Laboratorio Electrostatica

 

L2- ELECTROSTÁTICA

PRESENTADO POR: DIANA LORENA FONSECA SAENZ

DIRIGIDO A: WILLIAM PACHECO

UNIVERSIDAD PEDAGÓGICA Y TECNOLÓGICA DE COLOMBIA FACULTAD DE INGENIERÍA INGENIERÍA AMBIENTAL 2020-II TUNJA BOYACÁ 2021

 

INTRODUCCIÓN

La electrostática es una carga eléctrica sin movimiento. La materia ordinaria se compone de átomos y estos a su vez se componen de otras partículas llamadas protones (p+) y electrones (e-). Los primeros se encuentran en lo que se denomina núcleo del átomo y los segundos, en lo que se denomina corteza, girando en torno al núcleo. Dado que se encuentran en la periferia, estos se fugan (se pierden) o ingresan (se ganan) con facilidad. Un generador de Van de Graaff es un artefacto que crea diferencias de potencial o tensiones, produciendo por ello grandes voltajes. El sistema se basa en fenómenos de electrización por contacto. Para ello va a emplear una cinta móvil aislante en la cual se van a trasportar elevadas cantidades de carga eléctrica, generadas por contacto, hacia la parte superior donde se encuentra una esfera metálica me tálica hueca que actúa como terminal. En el presente informe se trabajaran simuladores de electrostática, e lectrostática, se evidenciaran cada uno de los casos y los fenómenos que ocurren cada uno de ellos.

 

OBJETIVOS

OBJETIVO GENERAL -

Comprender los fundamentos básicos de la electrostática y sus aplicaciones.

OBJETIVOS ESPECIFICOS -

Explicar la causa de la interacción entre un objeto cargado (ya sea positivamente o con carga negativa) y una lata de aluminio neutra.

-  Analizar las formas de cargar objetos por inducción y por contacto.  - Entender el funcionamiento del generador de van der 5. 

 

PRODECIMIENTOS

Para el siguiente laboratorio utilizaremos los simuladores de electrostática propuestos en la guía. Con la primera simulación, simulación, se hará el moviendo las varillas por la pantalla y se observando el comportamiento de las cargas dentro de la lata de refresco. Las varillas se pondrán de maneras diferentes para obtener una observación diferente del comportamiento de la lata con respecto a las varillas.

En esta primera posición de la lata podemos observas que tanto la carga negativa y positiva de la lata están contenidas por todo la lata, por lo tanto no hay una gran atracción de la barra hacia la lata, pero a medida que los electrones se sienten atraídos por la varilla estos se van agrupando a grupando en un solo lado dirigido hacia la varilla, como se muestra a continuación.

 

  En esta imagen se puede observar como los electrones se juntan en la parte superior izquierda, esto ocurre por la atracción que hay entre e ntre la parte negativa de la lata de aluminio y la varilla cargada positivamente. De la misma manera que pasa con la varilla cargada positivamente, la varilla con la carga negativa hará que la parte positiva de la lata se sienta traída con la varilla.

 

Se puede observar como la parte positiva de la lata hace que esta se dirija a la varilla cargada negativamente y que la parte negativa de la late se intente alejar de la parte en la que está cerca la varilla con carga negativa.

Uno de los fenómenos que también se observan es cuando ponemos p onemos las dos varillas al cada uno de los lados de la lata para ver qué sucede con cada una de las cargas de la lata.

 

  En esta imagen se puede evidenciar como la lata está en una sola posición al ponerla expuesta a las dos varillas con diferentes cargas haciendo que las cargas de la lata se acomoden dependiendo de la carga, es decir, la carga positiva de la lata se verá dirigida hacia la parte más cercana de la varilla con carga negativa y la parte positiva de la lata se verá dirigida hacia la parte más cercana de la varilla con carga positiva.

 

  En este caso podemos ver como la parte negativa de la lata se agrupa de una forma más rápida haciendo que la lata se dirija hacia la varilla positiva por la atracción que genera la parte negativa de la lata.  Al realizar este experimento inferimos que la lata es de carga neutra, pero sabiendo que es neutra, ¿Cómo es posible que la lata se vea atraída por alguna de las dos varillas que si están cargadas?, esto se debe a la polarización. Las cargas de la lata están en equilibrio, es decir, tiene tanta carga negativa como carga positiva, al acercar las varillas a la lata hace que la carga opuesta a la de la lata se vea atraída y que la otra carga dela lata se aleja de la varilla, de esta forma se genera a polarización

El siguiente simulador que se utilizara es una bomba que se carga con una prenda. Este simulador tiene dos opciones, uno de práctica y otro de juego. En el modo de práctica, se utiliza un globo con carga negativa para cargar dos barras conductoras por inducción. El interactivo apunta a los conceptos asociados con los objetos cargados frente a los objetos no cargados, carga por inducción, carga por conducción (contacto), polarización y puesta a tierra.

