GENERACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS

GENERACIÓN DE CARGAS ELECTROSTÁTICAS MEDIANTE MAQUINAS SIMPLES OBSERVACIÓN Y MEDICIÓN DEL COMPORTAMIENTO DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS

Objetivo: Aprender A Usar Aparatos Científicos Para La Generación De Cargas Eléctricas Al estudiante le facultara para calculara fuerzas de interacción entre las cargas, así como comprender el concepto de campo eléctrico y sus propiedades

Introducción: Los generadores electroestáticos son maquinas que nos sirven para comprobar que se puede generar electricidad a través de diferente métodos. Los primeros generadores de energía son los siguientes:

La máquina de Wimshurst, fue inventada por James Wimshurst en Inglaterra, y fue descrita por primera vez en 1883. Estructuras similares, no sectoriales, (sin láminas metálicas adheridas) fueron descritas previamente por Holtz y Poggendorff en Alemania, alrededor de 1869 y por Musaeus en 1872. Una máquina sectorizada descrita por Holtz en 1876, se hizo muy popular por su funcionamiento fiable y su construcción simple, aunque su eficacia era relativamente pobre.

La máquina electrostática conocida como generador de Van de Graaff, fue inventada por Robert J. Van de Graaff en 1929, con el objeto de generar voltajes elevados para experimentación en Física Nuclear. La idea base de la máquina, puede ser datada alrededor de 1800, e incluso antes, concretamente la máquina de Righi. Fue inventada con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El generador del Van de Graaff es un generador de corriente constante,

Correlación con temas y subtemas del programa de estudio vigente: Unidad

Tema

Subtema o o

1

Electrostática

introducción sistemas de unidades electrostáticas

1.3 Cargas eléctricas y sus propiedades Material y equipo necesario:       

Máquina de Wimshurst Generador de Van der. Graaff Electroscopio Jaula de Farday Rehilete Pista de aluminio Simulador de cargas

Metodología: Descripción de la Maquina de Wimshurst. En la máquina de Wimshurst, las hojas metálicas actúan como objeto cargado en parte del ciclo y como objetos de carga inducida en otra parte del ciclo. Consiste en dos discos de vidrio, recubiertos con una capa de goma laca, montados paralelamente sobre un mismo eje, de tal modo que pueden girar en sentidos opuestos con igual velocidad. Los discos llevan sobre sus lados exteriores pequeños sectores metálicos dispuestos radialmente y equidistantes entre sí. Sobre los diámetros horizontales se encuentran dos pares de peines conductores montados en soportes aislados, que se prolongan mediante piezas articuladas, en dos varillas metálicas, curvadas que terminan en dos pequeñas esferas. Estas piezas constituyen un sistema colector y de descarga.

Descripción del generador de Van de Graaff es un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico. Dos peines G y H están

hechos de puntas conductoras muy finas, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la correa.

La rama izquierda de la correa transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la correa. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la correa a la punta G y a continuación al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Farday).

Experimento E1 El maestro mostrara el funcionamiento de la Maquina de Wimshurst y explicara el funcionamiento, asegurándose que las esferas se encuentren separadas unos cuántos centímetros. Deberá dar vueltas la manivela, hasta acumular la suficiente carga eléctrica en las botellas de Leyden. Y lograr que se provoquen chispas que brinquen de una esfera a otra. Experimento E2 El maestro muestra el funcionamiento del generador de Van de Graff y explicara el funcionamiento. Se enciende la maquina después de unos instantes. Se coloca el electroscopio cerca del generador y se observa la presencia de la acumulación de cargas eléctricas en el domo. Nota: Las condiciones de humedad relativa del ambiente podrían dificultar la observación de acumulación de cargas eléctricas. Para disminuir este efecto de humedad ambiente se podrá usar un radiador de calor eléctrico y mantener ventilada el área de trabajo Sugerencias didácticas:

Sugerencias didácticas: 

Propiciar la búsqueda y selección de información de temas a fines a la practica En libros de texto, revistas de actualidad científica, en internet.

    

Propiciar el debate para plantear otras alternativas para el estudio de la generación de cargas eléctricas Uso de video para mejorar la comprensión de los conceptos Desarrollo de nuevos modelos didácticos por los alumnos Uso de software y laboratorios virtuales en la solución de problemas y como complementó de la comprensión de conceptos Elaborar con el estudiante un banco de problemas para reforzar los temas vistos en

