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1. Electrostática - Cualitativo
1.1 Objetivos
1.1.1 General
Estudiar fenómenos electrostáticos donde se evidencian los diferentes comportamientos de la carga eléctrica y sus aplicaciones en procesos y máquinas electrostáticas.
1.1.2 Específicos
Observar de forma experimental y cualitativa fenómenos de electrización de cuerpos. Realizar medidas cualitativas de fenómenos generados por una maquina electrostática (GVG^1 ). Construir explicaciones a los diferentes fenómenos electrostáticos.
1.2 Referentes Conceptuales y Marco Teórico
Tales de Mileto en el siglo VII A.C., observó que unas briznas de hierba seca eran atraídas por un trozo de ámbar que antes había frotado con su túnica. Mas tarde, logro generalizar que luego de frotar un trozo de ámbar y un paño, ambos, atraían hacia la zona frotada pequeñas partículas muy ligeros (por ejemplo: trocitos de papel). A este fenómeno Willian Gilbert acuño por primera vez el termino eléctrico (del griego elektron (ámbar)).
Este fenómeno es una cualidad que adquieren casi todos los cuerpos cuando se frotan con otros cuerpos. Gilbert también realizo experimentos que le permitieron clasificar los materiales en: Eléc- tricos (conductores) y aneléctricos (aislantes). Para ello ideó el primer electroscopio que consistía (^1) Generador Electrostático: Generador de Van de Graff
10 Capítulo 1. Electrostática - Cualitativo
esencialmente de una varilla metálica, con dos livianas hojuelas también metálicas (de oro o de aluminio) colocadas en su parte inferior como se observa en la figura 1.1a. La varilla termina en la parte superior por una pequeña esfera, y está colocada dentro de un recipiente de vidrio que le sirve de soporte y que tiene una abertura en su parte superior por donde pasa la varilla del electroscopio.
(a) Electroscopio (b) Electrómetro
Figura 1.1: Dispositivos experimentales para detectar carga electrostática.
Al tocar con un cuerpo electrizado la esfera, las hojuelas se cargan con electricidad de igual tipo, y se repelen, abriéndose. Si se agrega una escala graduada puede medirse la separación de las hojas; el aparato se denomina electrómetro (ver figura 1.1b).
Las formas mas comunes de electrizar un cuerpo son:
1.2.1 Electrización por fricción y por contacto
Fricción:Consiste en frotar un cuerpo con otro. Los electrones pasan de uno de ellos (que queda cargado positivamente) al otro (que queda cargado negativamente). La carga transferida depende de la presión ejercida al frotar, de la temperatura, el tiempo que tarda fracción, de la humedad y un sin número adicional de variables y condiciones frecuentemente difíciles de controlar.
Contacto: Cuando un cuerpo u objeto posee un exceso de carga de un signo y se pone en contacto con un cuerpo eléctricamente neutro, pueden pasar a éste cargas del primero.
El intercambio de carga entre dos materiales después de friccionarlos y/o ponerlos en contacto entre sí es denominado triboeléctricidad y casi todos los materiales son triboeléctricos.
12 Capítulo 1. Electrostática - Cualitativo
La esfera más cercana a la barra adquiere carga negativa y la más alejada carga positiva (ver figura 1.2(a). Ahora, si se separan las esferas sin alejar la varilla (ver figura 1.2(b), quedan cargadas con igual valor y opuestas (ver figura 1.2(c).
Figura 1.2: Proceso de carga por inducción.
Si la varilla se encontrará cargada negativamente se consigue un resultado completamente análogo al anterior. Por otra parte, la tierra constituye un conductor que se considera infinitamente grande para muchas aplicaciones. En el estudio de la electricidad es común la expresión puesta a tierra ó conexión a tierra y alude a poner en contacto un conductor con la tierra.
La representación esquemática de esta conexión a tierra se hace mediante un cable de conducción que termina en unas pequeñas líneas horizontales como se observa en la figura 1.3(c) y es posible usar la conexión a tierra para cargar un conductor por inducción.
Figura 1.3: Proceso de carga por inducción utilizando una conexión de puesta a tierra.