 

 Al frotar el gl globo obo con la prensa, lo que estamos haciendo es cargarlo de electricidad. En ambos casos, después de frotarlo, el globo contendrá la suficiente carga electrostática como para atraer otros objetos obje tos con una fuerza superior a la de su peso. El globo, al igual que un imán, si tiene carga positiva atraerá cargas negativas y viceversa, por lo que atraerá ciertos objetos como es en este caso las barras de metal.

Lo primero que se realiza es cargar el globo, esto se hace frotando el globo con la prenda para así tener un globo cargado negativamente. Lo siguiente a realizar es acercar el globo a las barras de metal para así poder observar su reacción.

 

   Al poner el globo en la mitad de las dos barras, se puede ver como las cargas negativas de las barras se van hacia un lado de la barra, el lado más alejado del globo, dado que la carga del globo es negativa se repelan estas cargas, esto suceda de igual manera si se acerca el globo a las barras.

 

  En el siguiente simulador observaremos varios experimentos, estos experimentos son simuladores del Generador de Van Va n der Graaff, es un aparato electrostático electrostá tico que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Generadores modernos pueden acumular grandes voltajes El primer experimento que evidenciaremos es la separación de las cargas de una esfera hueca, las cargas negativas se transportan por una banda ba nda hasta llegar a una esfera que será cargada, esta esfera se carga mediante el proceso de inducción. Este sistema funciona de la siguiente manera: La banda elástica que tiene el sistema es cargada por frotamiento contra un cepillo de cerdas metálicas que están en la base, a su vez esta banda b anda induce cargas dentro del aislante del contenedor de la banda haciendo a su vez, que el exceso de cargas car gas sea transportado por medio de las cargas a la segunda polea que también gira y sirve como eje, este también está transfiriendo cargas por contacto a un cascaron metálico, y al ser de un metal conductor las cargas se distribuyen por toda la esfera quedando totalmente cargada. Si se acerca un objeto con carga contraria a la esfera se crea algo llamado potencial eléctrico, si es muy grande, hace que las carga

 

venza la resistencia del medio entre ambos objetos y el medio se vuelva un conductor, un ejemplo de esto son los rayos los cuales se s e explicaran más adelante.  Ahora se observara como sucede en el simulador sugerido en la guía:

La banda inicia a ser frotada e inicia a ser carg cargada, ada, al estar cargada los electrones son transportados a la esfera pequeña para así poder cargarla.

 

En este momento cada una de las esferas están cargadas, la esfera hueca está cargada positivamente y la esfera más pequeña pe queña está cargada negativamente, al ser opuestas las cargas de cada una de las esferas se atraerán lo cual hará que el medio se vuelva un conductor y produzca una chispa a estar muy cerca.

En la última imagen se puede observar cómo se produce la chispa entre ambas esferas. El siguiente simulador el Generador de Van der Graaff transfiere las cargas mediante un cable que transporta una carga definida. Estas cargas que son trasportadas se obtienen de la misma manera que en el simulador anterior. Una banda elástica que es cargada mediante frotación, transporta electrones a unos cables que luego transportaran transportaran los electrones a unos radiales para ver qué sucede. Las cargas positivas son trasportadas desde la esfera hueca que contiene cargas positivas, de igual manera, estas cargas son transferidas a unos radiales mediante unos cables. A continuación veremos cómo se comportan los radiales según las cargas y cuando se pone otro radial con la misma y diferente carga.

 

ç En este primer experimento se trasportan electrones al radial, haciendo hac iendo que esta se cargue negativa. Cada una de las aspas del radian se ven atraídas, haciendo que se ericen y se cree lo que vemos en la imagen anterior. Las aspas se ven atraídas por po r la electrostática de aire y la carga positiva po sitiva de la esfera hueca que tiene carga positiva. Tanto las personas y seres vivos como los objetos estamos compuestos por átomos. Y estos átomos contienen protones, electrones y neutrones, por esta razón, las aspas son atraídas por las partículas que hay en el aire y haciendo que se ericen, este fenómeno también lo podemos evidenciar cuando jugamos con un globo y nuestro cabello. De igual forma pasa si inducimos al radial carga positiva desde la esfera hueca, de la misma manera que paso con el radial cargado negativamente, el radial cargado positivamente se va a erizar ya que se verá atraído por las partículas negativas que se encuentran en el aire.

