Facultad de Ingeniería Laboratorio de Física

Universidad Nacional de Asunción

Facultad de Ingeniería

Laboratorio de Física

Primera Experiencia

Laboratorista: Lic. Carolina Recalde

Grupo: A15

Integrantes:

• Sebastián Brugada
• Nicolás Rojas
• José Wiegert

2014

Electrostática – Generador de Van de Graaff

OBJETIVO GENERAL

• Estudiar la Electrostática mediante las interrelaciones existentes entre el Campo Eléctrico obtenido por la generación de cargas electrostáticas y sus aplicaciones.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

• Identificar los distintos fenómenos de electrización.
• Definir y describir las cargas eléctricas y su naturaleza.
• Experimentar con distintos materiales las relaciones de cargas existentes.
• Conocer y describir el funcionamiento de un Generador de Van de Graaff.

MARCO TEORICO

        La Electrostática es la rama de la Física que estudia la interacción entre los cuerpos como consecuencia de su carga eléctrica, es decir, el estudio de las cargas eléctricas en reposo. La carga eléctrica es la propiedad de la materia responsable de los fenómenos electrostáticos, cuyos efectos aparecen en forma de atracciones y repulsiones, dependiendo del signo de las cargas que interaccionan. A estas atracciones o repulsiones se las denomina Fuerza Electrostática, correspondiente a Fuerzas Eléctricas, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la Naturaleza, ejercidas entre cuerpos en reposo.

        La Electrostática se subdivide en dos situaciones:

1. Electrostática en el vacío: supone que las cargas están inmóviles flotando en el espacio.
2. Electrostática en medios materiales: supone que las cargas se encuentran en el interior o en la superficie de medios materiales. A su vez, éstos se suelen clasificar en dos tipos:

1. Conductores: aquellos materiales (típicamente metálicos) que permiten el movimiento de cargas por su interior. En electrostática esto implica que las cargas se encuentran en equilibrio ya que pudiendo moverse no lo hacen.
2. Dieléctricos: aquellos materiales (típicamente plásticos) que no permiten el movimiento de cargas por su interior. En electrostática esto implica la existencia de cargas ligadas, que no pueden abandonar los átomos a los que pertenecen.

        Todos los átomos están formados por protones (de carga positiva) y electrones (de carga negativa), que constituyen la carga eléctrica del material. En general, los átomos son neutros, es decir, tienen el mismo número de electrones que de protones, pero decimos que un cuerpo está electrizado cuando los átomos que lo constituyen tienen un defecto o un exceso de electrones.

        La unidad elemental de carga eléctrica es la que porta un electrón. En el Sistema Internacional, la carga del electrón es: -1,602.10-19 C, donde C es la unidad de carga eléctrica Culombio. El protón tiene la misma cantidad de carga que un electrón pero con signo opuesto.

        En general, la electrización corresponde al fenómeno electrostático por el cual un cuerpo gana o pierde cargas eléctricas, normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro. Este fenómeno se puede producir por:

1. Por contacto: se puede cargar un cuerpo neutro con solo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si se toca un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero debe quedar con carga positiva.
2. Por frotamiento: al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa.
3. Por inducción: se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla de material aislante, cargado. La carga por inducción no se restringe a los conductores, sino que puede presentarse en todos los materiales.

        Para poder determinar con que carga queda el material luego de la electrización, existe una escala triboeléctrica basada en la carga que adquieren los distintos materiales al ponerse en contacto y rozar unos con otros. Se ordenan de manera que puestos en contacto y separados dos materiales descargados, aquel que se lleve más electrones quedará cargado negativamente y el que quede con menos positivamente. Esta es una lista abreviada de materiales ordenados según la carga relativa que adquieren. [pic 1]

        También se utiliza el electroscopio, un instrumento antiguo utilizado para saber si un cuerpo está electrizado y el signo de su carga. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal.

        Existen formas de generar cargas continuamente, una de ellas es utilizando el generador de Van de Graaff, un conductor cargado dentro de otro hueco que se ponen en contacto donde toda la carga del primero pasa al segundo, cualquiera que sea la carga inicial del conductor hueco. 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. [pic 2]

        El conductor hueco mencionado anteriormente es la Jaula de Faraday, que sería la capucha que cubre al generador de Van de Graaff en la última imagen. Es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos. Debe su nombre al físico Michael Faraday, que construyó una en 1836. Se emplean para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo. El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático.

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