Física 3 Laborarotio 1

 Manual  Manual de Prá Pr áctica cticass de Labo Laborato ratori o de F ísica ísi ca I I I

K I T PAR PA R A E L E CTR CT R OST TI CA

Opta Optacia ciano no V ásque squezz García 2017

UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO ACADEMICO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA PRÁCTICA N° 1. KIT PARA EXPERIMENTOS EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS

MSc. OPTACIANO L. VÁSQUEZ GARCÍA

HUARAZ - PERÚ

2017 1

 Manual  Manual de Prá Pr áctica cticass de Labo Laborato ratori o de F ísica ísi ca I I I

K I T PAR PA R A E L E CTR CT R OST TI CA

UNIVERSIDAD NACIONAL

Opta Optacia ciano no V ásque squezz García 2017

FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA

“SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”

CURSO: F I S I C A I I I   PRACTICA DE LABORATORIO Nº 1.

APELLIDOS Y NOMBRES: QUI ONES SANCHEZ HAGGY CODIGO: 151.0904.209 151.0904.209 FECHA: 07.06.17 FACULTAD: INGENIERÍA CIVIL ESCUELAPROFESIONAL: ESCUELAPROFESIONAL: INGENIERÍA CIVIL GRUPO: MMARTES. AÑO LECTIVO:

2017

SEMESTRE ACADEMICO: 2017 – I

DOCENTE:

OPTACIANO VÁSQUEZ GARCÍA

NOTA................................ FIRMA.....................................

KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS

EXPERIMENTO 1. I.

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales  

1.2

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Conocer las diversas formas de electrización

Objetivos específicos    

II.

PRODUCCIÓN PRODUCCIÓN DE CARGA ELÉCTRICA POR CONTACTO

Producir diferentes tipos de carga eléctrica mediante el proceso de frotamiento Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signo contrario. Utilizar el electroscopio como instrumento detector de cargas Verificar el fenómeno de inducción electrostática por contacto y por conexión a tierra

MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL Consideremos un experimento simple en el que interviene la atracción eléctrica. Una barra de plástico se frota con un trozo de piel y se suspende de una cuerda que puede p uede girar libremente. Si aproximamos a esta barra, una segunda  barra de plástico, frotada también con piel, observamos que las barras se repelen entre sí tal como se muestra en la Fig. 01. El mismo resultado se obtiene si repetimos el mismo experimento con dos barras de vidrio que han sido frotadas con seda. Sin embargo si utilizamos una barra de plástico frotada con piel y una varilla de vidrio frotada con seda, observamos que las barras se atraen entre sí. Al frotar el plástico con piel o el vidrio con seda, estas sustancias se “electrizan” o “cargan”. Repitiendo este

mismo experimento con diversos tipos de materiales encontramos que todos los objetos cargados pueden clasificarse en dos grupos: aquellos que se cargan como la barra de plástico frotada con piel y los que se cargan como la varilla de vidrio cuando se frota con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) (1706 -1790) sugirió que todo cuerpo posee una cantidad “normal” de electricidad y cuando dos objetos se frota n entre sí parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo hacia otro; así pues, uno tiene tiene un exceso y el otro un déficit de carga de valor igual. Al tipo de carga adquirida por una barra de vidrio frotada con con un paño de seda le llamó llamó carga positiva, lo cual significaba que el  paño de seda adquiría una carga negativa  de igual magnitud. Por otro lado al tipo de carga que aparecía en el  plástico al ser frotado con piel se le llamó carga negativa y la piel la  piel adquiría una carga positiva. Como vimos en nuestro experimento, dos objetos que poseen el mimo tipo de carga, es decir, dos cuerpos ambos positivos o ambos negativos se repelen entre sí, mientras que si transportan tr ansportan cargas opuestas  se atraen entre sí. Se sabe ahora que cuando el vidrio se frota con un paño de seda se transfieren electrones del vidrio a la seda y por tanto, ésta adquiere un número en exceso de electrones y el vidrio queda con un déficit de electrones, Según la clasificación de Franklin, que todavía tiene vigencia, la seda se carga negativamente, y el vidrio positivamente. Ahora sabemos que la materia está formada por átomos eléctricamente neutros. Cada átomo posee un pequeño núcleo que contiene protones cargados positivamente positivamente y neutrones sin carga y rodeando al núcleo existe un número igual de electrones cargados negativamente. El protón y el electrón son partículas muy distintas. Así la masa del  protón es aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón. Sin embargo, sus cargas son exactamente iguales pero de signos opuestos. La carga del protón es e y la del electrón es  – e, siendo e la unidad fundamental

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UNIVERSIDAD NACIONAL

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FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA

“SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”

CURSO: F I S I C A I I I   PRACTICA DE LABORATORIO Nº 1.

APELLIDOS Y NOMBRES: QUI ONES SANCHEZ HAGGY CODIGO: 151.0904.209 151.0904.209 FECHA: 07.06.17 FACULTAD: INGENIERÍA CIVIL ESCUELAPROFESIONAL: ESCUELAPROFESIONAL: INGENIERÍA CIVIL GRUPO: MMARTES. AÑO LECTIVO:

2017

SEMESTRE ACADEMICO: 2017 – I

DOCENTE:

OPTACIANO VÁSQUEZ GARCÍA

NOTA................................ FIRMA.....................................

KIT PARA EXPERIMENTOS ELECTROSTATICOS

EXPERIMENTO 1. I.

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales  

1.2

Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Conocer las diversas formas de electrización

Objetivos específicos    

II.

PRODUCCIÓN PRODUCCIÓN DE CARGA ELÉCTRICA POR CONTACTO

Producir diferentes tipos de carga eléctrica mediante el proceso de frotamiento Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signo contrario. Utilizar el electroscopio como instrumento detector de cargas Verificar el fenómeno de inducción electrostática por contacto y por conexión a tierra

MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL Consideremos un experimento simple en el que interviene la atracción eléctrica. Una barra de plástico se frota con un trozo de piel y se suspende de una cuerda que puede p uede girar libremente. Si aproximamos a esta barra, una segunda  barra de plástico, frotada también con piel, observamos que las barras se repelen entre sí tal como se muestra en la Fig. 01. El mismo resultado se obtiene si repetimos el mismo experimento con dos barras de vidrio que han sido frotadas con seda. Sin embargo si utilizamos una barra de plástico frotada con piel y una varilla de vidrio frotada con seda, observamos que las barras se atraen entre sí. Al frotar el plástico con piel o el vidrio con seda, estas sustancias se “electrizan” o “cargan”. Repitiendo este

mismo experimento con diversos tipos de materiales encontramos que todos los objetos cargados pueden clasificarse en dos grupos: aquellos que se cargan como la barra de plástico frotada con piel y los que se cargan como la varilla de vidrio cuando se frota con seda. Benjamín Franklin (1706-1790) (1706 -1790) sugirió que todo cuerpo posee una cantidad “normal” de electricidad y cuando dos objetos se frota n entre sí parte de la electricidad se transfiere de un cuerpo hacia otro; así pues, uno tiene tiene un exceso y el otro un déficit de carga de valor igual. Al tipo de carga adquirida por una barra de vidrio frotada con con un paño de seda le llamó llamó carga positiva, lo cual significaba que el  paño de seda adquiría una carga negativa  de igual magnitud. Por otro lado al tipo de carga que aparecía en el  plástico al ser frotado con piel se le llamó carga negativa y la piel la  piel adquiría una carga positiva. Como vimos en nuestro experimento, dos objetos que poseen el mimo tipo de carga, es decir, dos cuerpos ambos positivos o ambos negativos se repelen entre sí, mientras que si transportan tr ansportan cargas opuestas  se atraen entre sí. Se sabe ahora que cuando el vidrio se frota con un paño de seda se transfieren electrones del vidrio a la seda y por tanto, ésta adquiere un número en exceso de electrones y el vidrio queda con un déficit de electrones, Según la clasificación de Franklin, que todavía tiene vigencia, la seda se carga negativamente, y el vidrio positivamente. Ahora sabemos que la materia está formada por átomos eléctricamente neutros. Cada átomo posee un pequeño núcleo que contiene protones cargados positivamente positivamente y neutrones sin carga y rodeando al núcleo existe un número igual de electrones cargados negativamente. El protón y el electrón son partículas muy distintas. Así la masa del  protón es aproximadamente 2000 veces mayor que la del electrón. Sin embargo, sus cargas son exactamente iguales pero de signos opuestos. La carga del protón es e y la del electrón es  – e, siendo e la unidad fundamental