En la figura 1.3(a) se muestra una esfera conductora descarada, en la figura 1.3(b) se acerca una barra cargada negativamente a una esfera conductora sin carga. Los electrones son repelidos ubicándose en el extremo derecho de la esfera, dejando el extremo cercano con carga positiva. Si se conecta a tierra la esfera con la barra cargada presente, aquella adquiere una carga opuesta a la de la barra, ya que los electrones se desplazan a través de hilo conductor hacia la tierra como se muestra en la figura 1.3(c). La conexión a tierra se interrumpe antes de retirar la barra con el objetivo de completar la carga en la esfera como se observa en la figura 1.3(d). Retirando entonces la barra, la esfera queda cargada positivamente (figura 1.2(e)). Proceso análogo sucedería si la barra se encontrara cargada con carga positiva.
1.2 Referentes Conceptuales y Marco Teórico 13
1.2.3 Máquinas electrostáticas Generador electrostático de Van de Graff (GVG) Si un conductor cargado se coloca en contacto con el interior de un conductor hueco, la carga del primer conductor es transferida al conductor hueco. Si se repite continuamente el proceso, es posible incrementar la carga en el conductor hueco.
Aprovechándose de este fenómeno en 1929 Robert J. Van de Graff aplicó este principio para diseñar y construir un generador electrostático. En principio, utilizado en investigaciones de física nuclear. En la actualidad, solo se usa en demostraciones de tipo académico.
(a) Van de Graff (b) Partes del Generador
Figura 1.4: Generador electrostático de Van de Graff.
El generador tiene (ver figura 1.4(b)) un motor en la parte inferior anclado a su eje un rodillo, una correa aislante, dos cepillos metálicos, dos semiesferas huecas de acero (Domo) donde se va acumu- lando la carga que transporta la correa, una polea y una base metálica para realizar una conexión a tierra.
Cuando se enciende el motor, el rodillo inferior (cargador) comienza a girar la correa. La correa está hecha de goma y el rodillo inferior está cubierto con cinta de silicona, el rodillo inferior comienza a generar una carga negativa y la correa genera una carga positiva. Este desequilibrio de carga se comprende al observar la serie tribológica: el silicio es más negativo que el caucho; es así como el rodillo inferior captura electrones de la banda a medida que esta pasa sobre el rodillo.
1.3 Actividades Previas al Laboratorio 15
1.3 Actividades Previas al Laboratorio
Use sus apuntes de clase, lecturas adicionales, referencias bibliográficas propuestas en esta guía y/o adicionales, para contestar en forma adecuada las situaciones relacionadas con la densidad de diferentes sólidos y fluidos, propuestas a continuación:
- ¿Cómo esta constituido un átomo?
- ¿Qué es un ión positivo? ¿Un ión negativo?
- ¿Qué es una conexión a tierra?
- ¿Qué sucede cuando se conecta a tierra un objeto cargado?
- ¿En que difiere un objeto eléctricamente polarizado y un objeto eléctricamente cargado?
- ¿Qué es el efecto corona, el efecto punta y el viento iónico?
1.4 Materiales
Para la práctica de laboratorio se necesitan los siguientes elementos:
- Varilla de PVC (Gris).
- Varilla de Nylon (Blanca).
- Trapo de algodón.
- Trapo de lana.
- Trapo de vinilo (Recuadro en color verde).
- Generador electrostático de Van de Graff.
- Esfera de descarga.
- Dos electroscopios (Bajas y grandes cantidades de carga).
- Electrodos (Circular plano, electrodo esférico, una puntilla).
- Encendedor.
- Un ping - pong y una esfera de icopor.
- Una Vela
- Cables de conexión (banana-banana y banana-caimán).
- Guía de Laboratorio.
1.5 Procedimiento
Antes de iniciar cualquiera de las experiencias 1.5.1 y 1.5.2, garantice que todos los elementos a utilizar se encuentran eléctricamente neutros. Para ello, primero humedezca un poco, una región pequeña del paño de algodón. Luego, para eliminar carga residual existente, frote cada varilla, una a la vez, con la región del trapo de algodón humedecido anteriormente como se observa en la figura 1.6.
