Universidad César Vallejo

Universidad César Vallejo
L
I
M
A
E
S
T
E
ESCUELA DE INGENIERIA AMBIENTAL
Guía de Laboratorio de Física II N0 1
“MAQUINAS ELECTROSTATICAS”
I. INTRODUCCION
La electricidad estática es un fenómeno que cualquier persona habrá experimentado alguna vez
en forma de descarga al acercarse a tocar un elemento conductor. Igualmente se habrán podido
observar destellos al quitarse ropa de tejido acrílico y la atracción del cabello al acercarse a la
pantalla de un televisor. La electricidad estática da lugar al conjunto de fenómenos asociados con
la aparición de una carga eléctrica en la superficie de un cuerpo aislante o en un cuerpo
conductor aislado para una demostración adecuada se utilizara las máquinas electrostáticas estos
son generadores mecánicos de electricidad de alta tensión. En esta practica se utilizará la
maquina de Whimshurt y el generador de Van Der Graaff y se harán diversas aplicaciones
practicas.
II. OBJETIVOS
Al término del laboratorio los alumnos deberán estar en condiciones de:
 Identificar la maquina de Whimshurst.
 Comprender los principios físicos básicos en que se sustenta el funcionamiento de la maquina
de Whimshurst.
 Identificar el generador de Van der Graaff.
 Comprender los principios físicos básicos en que se sustenta el funcionamiento del generador
de Van der Graaff.
 Manipular los equipos y realizar aplicaciones practicas
III. MATERIALES Y EQUIPOS
Nº
01
02
03
04
05
06
DESCRIPCION
Maquina de Whinshurt
Generador de Van der Graff
Condensador + bola de Al
Plumero Electrostático
Cables Conectores
Cable de extensión
CANTIDAD
01
01
01
01
04
01
IV. DESCRIPCION TEORICO
Maquina de whimshurst.- Esta máquina genera diferencias de potencial por acumulación de
cargas eléctricas “estáticas”. El principio en el cual se basa puede explicarse así: un material
aislante al ser frotado cede o acumula electrones en la zona de frote; las cargas producidas
permanecen en la zona sin trasladarse sobre la superficie del material.
Una esfera de material conductor provista de una punta se acerca sobre la zona, sin tocar la
superficie; se inducen cargas en la esfera neutralizando el material aislante. El objeto que frota
el dieléctrico se carga de electricidad con signo opuesto. Estas cargas se recogen en otra esfera;
al aproximar ambas esferas se producen la chispa que las descarga.
El frotamiento se realiza con
escobillas metálicas (A, a),
ver Figura1, las
cuales
inducen cargas sobre discos
de ebonita o poliéster las
cuales giran al mover la
manivela.
Las
puntas
colectores (P, p) se conectan
a dos esferas y también a
dos botellas de Leyden.
Sobre los discos y en relieve
se colocan tiras de metal que
al
contacto
con
las
escobillas generan una carga
inicial en estas, la cual es
usada para iniciar el proceso
de inducción.
Generador de Van der Graaff.- El generador de Van der Graaff es un aparato para conseguir
almacenar carga eléctrica en un conductor. Fue inventado por el físico americano Van der Graaff
en 1931. Se basa en la carga por frotamiento. Tiene una banda de goma movida por un motor,
que arranca cargas eléctricas de un conductor conectado a tierra y las transporta a la esfera
conductora superior, donde se va acumulando la carga. Si conectamos a la esfera algo poco
pesado (mechón de pelo, unos copos de cereales, etcétera), al adquirir carga del mismo signo
estos cuerpos se repelen y los pelos se ponen de punta, los copos salen volando. El potencial
obtenido en estas maquinas es usado para acelerar partículas cargadas (electrones, átomos o
moléculas ionizadas).
Principio de funcionamiento.- En la Figura 2, se muestra un esquema del generador de Van de
Graaff. 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.
En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie de la
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,
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 2.
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.
