PRACTICA DE LABORATORIO DE FÍSICA II: INTERACCIÓN ELECTRICA

I) INTRODUCCIÓN

En el siguiente informe tratamos de observar y estudiar la electrización de los cuerpos a través de unos productores de carga (instrumentos de laboratorio de física, electricidad), que se han frotado entre sí para obtener la carga de uno de ellos, para ello se llevaron a cabo tres métodos estudiados en clase, estas son: cargas de fuerza de fricción, contacto e inducción.

II) OBJETIVOS

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades fundamentales de la materia llamada carga eléctrica.

Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas.

Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos.

Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador máquina de Van de Graaff.

III) FUNDAMENTO TEORICO

Se atribuye a Thales de Mileto (640 – 548 A. C.) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. William Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no sólo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina, el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Otras formas de electrización son: por contacto y por inducción.Aplicó el término eléctrica para la fuerza que ejercen estas sustancias después de ser frotadas. Fue el primero en utilizar términos como “energía eléctrica”, “atracción eléctrica” y “polo magnético”. Quizá su aportación más importante fue la demostración experimental de la naturaleza magnética de la Tierra. También se observa la existencia de una cierta carga eléctrica que es la causante de las atracciones, o también las repulsiones que se producen.Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los del tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominados cargas positivas y cargas negativas. A un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tienen igual número de cargas de ambos tipos.

El generador de Van de Graff

Van de Graff 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 de volts) 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.

El generador de Van de Graff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

El generador de Van de Graff 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 esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graff. 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 entre dos poleas  E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico.

Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

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 (cubeta de Faraday).

Funcionamiento del generador de Van de Graff

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos 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 de la polea y la cinta están hechas de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor

Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera una carga negativa y la superficie de la polea 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 se depositan 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 (una polea cuya superficie es metálica).

Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta 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, en la 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 negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente.

IV) MONTAJE EXPERIMENTAL

MATERIALES:

Generador de Van der GRAFF Varilla de pvc Varilla acrílico Papel periódico Péndulo eléctrico

PROCEDIMIENTO:

A. PRODUCCIÓN DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA

-Limpiar las superficies de la varilla de vidrio.- Ahora proceda a frotar vigorosamente la varilla acrílica con el papel periódico y Registre lo observado.

B. ATRACCIÓN Y /O REPULSIÓN ELÉCTRICA

- Friccionar fuertemente la varilla de plástico de color negro A con la tela de seda y luego colocarlo en la plataforma giratoria con soporte, Ubicar su centro de gravedad y permitir que gire libremente.

- Friccionar la varilla de plástico negro B con papel periódico y luego acercarlo a la varilla de plástico colocada en la plataforma giratoria. Hacer girar la varilla A en varias vueltas.

- Friccionar la varilla de vidrio C con la tela de seda y luego acercarlo a la varilla A haciéndolo girar varias vueltas. Evite tocar la varilla de vidrio con la de plástico mientras gira; ésta debe ser guiada por la varilla de vidrio.

- Friccionar la varilla de acrílico D con la tela de seda y luego acérquelo a la varilla A haciéndolo girar varias vueltas, evitando tocarla. Registre sus observaciones.

- Repita el experimento para varias combinaciones de las varillas.

C. DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO

- Bueno en este procedimiento, llenamos de cargas a varilla de acero con el generador de Van Der Graff, luego acercamos la varilla a un foco y vemos que el foco prende.

V) CALCULOS Y RESULTADOS

Como el proceso fue cualitativamente, responderemos las siguientes preguntas:

1) ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

Si, para comprender que cargas se trasladan de un cuerpo a otro primero se debería haber probado que tipo de carga posee el cuerpo, esto se puede lograr acercando una carga de prueba (de carga positiva y que sea puntual) si se repela entonces el cuerpo posee carga positiva mientras si es atraída el cuerpo está cargada negativamente.Luego de haberlas identificado podemos deducir que tipo de cargas se trasladan, estas cargas son flujo de electrones que irán del cuerpo que está cargado negativamente (con exceso de electrones) al cuerpo que está cargado positivamente (con déficit de electrones), una vez concluida este proceso los cuerpos se neutralizaran.

2) ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique.

Porque todos los compuestos químicos de los cuales estamos compuestos, incluyendo el agua, la sangre y los minerales dentro de ella. Además de las siempre constantes pulsos eléctricos de nuestro sistema neurológico que está presente en todo nuestro cuerpo.

Casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un buen conductor de electricidad. De acuerdo con la electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones que produce la corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los efectos biológicos dependen de su intensidad. Se ha descubierto que las partes más sensibles son la retina y el globo ocular, pues ante cualquier estímulo eléctrico producen una sensación luminosa. Le sigue la lengua, la cual manifiesta un sabor alcalino.

3) ¿Qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo?Cuando se carga un cuerpo mediante frotamiento con otro cuerpo lo que ocurre es una transferencia de electrones de cuerpo a otro cuerpo, produciéndose en cada uno de ellos ya sea un exceso o diferencia de electrones.

4) Cuando se le acerca la varilla acrílica luego de ser frotada, se acerca al agua, ¿qué ocurre?, Explique.

Lo que pasa es que la varilla está cargada de electrones positivos y el agua está cargada de electrones negativos, como sabemos cuándo los electrones esta cargadas con diferentes signos, estos se atraen y bueno hay un acercamiento el agua con la varilla.

VI) CONCLUSIONES

Los electrones se conservan, por lo tanto no se crean ni se destruyan solo se trasladan.

Las cargas eléctricas no son engendradas ni creadas, sino que en el proceso de adquirir cargas eléctricas unas ceden y otras ganan electrones de modo que hay una equivalencia en transferencia de electrones.

Se comprueba experimentalmente que los cuerpos con cargas eléctricas de igual especie se repelen mientras que los tiene cargas de distinto signo se atraen.

En todo cuerpo conductor, las cargas se distribuyen superficialmente buscando las zonas de mayor convexidad. En este caso la distribución de las cargas es uniforme.

Los fenómenos de electrización son por frotamiento, por contacto y por inducción, los cuales alteran el equilibrio de cargas eléctricas que se encuentran en los cuerpos.

VII) BIBLIOGRAFÍA

FÍSICA GENERAL, Ing. Juan Goñi Galarza. LIMA-PERÚ FÍSICA GENERAL, Adisson Wesley Longman. Boulevard de

las cataratas N3, México 01900, DF. FÍSICA GENERAL, Sears Zemansky, Young Freedman,

Volumen II. Fundamentos de Electromagnetismo, Cheng Finney,

Volumen I, París-Francia.

VIII) ANEXOS