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Laboratorio de Física iii

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LABORATORIO DE FISICA III

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UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINAS, METALURGICA, GEOGRAFICA Y CIVIL

CARGAS ELÉCTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS CURSO: FISICA III PROFESOR: MORI ESCOBAR, Fanny GRUPO: LUNES 4-6 pm INTEGRANTES: HUARACHA CRUZ, Ivan Felipe CRUCES ANAMPA, Christian Alexhander QUISPE BUDIEL, Alexia Helen 14160288 ESPINOZA ROSALES, Jhon Richard VASQUEZ BAYLON, Kevin

2017

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1.INTRODUCCIÓN Hoy en día, nuestra vida diaria depende extraordinariamente de la electricidad, mientras que hace un siglo solo disponíamos de alguna lámpara eléctrica. Sin embargo, aunque el uso generalizado de la electricidad es muy reciente, su estudio tiene una larga historia que comienza mucho antes de que apareciese la primera lámpara eléctrica. Las primeras observaciones de la atracción eléctrica fueron realizadas por los antiguos griegos. Éstos observaron que al frotar el ámbar, éste atraía pequeños objetos como pajitas o plumas. Ciertamente, la palabra ‘eléctrico’ procede del vocablo griego asignado al ámbar, elektrón. Actualmente, la electricidad está en un proceso continuo de estudio, de investigación y de búsqueda de nuevos usos. Los ingenieros eléctricos mejoran la tecnología existente en materia eléctrica, incrementando el rendimiento y eficacia de diferentes dispositivos eléctricos, tales como automóviles híbridos, plantas de producción eléctrica, etc. Pinturas de fijación electrostática se utilizan en la industria de automoción, en diversas partes del motor y de la estructura general del automóvil. Los procesos electrostáticos de cromación y de fijación de la pintura permiten realizar recubrimiento más duradero, y de forma más ecológicas y cuidadosa del medio ambiente que los utilizan pinturas liquidas, dado que no utilizan ningún tipo de disolvente.

2.OBJETIVOS Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos. Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador electrostático-máquina de Wimshurt.

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3.MATERIALES EQUIPO ELECTROSTATICA equ

PENDULO DE TECNOPORT

ELECTROSCOPIO

BARRAS DE ACETATO Y VINILO

MAQUINA DE WIMSHURT

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4.PROCEDIMIENTO A.- Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Wimshurst y de Van De Graff. B.- Experimente la interacción entre las barras cargadas y las esferas de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico.

4a. MÁQUINA DE WIMSHURST 01.- Identifica las partes de la maquina electrostáticas. 02.- Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en u ángulo de 45°, en relación con la barra de aislamiento. 0.3.- Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado. 04.- Ahora cierre el interruptor, anote lo observado. 05.- Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 1, 3 y 4 se efectúan girando las manivelas del equipo. 06. determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio. Este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga. 07.- descarga de punta; colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado. 08.- Péndulo doble; colocar un péndulo de bolitas de sauco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de esta, anote lo observado. 09.- Clavija de conexión en pantalla de seda; colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado. 10.- Juego de campanas; colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga suministrada, anote lo observado. 11.- tablero de destellos; colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado. 12.- Danza eléctrica; colocar el tablero de base sobre el s soporte, colocar sobre el bolitas de sauco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con

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electrodos esféricos invertida, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado. 13.- Aparato furnivoro; colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre este la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado.

