UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE

SAN MARCOS(Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS

Profesora: Mirian Esther Mejía Santillán

Alumnos: David Alonso De La Cruz Huallpa 12130124

Alejandro Condori Alvarado 12130080

César Riofrío Vela 12130132

Turno: Sección 1

Horario: 10:00 – 13:00

Experiencia N°1:

CARGA ELECTRICA

[UNMSM]

I. OBJETIVOS

Comprobar experimentalmente la existencia de la propiedad de

la materia llamada carga eléctrica.

Experimentar con la electrificación de cuerpos mediante los

diversos procesos.

Verificar la interacción de cuerpo de carga de igual signo y de

signos opuestos.

Conocer el funcionamiento de los principios físicos de un

generador electrostático-máquina de Wimshurst y la máquina

de Van de Graff.

2

[UNMSM]

II. FUNDAMENTOS TEÓRICOS

Se atribuye a Thales de Mileto (640-548 A.C.) haber

observado que trozo de ámbar frotado con un paño o

una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos

livianos. W. Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no

solo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino

también lo hacían muchos otros cuerpos como el

vidrio, la ebonita, la resina, el azufre, etc. Cuando

sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por

frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de

electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la causa de las atracciones,

o también las repulsiones, que se producen.

La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas

subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión

entre ellas.

Propiedades:3

[UNMSM]

1. Dualidad : La carga eléctrica se presenta en forma dual como carga

positiva y negativa. Charles du Fay comprendió la existencia de dos

tipos de carga la resinosa y la vítrea. La resinosa se debe a la carga

que obtiene el ambar al ser frotado con una tela de lana; y la vítrea se

debe a la carga que obtien el vidrio al ser frotado con seda.

Posteriormente Franklin identifica a la carga vítrea como positiva¿ y

a la resinosa como negativa ¿.

2. Conservación : En todo sistema aislado la carga eléctrica se conserva.

“La suma algebraica de las cargas eléctricas en un sistema aislado es

constante”

3. Cuantización de la carga eléctrica : La carga eléctrica de un cuerpo es

un múltiplo entero de la carga del electrón. La mínima porción de

carga eléctrica que se transmite de un cuerpo a otro es la carga del

electrón.

q±=ne−¿¿

n→Número deelectrones ganados¿

e−¿→cargadel electrón(1,6× 10−19C )¿

4. Invariancia relativista : El valor de la carga eléctrica no depende del

sistema de referencia; no depende de la velocidad del cuerpo

cargado.

Formas de cargar eléctricamente un cuerpo.

4

[UNMSM]

1. Por frotamiento : Las partículas con carga eléctrica se transmiten de

un cuerpo a otro al ser frotados mutuamente. Los cuerpos, al final,

obtienen cargas diferentes.

2. Por contacto : La carga eléctrica se comparte, al final los cuerpos

obtienen el mismo tipo de carga.

3. Por inducción : Se reordena la carga, una conexión a tierra genera la

carga en un cuerpo.

Leyes Electrostáticas

5

[UNMSM]

1. Ley Cualitativa .- De acuerdo a Charles du Fay y Benjamin Franklin,

existen dos tipos de cargas. Los experimentos determinaron: “Cargas

de igual signo se repelen y de signo contrario se atraen”

2. Ley Cuantitativa .- Fue enunciada por Charles Coulomb, establece

que: “La magnitud de la fuerza de atracción o repulsión entre dos

partículas cargadas es directamente proporcional al producto del

valor de sus cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la

distancia que las separa; su dirección están en la línea que une las

partículas”

III. MATERIALES VISTOS EN CLASE

6

[UNMSM]

Máquina de Wimshurst modelo U15310

Máquina de Van de Graff

Juego de equipos electrostáticos

7

[UNMSM]

Péndulo de tecnoport y en medio el Electroscopio

8

[UNMSM]

Barras de vidrio, acetato, vinilita y tubo de plástico

Seda y Lana

IV. PROCEDIMIENTO

9

[UNMSM]

A. Ubique en la mesa de trabajo, en la posición más adecuada, la

Máquina de Wimshurst y de Van Der Graff.