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de la carga. Todas las demás cargas se presentan en cantidades enteras de la del electrón. Es decir, la carga está cuantizada. Toda carga Q presente en la naturaleza puede escribirse en la forma Q   N .e

 

(1)

Donde N es un número entero y e es la carga del electrón. Cuando dos cuerpos están en íntimo contacto, como co mo ocurre al frotarles entre sí, los electrones se transfieren de un cuerpo a otro. Un objeto queda con un número en exceso de electrones y se carga por tanto, negativamente y el otro queda con un déficit de electrones quedando cargado positivamente. Durante este proceso la carga no se crea sino se transfiere de un cuerpo a otro. La carga neta del sistema es cero. Es decir la carga se conserva .

(a)

(b)

Figura 1. a) D os obj obj etos etos con car car gas de signo sig no opuesto opuesto se atraen; atraen; b) D os cuer cuer pos pos con cargas carg as del del mismo signo sig no se repelen repelen

III.

MATERIALES Y EQUIPOS. 2.1. Una varilla de vidrio 2.2. Dos varillas de plástico 2,3. Un trozo de seda 2.4. Una plataforma con soporte 2.5. Un electroscopio

IV.

METODOLOGÍA.  A.

PRODUCCIÓN DE CARGA POSITIVA Y NEGATIVA a) Limpiar las superficies de la varilla de vidrio y el electroscopio. b) Disponga el equipo tal como se muestra en la Figura 2.

(a)

(b)

(c)

Figura 2 E quipo utili zado zado en la expe experr i encia: ( a) E lectrosco lectroscopio, pio, (b) var var illa il la de de vivi drio dri o y plást plástii co ( c) electri electriza zación ción por por

 fro  fr otamiento iento c) Acerque la varilla de plástico sin frotar al electrodo central del electroscopio. ¿Qué le sucede a la laminilla del electroscopio? Registre sus observaciones

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d) Frotar vigorosamente la varilla de plástico con lana y nuevamente acerque la varilla al electrodo central del electroscopio sin tocarlo como se muestra en la figura 3a ¿Qué le sucede a las laminillas del electroscopio?. Registre lo observado. e) Toque el electrodo central del electroscopio con la varilla de plástico previamente frotada con lana para transferir la carga al electroscopio. ¿Qué le sucede a la laminilla del electroscopio?. Registre sus observaciones f) Para obtener más carga sobre el electroscopio habrá que repetir varias veces el proceso de frotación y transferencia. Registre sus observaciones.

(a) F igura. 03.

(b)

(a) Varilla cargada acercándose al electroscopio, (b) Varilla fr otada tocando la cabeza del electroscopio

g) Descargar el electroscopio tocando con la mano el electrodo central del electroscopio. h) Para obtener el tipo de carga en el vidrio, frote la varilla de plástico (negro) con lana y toque con la varilla frotada la cabeza del electroscopio i) Frote fuertemente ahora la varilla de vidrio con la seda y ahora acérquela lo más cerca posible a la cabeza del electroscopio sin tocarla. ¿Qué sucede con el ángulo que forma la lámina del electroscopio?. ¿aumenta o disminuye?. Registre sus observaciones.  j) Repita el proceso para el caso en que la varilla es de acrílico y se frota con lana. B. DETERMINACIÓN DEL TIPO DE CARGA QUE TIENE UN CUERPO a)  b) c) d) e)

Coja de la parte aislante la esfera de prueba y acérquela al electroscopio. ¿Qué observa?, ¿Se separan las láminas del electroscopio? Frote vigorosamente el extremo de la varilla de plástico con lana y acérquelo a la esfera metálica colocada en su soporte aislante como se muestra en la figura 04a. En presencia de la varilla frotada coloque su dedo en el lado opuesto de la esfera metálica como se muestra en la figura 04b. Después de cierto tiempo y en presencia de la varilla cargada retire el dedo de la esfera. Ahora retire la varilla cargada y posteriormente acerque la esfera conductora a la cabeza del electroscopio. ¿Qué observa?

Figura 4

f)

(a) (b) (a) Varilla de plástico frotada acercándola a la esfera conductora sin tocarla, (b) En presencia de la barra  se coloca el dedo de la mano.

Repita los pasos (a) hasta (e) cuando la varilla de plástico es remplazada con una de acrílico frotada con lana. Registre sus observaciones

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C.

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ATRACCIÓN Y/O REPULSIÓN ELÉCTRICA a) Frotar fuertemente el extremo de la varilla de plástico A, de color negro con lana y luego colocarlo en la  plataforma giratoria con soporte, como se muestra en la Figura 5a. Ubicar su centro de gravedad y  permitir que gire libremente.

(a) Figura 5.

(b)

E quipo utilizado para mostrar la interacción eléctrica.

b) Frotar el extremo de la varilla de plástico negro B, con lana y luego acercarlo a la varilla de plástico colocada en la plataforma giratoria. ¿Qué observa? Registre dichas observaciones, c) Frotar el extremo de la varilla de acrílico C, con la lana y luego acercarlo a la varilla de plástico ubicada en el soporte. ¿Que observa Ud.? Registre sus observaciones. Evite tocar la varilla de acrílico con la de  plástico mientras gira; ésta debe ser guiada por la varilla de acrílico. d) Frotar el extremo de la varilla de acrílico con otro tipo de material y luego acérquelo al extremo de la varilla A evitando tocarla. ¿Qué sucede? Registre sus observaciones. V.

CUESTIONARIO A. Producción de carga. 5.1. Al acercar la varilla de plástico sin frotar al electroscopio. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Qué implica esto? -

Al acercar la varilla de plástico previamente frotada con seda al electroscopio sin tocarlo. ¿Qué ocurre con las laminillas del electroscopio? ¿Se ha cargado el electroscopio? -

-

¿Qué sucede con las laminillas del electroscopio cuando Ud. toca la esfera central del electroscopio? Explique -

-

Si Ud. remplazó la varilla de plástico por una de vidrio o una de acrílico previamente frotada. ¿Cuáles fueron sus observaciones? ¿Qué signo adquiere la carga en el vidrio?. ¿Cuál será el signo de la carga en el acrílico? Explique

VARILLA FROTADOR

Vidrio (+) Seda (-)

-

5

Plástico (+) Lana (-)

Acrilico (-) Seda (+)

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B. Tipo de carga que tiene un cuerpo. 5.1. Al frotar el extremo de la varilla de plástico con lana. ¿Qué tipo de carga adquiere la varilla de plástico? -

5.2. Al acercar la varilla de plástico a la esfera metálica, sin tocarla ¿Cómo es la distribución de cargas sobre la esfera? -

5.3. Al tocar con el dedo el extremo derecho de la esfera. ¿Qué sucede con la carga de dicho lado? -

5.4. Al separar el dedo de la esfera en presencia de la varilla de plástico cargada . ¿Qué tipo de carga adquiere la esfera conductora? ¿En dónde se ubica dicha carga? -

5.5. Al repetir el procedimiento con la varilla de acrílico. ¿Qué tipo de carga adquiere la esfera de acero? -

C. Atracción y repulsión de cargas. 5.1. Al acercar la varilla de plástico B frotada con lana a la varilla de plástico A frotada con lana ¿Existe atracción o repulsión? ¿Por qué gira la varilla A? -

5.2. ¿Girará la varilla A descargada al acercársele la varilla B cargada? ¿Por qué? 5.3. ¿Qué sucede si se toca la varilla A cargada con la varilla B también cargada? ¿Explique el fenómeno? -

5.4. Responda a las preguntas anteriores si se usa las varillas de plástico A interactuando con la varilla de acrílico C. -

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5.5. ¿Qué sucede cuando toca con la mano la región cargada de la varilla? Explique -

5.5. Describa lo que sucede cuando acerca Ud. el extremo frotado de la varilla de acrílico C al extremo de la varilla de plástico ubicada en la plataforma. 5.6. Explique por qué algunas de las combinaciones barra-tela utilizadas en la práctica producen interacciones más intensas que otras. Idea: use la teoría atómica. -

5.7. ¿Explique por qué el chorro de agua es atraído por la barra cargada?

