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Fisica 2° · 2024
Libro de Física 2 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

122/274

Investigo y respondo: cadena de descarga y generador de Van de Graaff

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 2° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

c) La cadena metálica descarga a tierra la electricidad estática que genera el rozamiento del combustible en el tanque, evitando chispas que incendiarían los vapores.

d) Es una esfera metálica hueca sobre una columna aislante que, mediante una cinta de goma en movimiento que transporta carga, acumula un potencial eléctrico muy alto en su superficie (hasta millones de voltios).

📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 4 min lectura

Solución — Página 122

Fisica 2° · 2024

c
Ejercicio c

¿Por qué algunos camiones que transportan productos inflamables arrastran una cadena?

  1. El combustible en movimiento se frota contra las paredes del tanque y contra la salida de gasolina al llenar el depósito. Al producirse rozamiento entre materiales distintos, uno de ellos gana electrones y el otro los pierde: es la electrización por contacto o efecto triboeléctrico.
  2. Como el tanque está aislado (el chasis descansa sobre ruedas de caucho y suspensión), la carga eléctrica no se descarga y se acumula en el metal del camión, formando una carga estática. Se puede llegar a potenciales de miles de voltios entre el tanque y tierra.
  3. La cadena metálica colgada desde el chasis hasta el pavimento actúa como un conductor eléctrico continuamente en contacto con tierra (tierra física: el suelo). La carga acumulada fluye por la cadena hacia el suelo, que actúa como un enorme reservorio de carga.
  4. Así el camión se mantiene prácticamente en el potencial cero de tierra (V \approx 0), evitando que se forme un campo eléctrico suficiente como para provocar una chispa entre el tanque y el suelo o entre el chorro de gasolina y la boquilla.
  5. Como los vapores de gasolina y otros productos inflamables están en el rango de ignición, una única chispa bastaría para provocar un incendio o una explosión. La cadena es, por tanto, una medida de seguridad contra la descarga de electricidad estática, equivalente a lo que se hace al encender un mechero (poner a los dos conductores al mismo potencial antes de juntarlos).
Respuesta

Porque el rozamiento del combustible contra el tanque produce electricidad estática que se acumula en el camión; la cadena metálica conecta el chasis con el suelo y permite descargar esa carga a tierra, evitando chispas que podrían incendiar los vapores inflamables.

d
Ejercicio d

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

  1. Es un dispositivo diseñado para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en una superficie exterior, generando potenciales muy altos (de millones de voltios).
  2. Está compuesto por una esfera metálica hueca (el colector) apoyada sobre una columna aislante (de vidrio, ácido acrílico o similar), de modo que la carga no pueda escapar al suelo.
  3. En el interior, una cinta de goma o de material sintético se mantiene en movimiento, corriendo entre un rodillo inferior y otro rodillo superior, a través de la columna aislante.
  4. El rodillo inferior está en contacto con un peine o cepillo de metal conectado a la fuente de tensión (o por efecto triboeléctrico si se frotan materiales distintos). El rozamiento hace que la goma cargue su superficie, transportando la carga hacia arriba.
  5. Otro peine superior situado dentro de la esfera capta esas cargas por la acción del campo eléctrico que genera la propia esfera: como la carga se acumula en el exterior, el peine interno las "inyecta" en la esfera y desde allí se reparten sobre la superficie exterior.
  6. Carga y carga: la esfera se mantiene positiva y se eleva su potencial, hasta que el aire alrededor se ioniza y se produce una chispa o arco eléctrico entre la esfera y tierra. Ese fenómeno se puede observar y medir.
  7. Los generadores de Van de Graaff se emplean como aceleradores de partículas para estudiar la estructura del átomo, para producir rayos X, en la enseñanza de la electricidad estática y en algunos procesos industriales (recubrimientos electrostáticos).
Respuesta

Consiste en una esfera metálica hueca sobre una columna aislante, dentro de la cual una cinta de goma, movida por rodillos y cargada por efecto triboeléctrico, transporta carga hacia la esfera; al acumularse en la superficie exterior alcanza un potencial enorme, llegando a producir chispas y utilizándose como acelerador de partículas.

Contenido de la página

Texto de Física — pág. 122

c) Investigo y respondo

¿Por qué algunos camiones que transportan productos inflamables arrastran una cadena?

El combustible que fluye por el tanque se frota contra sus paredes; al producirse rozamiento entre materiales distintos, uno de los cuerpos gana electrones y otro los pierde. Como el camión está aislado del suelo (ruedas de caucho, suspensión), la carga eléctrica que se genera se acumula en el tanque y el chasis: es la electricidad estática. La cadena metálica que arrastra el vehículo conecta el chasis con el pavimento y funciona como un conductor a tierra, de modo que la carga fluye continuamente al suelo y el camión se mantiene al mismo potencial que la tierra. Al no existir diferencia de potencial entre el tanque y el suelo, no se producen chispas, con lo que se evita que un arco eléctrico incendie o haga explotar los vapores inflamables del producto transportado.

d) Investigo y respondo

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

Es un dispositivo que acumula grandes cantidades de carga eléctrica en la superficie exterior de una esfera metálica hueca, sostenida sobre una columna aislante. En su interior, una cinta de goma se mantiene en movimiento entre un rodillo inferior y otro superior; el rozamiento (efecto triboeléctrico) y un peine metálico cargan la cinta, que transporta la carga hacia arriba. Otro peine situado dentro de la esfera, influido por el campo eléctrico generado por la propia esfera, transfiere esas cargas a su superficie exterior. La carga se acumula en el exterior, de modo que el potencial puede alcanzar millones de voltios hasta provocar una chispa con el aire. Se emplea como acelerador de partículas para estudiar el átomo, para producir rayos X y como demostrador de fenómenos de la electricidad estática.

