DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA, ESTADÍSTICA Y FÍSICA.

GUÍA E INFORME DE LABORATORIO Nº 01“ELECTROSTÁTICA”

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EXPERIENCIA.

I. OBJETIVO. Experimentar cualitativamente con fenómenos de carga por frotamiento,

conducción e induccion y aprender sus propiedades más relevantes.

II. INTRODUCCIÓN.

Los fenómenos eléctricos son conocidos desde la Antigüedad, los griegos sabían que frotando ámbar (), éste se electrificaba y atraía trozos de paja o plumas. En el siglo XV, William Gilbert descubre que la electricidad es un fenómeno que se da en todos los cuerpos, incluso en las personas. En 1785, Charles Coulomb establece una ley cuantitativa de las fuerzas eléctricas.

La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas de signos opuestos llamadas positivas y negativas. Usualmente los cuerpos son eléctricamente neutros y mediante algunos procesos físicos se les puede hacer perder o ganar cargas eléctricas, quedando de esta forma cargado eléctricamente. Estos procesos son: carga por frotamiento, carga por inducción y carga por contacto.

CARGA ELÉCTRICA.

a) Carga por frotamiento. Es frecuente observar fenómenos eléctricos que se producen por frotamiento: al peinarnos se generan chispas eléctricas, que se detectan por el ruido que producen; cuando nos quitamos un jersey o una camisa de fibra sintética. Según las sustancias se pueden considerar cargas dos tipos de carga: positivas y negativas. Se puede comprobar que cuerpos con cargas iguales se repelen y cargas de distinto tipo se atraen.

La explicación de los dos tipos de carga en los cuerpos está en la naturaleza eléctrica de la materia. En átomos hay igual número de protones (carga +) que de electrones (carga -). Cuando dos cuerpos se frotan, parte de los electrones de uno de ellos pasa al otro quedando cargado positivamente mientras que el que los recibe queda cargado negativamente. Los protones no participan porque están en el núcleo.

DÍA / MES / AÑO

LABORATORIO Nº 01“ELECTROSTÁTICA”.

a) Conductores y aislantes. Los metales que permiten mover la carga eléctrica son los conductores y los que no dejan pasar las cargas eléctricas los aislantes (cerámicos y polímeros). En un lugar intermedio están los semiconductores como el silicio y el germanio con los que se construyen diodos, transistores, chips...

a) Carga por inducción. Si se frota un bolígrafo y luego se acerca a un papel, vemos que lo atrae, ya que las cargas del bolígrafo repelen a las del mismo signo del papel y atraen a las de signo opuesto; en el papel se ha inducido una carga de signo opuesto a la del bolígrafo y ambas se han atraído. Lo mismo ocurre con un globo cargado por frotamiento cuando se acerca a una pared, en ésta se induce una carga de signo opuesto a la del globo y la fuerza entre cargas de signo opuesto lo mantiene en la pared. También se ve en un peine frotado en pelo, atrae un hilito de agua al aparecer en él carga de distinto signo.

En pos de lograr el objetivo, se realizarán variadas actividades. La estructura de informe, se trabajará así: materiales, esquema, procedimiento, registro y análisis por cada experiencia propuesta.

EXPERIENCIA I. CARGA POR FROTAMIENTO.

III. MATERIALES EXPERIENCIA CARGA POR FROTAMIENTO.

Barra de pvc o plástico. Esferitas de aluminio, etc. Motitas de algodón.

Paño. Trocitos de papel.

IV.ESQUEMA CARGA POR FROTAMIENTO.

V..PROCEDIMIENTO CARGA POR FROTAMIENTO.

1. Frotar barra de pvc o plástico con un paño.

2. Acercar barra a distintos materiales: trocitos de papel, motitas de algodón, esferitas de aluminio, etc.

3. Repita usando una barra de vidrio. 4. Frotar barra de pvc y acercarla a un

fino chorro de agua.

VI.REGISTRO EXPERIENCIA CARGA POR FROTAMIENTO.

1. Describir lo que observa, en caso barra pvc o plástico.2. Describir lo que observa, en caso barra de vidrio.3. Describir lo que observa, en caso barra de pvc cuando se acerca al agua.

VII.ANÁLISIS EXPERIENCIA CARGA POR FROTAMIENTO.

1. Explicar lo que observa, en caso barra pvc o plástico.2. ¿Hay algún cambio con la barra de vidrio?3. Explicar el fenómeno en caso barra de pvc cuando se acerca al agua.4. Construya esquemas en el que se visualice cada forma de cargar eléctricamente cuerpos. EXPERIENCIA II. EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS.

III. MATERIALES EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS.

Barra metálica. Barra de pvc. Péndulo.

IV. ESQUEMA EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS.

V.PROCEDIMIENTO EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS.