-

VI.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

6.1 CONCLUSIONES

6.2 SUGERENCIAS a

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EXPERIMENTO 2: INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA. I.

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales 

1.2

Objetivos específicos    

II.

Conocer las diversas formas de electrización

Producir diferentes tipos de carga eléctrica por contacto e inducción electrostática Verificar el fenómeno de inducción electrostática mediante la conexión a tierra Construir un electróforo y usarlo en la obtención de carga por inducción electrostática Utilizar el electroscopio en la detección de cargas por inducción electrostática

MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL Existe un método simple y práctico de cargar un conductor aprovechando el movimiento de los electrones libres en un metal. Como se indica en la Figura1 tenemos dos esferas metálicas sin cargar en contacto. Al acercar a una de las esferas una barra cargada negativamente, los electrones libres de una esfera fluyen de una esfera a la otra. Si la barra está cargada negativamente, repele a los electrones cargados negativamente y la esfera más alejada a la barra adquiere electrones de la otra. La esfera más próxima adquiere carga positiva y la más alejada carga negativa (Fig. 1b). Si las esferas se separan antes de retirar la varilla (Fig. 1c), quedarán con cargas iguales y opuestas (Fig. 1d). Un resultado semejante se obtiene con una barra cargada positivamente, la cual hace que los electrones pasen de la esfera más alejada a la que está más próxima. Este proceso se llama inducción electrostática o carga por inducción.

Figura 1.Carga por inducción. a) E sferas en contacto cerca de una barra cargada positivamente. b) esferas separadas en

 presencia de la vari lla cargada. c) Al quitar la barr a las esferas quedan cargadas con cargas iguales y opuestas

Por otro lado nuestro planeta tierra se constituye en un conductor que para muchos propósitos puede considerarse como un cuerpo cargado negativamente infinitamente grande. Cuándo un conductor se pone en contacto con la tierra se dice está conectado a tierra . Esto se representa esquemáticamente mediante un cable de conducción que termina en unas pequeñas líneas horizontales como se indica en la Figura 2c.

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Figura 2 E lectrización por inducción utilizando conexión a tierr a. (a) E sfera metálica inicialmente descargada; (b)

acercamiento de la barra inductora hacia la esfera para producir la polarización; (c) Conexi ón de la esfera con la tierra mediante un hilo conductor (los electrones viajan a tierra); (d) retiro de la conexión a tierra en  presencia del inductor, (e) Esfera conductora cargada positivamente.

Es posible usar a la tierra para cargar un conductor por inducción electrostática. En la Figura1a se muestra una esfera conductora descargada, en la figura 2b se acerca una barra cargada negativamente a una esfera conductora sin carga. Los electrones son repelidos ubicándose en el extremo derecho de la esfera, dejando el extremo cercano con carga positiva. Si se conecta a tierra la esfera con la barra cargada presente, aquella adquiere una carga opuesta a la de la barra, ya que los electrones se desplazan a través de hilo conductor hacia la tierra como se muestra en la Figura 2c. La conexión a tierra se interrumpe antes de retirar la barra para completar la carga por inducción (Fig. 2d). Retirando entonces la barra, la esfera queda cargada positivamente (Figura 2e).

III.

MATERIALES Y EQUIPOS 2.1. Una lámina de material aislante 2.2. Un electroscopio 2.2. Un tubo pequeño de neón 2.3. Una disco de material conductor, generalmente metálico, con un mango aislante para sostenerlo 2.5. Tela de seda, lana y otros

IV.

METODOLOGÍA a) Frotar fuertemente la parte superior del material aislante con un trozo de piel de conejo o con un trozo de lana, a fin de que la superficie quede cargada negativamente por fricción (figura 03a). Evite el contacto físico de la zona frotada. b) Acerque el disco de aluminio sosteniéndolo por el mango aislante hacia la placa aislante hasta que haga contacto mecánico para que la electrización en la placa circular por inducción sea efectiva como se muestra en la figura 3c c) Sostener con la otra mano, el tubo de neón y ponerlo en contacto con la placa de aluminio (en caso no disponga del tubo de neón, toque con el dedo la parte supero del disco de aluminio). Se notará que el tubo de neón relampaguea instantáneamente debido al flujo de carga eléctrica; ver Figura 03d. d) Separar el tubo de neón o retirar el dedo y posteriormente la placa de aluminio, quedando está cargada  positivamente como se muestra en la Figura 04e. e) Una vez separada la placa de aluminio, conecte con el tubo de neón, ahora nuevamente el tubo de neón relampagueará, indicando que existe nuevamente flujo de carga tal como se muestra en la Figura 03f. f) Repetir el experimento (cuantas veces sea necesaria) para verificar el proceso de inducción.

(a)

(b)

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(c)

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(d)

F igura 3.

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(e)

(f)

E squema de electri zación por inducción

g) Existe otra forma como demostrar que la lámina de aluminio se carga. (i) Colocar la placa metálica sobre la superficie de material aislante previamente frotado con lana, (ii) Coloque por un período de tiempo breve el dedo de una de sus manos en la parte superior de la lámina de aluminio como se muestra en la figura 4a, (iii) Cogiendo del mango aislante retire la lámina del conductor y ahora acérquelo sin tocarlo a la cabeza del electroscopio. ¿Qué observa? (iv) Poner en contacto el metal con la cabeza del electroscopio como se muestra en la figura 4b. ¿Qué le sucede a la ´laminilla del electroscopio?.

(a)

(b)

Fig. 04. (a) C argando el electróforo de Volta (b) M ostrando que la placa metálica está cargada

V.

CUESTIONARIO 5.1. Explique el proceso físico por el cual se carga la placa metálica circular de aluminio. -

5.2. Indique el tipo de carga que se induce en la placa metálica en ambas caras y donde se ubica dicha carga. ¿Qué sucedería si toca Ud. la placa con su mano? Explique -

5.3. Explique por qué relampaguea el tubo de neón al ponerlo en contacto con la superficie de la placa metálica.

-

¿Cómo debe ser la distribución de carga en un conductor aislado puntiagudo? -

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¿Describa el funcionamiento del electróforo de Volta. -

-

-

-

5.8. Utilizando materiales caseros podría construir un electróforo de Volta?. Explique detenidamente. -

-

-

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VI.

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CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1 CONCLUSIONES

1. Se puede producir tipos de carga eléctrica por contacto e inducción electrostática. 2. Se verifica el fenómeno de inducción electrostática mediante la conexión a tierra. 3. Se logra detectar cargas por inducción electrostática con el electroscopio. 6.2. SUGERENCIAS

4. Limpiar los instrumentos para obtener un mejor resultado de observación en los efectos que se producen. 5. Usar el electroscopio para ver si el disco está cargado.

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EXPERIMENTO 3: 1.

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MÁQUINA DE WIMSHURST.

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales 

1.2

Familiarizarse con el manejo de la Máquina de Wimshurst

Objetivos específicos   

II.

