ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 1. GENERADORES DE DIFERENCIA DE POTENCIAL
A. ACTIVIDAD CON EL GENERADOR VAN DE GRAAFF
Se sabe que una de las formas de cargar eléctricamente 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 eléctricamente.
Indagación de ideas
• ¿Cómo podemos detectar el campo eléctrico que genera el Van de Graaf?
• ¿Qué experiencias eléctricas podemos llevar a cabo con este generador?
A continuación se proponen algunas actividades.
Material
• 1 Generador Electrostático Van de Graaff
• 1 Electscopio
• 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?
• 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 juntarlo 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?
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 electrostáticamente 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 podersos 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.
a.Coloca una cartulina o papel entre las dos bolas condensadoras de la máquina de Wimshurts.
¿Qué observas? Explica lo que observas.
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.
ACTIVIDAD C. CONSTRUCCIÓN DE UNA BATERÍA ELÉCTRICA
La primera pila eléctrica fue inventada por Volta estaba formado por celdas de discos de cinc y plata, agrupados por pares, en la que cada par estaba separado por un trapito mojado con ácido sulfúrico y agua. Hay que colocar cada disco alternadamente, de modo que en lo alto de la pila quede un disco de cinc y en la parte inferior uno de plata. Tocando con una mano el disco superior y con la otra el inferior, Volta recibió una ligera descarga. Ello no le sorprendió mucho, pero, en cambio, sí le sorprendió el hecho de que si luego lo volvía a tocar, de nuevo sentía la descarga, de modo que la pila era capaz de dar electricidad durante bastante tiempo.
En esta actividad construiremos una batería formadas con alambres de cobre, papel humedecido y zinc
Material
10 clips10 alambres de cobre del Nº 24UN pedazo de papel higiénico5 ml de coca-cola1 led
Desarrollo
1. construye 10 celdas electrolíticas como se indica a continuación. Primero toma un clip y desenrollarlo hasta que este completamente recto. Envuelve un trozo de papel en el centro del clip, procurando dejar los extremos libres, y sobre de él hay que enredar un trozo de alambre de cobre dejando aproximadamente dos centímetros libres.Humedece el papel con unas gotas de coca-cola.
2. Toma una celda electrolítica y conecta el extremo libre de cobre con el extremo de Zinc de otra celda. Conecta la segunda celda con el extremo libre de cobre con la tercera celda en el extremo libre de Zinc, continua así de manera sucesiva hasta la décima celda.
3. Toma un voltímetro y selecciona la región de diferencia de potencial en corriente directa en el rango de 0 a 20 volt. Conecta el cable de polo negativo del voltímetro a la primera celda en el tramo libre de zinc, y haz contacto con la punta positiva del voltímetro al cobre de la primera celda. Observa el valor de diferencia de potencial en el instrumento y registra el valor en una tabla. Mueve la punta positiva del multímetro a la segunda celda en el alambre de cobre y de igual manera registra su voltaje. Continua así hasta la décima celda. Genera una tabla de dos columnas en donde se relacione el número de celda y el voltaje generado. ¿qué observas?
4. Toma un LED y sujeta las patas con dos alambre con caimanes y coloca el alambre que viene de la pata menor (polo negativo o ánodo) al Zinc de la primera celda y ve haciendo contacto con el otro alambre que sujeta al LED al alambre de cobre de cada celda. Observa en que celda se enciende el LED.
5. Toma evidencias (fotos) de tu procedimiento para que respaldes tu reporte en el blog del equipo.
CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es la diferencia entre una pila y una batería?
Una pila es una celda unitaria de energía que generalmente entrega 1.5 V si se trata de una alcalina o de Zinc-Carbón.
Por otro lado, si juntamos seis de estas celdas en serie tenemos una batería equivalente a 9V (6 x 1.5V = 9V). En otras palabras si juntamos varias pilas en serie o en paralelo, al conjunto obtenido le llamamos Batería.
2. ¿Qué es un acumulador?
un dispositivo creado para guardar una cantidad de energia y estar disponible en cualquier momento
3. ¿Cuál es la diferencia entre una pila seca y una húmeda?