Idea clave

El rozamiento entre materiales distintos produce electrización por contacto; si el cuerpo no está conectado a tierra, la carga se acumula y puede provocar chispas peligrosas.

Ejemplos resueltos

Un camión tiene carga total Q = 1 \times 10^{-5} \, \text{C} distribuida en una esfera de radio equivalente R = 1 \, \text{m}. ¿A qué potencial queda respecto de tierra si se conecta a ella con su cadena metálica?

  1. Potencial inicial de la esfera respecto de tierra: V = \frac{k\,Q}{R} = \frac{(9 \times 10^{9} \, \text{N} \cdot \text{m}^{2}/\text{C}^{2})(1 \times 10^{-5} \, \text{C})}{1 \, \text{m}} = 9 \times 10^{4} \, \text{V}.
  2. Al conectarse a tierra mediante la cadena, la carga fluye al suelo.
  3. El potencial final es V_f = 0.

Respuesta: V_f = 0 \, \text{V} (la descarga elimina el riesgo de chispa).

Tabla

Elemento Función en el generador de Van de Graaff
Esfera metálica hueca Acumula la carga en su superficie exterior
Columna aislante Impide que la carga se descargue al suelo
Cinta de goma Transporta la carga desde abajo hasta la esfera
Rodillos (superior e inferior) Mantienen la cinta en movimiento
Peines metálicos Entregan y extraen la carga de la cinta mediante el campo eléctrico

Diagrama

flowchart LR
  A[Camión cargado de combustible] -->|rozamiento| B[Electricidad estática]
  B --> C[Cadena metálica]
  C -->|descarga| D[Tierra / suelo]
  D -->|V = 0| E[Sin chispas ni incendio]

Fórmulas y ecuaciones

Potencial en la superficie de un conductor esférico: V = \frac{k \, Q}{R}

Energía asociada a una carga: U = q \, V

F_{el} = k \cdot \frac{|q_1 \, q_2|}{r^{2}}

V = \frac{k \, Q}{R}

U = q \, V

Glosario (7)

Electricidad estática
Carga eléctrica que permanece inmóvil en la superficie de un cuerpo, acumulada por rozamiento o contacto entre materiales distintos.
Electrización por contacto (trihoeléctrico)
Proceso por el que, al frotarse dos materiales, uno gana electrones y el otro los pierde, quedando cargados con signos opuestos.
Descarga a tierra
Conexión de un cuerpo cargado con el suelo mediante un conductor, de modo que la carga fluye hacia la tierra y el cuerpo queda descargado.
Tierra física
Conexión de un circuito o equipo con el suelo, que actúa como un enorme reservorio de carga y mantiene el potencial cero.
Generador de Van de Graaff
Dispositivo que acumula carga eléctrica en la superficie de una esfera metálica aislada, alcanzando potenciales muy elevados.
Peine colector
Conductor en forma de peine metálico que capta o entrega carga eléctrica a la esfera del generador de Van de Graaff.
Chispa eléctrica
Descarga brusca de electricidad a través del aire que ocurre cuando la diferencia de potencial entre dos puntos supera el umbral de ruptura del aire.

Preguntas para practicar

¿Por qué algunos camiones que transportan productos inflamables arrastran una cadena?

El rozamiento del combustible con el tanque produce carga estática que se acumula en el camión aislado; la cadena metálica conecta el chasis con el suelo y descarga esa carga a tierra, manteniendo el camión a potencial cero para evitar chispas que incendiarían los vapores.

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

Es una esfera metálica hueca sobre una columna aislante; una cinta de goma en movimiento, cargada por rozamiento y con ayuda de peines metálicos, transporta carga hacia la esfera, donde se acumula en la superficie exterior alcanzando potenciales muy altos que permiten producir chispas y acelerar partículas.

Temas y conceptos clave

Electricidad estáticaElectrización por contacto (efecto triboeléctrico)Descarga a tierra y seguridad contra chispasGenerador de Van de Graaff y sus aplicacionesCarga estáticaConductorAislanteTierra (tierra física)Potencial eléctricoCinta transportadora de cargaPeine colectorChispa o arco eléctrico

Fuentes y referencias

  • Conceitoeletrico - Van de Graaff: https://www.conceitoeletrico.com.br/maquinas/van-de-graaff/
  • Mundo elctricidad - Van de Graaff (Wikipedia/es): https://es.wikipedia.org/wiki/Generador_de_Van_de_Graaff
  • Elctrica-40 - Esttica: https://electrica40.es/2023/05/30/electricidad-estatica/
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Preguntas que la gente también hace

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📌 Antes de leer esto
  • • Conocer la carga eléctrica, los signos positivo y negativo
  • • Entender que los materiales conductores permiten el paso de la carga
  • • Sabes que los cuerpos aislados no permiten el flujo de carga
  • • Conocer el efecto triboeléctrico (electrización por contacto)
  • • Diferenciar conductores y aislantes
Siguiente tema sugerido
Aplicaciones y experimentos con electricidad estática: campos eléctricos, fuerza de Coulomb y electroskopio.
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c) Investigo y respondo ¿por qué algunos camiones que transportan productos inflamables arrastran una cadena?

Texto de Física \ 45,

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