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Electroestática y generador de Van de Graaff.
Integrantes: JulianAleuy
Gabriel Herrera
Danitza Mora
Profesor : Luis Oliveros
Fecha : 05. Octubre.2012
Universidad San Sebastián Facultad de Ingeniería y Tecnología
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Resumen ejecutivo
Resumen
El laboratorio de esta semana trata sobre la electroestática básica en cuerpos
con cargas positivas negativas y neutras.
También se analiza el fenómeno producido con diferentes materiales cuando
son acercados entre sí, puesto que se presenta la influencia de un campo
electroestático, alterando en todas las direcciones del cuerpo su campo
electroestático. También se explica el funcionamiento del Generador
electroestático (Van DeGraff).
Cabe destacar que los resultados obtenidos en relación al los experimentos
electroestáticos que son basados en estudios teóricos, son respuestas que
podemos deducir a simple vista ya utilizamos ningún objeto para determinar si
realmente hay una carga positiva o negativo en algunos objetos solo nos
basamos en teoría.
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Introducción
Gracias a que el hombre es un ser pensante por naturaleza hemos sido ser
capases de desarrollar, investigar y averiguar distintos fenómenos que nos han
llamado la atención y uno de ellos es la parte electroestática donde
aprenderemos que se puede cargar un cuerpo de distintas formas ,por ejemplo
al tener contacto con otro anteriormente cargado, estando los cuerpos
cargados, sus cargas eléctricas se distribuyen entre estos mismos esta es una
de las formas en cual un objeto puede sufrir un cambio electroestático.
Durante esta experiencia veremos empíricamente las cualidades de la
electroestática mediante distintas actividades que se relacionan con cambios
de cargas y así poder explicar parte de estos fenómenos que la naturaleza nos
entrega.
Objetivos:
Observar el generador de Van DeGraff y su comportamiento frente a
ciertos materiales cuando acumula carga y luego actúa en estos según
ciertos parámetros.
Verificar mediante varios experimentos con los materiales las líneas de
campo eléctrico y su potencial eléctrico, para comprender el fenómeno
físico y de acción a distancia.
Analizar el comportamiento de diferentes cuerpos cargados
eléctricamente mediante el método de frotación, inducción y contacto.
Analizar todos los resultados y llevarlo a un explicación teórica/práctica,
la cual permitirá ver el porqué del fenómeno estudiado, permitiendo a los
estudiantes comprenderlo de forma experimental y no teórica, puesto
que no se basaría en un aprendizaje si no una carga para el estudio.
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Marco teórico
El cargar un cuerpo es el efecto de ganar o perder cargas eléctricas,
normalmenteelectrones, producidos por un cuerpo eléctricamente
neutro,enfísica, lacarga eléctricaes una propiedad de algunas partículas
(pérdida o ganancia deelectrones) que se manifiesta medianteatracciones y
repulsiones que determinan lasinteracciones electromagnéticas entre ellas. El
cuerpocargado eléctricamente es influido
por loscampos electromagnéticossiendo, a su vez, generador de ellos. La
interacción entrecarga y campo eléctrico origina una de las interacciones
fundamentales la electromagnética ya que la carga eléctrica fue demostrado
empíricamente por Robert Milikan .
La carga eléctrica esta propiedad de lamateriaque después se presentó dedos
tipos. Éstas llevan ahora el nombre con las queBenjamin Franklinlasdenominó:
cargas positivas y negativas.
Cuando cargas del mismo tipo seencuentran se repelen y cuando
son diferentes se atraen.
Clasificaciones de los diferentes materiales en relación a la afinidad con la carga eléctrica:
Conductores: Permiten que sus electrones de valencia se muevan con mucha facilidad.
Aislantes: Los que no permiten el fácil recorrido ni el desplazamiento de electrones de valencia.
Semi-Conductores: Se ubican en un lugar intermedio, entre conductor y aislador. Permiten el desplazamiento de electrones en un solo sentido, bloquean el paso en sentido contrario.
Sin embargo, existen varias otras formas de cargar eléctricamente:
Distintos tipos de generar cargas:
- Roce o frotamiento: Esto se produce cuando se frotan fuertemente dos
cuerpos eléctricamente neutros, los cuales uno obtiene carga negativa y
el otro positiva dependiendo de cuál sea su tendencia a perder o ganar
electrones respectivamente.