Una batería de pila húmeda trabaja con los mismos principios básicos, usando de un ácido líquido para crear las reacciones electroquímicas y las pilas secas utilizan una pasta de electrolito como el medio ácido entre los polos. Esta pasta contiene suficiente humedad para permitir que la corriente eléctrica fluya libremente
4. ¿Qué es un catión y un anión?
son los polos de las baterias el pocitivo y el negativo por el cual la corriente de las baterias se transmite
5. ¿Qué le sucede a una sustancia cuando se reduce ?
esta sustancia acepta electrones
6. ¿Qué le sucede a una sustancia cuando se oxida?
esta sustancia cede electrones
7. Describe el funcionamiento de una pila de litio.
La primera que se estudió constaba de un ánodo de grafito y un cátodo de óxido de cobalto. El litio aparece intercalado con el grafito, y al aplicar una diferencia de potencial entre el ánodo y el cátodo, el litio se desintercala del grafito, para intercalarse en el óxido de cobalto. Este proceso de intercalación-desintercalación genera una fuerza electromotriz, que es la pila propiamente dicha, una pila de estado sólido (todos sus componentes son sólidos, lo que describe la anterior respuesta es una batería de coche, por ejemplo, que aún llevan ácidos). Luego, aparte, se descubrió que si se aplicaba una intensidad de corriente al sistema, el proceso de intercalado sucedía en sentido contrario, permitiendo regenerar la pila.
8. Consideras que es de alto riesgo tirar pilas a terreno abierto
¿ por qué?
ya que todas y cada una de las baterias cuentan con materiales altamente contaminantes y puede ser extremadamente dañinos para la salud
9. En un arreglo de pilas en serie ¿Qué magnitud física cambia significativamente?
al conectar 4 celdas de alambre de aluminio, papel y refresco
10. En un arreglo de pilas en paralelo ¿Qué magnitud física cambia significativamente?
al conectar en serie 8 celdas
11. ¿Cómo se puede obtener el hidrógeno en forma libre?
El hidrógeno es con mucho el elemento más abundante en
el universo, pero es muy escaso en la
Tierra. En términos de masa, este constituye sólo alrededor del 0.9% de la corteza terrestre, lo que lo coloca muy por abajo en la lista de los elementos abundantes. En términos de número de átomos sin embargo, el hidrógeno es muy abundante.
En una
muestra de corteza terrestre tomada al azar, hay:
5330 átomos de oxígeno por cada 10,000 átomos
1590 átomos de silicio por cada 10, 000 átomos
1510 átomos de hidrógeno por cada 10,000 átomos
La mayor parte del hidrógeno de la Tierra se encuentra combinado con oxígeno, en forma de agua. Casi todos los compuestos derivados de los organismos vivos contienen H. Las
grasas, almidones, azúcares y
proteínas contienen hidrógeno. El
petróleo y el
gas natural también contienen
mezclas de hidrocarburos (compuestos de hidrógeno y
carbono).
12.¿Cómo se almacena el hidrógeno en una célula de combustible?
una célula de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con un rendimiento aproximadamente del 50%. El rendimiento sin embargo depende en gran medida de la corriente que circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, menor el rendimiento. Para una de hidrógeno, el rendimiento (energía real/energía teórica) es igual a la tensión de la celda dividida por 1,23 voltios, a una temperatura de 25 °C. Esta tensión depende del combustible usado, de la calidad y de la temperatura de la célula. Una célula que funcione a 0,6 V tendrá un rendimiento cercano al 50%, lo que significa que el 50% de la energía contenida en el hidrógeno es convertida en energía eléctrica.
13. ¿Cómo funciona una pila de combustible? ¿Cómo se puede obtener la energía eléctrica a partir de la misma? Los dos tipos más utilizados son las pilas de hidrógeno y las pilas de metanol directo. EFOY utiliza la tecnología de metanol directo ya que el metanol es más seguro y más económico que el hidrógeno puro. Para que funcione la pila, una mezcla de metanol y agua es introducida en el ánodo. Se crea un circuito eléctrico que conecta el ánodo y el cátodo. Cuando entra en contacto con el catalizador de platino, el metanol suelta sus electrones que circulan hacia al cátodo. Al mismo tiempo, se desprenden los protones que penetran en la membrana del cátodo. Entonces el oxígeno reacciona con los protones y los electrones formando moléculas de agua destilada. Durante la reacción química, la pila se calienta hasta unos 40ºC, liberando agua en forma de vapor y dióxido de carbono en pequeñas cantidades.
14. Explica que tipo de transformaciones ocurren en una pila de combustible.
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15. Indica los procesos que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo de una pila de combustible.
El ánodo suele ser hidrógeno, amoníaco o hidracina y el cátodo aire u oxígeno.