clase

Reporte del alumno (Resultados Y Conclusiones) Resultados E1. El alumno describirá por escrito en forma detallada el desarrollo del experimento paso a paso además el alumno investigara el funcionamiento detallado de la Maquina de Wimshurst, en diversas fuentes bibliográficas apoyándose con imágenes. Y dará una explicación clara del observado durante la demostración E2. El alumno describirá por escrito en forma detallada el desarrollo del experimento paso a paso además el alumno investigara el funcionamiento detallado del generador de Van de Graaff, en diversas fuentes bibliográficas apoyándose con imágenes. Y dará una explicación clara del observado durante la demostración El alumno hará una investigación de cómo afecta la humedad relativa del ambiente en la operación de maquinas electrostáticas, eléctricas y electrónicas Conclusiones Sugerencia Podría parecer que ninguno de los dos generadores tiene carga al momento de arrancar, la pregunta es ¿cómo es que se genera la carga? ¿Por inducción? Debemos de aclarar que los materiales de estos generadores no son totalmente neutros. Por supuesto, no es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por esa razón, algunas máquinas de Wimshurst incorporan un trocito de piel, que ofrece un mínimo de carga en algún punto, de forma que la máquina arrancará con la misma polaridad cada vez. Bibliografía preliminar: Libro de texto oficial de la materia Serway Raymon y Jewett John. Física II: Texto basado en calculo Ed. Internacional Thompson Editores, ISBN 970-696-340-0 Lea Susan y Burke John (2000) Física la naturaleza de las cosas. Volumen Ed. Internacional Thompson Editores, ISBN 968-7529-38-5 Reese Donald Lane (2002)

Física Universitaria: Volumen II Ed. Internacional Thompson Editores, ISBN 970=686=103=3 Menu Reportes

embre de 2008

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jueves 20 de noviembre de 2008 Descripción

Estas máquinas pertenecen a una clase de grupos de generadores, que crean descargas el por inducción electrostática. En un principio las maquinas 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 exhibió una tendencia imprevisible para cambiar su polaridad. El Wimshurst no tenía este defecto. Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre sí y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido contrario. 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 metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90°. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos puntas metálicas, unidos a conductores independientes, aislados entre sí. Con los conductores se articulan dos 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 que sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. Publicado por CTA en 10:04 0 comentarios

James Wimshurst

James Wimshurst es el inventor de la máquina más conocida de inducción, que lleva su nombre. Las maquinas de inducción puede ser un electroscopio de laminas metálicas que es un dispositivo para detectar cargas eléctricas estáticas. Ambas hojas van cargadas igualmente y se repelen una a otra.

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Conclusiones

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energia mecánica para rotar los discos encontra del campo eléctrico, y esta energía la máquina convierte en energía eléctrica. Publicado por CTA en 08:20 1 comentarios Página principal Suscribirse a: Entradas (Atom)

Generador de Van de Graaff De Wikipedia, la enciclopedia libre Saltar a navegación, búsqueda

Generador de Van De Graaff

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 5 megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear.

Contenido

[ocultar]    

1 Descripción 2 Historia 3 Generadores de Van de Graaff en exhibición 4 Enlaces externos

[editar] Descripción El generador consiste en una cinta, transportadora de material aislante motorizada, que transporta carga a un terminal hueco. La carga es depositada en la cinta por inducción en la cinta, ya que la varilla metálica o peine, esta muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico nulo por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir energía.

[editar] Historia Este tipo de generador eléctrico fue desarrollado inicialmente por el físico Robert J. Van de Graaff en el MIT alrededor de 1929 para realizar experimentos en física nuclear en los que se aceleraban partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos a gran velocidad. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco. El primer modelo funcional fue exhibido en octubre de 1929 y para 1931 Van de Graaff había producido un generador capaz de alcanzar diferencias de potencial de 1 megavoltio. En la actualidad existen generadores de electricidad capaces de alcanzar diferencias de voltaje muy superiores al generador de Van de Graaff pero directamente emparentados con él. Sin embargo, en la mayor parte de los experimentos modernos en los que es necesario acelerar cargas eléctricas se utilizan aceleradores lineales con sucesivos campos de aceleración y ciclotrones. Muchos museos de ciencia están equipados con generadores de Van de Graaff por la facilidad con la que ilustra los fenómenos electrostáticos. El generador del Van der Graaff es un generador de corriente constante, mientras que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan.

[editar] Generadores de Van de Graaff en exhibición 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. Las demostraciones usando el generador Van Der Graaff y varias bobinas de Tesla se realizan varias veces cada dia

El generador de Van de Graaff

Electromagnetismo Campo eléctrico La ley de Coulomb El motor de Franklin Campo y potencial de una carga puntual Campo y potencial de dos cargas Dipolo eléctrico Línea de cargas. Ley de Gauss. Anillo cargado Modelo atómico de KelvinThomson La cubeta de Faraday. Conductores Generador de Van de Graaff Conductores (II) Carga inducida en un conductor Esfera conductora en un campo uniforme Un péndulo que descarga un condensado

El generador de Van de Graaff

Campo producido por un conductor esférico cargado. Potencial de la esfera conductora Potencia del motor que mueve la correa Fuerza electromotriz Actividades Referencias

Cuando se introduce un conductor cargado dentro de otro hueco y se ponen en contacto, toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la carga inicial del conductor hueco Teóricamente, el proceso se podría repetir muchas veces, aumentando la carga del conductor hueco indefinidamente. De hecho, existe un límite debido a las dificultades de aislamiento de la carga. Cuando se eleva el potencial, el aire que le rodea se hace conductor y se empieza a perder carga. La diferencia entre la cubeta de Faraday y el generador de Van de Graaff, es que en la primera la carga se introduce de forma discreta mientras que en el segundo, se introduce en el conductor hueco de forma continua mediante una cinta transportadora.