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- Contacto: Esto es producido al tocar un cuerpo con otro previamente
cargado en este caso quedan los dos ambos con el mismo tipo de carga.
- Inducción: Cuando acercamos un cuerpo electrizando a un cuerpo
neutro, se produce una interacción eléctrica entre las cargas del primero
y el cuerpo neutro. Como resultado de esto, la distribución inicial se ve
alterada las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo cargado se
acercan a este. En este proceso, la carga neta inicial no ha variado en el
cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en
otras negativamente Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas
inducidas. Entonces el cuerpo cargado induce una carga con signo
contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae.
- Diferencia de temperatura:a altas temperaturas se mueven los
electrones cada vez con más fuerza y empiezan a escaparse hasta dejar
el cuerpo cargado positivamente.
- Efecto piezoeléctrico: Se produce al comprimir ciertos cristales, los
cuales adquieren una polarización eléctrica en su masa y diferencia de
carga en la superficie
- Efecto fotoeléctrico: Se produce una ionización provocada por la luz en
el instante que se golpea un objeto metálico el cual como respuesta
emite electrones.
El agua
El agua es conductor cundo el agua esta mineralizada ósea cuando contiene
sales que la hacen ser conductor a partir de estos componentes que son
externos al agua en sí, porque cuando tenemos agua pura sin minerales esta
no conduce electricidad alguna.
Funcionamiento del tubo fluorecente
Inicialmente las láminas del partidor están abiertas, al cerrar el circuito se
ioniza el gas del partidor y se ceba un arco. El arco calienta las láminas, estas
se deforman y hacen contacto. Se cierra el circuito y la corriente calienta los
filamentos de la lámpara iniciándose una descarga oscura en el tubo. Como
ahora no se produce descarga en el partidor, las láminas se enfrían y se abren,
lo cual produce una sobretensión, a través de la reactancia, que enciende el
tubo. Como en esta situación la tensión en bornes del cebador es menor a la
de cebado del arco, el gas no se calienta y no se deforman las láminas.
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Pero nosotros utilizamos un generador de van der graff para generar la
descarga y asi ionizar el gas que posee el tubo en vez del partidor , se
enciendde solo una parte porque no se esta ionizando completamente sino una
parte del tubo hasta las manos de los ayudantes .
Diferencia entre fluorescente y fosforescente
Ambas son propiedades de algunas sustancias con respecto a su reacción ante
la luz. Los componentes que reaccionan en la fluorescencia son los fluoritos,
cuando se los expone ante rayos ultravioletas o rayos X, brillan, pero cuando
dejan de ser expuestos a dichos rayos dejan de hacerlo inmediatamente; en
cambio las sustancias fosforescentes almacenan esa luz por un perído de
tiempo mayor y luego la emiten a pesar de ya no estar expuestos a ella...por lo
tanto la principal diferencia entre fluorescencia y fosforescencia, es que hay un
retraso temporal entre la absorción y la reemisión de los fotones de energía
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Método experimental
Los instrumentos que utilizamos en este experimento son los siguientes:
Un Generador De Van Der Graff, para la realización del experimento.
-Tubo de PVC.
-Regla plastica
-Recipiente de plástico con poliestireno expandido
Procedimiento
1. Carga el tubo de pvc por el método de frotamiento y ver el
comportamiento de diferentes materiales al estar cerca con ellas
2. observar el comportamiento del hilo de agua al estar cerca con eltubo
cargado eléctricamente
3. Hacer andar el Generador De Van Der Graff
manual y así cargarlo.
4. Reunión de materiales de prueba.
5. Acercamiento de cada uno de los materiales de
prueba, por ejemplo el tubo fluorescente como se ve en
la imagen.
6. Observar el comportamiento del Generador con
los materiales de prueba.
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Resultados
Experimento del chorro de agua
Al frotar la regla plastica con el trozo de tela queda cargada de electricidad
estática y, al aproximarla al hilo de agua, las fuerzas eléctricas entre las cargas
que están sobre la hoja y las moléculas de agua producen la desviación del hilo
de agua.
