LOS EXPERIMENTOS FÍSICOS COMO HERRAMIENTA DIDÁCTICA

Transcripción

1 LOS EXPERIMENTOS FÍSICOS COMO HERRAMIENTA DIDÁCTICA Electrostática y magnetismo Plan Provincial de Formación del Profesorado 2013/14

2 ELECTROMAGNETISMO: Experiencias de cátedra Electrostática: Generación de carga Detección de carga Algunos experimentos Magnetismo e inducción.

3 ELECTROSTÁTICA Generación de carga Fricción: serie triboeléctrica Más POSITIVO Piel humana seca Asbesto Piel de conejo Vidrio Mica Pelo humano Nylon Lana Plomo Seda Aluminio Papel Algodón Acero Madera Ambar Cera Goma dura Cobre, Níquel Plata, latón Oro, Platino Azufre Rayón, acetato de celulosa Poliester Poliestireno Poliuretano Polietileno PVC Silicio Teflón Silicona Más NEGATIVO

4 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Varillas o tubos de diversos materiales: metacrilato, PVC... Láminas de plástico: Transparencias de poliester, globos... Frotados con papel de celulosa o diversos tejidos.

5 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Electróforos Son los sistemas más simples y seguros para producir carga Precauciones: La superficie de trabajo debe de ser conductora (contraelectrodo) El electrodo no debe de tener aristas vivas El aislante debe de ser delgado

6 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Generadores piezoeléctricos Permiten alcanzar potenciales de unos 15 kv. Producen carga de ambos signos. Funcionan incluso con elevada humedad ambiente. Muy apropiados como fuentes de iones. Precauciones: Sólo sirven los modelos llamados multichispa. La carga producida es de un signo al pulsar y de otro al soltar el gatillo. Pueden producir corrientes elevadas (riesgo de descargas)

7 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Máquinas electrostáticas Máquina de Wimshurst: Complicada y de funcionamiento muy poco intuitivo

8 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Máquinas electrostáticas Máquina de Van der Graaf: Funcionamiento más sencillo. Relativamente fácil de construir o de adquirir. Muy fiable (salvo el arranque en máquinas autoexcitadas). Potencial límite en torno a los 300 kv con corrientes de 10-5 A (modelos de sobremesa).

9 ELECTROSTÁTICA: Generación de carga Máquinas electrostáticas Máquina de Van der Graaf: La esfera se comporta como un sumidero para la carga proveniente de la fricción.

10 ELECTROSTÁTICA: Detección de carga Péndulo electrostático Constituyen el detector más simple. Se construyen colgando una esfera conductora muy liviana mediante un hilo aislante. Sugerencias: Esferita de poliestireno expandido de 2 ó 3 cm de diámetro Recubierta de papel de aluminio FINO o de oro. Hilo de suspensión de nylon (NO usar algodón). Conviene que la barra horizontal de suspensión sea también aislante.

11 ELECTROSTÁTICA: Detección de carga Electroscopio Se basan en la repulsión entre cargas del mismo signo. Es necesario que las láminas sean muy ligeras (Au, Al) y, sobre todo, muy flexibles. Las láminas deben de montarse enfrentadas a paredes conductoras. Las aristas de las láminas van a producir la autodescarga por efecto de puntas. Hay que redondearlas.

12 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Atracción repulsión Frotar varillas de diferentes materiales y comprobar previamente frotadas con papel o tela: comprobar el acercamiento y luego el alejamiento. Utilizar también el electróforo para observar estos fenómenos.

13 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Carga por influencia Cargar el péndulo mediante un electróforo. Volver a cargar el electróforo y acercar a él otro conectado a tierra. Comprobar como éste atrae al péndulo. Hacer rodar una lata (vacía) acercando una varilla cargada. Desviar un pequeño chorro de agua con un objeto cargado.

14 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Conductividad eléctrica Cargar un electroscopio. Tocarlo con distintos objetos conectados a tierra (mano del experimentador). La carga desaparece más o menos rápidamente. Materiales: aislantes y conductores Es función de la rapidez con la que se distribuyen la cargas. Todos los metales son conductores. Cualquier disolución acuosa es conductora. Incluso el agua pura. En los materiales porosos (madera, papel), dependerá de la humedad relativa (absorción). En materiales no porosos, dependerá del estado de la superficie (adsorción de humedad).

15 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Ionización Cargar un electroscopio. Observar como se descarga cuando ionizamos el aire. Acercando una aguja: efecto de puntas. Utilizando el magiclick. Funciona a distancias sorprendentemente grandes. Calentando el aire. Efecto fotoeléctrico.

16 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Colocar un apilamiento de recipientes conductores ligeros (moldes de cocina de aluminio). Al ponerlo en marcha salen volando de uno en uno. Distribución de carga en conductores

17 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Colocar un penacho de cintas conductoras ligeras (papel, cinta magnetofónica,...) sobre el generador. Divergirán al ponerlo en marcha. Carga por conducción: electroscopio

18 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Se puede realizar el experimento con un voluntario situado sobre un soporte aislante. Si toca con la mano el generador Van der Graaf y éste se pone en marcha ( en este orden!!) sus cabellos se comportarán como las cintas del punto anterior. Consejos: El voluntario debe de permanecer alejado de todo objeto conductor. Como soporte aislante basta una plancha gruesa (10 cm) de poliestireno expandido.

19 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Nunca se debe intentar el experimento con generadores de alta tensión que puedan proporcionar más de unos pocos microamperios de corriente. Comprobarlo con un amperímetro, no fiarse de los cálculos!!