 

  En los siguientes experimentos evidenciaremos el comportamiento de los radiales cuando hay otro radial con la misma y diferente carga. El primero que veremos es cuando ambos radiales están siendo cargados con cargas diferentes, pero en diferente posición y observaremos el comportamiento de cada uno de los radiales.

En este caso podemos ver que en la primera posición tenemos el radial cargado positivamente y en la segunda posición el que está cargado negativamente. Se ve

 

como cada aspa es atraída por el rradial adial opuesto, dado q que, ue, están cargados de manera opuesta se van atraer unas aspas con otras.

Cuando los radianes son invertidos tenemos el mismo resultado que el anterior, ya que son de cargas opuestas las aspas se van atraer haciendo que las aspas tengan la misma reacción aunque estén en diferente posición las cargas. Ya que analizamos lo que sucede con los radianes con diferentes cargas, observaremos ahora lo que pasa cuando las cargas son iguales.

 

 Al observar el comportamiento de las aspas podemos inferir que se van a repelar, dado que, las cargas opuestas se repelan, dando como resultado, que las aspas se intenten alejar lo más posible las aspas del de l radian opuesto. Lo que pasa cuan cuando do las cargas de ambos radianes son positivos, pasa de igual forma cuando los radianes son de carga negativa, ya que tendrán la misma carga. La única diferencia entre ambos sistemas es el lugar desde donde son cargados, los radianes que son cargados positivamente son cargados desde la esfera hueca del generados y los radianes que son negativos se cargan por la banda que está en el sistema y esa carga es trasportada por los cables que están conectados a los radianes.

En el siguiente simulador, también del generador de d e Van der Graaff, se evidenciara como una rejilla con aspas es atraída por otra que es de carga opuesta, igual que el simulador anterior, la rejilla que es cargada positivamente es cargada desde la esfera hueca del generador y la rejilla que es negativa se carga por la banda que está en el sistema y esa carga es trasportada por los cables que están conectados a la rejilla.

 

  El siguiente simulador con el generador de Van der Graaff consta reja con aspas alrededor, lo que se va a poder observar es que al encender el e l generador la reja se va a cargar positivamente mediante un cable que está en la esfera hueca y conectada ala reja. Al estar cargada positivamente las aspas van a erizar ya que se verán atraídas por las partículas negativas que se encuentran en el ambiente.

 Al encender el generador las aspas de la reja se verán de la siguiente manera:

 

  En el siguiente simulador simulador con el generador de Van der Graaf Graaff, f, podremos ver como una esfera cargada va a reaccionar a dos pimpones de cargas neutras, es decir, la misma cantidad de electrones y aniones. En el primer caso veremos cómo es la reacción de la esfera con un pimpón no conductor de cargas. Primero veremos como la esfera será cargada por un cable que está conectado a la esfera hueca, luego se acercara poco a poco el pimpón y como no es conductor de cargas no transferirá ningún tipo de carga a la esfera, haciendo que se atraigan mutuamente, como lo evidenciaremos a continuación.

 

El segundo caso es de un pimpón que es conductor de cargas. En este caso el pimpón transferirá las cargas negativas a la esfera, al principio se atraerán al ser el pimpón neutro y tener cargas negativas pero al tener contacto con la esfera el pimpón le trasferirá cargas negativas, haciendo que después de esto se repelen ya que la carga que más tiene la esfera es la positiva y al transferir las cargas negativas a la esfera el pimpón quedara con carga positiva.

 

  En el siguiente simulador con el generador de Van der Graaff se podrá evidenciar el comportamiento de dos esferas que se cargan mediante contacto, en este sistema encontramos 3 campanas que son cargadas por inducción, dos de estas campanas están situadas a los extremos extremo s y tienen cargas negativas, la campana del medio tiene carga positiva, al activar el sistema las campanas se cargan haciendo que las esferas se vean atraídas hacia las campanas, al haber contacto con las campanas las esferas se cargan con la misma carga que la campana, al tener una carga la esfera se va a ver atraída por la otra campana que ahora es de diferente carga y así sucesivamente.

 

 

 

 

El ultimo simulador que trabajaremos con el generador de van der Graaff consiste en el movimiento de unas aspas mediante la inducción de energía desde la esfera hueca del generador. Al inducir energía a las aspas estas se moverán en forma circular, las aspas al estar cargadas positivamente se verán atraídas por partículas con cargas opuestas generando así el movimiento.