16 Capítulo 1. Electrostática - Cualitativo
Figura 1.6: Descarga electrostática de elementos utilizando un trapo de algodón húmedo.
¡OJO!: Tenga mucho cuidado de no frotar al tiempo las dos varillas y el paño de algodón, ello podría resultar en una acumulación de carga en alguna ó incluso en las dos varillas.
1.5.1 Triboelectricidad
- Corte papel en pequeños trozos (de masa muy ligera) y colóquelos sobre la mesa de trabajo.
- Utilizando el paño, frote la varilla de PVC realizando una presión considerable con sus dedos, de tal manera que consiga cargar la varilla de PVC como se observa en la figura 1.7.
Figura 1.7: Frote con fuerza la varilla de PVC con el trapo de lana, realizando una buena presión con sus dedos mientras frota los dos elementos.
- Acerque la varilla de PVC a los trozos de papel sin tocarlos y observe lo que sucede.
- Repita del punto 2 y 3 pero ahora frote la varilla de Nylon con el trapo de vinilo. Si no observa nada, frótelo con mas fuerza hasta que consiga observar algún fenómeno.
1.5.2 Carga por fricción y contacto
- Tome el electroscopio de bajas cantidades de carga y ubíquelo en su mesa de trabajo.
- Utilizando el paño, frote la varilla de PVC realizando una presión considerable con sus dedos, de tal manera que consiga cargar la varilla de PVC como se observa en la figura 1.7.
- Acerque la varilla de PVC al electroscopio sin tocarlo. Acérquelo y aléjelo en repetidas ocasiones y observe cuidadosamente las hojillas del electroscopio.
18 Capítulo 1. Electrostática - Cualitativo
- ¡OJO!La esfera de descarga conectada adecuadamente a tierra facilita la descarga del GVG (cada vez que se requiera) evitando que la misma se realice a través del cuerpo humano.
- Encienda el GVG y gire su perilla a un 80 por ciento de su potencia máxima. (El control de potencia se observa en el circulo rojo de la figura 1.8(d)) espere unos 10 segundos y observe cuidadosamente lo que sucede con las tiras de servilleta. (Si no observa nada puede aumentar la potencia del GVG)
- Acerque ligeramente su mano a las tiras de servilleta, con cuidado. Observe lo que sucede con las tiras de servilleta. Acerque también la esfera de descarga al domo del GVG y observe con atención lo que sucede.
1.5.4 Transferencia de carga
- Retire las servilletas del domo del GVG.
- Tome la esfera de descarga desconéctela de la tierra del GVG.
- Toque el domo del GVG con la esfera de descarga.
- Encienda el GVG y ajústelo a un 50 por ciento de su potencia máxima.
- Espere uno 10 ó 15 segundos retírelo con cuidado y acérquelo al electroscopio para altas cantidades de carga sin tocarlo, observe lo que sucede.
¡OJO! Nunca lo acerque al electroscopio de bajas cantidades de carga su hojillas son muy sensibles y la alta cantidad de carga puede dañarlas.
- Espere uno 10 ó 15 segundos retírelo con cuidado y acérquelo al electroscopio para altas cantidades de carga sin tocarlo, observe lo que sucede.
- Repita los pasos 3 al 5 , sin embargo, ahora asegúrese que la esfera de descarga si toca las esfera del electroscopio.
1.5.5 Péndulo electrostático
- Tome la esfera de descarga y utilizando un conductor banana-banana conecte un extremo a la esfera de descarga y el otro a la conexión a tierra del generador como se observa en la figura 1.8(b) y 1.8(c)).
- Use un soporte universal y con hilo cuelgue de él una esfera de ping-pong y una esfera de icopor como si fueran dos péndulos.
- Acerque los dos péndulos al domo superior del GVG a una distancia no mayor a 20 cm. Observe la figura 1.9.
- Encienda el GVG con una potencia no mayor al 80 por ciento de su potencia máxima. Recuerde que el ajuste se realiza con la perilla resaltada en rojo de la figura 1.8(d).
