fisica 3 (labo 1)
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Laboratorio de experimentos de electrostática Fisica General III
2007-II
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UNIVERSIDAD
NACIONAL DE
INGENIERÍA
FACULTAD : CIENCIAS
CURSO : FÍSICA GENERAL III
Nº DE
PRACTICA : LABORATORIO Nº 1
TITULO : EXPERIMENTOS DE
ELECTROSTÁTICA
ALUMNO :
Lazo Hoyos Darío Eder 20042198H
PROFESOR :
FECHA DE
EJECUCIÓN : 07/09/07
FECHA DE
ENTREGA : 14/09/07
2007
Laboratorio de experimentos de electrostática Fisica General III
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EXPERIMENTOS DE ELECTROSTÁTICA
I. Objetivos:
Realizar diferentes experimentos de electrostática y observar propiedades de los cuerpos cargados.
II. Hipótesis:
Carga eléctricas de igual signo se repelen mientras que las de carga opuesta se atraen.
III. Fundamento teórico:
Inducción electrostática Consideremos el conductor neutro mostrado en las figuras si acercamos al conductor (sin tocarlo) otro cuerpo cargado positivamente o negativamente; va a suceder que la s cargas sufren modificaciones, se van a mover (es decir existe en fenómeno de influencia).
Figura 1: influencia electrostática
Lo electrones libres en el conductor son atraídos por el cuerpo cargado positivamente hacia el extremo A y debido a este desplazamiento el extremo B del conductor quedara deficiente de electrones, es decir cargado positivamente. Se debe tener presente que en este proceso solo se produjo en el conductor una separación de cargas, el conductor seguirá neutro, esta separación de cargas en un conductor debido a la aproximación de un cuerpo cargado se denomina ``electrostatica´´.
Figura 2: inducción electrostática
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El cuerpo que produjo la inducción se le llama inductor y las cargas que aparecen en los extremos del conductor se llaman cargas inducidas. Para demostrar la existencia de fenómenos de existencia utilicemos dos péndulos de hilo conductor. Se observan que los péndulos se separan. Si se toca con un dedo durante un pequeño instante un región del conductor, el operador constituirá un único conductor con el suelo y con toda la carga positiva se neutralizara. El péndulo del extremo B cae y enseguida quitamos el cuerpo cargado, la carga negativa que queda en el conductor se reparte en toda la superficie de forma de realizar una nueva distribución de equilibrio, observando, entonces que el conductor adquirió así carga negativa. Esta es una de las formas de electrización por inducción. IV. Equipo:
Varillas de vidrio, ebonita y acrílico
Laminas de acrílico
Paños de franela, lana y seda
Electroscopio
Electroscopio de volta
Jaula de faraday
Generador de Van Der Graaff
Maquina de Whimshurst
Plumero ( soporte con tiras de papel de seda)
Vela y fósforo
Mandos de Prueba (esferitas metalicas unidas a mangos aislantes)
Electrodos con extremos en punta y sin punta. V. Procedimientos:
A. Determinar si un objeto posee carga eléctrica, utilizando un electroscopio.
1. Coger la varilla de vidrio, y, sin frotarla, acérquela a la esfera del
Electroscopio.(electrificación por inducción). 2. Ahora toque la esfera del electroscopio. 3. Frote la varilla de vidrio con la franela. Repita los pasos 1 y 2 4. Repita los pasos 1, 2 y 3 para las varillas de ebonita y acrílico. (también use los paños de seda y de lana). B. Electróforo de volta. 1. Frotar vigorosamente la placa de acrílico con el paño de lana. 2. Colocar firmemente el disco de metal sobre la placa de acrílico
para inducir cargas eléctricas de signo opuesto en el disco (separación de cargas en el disco metálico).
3. tocar la superficie superior del disco metálico, a fin de que adquiera carga cero.
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4. levantar el disco metálico, sujetándolo siempre del mango aislante, y, con la ayuda del electroscopio compruebe ka electrificación por inducción y por contacto.
5. repita los pasos del 1 al 4, pero, esta vez utilice el péndulo electrostática.
