PRACTICA DE LABORATORIO N 2

I.OBJETIVO(S)

1.1 Utilizar el acelerador de Van Graaff para producir cargad elctricas

1.2 Conocer las partes y el funcionamiento de este generador de cargas elctricas.

II. MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL

El generador de Van de Graaff

Van de Graaff invent el generador que lleva su nombre en 1931, con el propsito de

producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para

acelerar partculas cargadas que se hacan chocar contra blancos fijos. Los resultados de

las colisiones nos informan de las caractersticas de los ncleos del material que

constituye el blanco.

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la

batera es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo

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 esfera hueca

donde se acumula la carga transportada por la cinta.

En la figura, se muestra un esquema del generador de

Van de Graaff. Un conductor metlico hueco A de

forma aproximadamente esfrica, est sostenido por

soportes aislantes de plstico, atornillados en un pi

metlico 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 elctrico.

Dos peines G y H estn hechos de hilos conductores

muy finos, estn situados a la altura del eje de las poleas.

Las puntas de los peines estn muy prximas 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 continuacin, 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 Graaff

Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad esttica, cuando se

ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos como adquiere la

cinta la carga que transporta hasta el terminal esfrico.

En primer lugar, se electrifica la superficie de la

polea inferior F debido a que la superficie del

polea y la cinta estn hechos 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 un carga negativa y

la superficie de la polea una carga positiva, tal

como se ve en la figura.

Si una aguja metlica se coloca cerca de la

superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se

produce un intenso campo elctrico entre la

punta de la aguja y la superficie de la polea. Las

molculas de aire en el espacio entre ambos

elementos se ionizan, creando un puente

conductor por el que circulan las cargas desde

la punta metlica hacia la cinta.

Las cargas negativas son atradas 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 acta en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada

positivamente. Tendr que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya

superficie es metlica).

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 est hecha de

goma, y la polea inferior est hecha de nylon cubierto con una capa de plstico, 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.

III.MATERIALES Y EQUIPOS

3.1. un generador de van de graff

3.2. una esfera de descarga

3.3 un plumero electrosttico

3.4. un electroscopio

3.5. cables de conexin

IV.- METODOLOGIA

a) Antes de la operacin, hay que limpiar, con tela suave y limpia, las dos esferas, las

ruedas , la correa y el tubo de poliglas.

b) Se abre la mitad superior del casco y se ajusta el tornillo para que la correa quede

adecuada y las ruedas superior e inferior paralelas.

c) se ajusta el colector superior para se acerque al mximo a la correa, sin tocarla.

d) Se conecta el colector con la bola de la descarga elctrica. Se conecta el interruptor

de colector con el colector debajo, al mismo tiempo, coloque la tabla de alambre de

tierra en el suelo.

e) se conecta el interruptor de fuente elctrica del motor para arrancarlo. Si lahumedad

del ambiente es alta, se enciende la lmpara secadora, Cuando el aire hmedo es

expelido del aparato, se apaga el motor y se cierra la mitadsuperior de casco. Ahora el

generador est listo para la demostracin.

f) Se conecta el circuito de tierra del motor para arrancarlo y proteger contrala fuga de

carga.g) En aquellos lugares donde no existe corriente elctrica y la humedadrelativa es

menor al 80%, se puede recurrir a la operacin manual, es decirhacer girar la manivela

en el sentido del reloj.

h) Cuando comienza a funcionar el generador, no debe tocar con las manoslas bolas ni

las partes metlicas expuestas. Cuando deje de usar elgenerador, debe hacer contacto las

dos bolas para que se descarguen laelectricidad remanente, con la finalidad de que pase

corriente a travs delcuerpo humano (no hay peligro para la vida, porque la corriente es

muypequea.

i) Proceda a realizar las siguientes experiencias

4.1.Electrizacin por contacto

Acerque la bola de descarga al casco del acelerador de Van de Graaff,como se

muestra en la figura 2a

Al tocar la esfera de descarga al acelerador habr sacado un poco de carga

Acerque ahora la esfera de descarga hacia el electroscopio.

Toque la cabeza del electroscopio con la esfera de descarga tal como semuestra

en la Fig. 2b.

Registre sus observaciones(a) (b)

Fig. 2.

Transferencia de carga del acelerador hacia el electroscopio: (a) Contacto de la esfera de

prueba con el acelerador, (b) transferencia de carga al electrodo central del

electroscopio

4.2.Descarga de corona

Con el generador apagado instale la bola de prueba mediante unalambre

conductor al polo negativo del acelerador como se muestra enla figura 03.

