Guia 1 - Electrostatica

FISICA III
Departamento de Física y Química
Escuela de Formación Básica
TRABAJO PRÁCTICO Nº 1
Título: “Fenómenos electrostáticos
1) Objetivos de la experiencia
Visualizar fenómenos de atracción y repulsión eléctrica.
Analizar el comportamiento eléctrico de materiales aislantes y conductores.
Analizar los signos relativos de las cargas de distintos objetos, cargados por
inducción o por contacto.
Discutir condiciones de ruptura dieléctrica del aire y visualizar efectos de
punta.
Relacionar lo observado en clase con otros fenómenos cotidianos (cargas por
fricción, el rayo, chispas, etc.)
2) Conocimientos necesarios
Para el mejor aprovechamiento de estas experiencias será conveniente tener
presentes los siguientes temas:
Ley de Coulomb
Campo eléctrico
Potencial eléctrico
Nociones de estructura de la materia
Como así también intentar responder previamente el cuestionario desarrollado
en el Anexo I.
3) Elementos a utilizar
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Generador de Van de Graaff
Electroscopio de láminas
Electroscopio de aguja
Varillas conductoras y no conductoras
Lámpara de neón
Esferas metálicas aisladas
Esferas de telgopor
Diversos soportes
Paños para frotamiento
Accesorios de conexión
Otros elementos apropiados
4) Desarrollo de la experiencia
El docente de laboratorio irá presentando diferentes fenómenos electrostáticos
producidos en el laboratorio los que serán analizados y discutidos por el
conjunto de alumnos, quienes participarán también en la generación de
algunos de estos fenómenos.
Se trabajará con varillas de distinto tipo
(aislantes y de material conductor
aisladas),
mostrando
cómo
puede
comunicarse una carga eléctrica por
frotamiento.
Se
mostrarán
varios
electroscoscopios y se discutirá su carga
y funcionamiento.
Se analizarán efectos de repulsión y atracción entre
distintos elementos (esferas de telgopor, hilos de nylon,
etc.). Se presentará el generador de Van de Graaff y su
utilización en la visualización de efectos de punta y
ruptura dieléctrica. Se mostrará el efecto de una jaula
de Faraday alrededor de un electroscopio.
En Anexo II se presenta una breve descripción de un electroscopio básico y del
generador de Van de Graaff
5) Informe
El informe a presentar por cada grupo de trabajo deberá contener:
•
•
•
•
Descripción de fenómenos observados
Elementos utilizados en cada uno de ellos
Comentarios y conclusiones
Bibliografía consultada
2
TP1 FIII: Fenómenos electrostáticos
ANEXO I
Cuestionario de electrostática
1)
2)
3)
4)
5)
6)
¿ Qué quiere decir que una cantidad física se conserva?. Dar ejemplos.
¿ Qué quiere decir que una cantidad física está cuantizada?. Dar ejemplos.
¿ Qué se entiende por “principio de superposición”?.
¿ Qué significa “electrostática”?.
¿ Cómo definiría a la carga eléctrica?.
¿ Podría realizar una comparación entre las fuerzas eléctricas y las
gravitacionales , remarcando las diferencias más significativas?.
7) ¿ A qué se le llama ruptura dieléctrica?.
8) ¿ Qué entiende por “efecto de punta”?.
9) ¿ Qué es una “chispa eléctrica”?.
10) ¿ El Coulomb es una cantidad de carga relativamente grande o pequeña?.
11) ¿ Qué significa que un material es conductor?.
12) ¿ Qué significa que un material es dieléctrico?.
13) ¿ Cómo se puede proporcionar carga eléctrica a una varilla de material
aislante?.
14) ¿ Qué entiende por “fenómeno de inducción”?.
15) Cuando las cargas de un conductor cargado se distribuyen libremente, la
energía potencial de las mismas ¿ es máxima o mínima?.
16) Describa componentes y funcionamiento de un generador de Van de Graaff
17) ¿ Qué es un electroscopio?.
18) Describa el procedimiento para cargar un electroscopio.
19) ¿Qué diferencias se observan al frotar una varilla de PVC con una piel y una
varilla de vidrio con un trapo de seda?
20) ¿ Cómo se manifiesta en un material conductor el fenómeno de inducción?.
21) ¿ Cómo se manifiesta en un material dieléctrico el fenómeno de inducción?.
22) ¿ Se puede cargar permanentemente un cuerpo conductor por inducción?.
23) ¿ Porqué una varilla aislante cargada atrae pequeños trozos de papel
descargados?.