- Observe con atención el comportamiento de las dos esferas durante unos 40 segundos.
- Acerque su dedo índice a cada una de las esferas sin tocarlas. Observe con atención que aspectos del fenómeno varían respecto al punto anterior.
1.5 Procedimiento 19
Figura 1.9: Aspecto de los péndulos al acercarlos al GVG
1.5.6 Viento iónico
- Tome la esfera de descarga y utilizando un conductor banana-banana conecte un extremo a la esfera de descarga y el otro a la conexión a tierra del generador como se observa en la figura 1.8(b) y 1.8(c)).
- Conecte un cable banana-caimán, el extremo de la banana péguelo con cinta al domo del GVG (vea el recuadro azul de la figura 1.10) y con el extremo caimán agarre una puntilla de tal forma que la forma puntiaguda quede apuntando hacia afuera como se observa en el zoom del recuadro rojo de la figura 1.10.
Figura 1.10: Configuración experimental para el estudio del viento iónico.
1.7 Referencias 21
- Para la sección 1.5.1 explique desde los métodos de electrización las observaciones que obtuvo después de realizar el procedimiento planteado. ¿Existió alguna facilidad para electrizar alguna de las dos varillas (PVC o Nylon) mas que la otra? Explique su respuesta. ¿Tiene la serie tribologica alguna implicación especifica en los fenómenos observados? ¿Por qué se debe acercar demasiado las varillas al papel para observar el fenómeno?
- Para la sección 1.5.2 explique cada uno de los comportamientos observados en las hojillas del electroscopio. ¿Por qué al tocar el electroscopio con el dedo se descarga? Explique en detalle la razón física de tal efecto.
- Teniendo presente el funcionamiento de un GVG explicado en los aspectos teóricos de la presente guía. ¿Cómo se puede determinar el tipo de carga electrostática que acumulara el GVG?. ¿Cuál es la función de la esfera de descarga cuando se encuentra conectada a la tierra del generador?
- En el procedimiento 1.5.3. ¿Cuál es la causa para que los trozos de servilleta de alejen del domo del GVG? ¿Por qué al acercar la mano al extremo de las servilletas ellas intentan caer nuevamente sobre el domo?
- En el procedimiento 1.5.4 ¿por qué no se conecta a tierra la esfera de descarga? ¿Qué función cumple la esfera de descarga en este procedimiento?. Al retirar la esfera del GVG, ¿queda totalmente descargado?
- En el procedimiento 1.5.5 ¿por qué las esferas se comportan como péndulos (oscilan acercán- dose y alejándose periódicamente del domo del GVG)?, ¿siempre que se acercan al GVG y consiguen tocarlo? si/no explique y argumente su respuesta? y ¿cuál es el efecto de acercar un poco la mano a los péndulos?
- En el procedimiento 1.5.6. ¿cuál es la razón del movimiento de la llama de la vela? de todos los electrodos utilizados ¿cuál genera mayor movimiento en la llama?, la deformación en la forma de la llama para todos los electrodos ¿es igual? ¿cómo explica eso?
- Explique detalladamente las causas del efecto observado en el procedimiento 1.5.7. Todas las chispas de descarga ¿saltan siempre del generador a la esfera de descarga ó viceversa? ¿qué diferencia hace la inserción de un dieléctrico (vidrio o acrílico) entre el domo y la esfera de descarga? ¿existe alguna relación de este fenómeno con la generación de los rayos en tormentas eléctricas?
1.7 Referencias
- Course, B. P. (2019). Electricidad y magnetismo Volumen 2 (2a^ ed.). Reverte.
- Electrostatics Kit. (2021, 22 junio). Vernier. https://www.vernier.com/product/electrostatics-kit/
- Charge. (s. f.). Laboratorio de Física Eléctrica. Recuperado 8 de julio de 2021, de http://physics.ham.miamioh.edu/LabPages/QuantitativeElectrostatics.htm
- Serway, R. (2018). Física Para Ciencias e Ingeniería. Vol. 1 (10a^ ed.). Cengage Learning.
- Tipler, P. A. (2010). Física. 6ed. Vol. 2. Reverté.
