FISICA III. Departamento de Física y Química Escuela de Formación Básica TRABAJO PRÁCTICO Nº 1. Título: Fenómenos electrostáticos

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Mercedes Salazar Robles
hace 8 años
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1 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

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.

2 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

Se trabajará con varillas de distinto tipo (aislantes y de material conductor aisladas), mostrando cómo puede comunicarse una carga eléctrica por frotamiento.

3 ANEXO I Cuestionario de electrostática 1) Qué quiere decir que una cantidad física se conserva?. Dar ejemplos. 2) Qué quiere decir que una cantidad física está cuantizada?. Dar ejemplos. 3) Qué se entiende por principio de superposición?. 4) Qué significa electrostática?. 5) Cómo definiría a la carga eléctrica?. 6) 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

. 6) Podría realizar una comparación entre las fuerzas eléctricas y las gravitacionales, remarcando las diferencias más significativas?. 7) A qué se le llama ruptura dieléctrica?

4 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, 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, Tipler, Física, Vol II, Reverté,

. Bibliografía sugerida: Feynman, Física. Electromagnetismo y materia, Vol II Maiztegui A., Boido G. Física IV, Kapelusz, 1993. Alonso M., Finn E.

5 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

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

6 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 10 6 V 1m, una esfera de 1 m de radio puede elevarse a un potencial máximo de 3 x 10 6 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

En la práctica, es posible aumentar el potencial de un electrodo de alto voltaje hasta que la descarga eléctrica ocurra a través del aire.

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