A. ACTIVIDAD CON EL GENERADOR VAN DE GRAAFF
Se sabe que una de las formas de cargar eléctrica mente un cuerpo es mediante la fricción con otro. Basándose en esta característica se construyó la máquina electrostática de Wimshurst, que fue muy utilizada en las escuelas durante muchos años y con la cual se podían alcanzar voltajes altos. Sin embargo, la investigación requería de generar voltajes aún más grandes y de forma continua. Esto llevó al desarrollo de un generador de carga eléctrica por el físico Robert Jamison Van de Graaff en 1931. Este generador consiste en una banda elástica ancha colocada entre dos poleas, que se mueve mediante un motor eléctrico. En cada uno de los extremos de la banda están dos escobillas metálicas, una de ellas está conectada a tierra y la otra a una esfera metálica, de manera que, conforme la banda se mueve la esfera se carga eléctrica mente.
Indagación de ideas
• ¿Cómo podemos detectar el campo eléctrico que genera el Van de Graaf?
R=Tal vez con un montón de papelitos colocados alrededor del dispositivo
• ¿Qué experiencias eléctricas podemos llevar a cabo con este generador?
A continuación se proponen algunas actividades.
Material
• 1 Generador Electrostático Van de Graaff
• 1 Electroscopio
• Globos inflados
• Hilo nylon
Procedimiento
• Pon a funcionar el Van de Graaff durante unos segundos, en seguida acerca el electroscopio a la esfera del generador y observa lo que sucede con la aguja del electroscopio. Ver la figura 3.1.
• Observa cuidadosamente lo que sucede con la aguja del electroscopio. ¿Notas alguna relación entre la aguja del electroscopio con la distancia entre éste y la esfera del Van de
Graaff?
R=Se nota que esta cambiando el peso sobre la aguja
• Aleja el electroscopio de la esfera del Van de Graaff y observa lo que pasa con la aguja. ¿Notas hasta qué distancia la aguja deja de moverse?
• Con cuidado acerca el electroscopio hasta tocar la esfera del Van de Graaff (esto lo debes hacer tomando el electroscopio por la base para no recibir una descarga eléctrica). ¿Qué ocurre?
• Ata un hilo a los globos para que puedas colgarlos. Acerca uno de los globos a la esfera del Van de Graaff. Ahora aléjate del generador e intenta juntar los globos. ¿Qué sucede con el globo después de juntar lo con la esfera?
• Después de haber puesto en contacto el globo con la esfera del generador, une el globo al electroscopio, ¿notas alguna reacción en la aguja del electroscopio?
Figura 3.1. Esquema de la inducción eléctrica
que genera el Van de Graaff en el electroscopio
ANTES DE CONTINUAR
Podrás darte cuenta que cuando acercas el electroscopio al Van de Graaff, o se te pide que lo acerques en una dirección determinada, de manera que lo puedes
hacer de arriba hacia abajo, de izquierda a derecha o en la dirección que elijas. Esto lleva a pensar que la interacción entre los dos objetos es de carácter radial, es decir, la interacción se presenta en todas direcciones.
Seguramente habrás notado que la aguja del electroscopio se desplaza más entre más cercano esté con la esfera del Van de Graaff, de manera que la interacción entre el electroscopio y la esfera es mayor cuando la distancia entre ellos es menor. Al poner en contacto el globo con la esfera, observarás que el globo trata
de alejarse de la esfera, es de suponer que el globo adquiere esa propiedad
que posee la esfera, en otras palabras, parte de la “carga eléctrica” de
la esfera se trasfiere al globo, ambos cuerpos poseen entonces la misma
carga eléctrica.
Otro de los fenómenos que seguramente notaste fue que, cuando pusiste
en contacto el globo cargado electrostáticamente con el electroscopio, la
aguja de éste se mantuvo desplazada aún cuando el globo fue despegado
del electroscopio. ¿Qué indica eso?