B. Experimente la interacción entre las barras cargadas y las esferas

de tecnopor que está suspendida en el péndulo eléctrico.

A-1. Máquina de Wimshurst

3. Identifique las partes de las máquinas electrostáticas.

4. Gire lentamente la manivela en sentido horaria, los conductores

transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y, por

debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45º, en relación con la

barra de aislamiento.

5. Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo

observado.

No se realiza descarga alguna porque el circuito está abierto.

6. Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

Ahora si se realiza descarga.

7. Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 5, 6

y 7 se efectúan girando las manivelas del equipo.

8. 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.

9. Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado,

identifique la polaridad de la lámpara.

No se realizó este paso.

10

[UNMSM]

10. 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.

Este gira en sentido horario si se ve desde arriba porque al

cargarse, en donde tiene menor superficie sus electrones empiezan

a moverse y también mueve los electrones que tiene el aire y esto

pareciera que estuviera botando aire y es así como gira.

11. Péndulo doble; colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte

con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a

través de esta, anote lo observado.

No se realizó este paso.

12. Clavija de conexión en pantalla de seda; conectar 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.

No se realizó este paso.

13. Juego de campanas; colocar sobre el juego de campanas,

conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la carga

suministrada, anote lo observado.

Se observa que los péndulos empiezan a sonar levemente.

14. 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.

Se observa como la descarga pasa por cada placa de estaño y

parece ser que todas las descargas son al mismo tiempo pero no es

11

[UNMSM]

así las descargas pasan de una placa a otra pero con una gran

velocidad.

15. Danza eléctrica; colocar el tablero de base sobre el soporte,

colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner

encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida, conectar

la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga

suministrada, anote lo observado.

Se observa como las bolitas se mueven a través del medio interno

ya que adentro tiene una intensidad de campo eléctrico.

16. Aparato fumívoro; colocar el tablero de base sobre el soporte,

invertir sobre este la cubierta con electrodos de punta y conectar la

fuente de carga. Hace penetrar en la cubierta el humo de un

cigarro o de una vela de humo, anote lo observado.

No se realizó este paso.

17. Carril de rodamiento con bolas; colocar sobre el soporte la placa

de base y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese

de que los distanciadores del carril de rodamiento con bolas no

caigan hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre la placa

de base de tal manera que entre en contacto con el canto del

electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y

suministrar lentamente la carga, anote lo observado.

No se realizó este paso.

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[UNMSM]

A-2. Máquina de Van Der Graff:

18. Conecte la máquina de Van Der Graff, a la fuente de 250V de C.

A., tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor.

19. Una vez encendido, la faja vertical comenzara a girar, identifique

el signo de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio,

anote lo observado.

20. Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 16,

anote lo observado.

21. Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo

valor del ángulo que se desvía las hojuelas.

B. Péndulo eléctrico

1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a las esferas de

tecnopor que está suspendida en el péndulo eléctrico. Anote lo

observado.

No se observa ningún cambio en su reposo de las esferas de

tecnoport.

2. Frote la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la

esfera de tecnopor. Repita la operación frotando la barra de

vinilito. Anote sus observaciones.

La barra de acetato atrae al tecnoport y la barra de vinilito no

atrae.

3. Ponga frente a frente dos esferas de tecnopor 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.

13

[UNMSM]

Las 2 esferas de tecnoport se repelen ya que se cargan de igual

signo las 2 esferas.

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 a la esfera 2 con la barra de vinilito. Anote sus

observaciones.

Las 2 esferas se juntan por poco tiempo ya que al juntarse el

sistema que forman las esferas se vuelve neutro.

5. Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas

en los pasos 3 y 4.

Cuando el acetato se frota con seda y se toca una esfera, la esfera

tiene una carga X.

Cuando el vinilito se frota con lana y se toca una esfera, la esfera

tiene una carga Y.

Tomamos que la carga X es contraria a la carga Y.

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[UNMSM]

6. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego

toque la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones.