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Mostrar experimentalmente las líneas de campo eléctrico. Verificar experimentalmente las diferentes interacciones electrostáticas. Verificar el poder de las puntas

MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL 2.1

Máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883  por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotación (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que se acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

2.2

Descripción de la máquina de Wimshurst

Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas  por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto. En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es inducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa. La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente constante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje máxima que se  puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperios.

2.3

Partes de la máquina de wimshurst 1. 2. 3. 4. 5.

Disco de acrílico con placas de estaño El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje. Barra de electrodos, Éstas se encuentran conectados con las barras de electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas. Botellas de Leyden. Interruptor de aislamiento.

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6.

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Conductor transversal con pinceles de metal. La cara externa de los discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado al eje un conductor transversal, girable, con dos “pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño.

7. 8.

Estribo con escobillas. Para la toma de corriente se emplean dos escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La distancia entre las escobillas y los discos es regulable, y debe ser de algunos milímetros. Palanca de acodamiento para conexión de las botellas de Leyden

(a)

(b)

Figura 1. (a) F otografía de una máquina de Wimshurst, (b) partes de la máquina de Wimshurst.

III.

MATERIALES Y EQUIPOS

 3.1.

E l equipo de electrostática U8491500 consta de: un tablero de destellos, cubierta de electrodos esféricos,

 3.2.  3.3.  3..4.  3.5.  3.6.  3.7

Péndulos de tecnoport Máquina de Wimshurst, modelo U15310. E lectroscopio Barras de acetato, vinilito y vidrio Dos plumeros electrostáticos Cables de conexión

rueda con punta, barra de fricción de plástico, con clavijero de 4 mm, soporte de depósito, rodamiento de agujas con clavija de conexión, soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de saúco, clavija de conexión en  pantalla de seda en varilla, trozos de médula de saúco, tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con electrodos de punta, pie de soporte, varilla de soporte aislada, con manguitos de soporte y de conexión y juego de campanas.

Figura 2. E quipo de electrostática U8491500.

IV.

METODOLOGÍA 4.1.

ADVERTENCIAS DE SEGURIDAD   

Descargar las piezas de experimentación antes de tocarlas, Descargar el generador electrostático antes de tocarlo Realizar los experimentos solamente con fuentes de alta tensión que tengan una corriente de cortocircuito ≤ 15 μA

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4.2.

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OPERACIÓN DE LOS EQUIPOS     

4.3.

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Los equipos permiten buenos resultados experimentales, solamente si éstos se realizan bajo condiciones de limpieza y ausencia de humedad Descargar las piezas de experimentación antes de cada prueba Se aconseja utilizar una ventilador si existen condiciones climáticas de humedad Encajar las piezas de experimentación sobre el soporte y conectarlas mediante las cadenas de experimentación al generador electrostático. Tener cuenta las advertencias de seguridad.

EXPERIMENTOS A REALIZAR

Experimento 01.

Líneas de campo eléctrico

a) Con un cable de conexión conectar un electrodo de la máquina de Wimshurst al soporte metálico del plumero como se muestra en la figura 3a. b) Haga girar el manubrio de la máquina de Wimshurst hasta notar que los hilos del plumero se carguen observándose que estos se repelen formando la configuración mostrada en la figura 3b c) Coloque dos plumeros a una distancia de 15 cm y conéctelos mediante cables de conexión a los dos electrodos de la máquina de Wimshurst. Proceda a cargar los plumeros haciendo girar la máquina de Wimshurst. Notará que los hilos electrizados se atraen tal como se muestra en la figura 03c. d) Coloque dos plumeros a una distancia de 15 cm y conecte mediante alambres a un mismo electrodo de la máquina de Wimshurst. Proceda a cargar los plumeros haciendo girar la máquina de Wimshurst. Notará que los hilos electrizados se atraen tal como se muestra en la figura 3c.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 3. I magen tridimensional de las líneas de campo eléctrico de cuerpos cargados.

Experimento 02.

Descarga de punta

a. Colocar la rueda de puntas (3) sobre el rodamiento de agujas (6) y el conjunto insertarlo en el soporte. b. Coloque los electrodos de la máquina de wimshurst en posición vertical, c. Conecte uno de los electrodo de la máquina de wimshurst con la rueda de puntas como se muestra en la figura4

Figura 4. Rueda de puntas i nstalada a la Máquina de Wimshurst

d. Haga girar el manubrio de máquina de wimshurst. ¿Qué le sucede a la rueda de puntas?. Registre sus observaciones

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e. Aumente la velocidad de giro del manubrio. ¿Qué le sucede a la rueda de puntas?. Registre sus observaciones f. Ahora deje de girar el manubrio de la máquina de wimshurst. ¿Qué observa? g. Descargue la máquina de wimshurst uniendo los extremos de sus electrodos Experimento 03.

Péndulo doble

a. Instalar el soporte con gancho en el soporte. b. Colgar del soporte con gancho (7) un péndulo doble de cuerpos de médula de sauco como se muestra en la figura 5 c. Con la cadena conectar el soporte con gancho a uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst. d. Poner en funcionamiento la máquina de wimshurst para transferir carga al péndulo doble. Registre lo observado

Figura 5. Péndulo doble instalado a la Máquina de Wimshurst

Experimento 04.

Clavija de conexión en pantalla de seda

a. Colocar la clavija de conexión en pantalla de seda (8) sobre el soporte b. Con la cadena conectar la clavija a uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura 6, c. Poner en funcionamiento la máquina de wimshurst para transferir carga a la clavija de conexión en pantalla de seda. ¿Qué observa? Registre lo observado

Figura 6. Clavija de conexión en pantalla de seda instalada a la Máquina de Wimshurst 

Experimento 05.

Juego de campanas

a. Coloca el juego de campanas (16) sobre el soporte aislante,  b. Con las cadenas conectar el juego de campanas a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura como se muestra en la figura 7, c. Haga girar lentamente el manubrio de la máquina de wimshurst hasta que los badajos golpeen las campanas, d. ¡Observación! Una carga demasiado alta produce una descarga entre los soporte

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Figura 7. Juego de campanas instalada a la Máquina de Wimshurst 

Experimento 06.

Tablero de destellos

a. Colocar el tablero de destellos (1) en el soporte aislante, b. Con las cadenas conectar el tablero de destellos a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura como se muestra en la figura 8, c. Haga girar el manubrio de la máquina de wimshurst aumentando progresivamente el volumen de carga suministrada, d. Si existe una tensión lo suficientemente alta, se producen cargas de destellos a través de los espacios libres del tablero.

Figura 8. Tablero de destellos instalado a la Máquina de Wimshurst 

Experimento 07. a. b. c. d. e. f.

Danza eléctrica.

Colocar el tablero de base (10) sobre el soporte Colocar sobre el tablero un conjunto de bolitas de médula de sauco (de 5 a 8 unidades) Poner encima la cubierta con electrodos esféricos invertida, Con las cadenas conectar el equipo a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura como se muestra en la figura 9, Poner en funcionamiento la máquina de wimshurst y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, hasta que los trozos de médula de sauco empiecen a bailar. Interrumpir el suministro de carga y observar el proceso

Figura 9. E quipo utilizada para verifi car la danza eléctri ca

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Experimento 08.

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Aparato fumívoro.

a. Colocar el tablero de base (10) sobre el soporte  b. Invertir sobre éste la cubierta con electrodos de punta, c. Con las cadenas conectar el equipo a cada uno de los electrodos verticales de la máquina de wimshurst como se muestra en la figura como se muestra en la figura 10,

Figura 9. E quipo utili zada para verifi car el poder de las puntas

d. Hacer penetrar en el interior de la cubierta el humo de un cigarrillo o de una vela de humo, e. Poner en funcionamiento la máquina de wimshurst y aumentar lentamente la cantidad de carga suminis trada, hasta que el humo se asiente en el fondo f. Repetir el proceso g. Los electrodos de punta cargan las partículas de humo, estas chocan entre sí y caen sobre el tablero de base que tiene la misma carga.

