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Aplicaciones de la carga eléctrica: camiones con cadena y generador de Van de Graaff

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español

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Respuesta rápida

c) La cadena conecta el camión con el suelo y disipa la carga estática que se acumula por roce, evitando chispas que podrían incendiar los productos inflamables. d) Es un generador que acumula carga eléctrica en una esfera metálica hueca mediante una banda aislante en movimiento y cepillos metálicos, logrando millones de voltios.

📚 exercise fisica ⭐⭐ Dificultad 2/5 ⏱ 3 min lectura

Solución — Página 122

Fisica 3° · 2024

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Ejercicio 121

c

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

Al moverse, el camión por roce con el aire y el pavimento acumula carga eléctrica estática en su carrocería (efecto triboeléctrico: fricción entre superfiedades).
La carga estática acumulada puede generar una chispa (descarga eléctrica) si la diferencia de potencial entre el camión y el ambiente supera el valor de ruptura del aire ( $\approx 3 \times 10^{6} \, \text{V/m}$ ).
En un vehículo que transporta combustibles inflamables (gasolina, diésel, queroseno), esa chispa podría encender los vapores y provocar un incendio o explosión.
La cadena metálica, que arrastra por el suelo, pone en contacto eléctrico la carrocería con la tierra: los electrones libres fluyen desde el camión hacia el suelo y la carga se "pierde" (el camión queda descargado).
Además, el contacto continuo con el suelo hace que cualquier carga que se acumule se disipe en el instante en que se forma, evitando diferencias de potencial peligrosas.

Respuesta

La cadena conecta eléctricamente el camión con el suelo y permite que la carga estática que se acumula por roce fluya hacia la tierra, evitando chispas que podrían incendiar los productos inflamables que transporta.

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Ejercicio 121

d

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

Es un dispositivo capaz de producir y acumular altas diferencias de potencial eléctctricas (del orden de millones de voltios) sobre una esfera metálica hueca.
Funciona gracias al principio de que la carga eléctrica se acumula en la superficie exterior de un conductor; por eso se usa una esfera hueca de aluminio u otro metal.
Partes principales: (a) un motor eléctrico que mueve una cinta o banda aislante (de caucho o tela); (b) un rodillo metálico inferior (frotador o cepillo metálico) que transfiere carga a la banda; (c) un rodillo superior que retira la carga; (d) la esfera metálica hueca receptora; (e) un soporte aislante (columna de PVC o vidrio) que impide la fuga de carga.
Funcionamiento: los cepillos metálicos inferior y superior arrancan electrones a la banda por efecto triboeléctrico. La banda, que actúa como aislante, arrastra esa carga hacia arriba. Al llegar al rodillo superior, los cepillos transfieren la carga a la esfera, que la expulsa hacia su superficie exterior por repulsión (toda la carga vive afuera).
Repitiendo el ciclo, la carga se acumula progresivamente y el potencial de la esfera aumenta hasta que el aire se ioniza y se produce una descarga chispa a tierra o al ambiente.
Aplicaciones: generadores de rayos X para investigación, aceleradores de partículas, demostraciones educativas (como hacer erizar el cabello o levantar papelitos).

Respuesta

El generador de Van de Graaff es un equipo que, mediante una banda aislante en movimiento que arrastra carga por fricción y la transfiere por cepillos metálicos, acumula electricidad sobre una esfera metálica hueca, generando diferencias de potencial muy altas (de millones de voltios).

Contenido de la página

c) Investigo y respondo

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

[Espacio de respuesta para el estudiante]

d) Investigo y respondo

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

[Espacio de respuesta para el estudiante]

Texto de Física — página 121

Ejemplos resueltos

Un camión de gasolina se acumula una carga estática de $Q = 1 \times 10^{-6} \, \text{C}$ y tiene capacitancia $C = 1 \times 10^{-10} \, \text{F}$ respecto al suelo. ¿Qué potencial alcanza la carrocería?

Se usa la relación entre carga, capacitancia y potencial: $Q = C \cdot V$ .
Se despeja $V$ : $V = \dfrac{Q}{C}$ .
Se sustituyen los valores: $V = \dfrac{1 \times 10^{-6} \, \text{C}}{1 \times 10^{-10} \, \text{F}} = 10^{4} \, \text{V}$ .
Este potencial, en presencia de vapores y un campo que supere $3 \times 10^{6} \, \text{V/m}$ en alguna región estrecha, es suficiente para provocar una chispa.

Respuesta: $V = 10^{4} \, \text{V}$ , es decir, $10 \, \text{kV}$ de potencial en la carrocería, motivo por el cual la cadena de conexión a tierra es necesaria.

Diagramas (2)

flowchart TB
    subgraph VanGraaff[Generador de Van de Graaff]
      M[Motor] --> B[Banda aislante en movimiento]
      B --> C1[Cepillo inferior: transfiere carga]
      C1 --> B
      B --> C2[Cepillo superior: retira carga]
      C2 --> S[Esfera metálica hueca: acumula Q]
      S -.repulsión de carga.-> S
      S --> D[Descarga chispa al aire]
    end
    SG[Suelo / tierra] -.conexión.-> SG

flowchart LR
    Camion[Camión con inflamables] ---|cadena metálica| Suelo[Tierra]
    Camion -.carga estática Q por fricción.-> Chispa[Chispa peligrosa]
    Suelo -->|disipa Q| Carga0[Q va a cero]
    Chispa -.evitada por la cadena.-> X[incendio evitado]

Fórmulas y ecuaciones

$E_{$ $\text{ruptura del aire}$ } $\approx$ 3 $\times$ $10^{6}$ $\$ , $\text{V/m}$

$V_{$ $\text{Van de Graaff}$ } $\sim$ $10^{6}$ $\$ , $\text{V}$

Q = C $\cdot$ V

Glosario (5)

Carga estática: Acumulación de carga eléctrica en un cuerpo en reposo, generalmente por fricción entre materiales.
Efecto triboeléctrico: Transferencia de electrones entre dos materiales al frotarse o al separarse.
Generador de Van de Graaff: Dispositivo que acumula grandes cantidades de carga sobre una esfera metálica hueca para producir altísimas diferencias de potencial.
Descarga eléctrica: Flujo repentino de carga entre dos cuerpos con diferente potencial, a menudo acompañado de una chispa.
Aislante: Material que dificulta el paso de la carga eléctrica, como el caucho, el vidrio o el PVC.

Preguntas para practicar

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

Porque el roce del camión con el aire y el suelo acumula carga estática en su carrocería; esa carga puede originar chispas que enciendan los vapores inflamables. La cadena metálica conecta eléctricamente el camión con la tierra, de modo que la carga fluye hacia el suelo y no se acumula, eliminando el riesgo de descargas.

¿En qué consiste el generador de Van de Graaff?

Es un generador que produce diferencia de potencial muy alta (millones de voltios) sobre una esfera metálica hueca. Un motor mueve una banda aislante que, mediante cepillos metálicos, arrastra carga por fricción desde abajo hasta la esfera, donde la carga se acumula en la superficie exterior; una columna aislante impide que se escape.

Temas y conceptos clave

Carga estáticaDescargas eléctricas peligrosasGenerador de Van de GraaffAplicaciones prácticas de la electricidadcarga estáticaefecto triboeléctricodescarga eléctricaconductoraislantepotencial eléctricoVan de Graaffseguridad en transporte de inflamables