1. Cargue una barra de pvc, frotándola con algún otro objeto.

2. Tocar un péndulo descargado por algunos segundos.

3. Luego separar barra del péndulo y volver a cargar la barra.

4. Acercar barra al péndulo cuidadosamente sin tocarlo.

5. Cargar dos péndulos por contacto con la barra de pvc.

6. Acercar los péndulos lentamente.

7. Cargar primero un péndulo y enseguida colocarlo muy cerca, pero sin tocar la barra metálica como muestra el esquema.

8. Luego cargar barra de pvc y tocar extremo libre de la barra metálica.

VI. REGISTRO EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS. 1. Describir detalladamente lo que ocurre.

VII.ANÁLISIS EXPERIMENTOS CON PÉNDULOS ELÉCTRICOS.

1. Explicar fenómeno al cargar un péndulo.

2. Explicar lo observado con los dos péndulos.

3. Explicar lo que sucede con el péndulo al tocar barra metálica.

EXPERIENCIA III. GENERADOR DE VAN DE GRAAFF.

El propósito del generador de Van de Graaff es depositar una gran cantidad de carga eléctrica positiva sobre un domo metálico conductor. El generador, que utiliza la electrización por frotamiento y por inducción, actúa como un grifo de cargas que se almacenan en el domo del generador.

Esta experiencia se dividirá en varias actividades: Pelos de punta; Campo Eléctrico; Ionización del gas de un fluorescente; Viento eléctrico; Molinillo eléctrico; Rayos y Truenos y Chispas y Rayos.

PELOS DE PUNTA.

III. MATERIALES. EXPERIENCIA PELOS DE PUNTA.

Generador de Van de Graaff. Penacho.

Punta metálica. Taburetes aisladores.

IV. ESQUEMA. EXPERIENCIA PELOS DE PUNTA. Dibujar experiencia.

V. PROCEDIMIENTO. EXPERIENCIA PELOS DE PUNTA.

1. Con el generador detenido, subir sobre una silla aislada.2. Colocar una mano sobre el domo y en la otra sujetar penacho de papeles. 3. Encender generador. El cuerpo de quien sujeta el penacho se va cargando

y sus hojas acaban por separarse y los pelos se ponen de punta. 4. Agitar la cabeza para que se deshagan las hebras de pelo.5. No quitar mano de domo, ni tocar a nadie ni ninguna cosa, ni bajar de la silla. Si

se infringen estas normas se siente un calambre desagradable. Esto ocurre, porque al hacerlo se completa la conexión eléctrica y hace de tierra. La electricidad estática, en lugar de permanecer en el cuerpo pasa a tierra.

6. Repetir experiencia con varios asistentes, subidos a sillas aislantes y tomados de la mano, el último sujeta el penacho de papeles.

7. Encender generador.

VI. REGISTRO EXPERIENCIA PELOS DE PUNTA. Describir detalladamente experiencia.

VII.ANÁLISIS. EXPERIENCIA PELOS DE PUNTA.

Explicar conceptualmente lo sucedido.

CAMPO ELÉCTRICO. El espacio que rodea a una carga o conjunto de cargas queda perturbado por la presencia de las mismas que ejercen su acción a distancia. En el espacio hay un campo eléctrico y la perturbación se aprecia, si en el espacio se pone una carga de prueba (por convenio se supone positiva), experimenta una fuerza. En los experimentos que siguen se puede apreciar que la carga sobre el domo del generador produce ionización en las moléculas que están próximas, en las del aire o en las de un tubo fluorescente próximo al domo. IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE.III. MATERIALES EXPERIENCIA IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE.

Generador de Van de Graaff. Tubo fluorescente

IV.ESQUEMA EXPERIENCIA IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE. Dibujar montaje experiencia.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIENCIA IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE.

1. Poner en marcha el generador de Van de Graaff. 2. Sujetar fluorescente por un extremo y acercarlo por el otro al generador. 3. Apagar la luz para apreciar experiencia.

VI.REGISTRO EXPERIENCIA IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE. Describir detalladamente experiencia.

VII.ANÁLISIS EXPERIENCIA IONIZACIÓN DEL GAS DE UN FLUORESCENTE. Explicar conceptualmente lo sucedido.

VIENTO ELÉCTRICO.

III. MATERIALES EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO. Van de Graaff. Punta metálica.

Vela. Cinta aislante.

Punta metálica. Fósforos.

IV. ESQUEMA EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO. Dibujar montaje experiencia.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO.

1. Con cinta aislante, adherir un conductor (en forma de punta) sobre domo, teniendo en cuenta que el conductor debe apuntar radialmente hacia fuera.

2. Acercar una vela encendida a la aguja. 3. Detener generador y descargarlo con una punta metálica. 4. Subir sobre un taburete aislado y tocar el domo.

5. Encender generador y estirar dedo hacia vela encendida. El dedo hace de punta. VI.REGISTRO EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO. Describir detalladamente experiencia.

VII.ANÁLISIS VIENTO ELÉCTRICO.

1. ¿Qué sucede al acercar una vela encendida a la aguja? 2. ¿Qué ocurre cuando la persona estira su dedo hacia la vela?

MOLINILLO ELÉCTRICO.

III. MATERIALES EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO. Generador de Van de Graaff. Molinillo con soporte aislante

IV. ESQUEMA EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO.

Dibujar montaje experiencia.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO.