Las esferas se repelen entre si ya que adquieren las mismas cargas

X al tocarlas con el acetato frotado con seda.

7. Frote nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego

toque la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones.

Las esferas se repelen entre si ya que adquieren las mismas cargas

Y al tocarlas con el vinilito frotado con lana.

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.

Se observa que las barras se juntan.

9. La ilustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos

permite observar si un cuerpo está 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.

Se observa que la esfera se encuentra cargada.

10. Manteniendo cerca la esfera metálica, la barra de acetato, coloque

un dedo de su mano sobre la esfera. Anote sus observaciones.

Se observa que no hay ninguna reacción.

11. Manteniendo cerca la esfera metálica, la barra de acetato, retire el

dedo que había colocado sobre ella. Anote sus observaciones.

Se observa que no hay ninguna reacción.

15

[UNMSM]

12. Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica.

Anote sus observaciones.

Se observa que no hay ninguna reacción.

13. Repita los pasos 9, 10, 11, 12 con la barra de vinilito frotada con el

paño de lana.

Se observa que hay reacción en todos los casos. Y que también la

esfera se encuentra cargada.

16

[UNMSM]

V. EVALUACIÓN

1. ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las

esferas de tecnopor?, explique.

Por medio de la inducción magnética cargamos la esfera negativa

o positivamente, luego la acercamos a la máquina de Van de Graff

que estará cargada negativamente y si se atrae es porque tiene una

carga positiva y si se repele es porque tiene una carga negativa.

2. En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio

de superposición?

En los experimentos realizados se puede usar el principio de

superposición para: Evaluar que carga tiene cada bola de acero, a

qué distanciase encuentran, en qué sentido gira la máquina de

Wimshurst si esta tiene un objeto que hace que las cargas se

orienten siempre al mismo sentido, si la máquina de Wimshurst

está conectada a otro objeto del experimento, porque se atraerían o

repelerían, etc.

3. ¿Del experimento realizado, se puede deducir que tipo de carga se

traslada de un cuerpo a otro?

Si, se deduce que lo que se traslada de un cuerpo a otro son los

electrones que quedaron libres.

4. Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.

Por frotamiento: Las partículas con carga eléctrica se transmiten

de un cuerpo a otro al ser frotados mutuamente. Los cuerpos, al

final, obtienen cargas diferentes.

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[UNMSM]

Por contacto: La carga eléctrica se comparte, al final los cuerpos

obtienen el mismo tipo de carga.

Por inducción: Se reordena la carga, una conexión a tierra genera

la carga en un cuerpo.

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[UNMSM]

5. ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la

electricidad? Explique detalladamente.

Porqué casi el 70% del organismo consta de agua ionizada, un

buen conductor de electricidad. De acuerdo con la

electrofisiología, ciencia que estudia las reacciones que produce la

corriente eléctrica, cada uno de los tejidos de nuestro cuerpo

reacciona cuando una descarga circula por el organismo y los

efectos biológicos dependen de su intensidad.

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?

No sucederá nada, pues no existe una fuerza entre ambas bolas, ya

que la bola 2 no tiene carga, lo cual hace que no atraiga ni repele a

la bola 1.

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 observará? ¿Cuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

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[UNMSM]

Por conservaciónde la carga→q1 f+q2 f=Q… (¿)

q1 f

r=q2 f

r→q1 f=q2 f

Reemplazandoen (¿)→q2 f=Q2

8. Respecto a la pregunta 5, suponga 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 la

esfera 2?

Por conservaciónde la carga→q1 f+q2 f=Q… (¿)

q1 f

2 r=q2 f

r→q1 f=2q2 f

Reemplazandoen (¿)→q2 f=Q3

9. En un experimento de electrostática se observa que la distancia

entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12

cm. Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas

se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si la masa

de cada una de las esferas es de 5g y la longitud de los hilos en los

que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

sin θ= 115

F sin θ=mg sinθ

20

θ

12 cm

30 cm

16 cm

[UNMSM]

F=kq2

0,1 62 =¿

q=√¿¿¿Comoelmedio esel aire , entonces k=9×109

q=2,64×10−8C

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?

