Manual para el Laboratorio de Física II. Electrostática. Generador de Van Der Graff

Transcripción

1 Universidad de los Andes Núcleo Dr. Pedro Rincón Gutiérrez Departamento de Ciencias Manual para el Laboratorio de Física II. Electrostática. Generador de Van Der Graff Realizado por: Chacón Contreras, Yesika E. C.I: Contreras Sanjuán, Leidy M. C.I: Corredor Corredor, Alfredo A. C.I: Ramírez Moncada, Jhonny J. C.I: San Cristóbal, Febrero de 2012

2 Prefacio El presente trabajo tiene tres propósitos fundamentales: Suministrar información relevante a los estudiantes de Física y laboratorio II. Proporcionar experiencias significativas en las que se pueda palpar el fenómeno de la electrostática. Incentivar a los futuros docentes el trabajo de la física y la construcción de experimentos como promoción de la ciencia.

3 Recomendaciones para la realización de las prácticas de laboratorio. Las siguientes recomendaciones tienen como finalidad orientar el trabajo del alumno antes y durante la realización de cualquier sesión de Laboratorio. a) Una vez que el alumno haya adquirido el presente Manual deberá leer el contenido de la práctica correspondiente con el fin de conocer los objetivos que se persiguen y los procedimientos establecidos para cada experiencia. b) El alumno debe preparar una hoja para registrar los datos que obtenga en cada experiencia. Dicha hoja será firmada por el profesor al final de cada práctica. c) Tomando en cuenta el listado de materiales trate de identificarlos y de familiarizarse con su apariencia física real. No olvide aprender el nombre correcto de cada elemento o instrumento, tratando siempre de utilizar el lenguaje descriptivo o la terminología técnica adecuada para referirse a ellos. d) Trabaje de la forma más ordenada posible. e) Cuando manipule cualquier instrumento de medida, asegúrese de conocer la forma de hacerlo funcionar adecuadamente (si es necesario consulte al profesor). f) Recuerde que los procedimientos descritos para cada experiencia o experimento están en relación directa con los objetivos de la práctica, de ahí la necesidad que se tiene de emplear la agudeza en cada observación que se haga. Las observaciones le pueden servir de base para realizar las conclusiones del Informe. g) A medida que vaya recopilando datos no olvide registrarlos en la hoja preparada para tal fin, con las unidades correspondientes a cada magnitud física medida. Estas deben aparecer sin enmiendas en el Informe. h) Ejercite su espíritu de conservación: no deteriore los mesones ni los materiales de trabajo. i) Cuando detecte cualquier elemento o instrumento en mal estado o defectuoso repórtelo inmediatamente al Profesor. j) Los objetivos de cada práctica deben ser inferidos por el alumno.

4 Práctica N 1 Electrostática. Generador de Van Der Graff I. Introducción El generador de Van Der Graf es una máquina que almacena carga eléctrica en una gran esfera conductora hueca gracias a la fricción que produce una correa sobre unos peines metálicos. Las cargas son transportadas por el peine conectado a la esfera hasta ésta donde se comienzan a acumular. Un generador de Van Der Graff es lo que se conoce como fuente de corriente o de intensidad. Es decir, una fuente que provoca una intensidad determinada y que hace que ésta no varíe con el tiempo. Es justamente lo contrario a una pila o cualquier otro tipo de batería que son fuentes de tensión, y lo que hacen es proporcionar una diferencia de potencial constante. Uno de los generadores más grandes de Van de Graaff del mundo, construido por el mismo Robert J. Van de Graaff, está ahora en exhibición permanente en el museo de Boston de la ciencia. Con dos esferas de aluminio conjuntas de 4,5 metros que están estáticas en unas columnas altas, este generador puede alcanzar a menudo 2 millones de Voltios. Consta de: Descripción 1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior. 2.- Dos parales que sostienen la esfera 3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje. 4.- Dos peines metálicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera. 5.- Una correa transportadora de material aislante (látex) 6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante Campo eléctrico: Propiedad del espacio alrededor de una carga eléctrica. Se le designa con la letra E y su definición matemática es: E = Q / r 2, siendo Q la cantidad de carga eléctrica