El generador de Van de Graaff Van de Graaff inventó el generador que lleva su nombre en 1931, con el propósito de producir una diferencia de potencial muy alta (del orden de 20 millones de volts) para acelerar partículas cargadas que se hacían chocar contra blancos fijos. Los resultados de las colisiones nos informan de las características de los núcleos del material que constituye el blanco.

r. Ping-pong eléctrico Método de las imágenes. Fuerza entre dos esferas conductoras

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante, mientas que la batería es un generador de voltaje constante, lo que cambia es la intensidad dependiendo que los aparatos que se conectan. El generador de Van de Graaff es muy simple, consta de un motor, dos poleas, una correa o cinta, dos peines o terminales hechos de finos hilos de cobre y una esfera hueca donde se acumula la carga transportada por la cinta.

En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma aproximadamente esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta de goma (no conductora) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante un motor eléctrico.

Dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba, transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G y a continuación, al conductor hueco A, debido a la propiedad de las cargas que se introducen en el interior de un conductor hueco (cubeta de Faraday). Funcionamiento del generador de Van de Graaff Hemos estudiado cualitativamente como se produce la electricidad estática, cuando se ponen en contacto dos materiales no conductores. Ahora explicaremos

como adquiere la cinta la carga que transporta hasta el terminal esférico. En primer lugar, se electrifica la superficie de la polea inferior F debido a que la superficie del polea y la cinta están hechos de materiales diferentes. La cinta y la superficie del rodillo adquieren cargas iguales y de signo contrario.

Sin embargo, la densidad de carga es mucho mayor en la superficie de la polea que en la cinta, ya que las cargas se extienden por una superficie mucho mayor Supongamos que hemos elegido los materiales de la cinta y de la superficie del rodillo de modo que la cinta adquiera un carga negativa y la superficie de la polea una carga positiva, tal como se ve en la figura. Si una aguja metálica se coloca cerca de la superficie de la cinta, a la altura de su eje. Se produce un intenso campo eléctrico entre la punta de la aguja y la superficie de la polea. Las moléculas de aire en el espacio entre ambos elementos se ionizan, creando un puente conductor por el que circulan las cargas desde la punta metálica hacia la cinta.

Las cargas negativas son atraídas hacia la superficie de la polea, pero en medio del camino se encuentra la cinta, y se depositan en su superficie, cancelando parcialmente la carga positiva de la polea. Pero la cinta se mueve hacia arriba, y el proceso comienza de nuevo. La polea superior E actúa en sentido contrario a la inferior F. No puede estar cargada positivamente. Tendrá que tener una carga negativa o ser neutra (una polea cuya superficie es metálica). Existe la posibilidad de cambiar la polaridad de las cargas que transporta la cinta

cambiando los materiales de la polea inferior y de la cinta. Si la cinta está hecha de goma, y la polea inferior está hecha de nylon cubierto con una capa de plástico, en la polea se crea una carga negativa y en la goma positiva. La cinta transporta hacia arriba la carga positiva. Esta carga como ya se ha explicado, pasa a la superficie del conductor hueco. Si se usa un material neutro en la polea superior E la cinta no transporta cargas hacia abajo. Si se usa nylon en la polea superior, la cinta transporta carga negativa hacia abajo, esta carga viene del conductor hueco. De este modo, la cinta carga positivamente el conductor hueco tanto en su movimiento ascendente como descendente. Las características del generador de Van de Graaff que disponemos en el laboratorio de Física de la E.U.I.T.I. de Eibar, son los siguientes:    

Diámetro de la esfera conductora 21 cm Capacidad 15 pF Tensión máxima 150-200 kV Máxima corriente 6 A

Campo producido por un conductor esférico de cargado. El teorema de Gauss afirma que el flujo del campo eléctrico a través de una superficie cerrada es igual al cociente entre la carga en el interior de dicha superficie dividido entre 0.

Consideremos una esfera hueca de radio R cargada con una carga Q. La aplicación del teorema de Gauss requiere los siguientes pasos:

1.-A partir de la simetría de la distribución de carga, determinar la dirección del campo eléctrico. La distribución de carga tiene simetría esférica luego, la dirección del campo es radial 2.-Elegir una superficie cerrada apropiada para calcular el flujo Tomamos como superficie cerrada, una esfera de radio r. El campo E es paralelo al vector superficie dS, y el campo es constante en todos los puntos de la superficie esférica por lo que,

El flujo total es E·4 r2 3. Determinar la carga que hay en el interior de la superficie cerrada 

r