Análisis de resultados
Lo observado con el electroscopio
Describe lo que hiciste y observaste cuando usaste el electroscopio. ¿Qué le ocurre al electroscopio cuando lo acercas y alejas de la esfera del Van de Graaff? ¿Existe alguna relación entre la abertura de la aguja con la distancia al generador?
¿Qué otra relación conoces que se comporte de esa manera?
Después de que el electroscopio hace contacto con la esfera del generador
¿Qué le sucede a la aguja del electroscopio cuando éste lo acercas o alejas
del generador?
Lo observado con los globos
• ¿Qué les sucedió a los globos después de que tocaron la esfera del Van de Graaff?
• ¿Qué le paso al electroscopio cuando lo acercaste al globo?
• ¿Qué ocurre entre los globos?
• ¿Cómo explicas lo que pasa con los globos?
R= El resultado es dado por las cargas de los globos ya que poseen cargar negativa y la esfera posee carga negativa.
R= El resultado es dado por las cargas de los globos ya que poseen cargar negativa y la esfera posee carga negativa.
De lo observado en las actividades anteriores, se puede advertir que existe una relación inversa entre la interacción entre los objetos cargados y la distancia entre ellos.
A la región de espacio en torno a un objeto cargado electrostática mente donde se pone de manifiesto los efectos de esté objeto, se le denomina Campo Eléctrico.
El electroscopio es entonces un aparato que sirve para detectar la presencia de cargas electrostáticas y de cómo éstas se distribuyen en una región del espacio.
Aplicaciones
Existen generadores Van de Graaff de una gran capacidad de carga que permiten generar voltajes muy altos de varios miles de voltios. Su primera aplicación en la investigación fue la de acelerar partículas y de esta manera poder hacer estudios sobre la naturaleza de la materia, al hacer chocar partículas que viajan a gran velocidad. En la actualidad se emplean otros mecanismos mucho más poderosos donde las partículas subatómicas se aceleran a velocidades muy grandes, lo que ha permitido conocer la estructura de la materia.
Sin embargo, el Van de Graaff se utiliza en la actualidad para hacer demostraciones en museos de ciencia y en los laboratorios escolares. Una de las experiencias favoritas de los museos es levantar los cabellos de las chicas cuando tocan el generador. ¿Cómo debe tocarse el generado para que se levanten los cabellos pero no se den toques? ¿Qué condiciones deben cumplirse para que la carga del generador no vaya a tierra teniendo como conductor a la persona que lo toca?
Hay muchas demostraciones interesantes con un generado Van de Graaff. Encuentra en Internet al menos tres que te parezcan muy interesantes Puedes llevarlas a cabo en tu laboratorio.
B. Experiencias con la máquina de wimshurst
Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. 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 90º, comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. 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 de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. No es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por eso algunas máquinas incorporan un trocito de piel que tiene un mínimo de carga de manera que la máquina arrancará siempre con la misma polaridad. Hay cuatro funciones iguales que se realizan, dos en cada disco. Se puede decir que tenemos cuatro electróforos, dos positivos y dos negativos. Al aproximarse la partes positivas y neutras de los discos produce el efecto de electróforo. La corriente estática se almacena en botellas de Leyden.
Imágenes del procedimiento realizado
Experiencias.
a.Coloca una cartulina o papel entre las dos bolas condensadoras de la máquina de W.
¿Qué observas? Explica lo que observas.
R=Como la cartulina es delgada y de un material fino y conductor el destello de la carga traspasa la cartulina.
b. Coloca dos velas encendidas muy cerca de cada una de las dos bolitas en que termina el excitador de la máquina.
Explica lo que observas y trata de predecir la polaridad de las bolitas de la máquina.
c. Coloca un foco de neón cerca de las terminales de la máquina ¿Qué observas? ¿Explica el fenómeno que se presenta?
d. Usa los distintos electrodos del Kit de campo eléctrico con la máquina de wimshurst y saca fotos de las lineas de campo que se generan con las semillas en aceite.
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