C. Maquina de Wimshurst 1. Asegúrese de que el instrumento este descargado. Para ello,
poner en contacto las dos esferas metálicas de la maquina de Whimshurst (sujetando siempre de los mangos aislantes); luego, apartarlas ligeramente.
2. Hacer girar los discos de la máquina de Whimshurst hasta que salte una chispa.
3. Ahora separar las esferas de la maquina de Whimshurst, de tal manera que no produzca una descarga eléctrica. Hacer girar los discos de esta como en el paso 2. Tocar con el mando de prueba (esferita metálica unida a un mango aislante), precisamente descargada a las esferas metálicas de la maquina.
4. acercar el manado de prueba a un electroscopio. D. Generador de Van De Graaff.
1. Prender el motor del generador. 2. Tocar con el mando de prueba (esfera metálica unida a un
mango aislante), previamente descargada a la esfera metálica del generador de Van De Graaff.
3. Repita el paso 4 de la parte C.
E. Jaula de Faraday 1. Repita el paso 3 de la parte C, pero utilice un plumero (soporte
con tiras de papel de seda) previamente conectado con un alambre(figura 1), a una de las esferas de la maquina de Whimshurst, en ves del mando de prueba.
2. Introduzca un plumero dentro de una Jaula de Faraday. Conestar esta, con un alambre, a una de las esferas de un maquina de Wimshurst. Repetir el paso anterior, pero, esta vez el plumero ( un segundo plumero) debe estar desconectado de la maquina.
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Figura 1
F. Poder de las puntas 1. Realice el momtage de la figura 2, repita el paso 3 de la parte C,
pero sin considerar el mando de prueba. Observar la llama de la vela.
2. repita el paso anterior cambiando el cable a la otra esfera a la maquina de Wimshurt.
3. Repita la experiencia anterior, cambiando al electrodo sin punta.
Figura 2
G. Ping pong eléctrico 1. Realice el montaje de la figura 3. Repita el paso 3 de la parte C,
pero, sin considerar el mando de prueba, Observe la esferitas de teknopor.
Figura3
VI. Observaciones:
Electroscopio o Al acercar la varilla de acrílico ala ebonita a la esfera del
electroscopio. o Al acercar la varilla de acrílico cargada (luego de la
frotación de la franela), las agujas del electroscopio se separan una respecto a la otra. Lo mismo ocurre para la verilla de ebonita luego de la frotación con algodón.
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o Luego al tocar el electroscopio con las varillas, el ángulo que formaban las agujas desaparece.
Electróforo de Volta o Luego de realizar este experimento se acerca el disco
metálico al electroscopio y las gujas de este se separan una de la otra lo que indica que el disco metálico tiene carga.
Maquina de Wimshurst o Luego de hacer girar la manivela de la maquina de
Wimshurst se produce chispa eléctrica entre las esferas metálicas de la maquina.
o Luego de tocar con la bola de prueba a las esferas de la maquina de Wimshurst, la bola de prueba queda cargada ya que al llevarlo al electroscopio sus agujas se separan.
Generador Van De Graaff o Luego de tocar la bola de prueba al generador de Van De
Graaff, se carga, ya que al acercarlo el electroscopio se desvían sus agujas.
Jaula de Faraday o Las tiras de papel del soporte que esta conectado a un
Terminal de la maquina de Wimshurst. o Cuando el soporte metálico esta dentro de la jaula (estan
conectados en serie un Terminal de la maquina de Wimshurst, la jaula y el soporte) las tiras de papel no se levantan por mas carga que se produzca.
o Cuando se tiene el caso anterior (b), y con un soporte metálico con tiras de papel de este ultimo si se levanta.
Poder de las puntas o Cuando se conecta un electrodo de la maquina de
Wimshurst al conductor metálico en punta, la lama de la vela alejándose de la punta del conductor. Sucede lo mismo cuando se conecto el conductor en punta al otro electrodo (El Terminal del electrodo de la maquina de Wimshurst; en este caso, es el positivo).
o Cuando se realiza el mismo procedimiento pero con el conductor metálico sin punta la llama se desvia pero muy ligeramente.