 

  Todos los simuladores con los que trabajamos en la guía son basados en la electrostática. En uno de los simuladores pudimos observar como el medio entre dos objetos cargados puede llegar a ser un conductor de energía y esto se ve reflejado con una proyección de luz, esto nos deja una pregunta, ¿es así como se crean los rayos? ¿Cómo se generan los rayos? Los rayos son descargas eléctricas que se mueven a través del aire en lugares donde existen puntos de energía. Dentro de una nube de tormenta hay partículas de hielo que chocan unas contra otras; estos choques hacen que se separen las cargas eléctricas: las positivas (protones) se quedan en la parte superior de la nube mientras que las negativas (electrones) se forman en la parte inferior. Todo esto produce una carga de energía e nergía que se acumula en el ssuelo uelo y justo debajo de la nube.  Ahora en las tormentas existen grandes cantidades de energía, estas lo hacen buscando los puntos opuestos para descargar las cargas electromagnética que existen, este despliegue de energía se lo conoce como rayo. ra yo. Del rayo se derivan los relámpagos que se produce por el contacto de la electricidad con los gases de lla a atmósfera y el trueno que es la onda de choque que se genera y se expande al paso del rayo. Para que se genere un rayo son necesarias n ecesarias dos zonas de energía opuestas, opue stas, que se pueden dar dentro de la nube, entre dos nubes, de nube a cielo o desde la tierra

 

hasta la nube, es decir, no existe un punto de inicio. Aunque parezca que los rayos caen desde el cielo, en ciertas ocasiones la energía puede salir desde el suelo. Por eso siempre se tiene que tener cuidado durante las tormentas eléctricas, para empezar no se debe salir a la calle o a espacios abiertos, abiertos , no bañarse en piscinas ni colocarse debajo de una árbol, son algunas de las recomendaciones que se dan cuando existe la posibilidad de una tormenta eléctrica en la zona. Lo que se sabe es que durante este despliegue de energía los científicos de la NASA hacen todo lo posible para entender al cien por ciento este fenómeno natural. Cuando estamos en una tormenta eléctrica y no sabemos dónde podemos ocultarnos de la tormenta eléctrica, tenemos la opción de ocultarnos en un carro y esperar, al subirnos al carro este cumple la función de una jaula de Faraday. Es una caja metálica cuya finalidad es el de proteger los campos eléctricos estáticos, ya que en su interior el campo es nulo y se utiliza para proteger de descargas eléctricas. Su funcionamiento se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático; la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, donde las cargas positivas se quedan queda n en las posiciones de la red, los electrones son libres y comienzan a moverse actuando una fuerza sobre ellos: F=eE_ext, (e) es la carga del electrón (con movimiento en sentido contrario al campo eléctrico), E_ext es la intensidad del campo eléctrico externo. Cuando las cargas en el interior comienzan a desplazarse, crean un campo eléctrico de sentido contrario al campo externo de la caja; en consecuencia el campo cam po eléctrico resultante en el interior del conductor es nulo, por lo que ninguna carga puede atravesarla. A este fenómeno se le denomina apantallamiento eléctrico y se utiliza para proteger a los dispositivos de cargas ca rgas eléctricas. Algunos dispositivos, sin estar equipados de una jaula de Faraday actúan como tal, por ejemplo: los ascensores, los coches, los aviones, entre otros; por esta razón se recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta eléctrica, su carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday, lo que significa que en el interior el campo es nulo y lo hace seguro.

 

La jaula de Faraday se puede utilizar en:   Protecciones para los productos electrónicos: los equipos electrónicos



pueden

ser

blindados

y

protegidos

de

los

perdidos

campos

electromagnéticos mediante el uso de cables coaxiales que contienen una capa conductora que actúa como una jaula de Faraday.

  Trajes de protección para los linieros: los linieros regularmente usan trajes



de protección que trabajan como jaulas de Faraday para garantizar su seguridad mientras se trabaja con líneas eléctricas de alta tensión. Estos trajes de protegerlos de electrocutarse.   Microondas: se utiliza para calentar los alimentos.



  Dispositivos electrónicos: como teléfonos móviles, dispositivos de audio,



utilizan la jaula de Faraday para evitar interferencias y ruidos. En conclusión la Jaula de Faraday es un método usado para bloquear los campos electromagnéticos, cuando se coloca un campo eléctrico en el exterior, las cargas positivas se quedan en su posición original, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico; en uno de los lados de la jaula o caja se queda con exceso de carga negativa, mientras que el otro se queda sin ella.

 

CONCLUSIONES

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Un principio de la electrostática es la conservación de la carga eléctrica. Según este principio, los electrones no se crean ni se destruyen, se

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redistribuyen de un material a otro. Los rayos que hemos visto muchas veces en nuestra vida, hace parte de lla a explicación de la electrostática, como muchos de los fenómenos que usualmente nos pasan y que a veces no sabemos el porqué.

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La electrostática se puede presentar en cualquier lado de nuestra vida cotidiana, con un simple globo o bajar de un carro y al sentir la corriente pasar o simplemente tocando a otra persona estamos evidenciando la electrostática.