Positivo, pues en el sistema se realiza un reordenamiento de

cargas, las cargas negativas se dirigen a la esfera, pues son

atraídas por el objeto cargado positivamente, mientras que las

cargas positivas se dirigen a las laminillas pues son repulsadas

por el objeto; las laminillas al estar cargadas positivamente se

repelen entre si y es por eso que se separan.

11. ¿Qué función cumple las botellas de Leyden en la máquina de

Wimshurst, explique.

La botella de Leyden es un dispositivo que permite almacenar

cargas eléctricas comportándose como un condensador. La

varilla metálica y las hojas de estaño o aluminio conforman la

armadura interna. La armadura externa está constituida por la

capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un

material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del

condensador. El nombre de condensador proviene de las ideas

del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que

asimilaban ésta a un fluido que podía almacenarse tras su

condensación en un dispositivo adecuado como la botella de

Leyden.

21

[UNMSM]

12. Durante el uso del generador electrostático se percibe un color

característico, investigue a que se debe. Explique

detalladamente.

La causa se encuentra en la ionización del aire circundante al

conductor debido a los altos niveles de tensión en la línea. En el

momento que las moléculas de aire se ionizan, éstas son capaces

de conducir la corriente eléctrica y parte de los electrones pasan

de la línea al aire. Tal circulación provoca un incremento de

temperatura en el gas, dándole un color rojizo para niveles bajos

de temperatura o azulado para niveles altos. Esto provoca que se

pueda cuantificar su intensidad según el color del halo. El color

azulado se debe a la ionización del ozono.

13. Explique el poder de las puntas y sus aplicaciones.

En Electrostática, el poder de las puntas está íntimamente

relacionado con el concepto de la rigidez dieléctrica. Ésta es el

mayor valor de campo eléctrico que puede aplicarse a un

aislante sin que se vuelva conductor. Este fenómeno fue

descubierto hace 200 años por Benjamin Franklin, al observar

que un conductor con una porción puntiaguda en su superficie,

descarga su carga eléctrica a través del aguzamiento y por lo

tanto no se mantiene electrizado.

Actualmente se sabe que esto se produce debido que en

un conductor electrizado tiende a acumular la carga en la región

puntiaguda. La concentración de carga en una región casi plana

es mucho menor que la acumulación de carga eléctrica en un

saliente acentuado. Debido a esta distribución, el campo

eléctrico de las puntas es mucho más intenso que el de las

regiones planas. El valor de la rigidez dieléctrica del aire en la

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[UNMSM]

porción más aguzada será sobrepasado antes que en las otras

regiones, y será por ello que el aire se volverá conductor y por

allí escapará la carga del conductor.

14. Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van de Graff.

1. Generar Rayos-X mediante grandes flujos de energía.

2. Para esterilizar alimentos.

3. Experimentos de física de partículas y física nuclear.

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[UNMSM]

VI. CONCLUSIÓN:

Los electrones se conservan, por lo tanto no se crean ni se

destruyan solo se trasladan.

Los fenómenos de electrización son por frotamiento, por

contacto y por inducción, los cuales alteran el equilibrio de

cargas eléctricas que se encuentran en los cuerpos.

Se comprueba experimentalmente que los cuerpos con cargas

eléctricas de igual signo se repelen mientras que los tiene

cargas de distinto signo se atraen.

La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia,

es por eso que se concluye, que adquieren una carga eléctrica,

que consiste en ceder electrones de un cuerpo, de tal modo que

uno de ellos tenga un exceso de carga y el otro tenga un

déficit de carga.

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[UNMSM]

VII. RECOMENDACIONES :

Tener cuidado al manipular los instrumentos cuando están

cargados ya que puede producir dolor muscular en los dedos al

tocarlos.

Al cambiar de experimento en la máquina de Wimshurst,

descargar el equipo con franela para que la carga de la

máquina disminuya.

Tener cuidado al conectar el tomacorriente el voltaje correcto

porque se podría malograr el equipo.

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