Ping-Pong electrico o La pelotita golpea una placa e inmediatamente va hacia
la otra, al llegar aquí choca y sale disparando nuevamente hacia la placa opuesta. Este movimiento continua mientras la manivela de la maquina de Wimshurst se mantenga girando.
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VII. Discusiones
Electroscopio o La ebonita se cargo negativamente y el algodón
positivamente luego de la frotación, la desviación de la s agujas del electroscopio, como la varilla esta cargada negativamente induce carga positiva a la esfera del electroscopio y por consiguiente cargas negativas a sus agujas lo que origina que estas se repelen y se separan una respecto ala otra.
o Luego de tocar el electroscopio con la varilla, el Angulo que formaban las agujas desaparece, este es debido a que el electroscopio se carga momentáneamente ya que el aire se ioniza.
o El acrílico se carga positivamente y la franela negativamente luego de la frotación. La varilla de acrílico induce carga negativa a la esfera del electroscopio y consiguientemente carga positiva a sus agujas lo que origina su separación.
Electróforo de Volta o Al frotar fuertemente la superficie del acrílico con un paño
de lana, ese se carga positivamente. Al colocar el disco de metal sobre la superficie del acrílico, este induce carga negativamente sobre la superficie inferior del disco y positiva sobre la superior. Al tocar la superficie superior del disco con un dedo se descarga dicha superficie, mientras que en la superficie inferior se conserva la carga inducida por el acrílico. Levantado el disco metálico de su mango aislante y acercando la superficie inferior al electroscopio, este advierte la presencia de carga. Como la carga de la superficie inferior es negativa; entonces, la esfera del electroscopio se cargara positivamente y la carga en la aguja será negativa.
Figura 4
Maquina de Wimshurst o Al girar la manivela de la maquina de Wimshurst se produce
una chipa entre la esferas metálicas de la maquina. Este se
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debe a que las botellas de Leyden acumulan carga de signo contrario y como hay un exceso de carga en ambas esferas, el aire se ioniza y se produce la descarga.
o Volvemos a rotar la manivela y al tocar con la bola de prueba a las esferas de la maquina de Wimshurst se produce la descarga quedando la bola cargada, esto se debe a que en el contacto se neutraliza las cargas inducidas.
Generador de Van Der Graff o Al activar el generador de Van Der Graaff este se carga. Al
encender el generador las tiras de papel unidas a este se elevan debido a que la carga se acumula en las puntas de las tiras y esta tratan de estar lo mas lejos posible una de otras.
o Al encender el generador los alambres que están encima distribuidos en forma de hélice comienzan a girar debido a que la carga se almacena en las puntas de los alambres y es tal la densidad de carga que la carga comienza a ionizar el aire y por efecto del campo eléctrico el aire es empujado y es así como la hélice comienza a girar.
o Al acercar la bola de prueba (con carga neutra) se produce una chispa; la cual, se debe a que hay un exceso de protones en la esfera del generador, es por eso que al acercar la bola de prueba estos inducen una carga opuesta y termina neutralizándola quedando la bola de prueba cargada del mismo signo que el generador.
Jaula de Faraday o Cuando el soporte metálico con tiras de papel es conectado
a un Terminal de la maquina de Wimshurst cuya manivela se hace girar, las tiras de papel se alinean con las líneas de fuerza y por eso se levantan.
o Cuando se introduce un soporte metálico en la jaula de faraday y se deja otro afuera cerca de la jaula, las tiras de papel del que esta dentro no se mueven ya que dentro de la jaula no hay campo eléctrico porque esta hecho de alambres conductores provocando un campo electromagnético en el plumero anulando el efecto de campos externos de manera que ele plumero que esta dentro no sufre alteración alguna. Contrariamente ocurre con el plumero de la parte exterior que es atraído por el campo eléctrico externo de la jaula.
Poder de las puntas o La llama de la vela se aleja del conductor en punta ya que se
debe que las cargas en un cuerpo tienden a almacenarse en mayor cantidad en las puntas de este debido a que si el objeto de metal tiene una punta, los electrones en esta son
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empujados por el resto de los electrones del objeto. Pero aquí no hay ninguno empujando desde el aire. Si hay suficientes electrones en el metal, estos pueden empujar a otros electrones hacia el aire. Los electrones aterrizan en las moléculas del aire dando les una cargado negativamente y un viento con carga negativa sopla desde el metal. A esto se llama ``descarga corona´´.