Experimento 09.

Carril de rodamiento con bolas

a. Colocar sobre el soporte la placa de base (10) y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que los distanciadores de carril de rodamientos con bolas no caigan hacia un lado  b. Colocar la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre el contacto con el canto del electrodo esférico superior, c. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente carga, hasta que la esfera sea repelida y empiece a moverse. Un suministro de carga demasiado alto conduce solamente a descargas eléctricas d. La esfera se carga de manera diferente, y a través de este esfuerzo dinámico resultante se produce un movimiento motriz, en el cual la esfera se carga y se descarga continuamente, e. En el caso de que la esfera gire tan solo sobre su eje, es necesario darle un pequeño empuje.

Figura 9. E quipo utili zada para verifi car la rodadura de bolas

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V.

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CUESTIONARIO Experimento 01. Líneas de campo eléctrico 5.1. ¿Por qué toman la forma que Ud. ve los hilos del plumero al ser conectada a los electrodos en cada uno de los casos de la figura 3? .Explique. -

Porque los hilos toman la forma de las líneas de campo eléctrico.

5.2. ¿Qué relación cree Ud. que guarda el ángulo de abertura de los hilos de seda de los plumeros con la cantidad de electricidad? -

Una relación directa, a mayor electricidad mayor será la abertura que estos tendrán.

5.3. Describa el funcionamiento de la Máquina de Wimshurst. -

Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo de cobre, sostenidos en los extremos de un arco metálico. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan do s excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa.

Experimento 02. 5.4.

¿Qué le sucede a rueda con puntas cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst?. Explique. -

5.5.

Empieza a girar, ya que la mayor cantidad de carga se trasladan hacia las puntas de la rueda, y  generan fuerzas electrostáticas entre estas puntas. Produciendo un giro.

¿Qué le sucede a rueda con puntas cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst?. Explique. -

5.6.

Descarga de punta

Comienzan a girar mucho más rápido, ya que les estamos dando mayor carga a las puntas y estas  generan una mayor fuerza electrostática entre ellas.

¿Explique el poder de las puntas? -

Cuando un material queda cargado, la mayor parte de cargas se van hacia las puntas, ahí podemos observar mejor los fenómenos, como un para rayos por ejemplo.

Experimento 03.

Péndulo doble

5.7. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst?. Explique. -

Las 2 bolitas se cargan con el mismo signo lo cual hace que se separen produciéndose una especie de levitación. 19

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5.8. ¿Qué le sucede al péndulo doble cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. -

Se nota una mayor separación entre las bolitas, distanciándose lo máximo posible, queriendo formar un ángulo llano entre ellas.

5.9. ¿El péndulo doble es un electroscopio simple? -

Se podría decir que sí ya que este péndulo presencia cargas y hace un efecto parecido al del electroscopio. Pero no tan eficaz por eso sería algo simple.

Experimento 04.

Clavija de conexión en pantalla de seda

5.10. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda del plumero cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst?. Explique. -

Comienzan a levitar, poco a poco tomando forma de las líneas de campo eléctrico.

5.11. ¿Qué le sucede a cada uno de los papeles de seda cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

Van levantándose con mayor intensidad, tomando aún más forma de las líneas de campo eléctrico.

5.12. ¿La clavija de conexión en pantalla de seda puede considerarse como un electroscopio simple? -

Sí, ya que estas detectan carga eléctrica, pero de manera muy deficiente ya que se necesita un poco más de carga para detectar un mínimo levantamiento de estos papeles.

Experimento 05.

Juego de campanas

5.13. ¿Qué le sucede a cada uno de los badajos de las campanas cuando se le suministra carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

Los badajos se cargan y adquieren movimiento, estos impactan con la parte metálica de los platillos,  generando un proceso de repetición en estas. Y un sonido de campanas.

5.14. ¿Qué le sucede a cada uno de los badajos de las campanas cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst?. Explique. -

5.15. -

Como es una especie de oscilación la de estos badajos, al suministrar mayor cantidad de carga, estos oscilan más rápido generando mayor cantidad de sonidos a mayor cantidad de impacto. ¿Durante el contacto de los badajos con las campanas con estos se cargan o descargan?

Estando cargadas, por la máquina de Wimshurst, se descargan al contacto con las campanas.

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Experimento 06.

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Tablero de destellos

5.16. ¿Qué le sucede al tablero de destellos cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst? Explique. -

Se producen descargar y destellos, observados en el tablero.

5.17. ¿Qué le al tablero de destellos cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de wimshurst? Explique. 5.18. -

Los destellos se generan más frecuentemente. Y de manera constante. ¿Para qué utilizaría este experimento en la electrónica?

Ayudar a controlar el exceso de carga sobre un determinado tiempo.

Experimento 07.

Danza eléctrica.

5.19. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco cuando se le suministra carga con la máquina de wimshurst?. Explique. -

Empiezan a repelerse de la plataforma por poseer la misma carga.

5.20. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

El rebote es más intenso, generando una especie de torre entre ellas llegando a conectar la superficie inferior con la superior.

5.21. ¿Qué le sucede a cada uno de los trozos de médula de sauco cuando se deja de hacer funcionar la máquina de Wimshurst? -

Se desprenden de la torre formada anteriormente, desplomándose a la parte inferior por la fuerza de gravedad.

Experimento 08.

Aparato fumívoro.

5.22. ¿Qué le sucede humo cuando se le suministra carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

El humo va desapareciendo lentamente, formando una especie de remolino en el centro, de abajo hacia arriba.

5.23. ¿Qué le Qué le sucede al humo cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

Desaparece de manera rápida, de abajo hacia arriba, en la parte central.

5.24. ¿Cómo explica el poder de las puntas en este experimento? -

En este experimento existe una punta y se encuentra cargado eléctricamente al centro entonces esta se distribuye por toda la superficie y como la densidad de carga es carga sobre volumen, entonces vamos a tener que en las partes con menor volumen se tendrá mayor densidad de carga.

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Experimento 09.

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Carril de rodamiento con bolas

5.25. ¿Qué le sucede a la esfera de vidrio cuando se le suministra carga con la máquina de Wimshurst? Explique. -

La esfera se comienza a mover por la fuerza electrostática de repulsión.

5.26. ¿Qué le sucede a la esfera de vidrio cuando se le suministra mayor cantidad de carga con la máquina de Wimshurst?. Explique. -

La esfera Conduce a descargas eléctricas.

5.27. ¿Cómo explica electrostáticamente este experimento? -

VI.

La esfera se carga de manera diferente y a través de este esfuerzo dinámico resultante se produce un movimiento motriz, en el cual la esfera se carga y descarga continuamente.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1.

CONCLUSIONES

1. La máquina de wimshurst genera cargas eléctricas mediante el giro de estas. 2. Las puntas de un objeto, cuerpo poseen mayor cantidad de cargas distribuidas que el resto. 3. A mayor giro en la máquina de wimshurst se genera más carga eléctrica. 4. La máquina de wimshurst pude cargar positivamente o negativamente a un objeto dependiendo de la conveniencia de uno. 6.2.

SUGERENCIAS

5. Descargar la máquina de wimshurst cada vez que la utilicemos. 6. Manipular con sumo cuidado la máquina de wimshurst.

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EXPERIMENTO 4: EL GENERADOR DE VAN DE GRAAFF I.

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales 

1.2

Objetivos específicos    

II.