Ponga en funcionamiento el generador y espere unos minutos hasta queeste se

cargue

Acerque con cuidado la esfera de prueba hacia la cabeza del generador.Observa

el arco voltaico?. Explique este fenmeno.

Compare lo observado con lo que muestra la figura 03b.

Fig. 03.(a) El equipo para visualizar la descarga corona;

4.3.Campo elctrico de un conductor cargado

Tome por la base aislante el plumero electrosttico.

Acerque los hilos del plumero al casco, como se muestra en a Fig. 3.

Tome un solo hilo del plumero y desplcelo alrededor del cascosiguiendo

circuitos paralelos al ecuador o meridiano como se muestra enla Fig. 3-b, pero

sin intentar disminuir la distancia al casco, el hilo semantiene a una distancia

constante. Registre sus observaciones.

Fig. 3.

Diagrama para mostrar la simetra del campo elctrico.

Con el generador de Van de Graaff apagado y previamente descargado,disponga

de una placa de madera seca forrada en la parte superior concualquier plstico

grueso y haga parar a un compaero suyo sobre ella,haciendo que coloque sus

manos sobre el casco.

Encienda el motor del generador, luego de cierto tiempo los cabellos delalumno

se levantarn como se muestra en la Fig. 4. (Los cabellos del alumno deben estar

recin lavados y secos). Luego de esta experienciaretire las manos del casco.

Deje pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se ha

descargado, entonces recin hgalo bajar de la tabla. Proceda con cuidado y con

calma!

Fig. 3. (a) La alumna ha sido cargada a

un potencial muy elevado por contacto

con un generador de Van de Graaff. (b)

La profesora y su hija cogen el generador

4.4.Viento elctrico

Manteniendo el generador de Van

de Graaff , instale un objeto puntiagudo ala cabeza del acelerado con un alambre

largo tal como se muestra en lafigura

Coloque una vela encendida cerca de la punta del objeto puntiagudo

Encienda el generador de van de Graff y deje que se carga

Moviendo la vela encendida alrededor de la punta del objeto, sin tocarlobusque

el lugar en donde se produce el viento elctrico.

Obtendra la misma experiencia si remplaza al generador d Van de Graffpor la

mquina de Wimshurst, conectndolo un polo de dicha mquina alobjeto

puntiagudo?

V.CALCULOS Y RESULTADOS

5.1 Explique lo que sucede cuando la esfera de prueba es puesta en contacto con el

electrodo central del electoscopio.

5.2 Al acercar el plumero electrostaticvo al generador de Van de Graff. Qu sucede

los hilos de seda?. Explique.

5.3 Qu tipo de simetra tiene el campo elctrico producido por el casco del

generador?. Explique.

5.4 Cul es la direccin de la fuerza sobre la esfera del pndulo elctrico?.

Explique.

5.5 Por qu los cabellos del alumno se levantan?.

5.6 Cuando Ud. Acerca el tubo de nen al alumnoQu observo?. Explique su

respuesta.

5.7 El radio del casco esfrico es de 20 cm, determine Cunta carga puede

producir sin provocar la ruptura elctrica en el aire?

Con la informacin obtenida en varias consultas la carga mxima que puede

producir el casco esfrico es de: 3x106C.

5.8 El electrodo esfrico de un generador de Van de Graaff est cargado hasta

un potencial de 0.18.106 V. halle ell radio mnimo que debe tener el

cascaron esfrico para que no ocurra la ruptura dielctrica del aire.

En este caso radio mnimo que tiene que tener el cascaron esfrico para que no

ocurra la ruptura dielctrica del aire es de 0.06.

5.9 Explique el poder de las puntas y porque no debemos colocarnos bajo un rbol

grande si estamos en medio de una tormenta elctrica. Pista leer sobre los

experimentos de Benjamn Franklin.

5.10 Describa detalladamente del viento elctrico, use ideas fsicas para

desarrollar el tema.

5.11 Describa lo que sucede en la figura.

VI CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

6.1. CONCLUSIONES

En este laboratorio se trabajo con el generador de Van der Graff, que es un aparato

utilizado para crear grandes voltajes.acerca del funcionamiento de este aparato se basa

en los fenmenos de electrizacin por contacto y en aparato la induccin de carga. Este

efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las

puntas.

6.2 . SUGERENCIAS

Se sugiere tener materiales en buen estado.

Tambin se debera tener materiales para cada grupo de trabajo.

Se deben cuidar y emplear bien los materiales usados por los estudiantes.

BIBLIOGRFICAS:

o Fsica Universitaria, Sears, Zemansky y Young. Editorial Addison

Wesley.

o Fsica II, Raymond A. Serway, sexta Edicin.

o Fsica Moderna, H.E.White. Editorial Montaner y Simon.