4b. PÉNDULO ELÉCTRICO 1.- Acerca cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración 5. Anota lo observado. 2.- Frota la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de vinilito. Anote sus observaciones. 3.- Ponga frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación, frote la barra de vinilito con el paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2. Anote sus observaciones. 4.- Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño de lana y toque la esfera 1 con la barra de acetato y la esfera 2 con la barra de vinilito. Anote sus observaciones. 5.- Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los pasos 3 y 4. 6.- Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego toque la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones. 7.- Frote nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego acérquela a la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones. 8.- Acerque sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acerque sin tocar la barra de vinilito a la esfera 2. Anote sus observaciones. 9.- La lustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo esta electrizado o no lo está. Acerque la barra de acetato previamente frotada con el paño de seda a la esfera metálica del electroscopio. Anote sus observaciones. 10.- Manteniendo cerca de la esfera metálica, la barra de acetato, coloque un dedo de su mano sobre ella. Anote sus observaciones. 11. Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había colocado sobre ella. Anote sus observaciones. 12.- Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anote sus observaciones. 13. Repita los pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.

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5.CUESTIONARIO 1.- ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnopor? Explique. Los experimentos realizados por Bejamin Franklin (1706-1790) demuestran asimismo que hay dos clases de carga eléctrica, a las cuales asigno los calificativos de positiva y negativa entonces haciendo uso de esta convención se sabe que, al frotar lana con una vara de vidrio, el vidrio queda cargada negativamente y al frotar seda con la vara de vidrio, el vidrio queda cargada positivamente, entonces si frotamos seda con una barra de vidrio y acercamos a la esfera de tecnopor sin tocarlo, habrá una redistribución de cargas en la esfera de tecnopor resultando así que las cargas negativas se distribuyan en la zona de la esfera que se encuentra más cerca de la vara de vidrio de tal manera que esta esfera de tecnopor sea atraída por la vara de vidrio, pero al tocar una de estas esferas(a la cual llamaremos esfera 1) con dicha vara de vidrio queda cargada para este caso positivamente además si frotamos la barra de vinilo con el paño de lana y tocamos con esta vara a la otra esfera( a la cual llamaremos esfera 2) entonces dicha esfera quedaría cargada negativamente. Por lo expuesto, la esfera 1 queda con carga positiva y la esfera 2 con carga negativa. 2.- En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición? Explique. La ley de Coulomb nos da la fuerza entre dos cargas puntuales, pero no nos dice nada de qué ocurre si tenemos más de dos cargas o cuando estas no son cargas puntuales. El principio de superposición es una herramienta matemática que permite comprender de una manera sencilla lo que pasa cuando interactúan una o más partículas con carga y se puede enunciar de la siguiente manera: “Dado un sistema de cargas puntuales, la fuerza eléctrica sobre cada una de ellas es la suma vectorial de las fuerzas debidas a cada una de las demás cargas, como si el resto de cargas no estuvieran presentes.” Para nuestra experiencia podemos aplicar el principio de superposición en los siguientes casos: a) En la máquina de Van de Graaff, se nota que la esfera metálica hueca se carga positivamente mientras que la otra esfera (que esta con la varilla) está cargada negativamente.

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podríamos tomar un diferencial de carga (de la esfera que esta con la varilla) para analizar; debido a que están cargadas con signos opuestos toda la carga de la esfera metálica hueca ejercerá una fuerza de atracción al diferencial de carga de la esfera que esta con la varilla, de manera que cuando se reduzca la distancia de separación esta fuerza será tan fuerte que hará desprender un diferencial de carga negativo(electrón) de la esfera que esta con la varilla, produciéndose una descarga eléctrica. b) Del mismo modo en la máquina de Winshurst podemos ver que las barras de descarga se van a polarizar de diferente carga, por lo tanto, cuando dichas barras estén a una distancia pequeña (que no lleguen a tocarse) se va generar un campo tan intenso que hará que cada carga de la barra que tiene carga positiva ejerza una fuerza sobre los electrones de la barra con carga negativa, de manera que la fuerza resultante sobre un electrón sea tan grande que haga se desprenda, generándose una chispa.

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En esta foto se puede apreciar el momento en el cual se produce una chispa

3.- ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro? Del experimento realizado podemos deducir que existen dos tipos de carga eléctrica, ahora si seguimos la convención propuesta por Benjamín Franklin

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podemos decir deducir que tipo de carga eléctrica tiene un cuerpo mas no podemos deducir que tipo de carga eléctrica se traslada de un cuerpo a otro. Sin embargo, debido a otros descubrimientos científicos sabemos que los protones no pueden trasladarse debido a que se encuentran en el núcleo del átomo y los que se trasladan son los electrones de valencia.

