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Diseño de un dispositivo electrostático: conductores, semiconductores y aislantes

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Respuesta rápida

Dispositivo con disco, varilla y bola de conductores (acumulan carga), un semiconductor que limita la corriente y base, cubierta y pantalla de aislantes que impiden la descarga hacia el compañero.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 117

Fisica 1° · 2024

Ejercicio 2

(pág. 117)

Enunciado. Dibujo y tomo en cuenta a los conductores, semiconductores y aislantes de manera que pueda aumentar su poder y, a la vez, impedir que uno/a de sus compañeros/as se electrifique.

Esta es una actividad de diseño abierto: no existe una única respuesta correcta, pero sí criterios físicos que el dibujo debe cumplir. A continuación se describe la propuesta de referencia paso a paso.

Paso 1. Definir el objetivo del dispositivo

El "poder" del dispositivo es la capacidad de generar, acumular y producir un efecto eléctrico visible (chispa, atracción de papeles, levantamiento del cabello, etc.). El segundo objetivo es la seguridad: la persona no debe recibir la descarga, es decir, el flujo de carga no debe pasar a través de su cuerpo.

Paso 2. Elegir dónde va cada material (conductores, semiconductores y aislantes)

Conductores (cobre, aluminio, acero): son los que permiten que las cargas se muevan con facilidad. Van en las partes activas del dispositivo: disco generador, cepillo de carga, bola colectora y varillas internas.
Semiconductores (silicio, germanio, materiales tipo fotoresistente): se usan como elementos de control o regulación de la corriente; en el dibujo pueden representarse como un "controlador" que limita la intensidad que llega a la zona de contacto con la persona.
Aislantes (goma, plástico, vidrio, madera, caucho): son los que impiden el paso de la carga. Son la protección: recubren la base, las empuñaduras, los soportes y la barrera perimetral.

Paso 3. Dibujar el dispositivo

El dibujo debe mostrar:

Base de soporte de madera o plástico (aislante), para que la carga no se escape por el suelo.
Generador de carga: un disco que roza una banda de goma (electrización por frotamiento) o una correa de Van de Graaff.
Varilla metálica vertical (conductor) con una bola colectora superior (conductor) en la que se acumula la carga.
Cepillo metálico apoyado en la bola, que recoge las cargas del generador.
Pantalla aislante (cristal o plástico) entre el generador y la zona donde está el compañero, para que la carga no llegue a él.
Cinta de goma alrededor de la bola (aislante) que impide que el toque directo permita la descarga hacia el cuerpo.
Un elemento de semiconductor en serie con la salida, que actúa como limitador de corriente.

Paso 4. Verificar que se cumplen los dos objetivos

Aumentar el poder: los conductores permiten la circulación y acumulación de cargas; al frotar la banda contra el disco, la carga se distribuye sobre toda la bola y el efecto eléctrico se intensifica: $Q$ aumenta, y por tanto el campo $E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{Q}{r^{2}}$ es mayor a la misma distancia.
Evitar la electrificación del compañero: el cuerpo humano es conductor, por eso la carga lo atraviesa y puede causar descarga eléctrica. Los aislantes rompen el camino de conducción (en lugar de $R\approx 0$ tenemos una resistencia muy alta, $R\gg 10^{6}\ \Omega$ ), y el semiconductor limita la intensidad: $I = \frac{\Delta V}{R}$ disminuye, de modo que el efecto sobre la persona es nulo o despreciable.

Paso 5. Reglas de seguridad que deben dibujarse o anotarse

Mantener la distancia de seguridad respecto de la bola colectora.
Nunca tocar la zona metálica con las manos mientras el generador está en funcionamiento.
Usar únicamente tensiones bajas para fines demostrativos.
El compañero debe permanecer fuera del alcance de la zona electrostática activa.

Respuesta orientativa: un generador electrostático (tipo Van de Graaff simplificado o de frotamiento) cuyo disco y bola son conductores, con un semiconductor que limita la corriente y una cubierta, base y pantalla de aislantes, de modo que las cargas se acumulan y producen efecto eléctrico sin que la descarga atraviese el cuerpo de la persona protegida.

Contenido de la página

Actividad 2 — Página 117

Dibujo y tomo en cuenta a los conductores, semi conductores y aislantes de manera que pueda aumentar su poder y, a la vez, impedir que uno/a de sus compañeros/as se electrifique.

La página contiene un marco vacío en el que el estudiante debe dibujar su dispositivo.