Comprender el funcionamiento del Generador de Van de Graaff

Observar y analizar la presencia de cargas haciendo uso del Generador de Van de Graaff Mostrar experimentalmente la atracción y repulsión electrostática Mostrar experimentalmente la descarga corona Verificar el poder de las puntas

MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL El generador de Van de Graaff  es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los cinco mega voltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización  de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear . En 1929 Robert J. Van de Graff aplicó este principio para diseñar y construir un generador electrostático tal como se muestra en la Figura 1a. La idea básica del generador se describe en la Figura 1c. Se entrega continuamente carga a un electrodo de alto voltaje sobre una banda móvil de material aislante. El conductor de alto voltaje es un conductor hueco montado sobre una columna aislante. La banda recoge carga por medio de una descarga corona entre el peine ionizado de agujas metálicas y una rejilla conectada a tierra en la base del generador. Las agujas normalmente se mantienen a un potencial positivo de 10 4 voltios. La carga positiva se transfiere al electrodo de alto voltaje por medio de un segundo peine colector de agujas que se encuentra en la parte superior del generador. Como el campo eléctrico en el interior del conductor hueco es despreciable, la carga positiva de la banda se transfiere con facilidad hacia el electrodo de alto voltaje, sin importar su potencial. En la práctica, es posible incrementar su potencial del electrodo de alto voltaje hasta que se presenta una descarga eléctrica a través del aire. Dato que la tensión de ruptura dieléctrica del aire es del orden de 3.10 6 V/m, una esfera de 1 m de radio puede alcanzar hasta un potencial de 3.10 6 V. Puede aumentarse aún más el potencial aumentando el radio del casco del generador. Los generadores Van de Graaff pueden producir diferencias de potencial tan altas como 20 millones de voltios. Los protones acelerados a través de diferencias de potencial de este orden reciben energía suficiente como para iniciar reacciones nucleares entre ellos y diversos núcleos que sirven de blanco.

(a)

(b)

(c)

(d)

Figura 1. Diagrama esquemático de un generador de Van de Graff. (a) Generador Van de Graff, (b) B ase del Generador,

(c) Mitad inferior del Generador, (d) Partes del generador

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III.

MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. Un generador Van de Graff 3.2. Una esfera de descarga grande y otra pequeña 3.3. Un plumero electrostático 3.4. Un electroscopio 3.5. Cables de conexión 3.6. Un electrodo puntual de cobre 3.7. Un péndulo simple 3.8. Una vela de cera 3.9. Un soporte aislante

IV.

METODOLOGÍA

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a) Antes de la operación limpie con un paño o franela limpia, el domo esférico del generador, las ruedas, la correa y el tubo de poliglás . b) Ajuste el colector para que se acerque al máximo a la correa, sin tocarla. c) Conecte el colector con la bola de la descarga eléctrica. d) Conecte el interruptor de fuente eléctrica del motor para iniciar su funcionamiento. e) Para aumentar la eficiencia del generador conéctelo hacia tierra utilizando un cable conductor. f) En aquellos lugares donde no existe corriente eléctrica y la humedad relativa es menor al 80%, recurra a la operación manual, es decir hacer girar la manivela en el sentido del reloj. g) Cuando comienza a funcionar el generador, no debe tocar con las manos el domo esférico metálico del generador ni las partes metálicas expuestas. Cuando deje de usar el generador, use la esfera de descarga y haga contacto varias veces con el domo esférico del generador para que se descarguen la electricidad remanente, h) Proceda a realizar las siguientes experiencias 4.1. Electrización por contacto.     

Acerque lentamente la bola de descarga al domo esférico del generador de Van de Graaff hasta hacer contacto mecánico directo, como se muestra en la figura 2a. Toque la esfera de descarga con el generador y manténgala en contacto por un período de tiempo corto hasta extraer un poco de carga Separe la espera de descarga de generador y ahora acérquelo hacia el electroscopio sin tocarlo como se muestra en la figura 2b. ¿Qué le sucede al electroscopio? Toque la cabeza del electroscopio con la esfera de descarga tal como se muestra en la Fig. 2b. Registre sus observaciones

(a)

(b)

Figura 2. Transferencia de carga del acelerador hacia el electroscopio: (a) Contacto de la esfera de prueba con el

acelerador, (b) transferencia de carga al electrodo central del electroscopio

4.2. Arco disruptivo   

Coloque sobre la mesa a la bola de prueba y al Generador Van de Graaff como se muestra en la figura 3a. Desconecte de tierra al generador y en su lugar dicha terminal de puesta a tierra conecte la terminal con la esfera de prueba como se muestra en la figura 3b, Encienda el generador y espere unos minutos hasta que éste se cargue.

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  

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Cogiendo la parte aislante de la esfera de prueba, a cerque lentamente y con cuidado ésta hacia el domo esférico del Generador. Dependiendo de las condiciones de humedad Ud. debería observar una gran descarga de color azul brillante (rayo)) cuando acerca la esfera de prueba al Generador. Cuando se  produce la chispa también debe oír un crujido fuerte. Esto demuestra una descarga eléctrica de un rayo que va acompañado de un destello brillante y el sonido fuerte. Remplace la esfera de prueba por otra de mayor diámetro y repita el paso anterior. Registre sus observaciones Compare lo observado con lo que muestra la figura 3c. Una vez terminado ésta parte del experimento apague el generador y proceda a descargarlo poniendo en contacto la esfera de prueba con la del Generador.

(a)

(b)

F igur a 3

(c)

(a) I nstalación del equipo para visualizar la descarga corona; (b) descarga corona

4.3. Campo eléctrico de un conductor cargado.     

 

Conecte nuevamente el generador a tierra y a la ves éste a la red eléctrica y póngalo en funcionamiento Coja la base aislante del plumero electrostático. Acerque el plumero a la cabeza del Generador, como se muestra en a Figura 4a. ¿Qué ocurre? Describa detalladamente Desplace el plumero siguiendo trayectorias paralelas al ecuador o meridiano como se muestra en la figura 3a. ¿Qué observa? Para demostrar la simetría radial del campo eléctrico, tome un solo hilo del plumero y desplácelo alrededor del casco siguiendo circuitos paralelos al ecuador o meridiano como se muestra en la Figura 4b, pero sin intentar disminuir la distancia al casco, el hilo se mantiene a una distancia constante. Registre sus observaciones. Acerque la esfera del péndulo eléctrico hacia el generador como se muestra en la figura 4c y observe la interacción entre ambos. Repita este paso para diferentes posiciones de la esfera

(a)

(b)

Diagrama para mostrar la simetrí a del campo eléctri co. 4.4. Campo eléctrico de un conductor cargado. Figura 4.

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(c)

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





  

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Con el generador de Van de Graaff apagado y previamente descargado, coloque en el piso una placa de tecnoport, sobre ésta coloque una placa de madera seca forrada en la parte superior con cualquier plástico grueso y haga pararse a un compañero suyo sobre ella, haciendo que coloque sus manos sobre el domo esférico del Generador. Encienda el motor del generador, luego de cierto tiempo los cabellos del alumno se levantarán como se muestra en la Figura 5a. Dependiendo de la humedad en el ambiente del laboratorio y en el generador,  podría tomar de dos a cinco minutos antes de que su pelo comienza a erizarse. Anotar lo que sucede y tomo una fotografía para su informe. (Los cabellos del alumno deben estar recién lavados y secos). Apagar el generador, luego el alumno debe retirar sus manos del Generador y dejar pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se descargó, entonces hágalo bajar de la tabla. Importante. Haga esta experiencia con cuidado y calma.

Figura 5. 

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(a) La alumna ha sido cargada a un potencial muy elevado por contacto con un generador de Van de

Graaff. (b) L a profesora y su hija cogen el generador 

Acerque la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo Deje pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se ha descargado, entonces recién hágalo bajar de la tabla. ¡ Proceda con cuidado y con calma!  Acerque la lámpara de neón al cuerpo del alumno sin tocarlo Deje pasar cierto tiempo hasta que el cabello baje indicando que ya se ha descargado, entonces recién hágalo bajar de la tabla. ¡ Proceda con cuidado y con calma! 