Ping-Pong eléctrico o Cuando hay suficiente carga en las placas como para
producir un campo ionice lo suficiente a la pelotita (una de sus caras será negativa y la otra positiva) esta empezara a moverse. Una de las caras (supongamos la cara negativa en la pelotita) es atraída por la placa positiva. Al tocar esta placa la cara negativa pierde electrones y se neutraliza pero como la otra cara es todavía positiva, esta carga se distribuye sobre toda su superficie haciendo que la pelotita tenga carga positiva, como esto ocurre inmediatamente después de haber tocado la placa positiva, la pelotita será ahora repelida por quien la atrajo. De esta forma inicia un recorrido hacia la placa negativa que ahora lo atrae. Mientras la pelotita esta llegando la otra placa, el campo eléctrico ordena la carga. Un a vez que la ahora carga positiva de la pelotita toca la placa negativa es repelida iniciando así un nuevo ciclo.
Figura 4
VIII. Conclusiones
Se realizo, observo y analizó las propiedades electrostática de los cuerpos cargados eléctricamente mediante experimentos electrostáticos y entender sus interacciones entre cargas y su distribución de al entrar en contacto.
IX. Cuestionario
A. Explicar el funcionamiento de electroscopio.
El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo.
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Un electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una bolita en la parte superior y en el extremo opuesto dos láminas de oro muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de metal en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.
Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.
Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos.
El primer electroscopio fue creado por el médico inglés William Gilbert para realizar sus experimentos con cargas electrostáticas. Actualmente este instrumento no es más que una curiosidad de museo, dando paso a mejores instrumentos electrónicos.
Figura 6: Electroscoipio
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B. Explicar el funcionamiento de la maquina de Wimshurst. Una vez la máquina arranca, hay cuatro funciones idénticas realizándose, dos en cada disco. En realidad, se trata de cuatro electrophori, dos positivos y dos negativos.
Figura 7: inducción eléctrica en la maquina de WIMSHURST
El efecto de aproximación entre las secciones positivas y neutras de los discos en rotación, realiza el efecto de inducción del electrophorus, y los cepillos de carga de los brazos aislados, recogen la carga positiva para llevarla al terminal. Las chispas brillantes requieren una corriente de gran intensidad. La corriente puede ser obtenida almacenando la carga extraída de los discos rotantes en botellas de Leyden.
El diseño clásico incluye dos botellas de Leyden con los terminales aislados de la máquina conectados a los terminales de entrada de carga de las botellas, existiendo interconexión entre los terminales exteriores de las mismas.
Arcos significantemente mayores, pueden obtenerse añadiendo unas pequeñas esferas a los terminales de la máquina, concretamente al terminal positivo. El efecto conseguido, consiste en la ampliación de la zona de ionización, lo que equivale a
Figura 8: como funciona la maquina de WIMSHURST
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una ampliación de la zona de influencia del campo eléctrico.
En arcos cortos, el extremo positivo se presenta más brillante. En arcos largos, el extremo positivo, presenta un pequeño tramo recto, mientras que el negativo se presenta habitualmente fibrilado y de mayor brillo.
El porqué de esta inversión del brillo, es algo que aún hoy en día representa un misterio
Figura 9: maquina de Wimshurst
C. Explicar el 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 del polea y la cinta están 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,
Figura 10: cinta transportadora
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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 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 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.
Figura 11
Figura 12: generador de Van Der Graaff
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X. Referencias bibliograficas: 1. Miztegui Alberto P.-sabato Jorge A. , Fisica, VolI, Editorial Kapelusz,
1972. pag: 187-223. 2. Tipler Paul A., Fisica para la ciencia y la tecnología, Vol II, Editorial
Reverte, 2001. pag: 798-799 3. Experimentos de Fisica, 1979. Pag: 17-21, 40-48, 62-63.