Exploración de Fenómenos Electrostáticos: Carga Eléctrica y Máquina de Wimshurst en Laboratorio

Introducción a la Electrostática Experimental

Guía de Laboratorio 1: Fundamentos y Aplicaciones

Objetivos del Taller:

• Cargar un cuerpo o material inicialmente neutro mediante distintos métodos, indicando en cada caso el tipo de carga adquirida.
• Utilizar un generador de alta tensión (máquina de Wimshurst) para realizar experimentos demostrativos de electrostática.

Cuestionario y Observaciones Experimentales

1. Descripción de la interacción entre varillas cargadas:

Describa lo que observa al frotar una varilla de plástico con piel y acercarla a una varilla cargada que ha sido frotada con seda y está ubicada en un soporte.

Respuesta: La varilla del soporte (varilla frotada con seda) es atraída por la varilla de plástico frotada con piel, lo que indica la presencia de cargas de signos opuestos.

2. Interacción con varilla de vidrio:

¿Qué sucederá si se cambia la varilla de plástico por una de vidrio?

Respuesta: Se observará una repulsión, lo que sugiere que ambas varillas poseen cargas del mismo signo.

3. Interacción con diversos materiales:

Explique lo que observa al cargar una varilla de plástico y acercarla a distintos materiales (esferitas de aluminio, trocitos de papel y motitas de algodón).

Respuesta:

• Varilla plástica con piel + papelitos: Se atraen inicialmente, igualan su carga por contacto, luego se repelen y, finalmente, los papelitos vuelven a su estado neutro.
• Varilla + esferitas de aluminio: Las esferitas son atraídas por la varilla, pero con una fuerza de atracción menor en comparación con los papelitos.

4. Carga por contacto de un electroscopio y descarga:

Describa lo que observa al cargar por contacto un electroscopio neutro y posteriormente tocarlo con la mano.

Respuesta: Al tocar la parte superior del electroscopio con un cuerpo cargado, las cargas fluyen a través del electroscopio, y este se carga con cargas del mismo signo que el cuerpo cargado. Posteriormente, al tocar el electroscopio con la mano, este se descarga, ya que nuestro cuerpo actúa como una conexión a tierra (puesta a tierra), permitiendo que las cargas se neutralicen.

5. Carga de un electroscopio por inducción:

Cargue un electroscopio por inducción y explique las etapas del proceso.

Respuesta: El proceso de carga de un electroscopio por inducción consta de las siguientes etapas:

1. Se acerca un cuerpo cargado (por ejemplo, una varilla frotada con piel) al electroscopio, sin que haya contacto físico. Esto provoca una separación de cargas en el electroscopio.
2. Manteniendo la varilla cargada en su posición, se conecta el electroscopio a tierra (por ejemplo, tocando la parte superior con un dedo). Las cargas del mismo signo que la varilla se repelen y fluyen hacia tierra.
3. Finalmente, se retira primero la conexión a tierra y luego la varilla cargada.

Es importante destacar que la varilla cargada no toca el electroscopio en ningún momento. Como resultado, el electroscopio quedará cargado con una carga de signo opuesto al de la varilla cargada utilizada en el proceso.

Funcionamiento de la Máquina de Wimshurst

6. Explicación del generador electrostático (Máquina de Wimshurst):

Explique el funcionamiento del generador electrostático (Máquina de Wimshurst).

Respuesta: En una máquina de Wimshurst, dos discos de aislamiento, provistos de sectores metálicos, giran en direcciones opuestas. Estos discos pasan por barras neutralizadoras cruzadas de metal y sus respectivos pinceles. Este movimiento induce un desequilibrio de cargas que es amplificado y almacenado por dos pares de peines metálicos, cuyos puntos se sitúan cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y se conectan a una terminal de salida.

La retroalimentación positiva inherente al diseño aumenta la acumulación de cargas de forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire se supera, generando una chispa. La energía de la chispa acumulada puede incrementarse significativamente mediante la adición de un par de botellas de Leyden (un tipo de condensador adecuado para alta tensión). En esta configuración, las placas interiores de los frascos se conectan de forma independiente a cada una de las terminales de salida, mientras que las placas exteriores se conectan entre sí.

Experimentos Demostrativos de Electrostática

7. Descripción y fundamentación de experimentos demostrativos:

Describa lo que observa y fundamente su respuesta para los siguientes experimentos demostrativos de electrostática:

1. Péndulo doble
2. Molinete (descarga superior)
3. Detector de tiras de papel
4. “Baile eléctrico”
5. Tabla de destello
6. Carillón eléctrico

(Nota del profesor: Las descripciones y fundamentos para cada uno de estos experimentos demostrativos se esperan como parte de la respuesta a esta pregunta. Se recomienda detallar las observaciones y explicar los principios electrostáticos subyacentes en cada caso.)