4.- Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso. Formas para cambiar la carga eléctrica de los cuerpos se denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Los tipos de electrificación son los siguientes: 1. Electrización por contacto: Cuando ponemos un cuerpo cargado en contacto con un conductor se puede dar una transferencia de carga de un cuerpo al otro y así el conductor queda cargado, positivamente si cedió electrones o negativamente si los ganó. 2. Electrización por fricción: Cuando frotamos un aislante con cierto tipo de materiales, algunos electrones son transferidos del aislante al otro material o viceversa, de modo que cuando se separan ambos cuerpos quedan con cargas opuestas. 3. Carga por inducción: Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo, la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro). 4. Carga por el Efecto foto eléctrico: Sucede cuando se liberan electrones en la superficie de un conductor al ser irradiado por luz u otra radiación electromagnética. 5. Carga por Electrólisis: Descomposición química de una sustancia, producida por el paso de una corriente eléctrica continua. 6. Carga por Efecto termoeléctrico: Significa producir electricidad por la acción del calor.

5.- ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.

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Las células de nuestros cuerpos contienen agua. Debido a que el agua puede disolver muchas sustancias, ésta propiedad permite a las células usar los nutrientes, minerales y elementos químicos tan valiosos para los procesos biológicos, esta agua tiene sales disueltas que están ionizadas y los iones son los que conducen la corriente eléctrica. Además, hay que recordar que el cuerpo humano está compuesto en un 70% de agua, el cerebro se compone en un 70% de agua, la sangre en un 80% y los pulmones se componen en un 90% de agua, esto hace que nuestro cuerpo sea un buen conductor de la electricidad.

6.- En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tienen igual radio r. ¿Qué sucederá?

Lo que va suceder es que la bola 1 la cual tiene una carga Q va interactuar mediante su campo eléctrico con la bola 2 (que se encuentra descargada) produciendo así una redistribución de carga en la bola 2, haciendo que la parte que se encuentra más cerca de la bola 1 se polarice de carga de signo contrario a la de la carga Q y que la parte(de la esfera 2) que se encuentra más alejada de la esfera 1 se polarice de carga del mismo signo que de Q , así mismo dependiendo de la distancia de separación entre ellas se podrá observar una atracción entre la bola 1 y la bola 2. Cabe resaltar que aquí hablamos solo de signos (en el caso de la esfera 2), debido a que la carga no se altera una vez que se quite la presencia de la esfera 1, la esfera 2 seguirá descargada.

7.- Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que esta descargada ¿Qué es lo que se observa? ¿Cuál será la carga que adquiere la esfera 2? Después del contacto las bolas se repelerían debido a que la esfera 2 adquiere una carga de la misma naturaleza(positiva o negativa) que de la esfera 1, ahora la magnitud de la carga que adquiere la esfera 2 dependerá de que tan grande o pequeño sea su radio respecto al de la esfera 1, para este caso como ambas

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esferas tienen el mismo radio entonces después del contacto de dichas esferas, cada una tendrá una carga de

𝑄 2

8.- Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2? Cuando se pongan en contacto la carga que adquiere la esfera 2 será igual a

𝑄

5 pues la carga antes y después de estar en contacto se conserva y en las esferas la carga se distribuirá en forma proporcional a sus respectivas superficies, así 4𝑄 pues, la esferita 2 queda con esa carga y la esfera 1 con una carga de , ambas 5 del mismo signo.

9.- En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas e de 10 cm. Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 20 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 4g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 25 cm?