Propuesta de diseño

Parte del dispositivo	Material	Función física
Disco generador y banda de frotamiento	Conductor + goma	Generar cargas por frotamiento
Varilla interna y bola colectora	Cobre / aluminio (conductor)	Acumular y distribuir la carga
Cepillo metálico	Conductor	Extraer la carga del generador
Limitador en serie	Semiconductor	Reducir la intensidad que llega a la salida
Base, cubierta y pantalla	Plástico, madera o vidrio (aislante)	Bloquear el paso de la carga al cuerpo humano

Al frotar la banda sobre el disco, las cargas se transfieren y se acumulan en la bola; el campo eléctrico exterior aumenta con $Q$ en la expresión $E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{Q}{r^{2}}$ . Los aislantes impiden que esa carga llegue a la persona: la resistencia del camino es muy alta, $R\gg 10^{6}\ \Omega$ , y como $I = \frac{\Delta V}{R}$ , la corriente que atravesaría el cuerpo es prácticamente nula, por lo que no hay electrificación.

Tabla

Material	Ejemplos	Función en el dispositivo	Efecto eléctrico
Conductor	Cobre, aluminio, acero	Disco, varilla, bola colectora	Permite la circulación y acumulación de cargas
Semiconductor	Silicio, germanio	Limitador en serie	Controla la intensidad de la corriente
Aislante	Madera, plástico, vidrio, goma	Base, cubierta y pantalla	Bloquea el paso de la carga al cuerpo humano

Diagrama

flowchart LR
  A[Banda de frotamiento\n(conductor + goma)] -->|roza| B[Disco generador\n(conductor)]
  B --> C[Varilla metálica\n(conductor)]
  C --> D[Bola colectora\n(conductor, acumula Q)]
  D --> E[Semiconductor\nlimitador de corriente]
  E -->|corriente limitada| F[Pantalla aislante\n(plástico / vidrio)]
  F -.->|camino bloqueado| G[Cuerpo de la persona\n(aislado, no se electrifica)]
  H[Base y cubierta\naislantes] --- D

Fórmulas y ecuaciones

Campo eléctrico de una carga puntual: $E = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}\cdot\frac{Q}{r^{2}}$

Ley de Ohm: $I = \frac{\Delta V}{R}$

E = $\frac{1}{4\pi\varepsilon_0}@@MATH_0@@\frac{Q}{r^{2}}$

I = $\frac{\Delta V}{R}$

$R_{$ $\text{aislante}$ } $\gg$ $10^{6}\$ $\Omega$

$\Delta$ V = $I\cdot$ R

Glosario (5)

Conductor: Material que permite el libre flujo de los portadores de carga (electrones); permite la acumulación y el transporte de carga eléctrica.
Semiconductor: Material cuya conductividad es intermedia y puede controlarse; se usa para regular la intensidad de una corriente eléctrica.
Aislante (dieléctrico): Material con altísima resistencia que impide el paso de la corriente eléctrica y actúa como protección.
Electrificación: Proceso por el cual un cuerpo adquiere carga eléctrica neta, pudiendo producir una descarga al contacto.
Bola colectora: Superficie metálica esférica donde se acumulan las cargas en un generador electrostático.

Preguntas para practicar

¿Por qué el cuerpo humano es vulnerable a una descarga electrostática?

El cuerpo humano conduce la electricidad porque contiene agua con sales disueltas; si se forma un camino conductor hacia él, la carga fluye a través de él y puede producir una descarga, una quemadura o una contracción muscular, aunque la corriente sea pequeña.

¿Qué papel cumple el semiconductor dentro de un dispositivo electrostático?

Actúa como regulador: su conductividad intermedia y dependiente de condiciones permite limitar la intensidad que fluye hacia la salida, de modo que el efecto sobre la persona protegida sea despreciable usando la ley de Ohm.

Investigo: ¿cómo funciona un generador Van de Graaff y por qué acumula cargas en su esfera exterior?

Utiliza una banda aislante que arrastra cargas desde un cepillo cargado hasta una esfera colectora metálica; como la esfera es conductora y está aislada del suelo, las cargas se reparten en su superficie exterior y, al ser la esfera convexa, se acumulan en ella, elevando su potencial y generando un campo eléctrico apreciable.

Temas y conceptos clave

Diseño de un dispositivo electrostáticoClasificación de materiales: conductores, semiconductores y aislantesSeguridad frente a descargas eléctricasconductorsemiconductoraislanteacumulación de cargascampo eléctricoresistencia eléctricalímite de corrienteelectrificación de una persona

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Preguntas que la gente también hace

¿Por qué un material aislante impide que una persona se electrifique?

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¿Qué papel cumple el semiconductor en un dispositivo electrostático?

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¿Cómo se puede aumentar la carga acumulada en un generador Van de Graaff?

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📌 Antes de leer esto

• Electrización por frotamiento y por contacto
• Conductores y aislantes: definición y comportamiento de los portadores de carga
• Campo eléctrico generado por una carga puntual
• Ohm's law y la noción de resistencia

Siguiente tema sugerido

Energía y potencia eléctrica; uso responsable y seguro de la electricidad en el hogar.

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Dibujo y tomo en cuenta a los conductores, semi conductores y aislantes de manera que pueda aumentar su poder y, a la vez, impedir que uno/a de sus compañeros/as se electrifique.

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