1. Conectar generador.

2. Aproximar el molinillo al domo del generador.

3. El Generador produce que el molinillo gire cada vez con mayor velocidad.

4. La distribución de la carga sobre el domo del conductor es uniforme por su forma esférica. No así para los objetos con forma irregular o asimétrica. Por eso las partes estrechas siempre tienen mayor concentración de cargas que las partes anchas. El efecto será máximo para los objetos en forma de punta. En la punta que se ha colocado sobre el domo la carga en la punta será tan intensa que ionizará las moléculas del aire próximo. Los iones negativos se desplazarán hacia el domo del generador para neutralizar su carga (que se supone que es positiva). Los iones positivos, sin embargo, se alejan (debido a la repulsión electrostática) de la carga del generador y no se neutralizan.

5. A medida que el generador funciona proporciona más y más iones positivos a alta velocidad. Los iones repelidos forman un viento llamado “viento eléctrico” que sopla alejándose del generador.

6. En el molinillo la carga fluye desde el domo hacia las puntas. Esta carga distribuida forma una nube de iones en el aire. Cada punta negativa es repelida por la nube de iones asociada haciendo que gire.

VI.REGISTRO DE DATOS EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO.

Describir detalladamente experiencia.

VII.ANÁLISIS EXPERIENCIA VIENTO ELÉCTRICO.

Explicar conceptualmente lo sucedido. RAYOS Y TRUENOS.

En una tormenta eléctrica, las nubes están cargadas. La parte superior de la nube es positiva y la baja es negativa. Cómo la nube adquiere esta carga no se ha explicado bien todavía. Aparecen, por inducción, cargas positivas sobre el suelo, edificios, palos de barcos, banderas, cimas de montañas o árboles.

Se supone que desde la parte baja de la nube aparece un zigzag de segmentos o escalones de carga eléctrica negativa. Cuando el zigzag está a una distancia de unos 45 metros sobre el suelo, desde éste un chorro serpenteante de carga positiva sube para encontrarse con él y se produce un rayo. Un rayo se produce en medio segundo, calienta el aire circundante a una gran temperatura. El aire cercano se expande y vibra, produciendo el sonido del trueno.

En 1752, el científico Benjamin Franklin realizó un experimento para demostrar que los rayos eran electricidad. Durante una tormenta, Franklin y su hijo elevaron una cometa con un cable metálico. Franklin pensó que un rayo incidiría sobre el alambre, fluiría sobre el cable hasta una llave atada cerca del extremo. La cometa entró en una nube de lluvia y Franklin vio saltar una chispa. El experimento funcionó. Pero si el rayo hubiera sido más intenso hubiera podido resultar herido. Posteriormente, desarrolló el pararrayos, punta metálica unida a los cimientos de un edificio por una conducción de cobre o aluminio introducido en el suelo. Los pararrayos no atraen a los rayos, sino que proporcionan un camino de baja resistencia hacia el suelo que puede conducir enormes cantidades de electricidad procedentes de los rayos.

CHISPAS Y RAYOS.

III. MATERIALES EXPERIENCIA CHISPAS Y RAYOS.

Generador Van de Graaff. Esfera conductora conectada a tierra.

Objeto metálico en punta.

IV.ESQUEMA EXPERIENCIA CHISPAS Y RAYOS. Dibujar montaje experiencia.

V. PROCEDIMIENTO EXPERIENCIA CHISPAS Y RAYOS.

Conectar esfera a base del generador (a tierra) y colocarla a pocos cm. del domo.

Con el sistema funcionando, una punta conectada a tierra se orienta hacia el domo del Van de Graaff desde varias veces la distancia entre el domo y la esfera conectada a tierra.

VI. REGISTRO DE DATOS EXPERIENCIA CHISPAS Y RAYOS. Describir experiencia.

VII.ANÁLISIS EXPERIENCIA CHISPAS Y RAYOS.

1. El domo se carga negativamente y la esfera, positivamente por inducción.

2. Salta una chispa y las dos esferas pierden sus cargas. Se oyen chasquidos. Las chispas equivalen a los rayos y los chasquidos son los truenos.

3. Luego, una punta conectada a tierra se orienta hacia el domo del Van de Graaff. La punta descarga al domo, evitando la construcción de una carga y la consiguiente descarga. Aquí se está simulando un pararrayos.

VIII.CONCLUSIONES.

1. ¿Por qué algunos cuerpos son buenos conductores de la electricidad (cobre)?2. ¿Por qué otros son malos conductores de electricidad, como el vidrio?3. ¿Qué hace la diferencia?4. Enunciar conclusiones fundamentadas.5. Investigue teoría de bandas: banda de valencia y bandas de conducción.

IX.BIBLIOGRAFÍA.

1. R. Serway, Vol. I, Física, Editorial Mc Graw-Hill, 2005.2. Tipler, Fisica, Editorial McGraw - Hill, 1999.3. Sears y Zemansky, Fisica General, Editorial Aguilar S.A., España, 1980.