V. PROCEDIMIENTO
a) Maquina de Whimshurst
1. Extraer de su caja la maquina de whimshurst
2. Con un paño o una franela limpie la superficie de los discos. Emplee alcohol isopropílico
si es necesario, para quitar partículas y humedad, si el equipo estuvo mucho tiempo
almacenado.
3. Verificar el buen contacto eléctrico en las botellas de Leyden.
4. Separe los terminales inferiores 1cm. y girar la manivela en el sentido que se indica
sujetando la base. Anotar sus observaciones.
5. Separe los terminales inferiores en 2cm, luego en 3cm, luego en 4cm, luego en 5m y
luego en 6cm. como lo realizado anteriormente. Anotar sus observaciones a que
distancia observa que la chispa es casi continua.
6. Inserte los terminales con el cable en cada placa del condensador observe y anote que
sucede con la bolita de aluminio.
b) Generador de Van
der Graaff
1. Extraer de su caja el Generador Van der Graaff
2.
Con un paño o una franela limpie la superficie esférica, para quitar partículas y
humedad, si
el equipo estuvo mucho tiempo almacenado.
3. Conecte el cable del generador a la red domestica y encender el generador.
4. Tomando por la base aislante el plumero electrostático acercar a la superficie esférica.
¿Qué ocurre? Describa detalladamente.
5. Para demostrar la simetría radial del campo eléctrico. Toma ahora un hilo de aprox. Un
metro de longitud, desplácelo alrededor de la superficie siguiendo círculos paralelos al
ecuador o meridianos, pero sin intentar disminuir la distancia a éste, que sucede y anota
sus observaciones.
6. Descargue el generador Van der Graaff. Poner sobre la superficie superior el plumero
electrostático y enciende describa sus observaciones.
7. Descargue el generador Van der Graaff. Ahora sobre una base de madera haga parar a
una alumna sobre ella, haciendo que coloque sus manos sobre la superficie esférica.
Encienda el motor del generador Van der Graaff, luego de cierto tiempo los cabellos de la
alumna se levantaran (Anotar lo que sucede y tome una foto para su informe). Apagar el
generador luego retirar la mano y deje pasar cierto tiempo hasta que su cabello baje
indicando que ya se descargó; entonces hágalo bajar de la tabla Importante: Proceda
con cuidado y calma.
8. Inserte con cables largos uno al casco del generador de Van der Graaff y otro a la
conexión a tierra luego conecte los cables en cada placa del condensador observe y anote
que sucede con la bolita de aluminio.
VI. CUESTIONARIO:
1. ¿Cómo se genera la carga inicial en las escobillas?
2. ¿Qué efectos produce la chispa en los átomos de aire?.
3. Debido a qué, la chispa no se produce para cualquier distancia entre las esferitas e
indique la distancia donde la chispa es continua.
4. Si los terminales de tierra están a corta distancia, entre las esferas se producen chispas
discontinuas; pero si la distancia es más que 4cm. la chispa entre las esferas es continua.
Explique por qué ocurre esto.
5. ¿Deben girar los discos siempre en sentidos Opuestos? ¿Por qué?
6. Explique la obtención de cargas en el generador de Van der Graaff.
7. Si una persona se aísla de tierra y acerca su brazo a la esfera los bellos se erizan ¿Por
qué?
8. Tocando la conexión a tierra, ¿Por qué los electrones prefieren pasar por el alambre que
por la piel?
9. ¿Cómo se podría aumentar el potencial del generador Van der Graaff?.
10. Mencionar posibles aplicaciones del experimento en la vida profesional.
VII. BIBLIOGRAFÍA:




W.D. Cooper, A.D. Helfrick, Instrumentación electrónica moderna y técnicas de
medición, Printece Hall, México 1991.
C. Kramer, Prácticas de Física, Mc Graw Hill, Mexico 1994.
P. Sorler, A. Negro, Física practica básica, Alambra, Madrid, 1973.
A. Serway, J. W. Jewett, Física para ciencias e ingeniería, Thomson, Sexta Edición,
México, 2005.