𝑡𝑔𝜃 = 5 10√6

𝐹𝑒 𝑚.𝑔 𝐹𝑒

= 𝑚.𝑔

𝑚. 𝑔 = 2√6. 𝑚.𝑔.𝑟 2

𝑘.𝑞 2 𝑟2 (4.10−3 )(9,8)(0,04)

𝑞 = √ 2√6.𝑘 = √

2√6(9.109 )

𝑞 = 1.885 𝑥 10−7

10.- Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio? Al momento de acercar el objeto las laminillas se cierran, pues está habiendo un acomodamiento de cargas, al acercar más el objeto a la esfera metálica del

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electroscopio sin llegar a tocarla estas laminillas se abren, pues ya hubo un mejor acomodamiento y la parte de la esfera del electroscopio está cargada positivamente parcialmente, por lo que en la parte inferior las laminillas se cargan negativamente parcialmente por lo que se rechazan. Entonces la carga del electroscopio es neutra solo hubo un reordenamiento de cargas que sumadas dan cero debido a que fue por inducción. 11.- Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente. La función de las botellas de Leyden son las de almacenar las cargas eléctricas que se originan gracias a la máquina de Wimshurst, es como un tipo de condensador. Sabiendo que en una de ellas se obtendrá carga positiva y la otra negativa, cuando haya un exceso de carga se buscara descargarse y por ello ocurre unas chispas entre los dos terminales de punta esférica que rompen la resistencia del aire para lograr un equilibrio de cargas.

12.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un olor característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente. Tras aquellos experimentos se percibió un olor característico, único y punzante, alrededor del generador; Van Marum se refirió al mismo como “el olor de la materia eléctrica”. Este olor era producto de la formación de ozono, siendo el primero en describirlo científicamente. Es el olor a Ozono O3 (variedad alotrópica del Oxigeno O2), que se genera a partir de él, por efecto de las chispas. También se percibe cuando hay una tormenta eléctrica. Cuando se producen las chispas de oxigeno de aire (O2) los enlaces entre estas dos moléculas cercanas a las chispas se destruyen, y si encuentran a una molécula de O2, entonces tras la reacción química de O y O2 se obtendría O3, desprendiendo un olor a acre y a grandes concentraciones de ozono esta toma un color azulado oscuro.

13.- Explique a que se debe el efecto de rodamiento o giro del proceso experimental 7. Los molinos eléctricos accionan como sigue. Cuando un cuerpo conductor está cargado con cargas eléctricas estáticas, éstas se acumulan en las puntas, es decir, en los lugares en que existen superficies puntiagudas. Este es un hecho razonable a la luz de que las cargas se tratan de alejar a la mayor distancia posible, entonces, se colocarán en las puntas para estar más lejos. Ahora bien, en esas puntas el potencial eléctrico es muy grande ,en esas condiciones las moléculas de aire que tocan la superficie de la punta se cargan

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con la misma polaridad En consecuencia como las mismas polaridades se repelen mutuamente, las moléculas de aire son repelidas y por el principio de acción y reacción aparece una fuerza resultante en las puntas de dicho molino haciendo que exista un torque de giro respecto a su eje central de dicho molino de manera que el molino gire en el sentido opuesto al que son repelidas las moléculas de aire. 14..- Explique por qué el péndulo de las bolitas de sauco se repelen, ¿puede Ud. Determinar el signo de la carga eléctrica? Proceso experimental 8. Debido a que el péndulo de bolitas de sauco se colocó en un soporte con gancho el cual se conectó a la fuente de carga, esta fuente le transmitió carga al soporte, cargándose así las bolitas de sauco de la misma carga con la cual se cargó el soporte, es debido a esto que las bolitas se sauco se repelen.

15.-En el procedimiento 9(pantalla de seda) a que se debe que los hilos de seda se extienden. Explique. Al comienzo de la experiencia los hilos de seda se encuentran descargados luego la base de estos hilos de seda es conectado a la fuente de carga, la cual le proporciona un tipo de carga, cargándose con el mismo tipo de carga a cada filamento se seda en consecuencia comienza haber una fuerza de repulsión entre cada filamento de seda de esta manera podemos apreciar que los hilos de seda se extienden.