4.5. Viento iónico Su generador de Van de Graaff puede crear un viento eléctrico que es lo suficientemente potente como para desviar la llama de una vela y hacer girar las hélices de un molino de viento de juguete. Para crear el viento eléctrico siga el siguiente procedimiento. 

Manteniendo el generador de Van de Graaff apagado, instale un electrodo puntiagudo como se muestra en la figura 6a.

I nstalación del equipo para observar el viento eléctrico usando el generador de Van de Graff Encienda el generador y espere unos minutos hasta que se cargue.

Figura 6. 

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Acerque la palma de la mano hacia la punta del electrodo sin tocarlo. ¿Qué sensación experimenta? Describa detalladamente lo experimentado Ahora encienda una vela y observe la ubicación de la flama de ésta. Acerque lentamente la vela encendida en la cercanía del objeto aguzado sin tocarlo. ¿Qué observa? Describa lo observado Usando un cable de conexión conecte el electrodo aguzado a uno de los electrodos de la máquina de Wimshurst como se muestra en la figura 7. ¿Se podría observar también el viento eléctrico?



Figura 7.

I nstalación del equipo para observar el viento eléctrico usando la máquina de Wimshurst

El viento iónico también puede observarse mediante el siguiente experimento 

Coloque la aguja del rodamiento en la parte superior del domo del generador Vann de Graaff como se muestra en la figura 8

Figura 8.   

4.6.

I nstalación del equipo para observar el poder de las puntas

Sobre un soporte de aislamiento debe subir un alumno y colocar una de sus manos cerca a la punta sin tocarla como se muestra en la figura. Ponga en funcionamiento el generador Van de Graaff y espere que se cargue cierto tiempo Ahora de la mano a uno de sus compañeros. ¡Qué experimenta?

Péndulo eléctrico    

Con el generador de Van de Graaff apagado, instale el péndulo como se muestra en la figura 9. Encienda el generador y espere unos minutos hasta que se cargue. Acerque lentamente el soporte universal con el péndulo el Generador de Van de Graaff Debido a la cantidad de carga positiva que se acumula en el exterior de la cabeza del generador, la esfera del péndulo será atraída hacia el generador. Una vez en contacto parte de la carga positiva del generador se transfiere a la esfera del péndulo, quedando ésta última cargada positivamente y ahora se  produce una repulsión eléctrica, repulsión que fuerza a la esfera pendular a ubicarse lo más lejos posible,  produciéndose las oscilaciones pendulares.

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Figura 9.

4.7.

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I nstalación del generador V an de graaff para observar el péndulo eléctrico

Líneas de campo eléctrico    

Con el generador de Van de Graaff apagado, y usando cables de conexión conecte el Generador con la  bola de prueba pequeña provista de su mango plástico como se muestra en la figura 10a. Por separado en un depósito de vidrio vacíe un poco de aceite y sobre éste espolvoree sobre el aceite los trozos de anís filtrante Coja de la parte aislante la bola de prueba y encienda el generador Sumerja parte de la bola de prueba en el aceite. ¿Qué le sucede a las partículas de anís? Describa cualitativamente su comportamiento

Figura 10.

(a) (b) (c) Equipo necesario para mostrar las líneas de fuerza: (a) Generador Van de Graaff, (b) Bola de prueba y (c) aceite

Precauciones a)  b) c) d) e)

Utilice el Generador bajo la supervisión de su profesor. Este Generador no es un juguete Conecte el generador a una conexión estándar con conexión a tierra (3 clavijas) y salida de 220 V  No haga funcionar al generador en un lugar húmedo o mojado. Verifique si existen cables sueltos o defectuosos. Si ocurre lo último remplace dichos cables Desconecte el generador antes de realizar ajustes o mantenimiento. Nunca retire la placa de cubierta de la base cuando el Generador esté enchufado a la red eléctrica. Existe un riesgo de descarga ele´ctrica  peligrosa. f) La descarga eléctrica que recibe de contacto normal con el generador no es perjudicial, aunque puede ser incómodo, sorprendente, y en ocasiones incluso doloroso. El choque estático que se obtiene de este generador es similar, aunque mucho más fuerte que, el que usted podría obtener de tocar la manija de una puerta de metal después de caminar sobre una alfombra en un día seco. g) Usted puede obtener una pequeña descarga estática cuando se desenchufa el cable de corriente. Para evitar esto, toque varias veces la esfera de descara con la cúpula del generador hasta que se disipa la electricidad estática. A continuación, desenchufe el cable.

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V.

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CUESTIONARIO 5.1 Explique lo que sucede cuando la bola de prueba se le acerca (aleja) del electrodo central. ¿Qué sucede cuando la bola de prueba es puesta en contacto con el electrodo central del electroscopio? -

Las láminas de electrodos se repelen entre ellas.

5.2. Al acercar el plumero electrostático al generador de Van de Graaff. ¿Qué sucede con los hilos de seda? Explique. -

Se alejan del generador de Van de Graaff tomando la forma de las Líneas de campo eléctrico.

5.3. ¿Qué tipo de simetría tiene el campo eléctrico producido por el casco del generador? Explique -

Posee una simetría radial, que sale del centro. De la cáscara esférica.

Explique físicamente la descarga eléctrica del acápite 4.2 -

Como se pudo percibir en el experimento aparecen descargas eléctricas fáciles de ser percibidas por la vista, y las descargas aparecen constantemente con un lapso de tiempo casi insignificante.

5.9. Describa y explique la generación del viento eléctrico -

Existe una liberación de iones, electrones para ser más específicos. Se puede percibir mejor con la ayuda de una punta, ya que ahí se concentraría la mayor cantidad de carga del generador de Van de Graaff

5.10. ¿Cuál es la dirección de la fuerza sobre la esfera del péndulo eléctrico?. Explique -

La fuerza que el generador produce sobre la esfera de péndulo es hacia adentro, atrayendo hacia al generador.

5.5 ¿Por qué los cabellos del alumno se levantan? -

Porque el generador de Van de Graaff carga a todo el cuerpo, por lo tanto carga a los cabellos, y estos cargándose del mismo signo se separan, y se tratan de distanciar, tomando forma de las líneas de campo eléctrico.

5.11. ¿Qué importancia tiene que el alumno que coge el Generador se encuentre aislado? -

La importancia es vital ya que si el alumno posee contacto con tierra, sufriría una descarga eléctrica.

5.12. Cuando Ud. acerca el tubo de neón al alumno ¿Qué observó? Explique su respuesta. -

Este se enciende, y es más radiante a medida que este esté más cerca de él. Se enciende puesto que el alumno está cargado, y el tubo de neon se enciende cuando se le acerca a un objeto con carga.

5.13. El radio del casco esférico del Generador Van de Graff es de 20 cm, determine. ¿Cuánta carga puede producir sin provocar la ruptura eléctrica en el aire? -

Para nuestro caso:  = 3000000  /  y  = 0.2 Reemplazando tenemos: E=3000000   = 1 4 ([0.2] 2) 29

 Manual de Prácticas de Laboratori o de F ísica I I I

-

KI T PARA E LE CTROST TI CA

Optaciano Vásquez García 2017

 = [3000000] × [4] × [[0.2] 2]  = 13.333

5.14. El electrodo conductor esférico de un generador Van de Graaff está cargado hasta un potencial de 0,18.10 6 V. Halle el radio mínimo que debe tener el cascarón esférico para que no ocurra la ruptura dieléctrica del aire. -

El radio mínimo que debe tener el cascaron es de: 0.06 m

5.15. Explique el poder de las puntas y por qué no debemos colocarnos bajo un árbol grande si estamos en medio de una tormenta eléctrica. Para esto leer sobre los experimentos de Benjamín Franklin -

Porque este actúan como un pararrayos. Y pues los pararrayos conducen la corriente eléctrica a tierra y nosotros no encontraríamos ahí

5.16. Describa detalladamente el funcionamiento del péndulo eléctrico -

Cuando los conductores metálicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire.

