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotacin (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metlicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en elefecto triboelctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre s.

Funcionamiento:

La teora de estamquina es algo compleja, consistiendo lo fundamental en que al girar por el manubrio los discos en sentido opuesto el uno del otro, el roce de los sectores con las escobillas produce por induccin en stasuna carga inicial a expensas de la cual, y por induccin, se electrizan los discos con electricidad de nombre contrario en las dos mitades de cada disco, y en cada sector del uno y el correspondiente del otro: de este modomantenidas las cargas contrarias en cada sector y su opuesto, que marchan en sentidoinverso, al pasar por lospeines atrae, para su neutralizacin, la electricidad denombre contrario, y los conductores quedan as cargados, el uno con electricidad positiva y el otro con negativa, con lo cual se recoge el fluido de signos contrarios en cada peine colector, pasando a las escobillas, entre las que se hace saltar lachispa en la descarga

GENERADOR ELECTROSTTICO: MQUINA DE VAN DE GRAAFFElgenerador de Van de Graaffes una mquina electrosttica que utiliza una cinta mvil para acumular grandes cantidades decarga elctricaen el interior de una esfera metlica hueca. Las diferencias de potencial as alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5mega voltios. Las diferentes aplicaciones de esta mquina incluyen la produccin derayos X,esterilizacinde alimentos y experimentos defsica de partculasyfsica nuclear.

Existen dos modelos bsicos de generador: el que origina la ionizacin del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red elctrica y que crea un gran voltaje) el que se basa en el efecto de electrizacin por contacto. En este modelo el motor externo slo se emplea para mover la correa y la electrizacin se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona igual que con el motor.Consta de:1.- Una esfera metlica hueca en la parte superior.2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseo de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje.3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje. 4.- Dos peines metlicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior est conectado a tierra y el superior al interior de la esfera.5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la haran conductora).6.- Un motor elctrico montado sobre una base aislante cuyo eje tambin es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.

ParteSuperiorSupongamos que nuestro generador tiene un rodillo de tefln que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa. El peine situado a unos milmetros frente a la correa tiene un campo elctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.Un generador de Van der Graaff no funciona en el vaco. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa. El generador puede lograr una carga ms alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a l y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.El campo creado en el peine por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con molculas de aire. Las partculas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento elctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.El efecto es que las partculas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrn que pasa al interior de la esfera metlica de la cpula que adquiere carga negativa.Por el efecto Faraday (que explica el por qu se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situndose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargndose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

4.-CUESTIONARIO 1.- Como puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport ?Podemos determinarlas a travs de la carga que la proporcionamos, es decir si la cargamos con una barra de plstico, esta ser negativa, y si la cargamos con una barra de vidrio, esta ser positiva.2.- En las experiencias efectuadas, cmo podra aplicar el principio de superposicin? Explique.Podemos explicarla en la mquina de Van Der Graaff, pues se nota que es un objeto de dimensin apreciable, podramos tomar un diferencial de cargadq para la esfera de la mquina de Van Der Graaff y la interaccin con un cuerpo de dimensin despreciable de carga Q, entonces cada diferencial de carga interacta con la carga Q y la suma de todas las fuerzas obtenidas seria la fuerza ejercida entre la carga Q y la carga q.- Aqu podramos apreciar el principio de superposicin3.- Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?S, pues al poneren contacto dos cuerpos y al intercambiar carga entre ellos, notamos que el cuerpo cargado repele las cargas del mismo signo del otro cuerpo, por lo que ste queda cargado con signocontrario al primero. Por lo tanto en el experimento realizado las cargas que se trasladan son negativas.4.- Enuncie los tipos de electrizacin, explique cada caso.A. POR CONTACTO Uniendo un disco de cobre y otro de cinc, separados por una placa de mica, se produce electricidad esttica, de signo positivo sobre el cobre y negativo sobre el cinc. Las mismas placas, separadas por paos mojados en agua acidulada, desarrollan electricidad dinmica, del mismo signo que en el ejemplo, anterior.B. POR FRICCIONFrotando una varilla de vidrio con un pao de lana, se produce electricidad negativa sobre el pao y positiva sobre el vidrio. Frotando una barra de azufre con un ao de lana, se desarrolla electricidad negativa sobre el azufre y positiva sobre el pao.C. POR INDUCCIONMetiendo un imn dentro de un arrollamiento de alambre (bobina), se produce sobre el alambre una corriente elctrica. Moviendo transversalmente un extremo del imn cerca de la bobina, tambin se produce una corriente elctrica.