16.- los péndulos del juego de campanas tendrán la misma carga eléctrica luego de impactar con las campanas. ¿Por qué? Sí, porque mientras va de un lado a otro se carga y descarga continuamente de izquierda a derecha haciendo que el péndulo tenga movimiento de un lado a otro. Para que este movimiento suceda el lado cargado atrae el péndulo y lo carga ya sea positivo o negativo haciendo que se repelan, así lo mismo con el otro lado haciendo que se torne un movimiento pendular. 17.- Explique ¿Por qué se produce el efecto de destello en el tablero de destellos? Proceso experimental 11. El tablero de destellos está compuesto por laminas en forma rectangular posicionados cada uno cerca al otro y al ponerlo en funcionamiento, sucede lo mismo con los terminales esféricos de la máquina de Wimshurst como están separadas ahora por el tablero a una gran distancia la resistencia del aire impide que se descargue el exceso de carga, pero para ello están esas laminas en el tablero haciendo que las cargas salten de un rectángulo a otro hasta llegar al otro extremo y así descargar el exceso de carga.

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18. En el proceso 12, explique ¿Por qué se desplazan las bolitas de sauco Las bolitas de sauco se pusieron encima del tablero que estuvo sobre el soporte, dicho tablero adquirió una carga transmitiendo dicha carga a las bolitas de sauco, por lo tanto, las bolitas de sauco se cargaron con cargas del mismo signo, produciéndose así fuerza de repulsión entre ellas haciendo un efecto de danza eléctrica.

19.- Que ocurre con el humo, en el aparato fumívoro cuando se conecta con la fuente de carga. Explique. Proceso experimental 13. No se realizó este proceso debido a que no había los instrumentos para realizar este paso.

20.- mencione al menos 3 aplicaciones del equipo de Van De Graff.    

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El generador de Van der Graff se ha utilizado para la producción de rayos X que son muy utilizados en el campo de la medicina. Se usa además para eliminar microorganismos y virus de alimentos. (Esterilización) Es la base para varios experimentos en el campo de la física de partículas y física nuclear. Un ejemplo muy común del campo eléctrico en la vida real se produce en las bocinas, ya que sin este no habría resonancia y por lo tanto tampoco sonido. Otro ejemplo es en las generadoras de presas hidroeléctricas, ya que con el agua hacen girar un generador que produce electricidad en base a un campo eléctrico Este tipo de generador tiene una intensa utilización en la investigación de la física nuclear. Los generadores Van De Graaff reciben diferencias de potencial de hasta 20 millones de voltios. Los protones acelerados a través de diferencias de potencial tan grandes reciben suficiente energía para iniciar reacciones nucleares entre ellos y entre diferentes núcleos objetivo.

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6.CONCLUSIONES Se concluye que hay dos tipos de carga. La máquina de Wimshurst genera chispas para que se descargue debido a que había un exceso de carga. Para que se produzca la chispa entre las barras de descarga de la máquina de Wimshurst el medio que lo rodea tiene que ser seco o al menos que tienda a ser seco. De la máquina de Wimshurst concluimos que la energía mecánica (cuando se gira la manivela) se convierte en energía eléctrica y eso queda comprobado al ver que se generan chispas en las barras de descarga. Con el proceso de inducción electrostática podemos acercar objetos (como las bolas de tecnopor) o alejarlos a una determinada distancia. Se concluye que cargas del mismo signo se repelen y de signos diferentes se atraen. A la hora que cargamos un cuerpo no podemos saber si lo cargamos positivamente o negativamente.

7.BIBLIOGRAFÍA SEARS, Francis W. ZEMANSKY, Mark W, YOUNG; Hugh D; FREEDMAN, Roger A;Física Universitaria con Física Moderna. Undécima edición, México: Pearson Educación 2005. Raymond A. Serway, Jerry S.Faughn, Física, Quinta edición, Pearson Educación.