-

Las puntas cargadas positivamente producen viento eléctrico positivo. Las puntas cargadas negativamente producen viento eléctrico negativo.

-

En la figura por medio de uso de generadores electrostáticos tales como el generador de Whimsurt o generador de Van de Graaff se puede observar descargas eléctricas, a través del aire, entre las esferas cargadas eléctricamente con distintos signos en ichos generadores.

5.17. ¿Obtuvo las líneas de campo eléctrico usando el generador, el aceite y las partículas de anís? Qué forma tenían éstas -

5.18. -

VI.

Sí estás como poseían un peso mínimo se formaron en el aceite alrededor de la carga que le aplicamos, formando, una especie de líneas de campo eléctrico. Explique porqué el cuerpo humano es un buen conductor

Porque nuestro cuerpo está formado por un 70% de agua ionizada, un muy buen conductor de electricidad. Todos los tejidos de nuestro cuerpo reaccionan cuando hay una descarga en nuestro organismo y los efectos de esta dependen de su intensidad.

CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1.

CONCLUSIONES

a. b. c. 6.2.

Que el cuerpo humano puede cargarse por el generador de Van de Graaff Podemos transmitir carga por contacto a otros de nuestros compañeros. La punta de cabellos, y todo objeto trata de tomar la forma de campo eléctrico.

SUGERENCIAS

a)  b)

Manipular correctamente el generador de Van de Graaff para no sufrir descargas eléctricas, estando bien aislados. Se debe descargar el caso del generador de Van de Graaff constantemente. 30

 Manual de Prácticas de Laboratori o de F ísica I I I

EXPERIMENTO 5: I:

Optaciano Vásquez García 2017

LA JAULA DE FARADAY

OBJETIVOS 1.1

Objetivos generales 

1.2

Familiarizarse con el funcionamiento de la Jaula de Faraday

Objetivos específicos   

II.

KI T PARA E LE CTROST TI CA

Mostrar el blindaje electrostático usando la Jaula de Faraday Verificar que la carga en un conductor cargado reside en la superficie. Internalizar en el estudiante la importancia de los fenómenos electrostáticos

MARCO TEORICO Y CONCEPTUAL Se conoce como  jaula de Faraday el efecto por el cual el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio es nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético  externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a cero Cuando se coloca una carga neta en un conductor, la carga se distribuye sobre la superficie de manera que el campo eléctrico en el interior es cero. Para mostrar lo mencionado puede realizarse el siguiente experimento. Introduzca. Una pequeña bola metálica cargada positivamente, la cual cuelga de un hilo de seda dentro de un conductor hueco sin carga a través de un pequeño orificio como se ve en la Fig.1a,. El conductor hueco está aislado de la tierra. La bola cargada induce una carga negativa en la pared interna del conductor, dejando una carga igual  pero positiva en la superficie exterior (Fig. 1b). La presencia de las cargas positivas en la pared exterior se indican  por la deflexión del electrómetro. La deflexión del electrómetro no cambia cuando la bola toca la superficie interior del conductor hueco (Fig. 1c). Cuando la bola se extrae la lectura del electrómetro no cambia y la bola se encuentra descargada (Fig.1d). Esto muestra que la carga transferida al conductor hueco se encuentra sobre la superficie exterior. Si ahora se introduce una pequeña bola metálica cargada en el centro del conductor hueco cargado, la bola metálica no será atraída por el conductor hueco. Finalmente si la bola pequeña cargada se coloca fuera de la superficie exterior del cascarón, la bola será repelida por el conductor indicando que el campo fuera del conductor hueco es diferente de cero. A este experimento se denomina blindaje electrostático.

F igura 1.

Demostración experimental que muestra que cualquier carga transferi da a un conductor reside en su  superficie en equilibrio electrostático.

En nuestro experimento para demostrar lo antes mencionado se utilizará la Jaula e Faraday

III.

MATERIALES Y EQUIPOS

IV.

3.1. Dos plumeros electrostáticos. 3.2. Una jaula de Faraday 3.3. Una base con soporte para colocar la jaula de Faraday 3.4. Una máquina de Wimshurst o un generador Van de Graaff 3.5. Un electroscopio 3.6. Cables de conexión METODOLOGÍA

31

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a. b) c) g) h) i)  j)

Optaciano Vásquez García 2017

Instale el equipo como se muestra en la Fig.2 . Con un alambre de conexión de cobre conecte la jaula de Faraday con un electrodo de la máquina de Wimshurst. Haga girar la manivela para producir carga eléctrica en la jaula Observe lo que le sucede a los plumeros exterior e interior a la jaula. Anote sus observaciones. Remplace la máquina de Wimshurst por el Generador de Van de Graaff y con un alambre conductor conecte la cabeza del acelerador con la Jaula de Faraday. Haga funcionar el acelerador y observe lo que sucede con el plumero. Desconecte el acelerador de la jaula, el plumero exterior retírelo de su lugar.

F igura. 2.

k) l)

KI T PARA E LE CTROST TI CA

I nstalación del equipo para mostrar el blindaje electrostático

Acerque la jaula hacia el acelerador a una distancia pequeña como se muestra en la Fig. 3. Encienda el acelerador y observe la descarga corona que aparece.

F igura 3. E l generador de Van de Graaff produce descargas espectaculares sobre la jaula de alambre conectada a tierra.

m) Con el alambre en forma de malla construya el dispositivo mostrado en la figura 4a.

F igur a 4. (a) versión sencilla de la jaula de Faraday, ( b) R adio portátil en el interior de una jaula de Faraday.

n)

V.

Tome una radio pequeña y enciéndalo sintonizando una determinada emisora. Ahora inserte dicha radio en el interior de la malla cilíndrica como se muestra en la figura 4b. ¿Qué observa?

CUESTIONARIO

32

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KI T PARA E LE CTROST TI CA

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5.1. Explique lo que le sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday está conectado con la máquina de Wimshurst en funcionamiento. -

Los hilos que se encuentran en la parte exterior son atraídos, mientras que los de la parte interior, no se mueven porque existe una interrupción de carga.

5.2. Explique lo que le sucede a los plumeros cuando la jaula de Faraday está conectado con el generador Van de Graaff. -

El plumero exterior reacciona con un movimiento radical sobre su eje lo que es generador por el campo inducido del generador de Van de Graaff. Al plumero que está en el interior de la jaula de Faraday, no le pasa nada, ya que no hay contacto eléctrico, lo que es llamado blindaje electrostático.

5.3. Según sus observaciones ¿existe campo eléctrico en el interior de la jaula? ¿Existe campo eléctrico en el exterior de la jaula de Faraday? Justifique sus respuestas. -

Es casi nulo, se podría decir que no existe campo eléctrico en el interior de la jaula. Mientras que la parte eléctrica existe una especie de atracción lo cual indica que sí hay campo eléctrico.

5.4. ¿En dónde reside la carga en la Jaula de Faraday? -

En la superficie de la jaula. Porque en la interior es casi nula.

5.5. Remplaza el plumero exterior por un electrómetro ¿Qué observaciones obtiene) 5.6. - Observamos que indica una intensidad de medida que nos demuestra la medida -

del campo que

atraviesa la Jaula de Faraday. Se obtiene los mismos resultados ya que la carga es en el exterior pero si lo ponemos al interior no sucede nada.

5.6. Explique el comportamiento del péndulo eléctrico en el interior de la jaula mostrado en la figura, cuando se acerca al generador de Van de Graaff mostrado en la figura 01. Y lo que ocurre en la figura 02

5.7. Explique porqué la radio portátil en el interior de la jaula de Faraday no funciona correctamente -

Porque la jaula en su interior bloquea la frecuencia que las emisoras emiten.

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