C. EFECTO FOTOELCTRICOUna clula fotoelctrica colocada delante de un foco luminoso, transforma directamente la luz en electricidad. 2Las hojas de las plantas y rboles, producen una dbil corriente elctrica mientras el sol las ilumina, durante el proceso llamado "fotosntesis".D. POR ELECTROLISISSumergiendo una placa de carbn mineral o de retorta junto a una placa de cinc, sumergida en agua acidulada, se desarrolla electricidad, de signo positivo sobre el carbn y negativo sobre el cinc. 2Metiendo limaduras de hierra en un frasco con agua acidulada y colocando dos cables de cobre cerca de las limaduras y sumergido, tambin se desarrolla electricidad. (Estos dos ejemplos, mejor que generacin elctrica por electrlisis, es ms correcto decir, por medios qumicos).E. EFECTO TERMOELCTRICOLa pila termoelctrica de Seebeck, transforma el calor aplacado a varias soldaduras de dos metales diferentes, directamente en electricidad. La evaporacin de las agua de mares y ros se demostr que generara electricidad, la cual se deposita en las nubes.

5.- Por qu el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.Porqu casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiologa, ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente elctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biolgicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes ms sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estmulo elctrico producen una sensacin luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

6.- En la ilustracin 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 esta descargada. Considere adems que las bolas tienen igual radio. Qu suceder?Si la esfera adquiere una carga Q, sea positiva o negativa, la esfera 2 se polariza y ejercen, tanto la esfera 2 como la 1, cierta atraccin entre ambos, la esfera 2 tratara de acercarse a la 1 que est cargada. Al suceder esto la esfera blanca realiza un pequeo desplazamiento angular debido a que sus electrones, si Q es positivo, o sus protones, si Q es negativo, experimentan una atraccin proveniente de la esfera 1. FIGURA 6

7.- Siguiendo con la ilustracin 6, suponga que mediante algn deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que est descargada. Qu es lo que se observar? . Cul ser la carga que adquiere de la esfera 2?En el caso que las esferas tengan el mismo radio habra una reparticin homognea de la carga en ambas esferas por medio del contacto por el deslizamiento de los hilos, ya que al estar en contacto tendra una comparticin de electrones. En este caso, como la esfera 2 tiene el doble de radio que la otra esfera la carga de la esfera 2 sera la mitad de la carga de la esfera 1.

8.- Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; Cul ser la carga que adquiere de la esfera 2?La reparticin de carga en las esferas que son cuerpos volumtricos se da en proporcin de su volumen, y este a su vez del radio, por lo que podramos decir que la esfera 1 tendra mayor carga que la esfera 2.

9.- En un experimento de electrosttica se observa que la distancia entre las esferas idnticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm. (Ilustracin 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. Cul es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5g y la longitud de los hilos en los que estn suspendidas las esferas es de 30 cm?Rpta :

10.-Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. Qu tipo de carga tiene el electroscopio?Al acercar el objeto las laminillas se cierran, pues est habiendo un acomodamiento de cargas, al acercar ms el objeto a la esfera metlica del electroscopio sin llegar a tocarlas estas laminilla, se abren, pues ya hubo un mejor acomodamiento y la parte de la esfera del electroscopio est cargada positivamente parcialmente, por lo que en la parte inferior las laminillas se cargas negativamente parcialmente por lo que se rechazan. Entonces la carga del electroscopio es neutra solo hubo un reordenamiento de cargas que sumadas dan cero ya que es por induccin