Generador de Van de Graff
Se observó que las líneas de campo eran hacia afuera de la esfera y se
descarga al tener contacto con un objeto conductor como nosotros, pero esto
debía ser a distancias muy cortas ya que la cantidad de carga que se lograba
acumular era muy baja al ser un generador manual por lo que su campo no
tenía un radio muy extenso.
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Preguntas
1) Explique qué es lo que ocurre con las cargas en el proceso de cargar
por frotamiento.
Cuando un cuerpo se frota la carga se transfiere de un Esto se produce cuando se
frotan fuertemente dos cuerpos eléctricamente neutros, los cuales uno obtiene
carga negativa y el otro positiva dependiendo de cuál sea su tendencia a
perder o ganar electrones respectivamente.Por ejemplo como se muestra abajo al
frotar vidrio con seda (inicialmente neutros), el vidrio cede los electrones a la seda y
esta queda cargada negativamente y el vidrio positivamente.
- - En este laboratorio cargamos un tubo de pvc frotándolo con nuestra ropa,
luego lo acercamos a pequeños trozos de papel y éste los atraía ya que quedo
cargado positivamente por la fricción. Este efecto dura hasta que el tubo quede
neutro.
2) ¿Porqué algunos cuerpos son buenos conductores de la electricidad, como el cobre y por qué otros son malos conductores, como el vidrio?
En algunos cuerpos, las cargas pueden desplazarse a través de ellos. En este caso
decimos que el cuerpo es un conductor. Al contrario, si en el cuerpo no existe la
posibilidad de movimiento de las cargas, decimos que es un dielectrico.
Los cuerpos que se consideran conductores pueden ser sólidos o fluidos. En el caso
de los sólidos, solo se desplaza la carga negativa, es decir los electrones, ya que su
pequeña masa hace que puedan “saltar” de un átomo a otro. Un ejemplo de buenos
conductores son los metales como el cobre y el grafito.
Ejemplos de aislador eléctrico es el vidrio, la madera seca, el cerámico, el plástico, el
agua desmineralizada,etc.
3) Relacione el experimento de la atracción electrostática del chorrito de agua con el funcionamiento de un horno de micro-ondas.
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El agua líquida de la comida absorbe energía del microondas: las moléculas de agua,
que son polares, son agitadas por el campo eléctrico de la onda, golpeándose entre sí
debido a las ondas que produce el micro-ondas yasí aumentando su temperatura.
La atracción del chorro de agua por el cuerpo
cargado electrostáticamente se debe a que el
agua de la llave conduce la corriente eléctrica
al tener minerales y permite que las cargas del
mismo signo que las del cuerpo se alejen de
él, y las de signo opuesto se acerquen; así la
fuerza de atracción es mayor que la de
repulsión entre las cargas del mismo signo,
más alejados. La fuerza de atracción es
independiente de la polaridad con la que esté
cargado el inductor.
4) Por qué no se detecta carga eléctrica al
interior del domo.
No se detecta carga eléctrica al interior del domo, debido al número de líneas de
campo eléctrico que entran a la superficie es igual al número que salen de ella,
entonces el campo eléctrico neto a través de una superficie cerrada escero(jaula de
Faraday).
5) Explique por qué es uniforme la distribución de cargas sobre el domo.
La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve
hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga
positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y
debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo
suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre
la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el
medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y
a continuación, al conductor hueco A, debido a la
propiedad de las cargas que se introducen en el interior
de un conductor hueco esto hace que se vaya cargando
por completo uniformemente aumentando su carga
mientras el sistema de poleas esté funcionando.
6) Explicar el efecto de las puntas
Efecto punta es el nombre de un efecto que se
produce por la acumulación de energía en esta
parte de un cuerpo.Cuando un material posee carga eléctrica, esta se
distribuye por todo el cuerpo siempre que sean conductores. La densidad de
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carga es la carga por unidad de volumen o superficie en el cuerpo de manera
que si la carga se distribuye en el cuerpo, su densidad será mayor en las zonas
de menos volumen o menos superficie. Por esto se produce una acumulación
de energía en las zonas del material acabadas en punta donde su volumen es
menor y se concentra mayor cantidad de carga, de manera que si el material
está expuesto a un campo eléctrico externo, tenderá a interactuar con éste por
la zona de mayor densidad de carga, es decir, en la punta. En conclusion, es la
acumulacion de energia en una parte del cuerpo con menor volumen.