20 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Colocar una aguja en el generador Van der Graaf. Con una llama poner de manifiesto el viento eléctrico. Colocar un molinete en el generador Van der Graaf. Girará por la reacción del viento eléctrico.

21 ELECTROSTÁTICA: Experimentos Experimentos con la máquina de Van der Graaf Construir un condensador con láminas de papel de aluminio y una placa de metacrilato de unos 3 mm de espesor y unos 400 cm 2 de superficie. Cargarlo con el generador Van der Graaf y descargarlo mediante un cable corto. La chispa es muy sonora. Precauciones: La energía almacenada en este condensador puede llegar a ser bastante grande. Manejarlo con mucho cuidado. No tocar nada hasta estar seguro de que está descargado. Lo más seguro es desmontar el condensador al acabar, para evitar que pueda volver a cargarse por procesos de relajación en el dieléctrico.

22 MAGNETISMO Imanes Objetos un tanto misteriosos. Usados inicialmente como método de orientación: brújula. Con muchas aplicaciones además de sujetar papeles en los frigoríficos!

23 MAGNETISMO Imanes Hay muchas clases de imanes, y su construcción ha evolucionado mucho. Ferrita de bario (1980) Los tres almacenan la misma energía (1J) y no parece que se pueda ir mucho más lejos. Magnetita (1750) Nd Fe B (2000)

24 MAGNETISMO Imanes: usaremos principalmente de tres tipos: Ferritas de bario o estroncio Muy baratos y fáciles de conseguir. Poco potentes. Frágiles (son cerámicos). Imanes de AlNiCo Metálicos. Los clásicos de herradura. Algo mejores que las ferritas. Se desimanan fácilmente. Imanes de Neodimio En extremo potentes. Frágiles (son sinterizados). PELIGROSOS (especialmente los grandes) No dejarlos al alcance de los estudiantes

25 MAGNETISMO Imanes: líneas de fuerza Se pueden visualizar muy fácilmente con limaduras de hierro.

26 MAGNETISMO Imanes: aplicaciones Brújula: muy simple de construir. Sugerencias: Imanes cortos de neodimio Muy eficaz. Poco amortiguada (ya veremos ). Tira de acero Permite imanarla en los dos sentidos. Funcionamiento más lento.

27 MAGNETISMO Imanes: aplicaciones Cañón de Gauss : serie de imanes (Nd) y bolitas de acero Antes de disparar. Después de disparar La energía potencial magnética se transforma en cinética.

28 MAGNETISMO Imanes: aplicaciones Juguetes: Levitrón El imán inferior crea un campo magnético no homogéneo Y la peonza precesa alrededor de sus líneas de fuerza. El equilibro es estable sólo dinámicamente.

29 MAGNETISMO Corrientes eléctricas Experimento de Ørsted (1820): Muy simple de realizar Necesita una fuente intensa de corriente (más de 2A): pilas alcalinas.

30 MAGNETISMO Corrientes eléctricas Brújula de tangentes: Se orienta de modo que la bobina sea paralela a la dirección N-S. Se ajusta la corriente hasta que la brújula gire 45. El valor del campo terrestre es entonces: B ni = µ 0 2r n: Número de espiras. I: Corriente en la bobina. r: Radio de la bobina En nuestro caso, con n=10 r=0,05m: B 125 µt/a = 1,25 G/A

31 MAGNETISMO Corrientes eléctricas Electroimanes: Con muy poca corriente se pueden producir fuerzas enormes. Con este electroimán y una pila Los núcleos deben ajustar muy bien.

32 MAGNETISMO Motores El más simple: Pila Trozo de cable Imán

33 MAGNETISMO Motores Otro conceptualmente más complejo:

34 MAGNETISMO Motores Y otro más complejo de elaborar:

35 MAGNETISMO Otras aplicaciones Altavoz

36 INDUCCIÓN MAGNETICA Experimento de Arago (1822) Colocando un disco de cobre bajo nuestra brújula observamos: La brújula sigue apuntando en la misma dirección, pero se amortigua rápidamente. Si movemos el disco, el imán lo sigue...al principio. Después vuelve a lo suyo Otros experimentos en la misma idea: Imán cayendo por un tubo conductor. Imán deslizando sobre un plano conductor.

37 INDUCCIÓN MAGNETICA Experimento de Faraday (1831) Corrientes Imanes Imanes Corriente? A diferencia de experimentos anteriores usa bobinas en vez de conductores rectos y también un núcleo de hierro.

38 INDUCCIÓN MAGNETICA Otros experimentos ilustrativos Anillo conductor cerca de un imán: Aparece fuerza atractiva o repulsiva según alejemos o acerquemos el imán. Sólo puede ser debida a corrientes en el anillo que aparecen cuando el flujo magnético varía.

39 INDUCCIÓN MAGNETICA Otros experimentos ilustrativos Ahora podemos entender lo que ocurre con el imán cayendo por el tubo.

40 INDUCCIÓN MAGNETICA Otros experimentos ilustrativos Bobina, imán potente y detector de corriente más bonito si se usa un led. Esta es la razón del funcionamiento de las linternas de agitar.

41 INDUCCIÓN MAGNETICA Otros experimentos ilustrativos Podemos utilizar corrientes variables y observar otros fenómenos: Anillo de Thomson Transformador

42 INDUCCIÓN MAGNETICA Otras aplicaciones Grabación magnética Micrófono Guitarra eléctrica Generadores