11.- Qu funcin cumple las botellas de Leyden en la mquina de Wimshurst , explique detalladamente? La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar cargas elctricas. Puede ser considerada como el primer condensador. Se trata de un condensador simple, de placas paralelas, o en otros trminos de un "acumulador de carga elctrica, que puede almacenar cantidades sustanciales de carga.12.- Durante el uso del generador electrosttico se percibe un olor caracterstico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.Muchas mquinas electrostticas producen en el ambiente la aparicin de este gas de un olor caracterstico, el olor caracterstico de la tormenta elctrica. Este gas tan nombrado se produce por la excitacin de los tomos de O2 por chispas elctricas, los mismos se combinan con otro tomo de O y dan O3.Este gas es un bactericida muy potente, adems desodorante, pero inhalado durante bastante tiempo es venenoso as que ojo con la nariz, un ratito est bien mas hace mal.13.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones.En Electrosttica, el poder de las puntas est ntimamente relacionado con el concepto de la rigidez dielctrica. sta es el mayor valor de campo elctrico que puede aplicarse a un aislante sin que se vuelva conductor. Este fenmeno fue descubierto hace 200 aos por Benjamn Franklin, al observar que un conductor con una porcin puntiaguda en su superficie, descarga su carga elctrica a travs del aguzamiento y por lo tanto no se mantiene electrizado.Actualmente se sabe que esto se produce debido que en un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la regin puntiaguda. La concentracin de carga en una regin casi plana es mucho menor que la acumulacin de carga elctrica en un saliente acentuado. Debido a esta distribucin, el campo elctrico de las puntas es mucho ms intenso que el de las regiones planas. El valor de la rigidez dielctrica del aire en la porcin ms aguzada ser sobrepasado antes que en las otras regiones, y ser por ello que el aire se volver conductor y por all escapar la carga del conductor.

14.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van de Graaff.a) Experimentos Fsicos: Se usa para realizar experimentos en fsica nuclear en los que se aceleraban partculas cargadas que se hacan chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las caractersticas de los ncleos del material que constituye el blanco.b) Aceleracin de electrones para esterilizar alimentos.c) Aceleracin de electrones para esterilizar materiales usados en procesos industriales o cientficos.d) Generar Rayos-X mediante grandes flujos de energa.

5.-CONCLUSIONES Las cargas con signo positivo y negativo pueden transferir electrones a otra que tenga una carga neutra para as cumplir las leyes electroestticas. Loscuerposexperimentanfuerzasderepulsinodeatraccindependiendo de la naturaleza del origen desu carga al ser electrizado Entodocuerpoconductor,lascargassedistribuyensuperficialmente buscando las zonas de mayor convexidad. En estecaso la distribucin de las cargas es uniforme. Los cuerpos al encontrarse en diferente cantidad de carga tienden a equilibrar su carga. Algunos materiales como el vidrio, son ms difciles de cargar debido a su naturaleza fra. La electricidad esttica al acumularse y entrar en contacto con el agua se manifiesta en forma de chispas. Se pudo comprobar experimentalmente que existen cargas iguales que al juntar su campo elctrico tienden a repelerse, y cargas contrarias que se atraen al estar en contacto.

6.-RECOMENDACIONES Para realizar las experiencias, procurar estar en un lugar seco, para evitar que las cargas se pierdan fcilmente. Para mantener por ms tiempo cargado las barras se recomienda agarrar las barras con una franela, pues la carga se pierde ms rpido cuando agarramos con la mano sola. Para iniciar la experiencia del electroscopio, este debe de tener carga neutra para evitar errores en medir que barra es ms intensa que otra.

8.-BIBLIOGRAFA

Teora y problemas. Fsica III . Regulo A.Sabrera Alvarado, Edicin Julio 2009,Pg. 21-24

Fsica. Raymond A. Serwey. Sexta edicin ,Pg.10-11

Manual de Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Fsica III, Octava Edicin,Pg. 6-13

2Experiencia N 1 - Cargas Elctricas y Cuerpos Electrizados