7) Explique el funcionamiento de un pararrayos
El pararrayos está formado por una antena metálica, que termina en punta, con una bola de cobre o platino. La barra está unida a tierra por un cable conductor, que lleva la descarga hacia el suelo. En la punta del pararrayos aparecen intensas cargas positivas que crean iones positivos que al ascender reducen la carga negativa de la tormenta eléctrica, al mismo tiempo que atraen hacia abajo las cargas negativas. Cuando se produce la descarga eléctrica tiende a seguir la línea de los iones hasta chocar con el pararrayos. La potente corriente se desplaza por el cable y llega a tierra sin producir ningún daño.
8) averigüe y compare las cantidades de carga que se produce en
un rayo de la tormenta eléctrica y la chispa de descarga desde el
domo del Van der Graaff.
En promedio, un rayo mide 1.5 Km pero el más extenso fue registrado
en Texas y alcanzó los 190 Km de longitud. Un rayo puede alcanzar
los 200.000 Km/H. Es 5 veces más caliente que la superficie del Sol.
El voltaje es 1000 millones de voltios con respecto al suelo. Toda la
energía de todo tipo que consume el planeta en 7 años se encuentra
contenida en un rayo. Cada año se registran 16 millones de tormentas
con rayos
En el domo del Van der Graff las diferencias de potencial así
alcanzadas en un generador de Van de Graff moderno pueden llegar a
alcanzar los 5 mega voltios.
Uno de los generadores más grandes de Van de Graff del mundo,
construido por el mismo Robert J. Van de Graff, 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 unas columnas altas, este
generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios.
Estevoltaje aunque es muy alto aún no hay comparación en magnitud con la de un
rayo de una tormenta.
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9) Describa las características del campo eléctrico en las inmediaciones del
Domo.
Por la simetría del domo al ser una especie de esfera su campo eléctrico es radial
desde la superficie hacia el exterior, ya que dentro del domo se da un efecto de jaula
de Faraday.
10) Explique por qué ocurre el movimiento de la hélice sobre el domo:
No quedo claro ya que la base no era la adecuada para el generador suponemos que
la carga del cuerpo tiende a concentrarse en las puntas.
11) Explique como ocurre el “encendido” del fluorescente al acercarlo al domo y
que es la ionización interior.
Los electrodos de un extremo se mantienen sobre o cerca del generador de Van der
Graaff y la chispa salta en el interior del tubo fluorescente. Esto se explica en
desequilibrios eléctricos a escala atómica: los electrones de los átomos al pasar de un
nivel energético mayor a uno menor, emiten luz.
12) Investigue acerca de las teorías de bandas: bandas de valencia y bandas de
conducción.
La banda de valencia (BV): está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es
decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los
átomos. Los electrones de valencia son los que forman los enlaces entre los átomos, pero
no intervienen en la conducción eléctrica.
La banda de conducción (BC): está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que
se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los
responsables de conducir la corriente eléctrica.
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Conclusión y discucion
Podemos decir que nos dimos cuenta de cómo se ceden electrones o las
cargas en los cuerpos, por ejemplo cuando un cuerpo está cargado
negativamente y el otro positivo algunos esperábamos que la reacción fuera
ceder electrones del negativo hacia el otro; Con todo esto pudimos comprobar
que un cuerpo no tiene una forma de cargarse sino muchas y esto claro que
tiene que ver con las características de cada material .
Aprendimos que según el material varia también su distribución de cargas por
lo que después de saber estas distintas cualidades hoy por hoy podemos
darnos cuenta el porque ciertos materiales son usados en distintos lugares de
la ciudad o porque han cambiado algunas cosas con los años como los postes
de luz metálicos, ahora esta claro el porqué de cambiarlos a uno que no sea
conductor, para asi evitar accidentes y todo a favor de nuestro bienestar como
sociedad.
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Webgrafía
De estas páginas sacamos la información necesaria para realizar el informe:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/vandeg3.html
http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Portada.html