24) ¿ Porqué una bolita aislada de telgopor es atraida por el generador de Van de
Graaff?.
25) ¿ Porqué una bolita aislada de telgopor sale despedida después de tocar al
generador de Van de Graaff?.
26) ¿Cómo proporcionaría a dos esferas metálicas aisladas cargas iguales y de
signo opuesto?.
27) Los electrones libres de un metal tienen masa. ¿ Porqué no se depositan todos
en la parte inferior del conductor?.
28) Los camiones que transportan combustible llevan colgando unas cadenas en la
parte de atrás que se arrastran por el suelo. ¿ Para qué son?.
29) ¿ Porqué al caminar sobre una alfombra sintética puede saltar una chispa si se
toca un objeto metálico?.
30) ¿ Porqué gira un molinillo metálico colocado muy próximo a la parte superior de
un generador de Van de Graaff?.
31) ¿ Porqué no salen bien las experiencias electrostáticas en los días húmedos?.
32) ¿ Qué fenómeno atmosférico conoce cuyo origen es la acumulación
electrostática de cargas?.3
33) ¿ Qué es un pararrayos?.
3
TP1 FIII: Fenómenos electrostáticos
34) ¿ Cómo se protegen las líneas de alta tensión de las descargas atmosféricas?.
35) ¿ Qué entiende por “una buena puesta a tierra”?.
36) Una tormenta eléctrica lo sorprende en el campo. ¿ Como se protegería? ¿
Debajo de un árbol o cuerpo a tierra a cielo abierto?.
Bibliografía sugerida:
Feynman, Física. Electromagnetismo y materia, Vol II
Maiztegui A., Boido G. Física IV, Kapelusz, 1993.
Alonso M., Finn E. Fisica. Addison Wesley, 1995
Sears F., Zemansky M., Y oung H. Fisica Universitaria, Addison Wesley, 1988
Serway R. Fisica, Vol II, McGraw-Hill, 1998.
Tipler, Física, Vol II, Reverté, 1994.
4
TP1 FIII: Fenómenos electrostáticos
ANEXO II
Electroscopio y Generador de Van de Graaff
El electroscopio
Este aparato consta de dos hojas metálicas,
muy delgadas y livianas, que cuelgan de una
varilla también metálica; el conjunto está
encerrado en un recipiente de vidrio.
Si se toca la bolita en que termina la varilla
con una barra de vidrio o con una regla de
material plástico previamente frotadas, se
observará que las hojas se separan pero si
se la toca sin frotar previamente la barra, las
hojas permanecen inmóviles debido a que no
reiben cargas electricas. El eIectroscoplo
permite, pues, decidir si un cuerpo tiene
electricidad o no; de allí su nombre: electro
("electricidad") y scopio ("mirar").
El generador de Van de Graaff
Cuando un conductor cargado se pone en contacto con el
interior de un conductor hueco, toda la carga del primer
conductor se transfiere al conductor hueco. En principio, la
carga en el conductor hueco y su potencial pueden
incrementarse sin límite repitiendo el proceso.
En 1929, Robert J. Van de Graaff utilizó este principio para
diseñar y construir un generador electrostático. El generador de
Van der Graaff es un aparato que permite transferir carga a un
conductor hueco. Este tipo de generador se utiliza bastante en
investigaciones de fisica nuclear. La idea básica se describe en
la figura. Se entrega carga de manera continua a un electrodo
de alto voltaje sobre una banda móvil de material aislante. El
electrodo de alto voltaje es un conductor hueco montado sobre
una columna aislante. La banda se carga en A por medio de
una descarga en corona entre las agujas metálicas similares a
un peine y la rejilla conectada a tierra.
5
TP1 FIII: Fenómenos electrostáticos
La carga positiva sobre la banda móvil se transfiere al
electrodo de alto voltaje por medio de un segundo peine de
agujas en B. Puesto que el campo eléctrico dentro del
conductor hueco es despreciable, la carga positiva sobre la
banda se transfiere fácilmente al electrodo de alto voltaje sin
tomar en cuenta su potencial. En la práctica, es posible
aumentar el potencial de un electrodo de alto voltaje hasta
que la descarga eléctrica ocurra a través del aire. Puesto que
el campo eléctrico "de ruptura" es igual a aproximadamente 3
x 106 V 1m, una esfera de 1 m de radio puede elevarse a un
potencial máximo de 3 x 106 V. El potencial puede
aumentarse aun más al incrementar el radio del conductor
hueco y al poner todo el sistema en un recipiente lleno con
un gas a presión elevada.
6
TP1 FIII: Fenómenos electrostáticos