5 de un cuerpo y r, la distancia desde el cuerpo cargado al punto donde se mide el campo eléctrico. Otra forma de escribir el campo eléctrico es: E = F / q siendo F la fuerza eléctrica entre la carga Q (E sería el valor del campo que produce la carga Q) y la carga q que es llamada carga de prueba que a una distancia r de Q siente una fuerza F. Carga eléctrica: Propiedad de la materia que le permite interactuar con cuerpos que también la tengan. Existen dos tipos: positiva y negativa. La menor cantidad de carga que existe libre en la naturaleza es la del electrón y su unidad de medida en el sistema internacional es el Coulomb. Un electrón tiene una carga eléctrica de magnitud 1,6 x (C). Corriente eléctrica: Flujo de electrones que viaja a través de una sustancia sólida, líquida o gaseosa. Descarga eléctrica: Cuando un cuerpo electrizado neutraliza su carga, se dice que se descarga. Esto se puede realizar a través de un buen conductor, como un alambre conectado a tierra, como a través de un gas. El relámpago es el caso más conocido de una descarga eléctrica a través de un gas (el aire). Para que se realice una descarga en un gas es necesario que las moléculas de este sean iones (partículas cargadas). Electrones: Partículas atómicas que contienen una carga negativa llamada unidad de carga fundamental. Fuerza eléctrica: Dos cargas se atraen si son de signo distinto y se repelen si son de igual signo, la fuerza con que reacciona es llamada fuerza de Coulomb y su expresión matemática (medida por primera vez por Charles Coulomb) es la siguiente: F = Kq1q2 / r2 donde K es una constante cuyo valor es: 9x109 Nm2 / (C)2, tanto q1 como q2 son las cargas que intervienen y r es la distancia que las separa. Ionizar: Sacar electrones de átomos o moléculas, producir átomos o moléculas con exceso de carga. Potencial eléctrico: Potencial en un punto del campo eléctrico es la razón entre el trabajo realizado para trasladar una carga de prueba desde fuera del campo hasta ese punto y el valor de dicha carga, esto se expresa: V = W / q. Otra definición es: la razón entre la carga que origina el campo y la distancia que existe entre dicho punto y la carga, su expresión matemática es: V = q / r. II. Pre - Laboratorio El estudiante debe hacer lectura previa de material basado en campo eléctrico, principio de cargas y estática. Aunado a ello, deberá traer para la práctica: Aceite de ricino. Papel aluminio cortado en cuadritos. Servilletas cortadas en tiras.

6 Teipe. Agujas e hilo. III. Laboratorio Material: Superficie aislante (Madera) Envase de vidrio Aceite de ricino Limadura de hierro Cable Aguja e hilo Trozos de papel aluminio y servilleta Procedimiento: Experimento N 1 Campo eléctrico y cargas 1.- Encienda el generador de Van Der Graff y ubíquese sobre la superficie aislante. 1.1 Acerque el antebrazo a la esfera metálica. 1.2 Acerque una aguja enhebrada por hilo a la superficie metálica a) Qué sucede? b) A qué se debe este fenómeno c) Qué genera dicho fenómeno? 2.- Acerque un extremo del cable a la superficie esférica e introduzca el otro extremo al envase de vidrio previamente preparado de una capa de aceite de ricino y limadura de hierro. a) Qué observa? b) Dibuje el fenómeno observado Ahora acerque el cable al interior de la esfera y mantenga el otro extremo dentro del envase a) Qué sucede? Por qué? b) Qué indica la teoría de campo eléctrico dentro de una esfera hueca? 3.- Coloque trozos de papel aluminio sobre la esfera cargada a) Qué sucede? b) Explique el fenómeno observado.

7 Experimento N 2 El cuerpo humano como conductor Material: Superficie aislante (Madera) Procedimiento: 1.- Ubíquese sobre la superficie aislante y coloque su mano sobre la esfera metálica. Espere mínimo un minuto: a) Qué sucede? b) A qué se debe este fenómeno? c) Por qué se ve afectada esa zona corporal? 2.- Por qué esta acción no implica ningún peligro? 3.- Explique por qué el cuerpo humano es un buen conductor. Material: Fluorescente Esfera metálica Procedimiento: 1.- Acerque el fluorescente al generador a) Qué sucede? b) Por qué ocurre este hecho? Experimento N 3 Descarga eléctrica 2.- Conecte la esfera metálica a tierra y acérquela al generador a) Qué observa? b) A qué se debe este fenómeno? IV. Post Laboratorio 1) Defina con sus propias palabras: a.- Electrostática b.- Descarga eléctrica

8 c.- Campo eléctrico. 2) Explique: Por qué el generador de Van Der Graff es una fuente de corriente y no de tensión?