Cargas Electrostatica

Agosto 17, 2009

Departamento de Física

Código: Fis 1033-03 Laboratorio de Física Eléctrica

©Ciencias Básicas Universidad

del Norte - Colombia

CARGAS ELECTROSTATICA Alida Marimon Email: [email protected] Ingeniería mecánica

Jonathan Figueroa Oñate E-mail: [email protected] Ingeniería mecánica

Resumen Esta experiencia, realizada en el laboratorio, fue hecha con el propósito de verificar de manera experimental los distintos modos de cargar un cuerpo. Para llevar a cabo cada uno de estos procesos, se utilizaron implementos que ayudan a medir las cargas presentes en cada cuerpo, estas mediciones eran graficadas por el programa (DataStudio), para dar una mejor conclusión de los fenómenos que se estaban presentando en dicha práctica

Abstract This experiment, conducted in the laboratory, was made to verify experimentally the various ways to charge a body. To perform each one of these processes, we used tools that help to measure the current charges in each body, these measurements were plotted by the software (DataStudio), to give a better conclusion of the phenomena that were present in that practice.

Introducción La electroestática está llevada de la mano con las acciones y reacciones de los cuerpos cargados eléctricamente. Un ejemplo de electroestática lo observamos cuando estamos dentro de un automóvil: al deslizarnos por el asiento los

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electrones del tapizado son extraídos de él y acumulados en nuestro cuerpo; cuando salimos del vehículo y tocamos alguna de sus partes metálicas, los electrones que haya en exceso en nuestro cuerpo circularán hacia el metal con objeto de que las cargas se nivelen, produciéndose un chasquido, e incluso en ocasiones un ligero choque eléctrico

Un cuerpo está cargado cuando tiene más o menos del número normal de electrones. Puede estar cargado positiva o negativamente. Un cuerpo cargado positivamente es aquel de cuyos átomos se han extraído algunos electrones, y por lo tanto tiene deficiencia de ellos o bien exceso de protones. Un cuerpo cargado negativamente, es aquel que tiene mayor número de electrones que el normal en cada átomo, esto es, que tiene más electrones que protones. Un cuerpo en el cual hay el mismo número de electrones (cargas negativas) que protones (cargas positivas) es un cuerpo descargado o neutro. En esta práctica evaluaremos las diferentes formas de cargar un cuerpo mirando los diferentes métodos que ayudan al estudio de la carga en sí, y como estos fenómenos diariamente de aplican de forma natural y concisa. Se evaluaran las distintas formas de cargar un cuerpo como son: Carga por contacto, Carga por inducción, Carga por fricción, etc.

Objetivos General: 1.

Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. Específicos: 1. Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación. 2. Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción 3. Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción

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Marco teórico A.- Electrización por contacto Se puede cargar un cuerpo con sólo tocarlo con otro previamente cargado. En este caso, ambos quedan con el mismo tipo de carga, es decir, si toco un cuerpo neutro con otro con carga positiva, el primero también queda con carga positiva. B.- Electrización por frotamiento Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones = número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si frotas una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda.Si frotas un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño a al lápiz. C.- Electrización por inducción Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro. Como resultado de esta relación, la redistribución inicial se ve alterada: las cargas con signo opuesto a la carga del cuerpo electrizado se acercan a éste. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas está cargado positivamente y en otras negativamente Decimos entonces que aparecen cargas eléctricas inducidas. Entonces el cuerpo electrizado induce una carga con signo contrario en el cuerpo neutro y por lo tanto lo atrae. En términos de movimiento de electrones, cuando... A.- Un objeto con carga positiva se conecta a tierra: Existe un flujo de electrones de tierra hasta la carga, carga neutra.

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B.- Una esfera con carga negativa se pone en contacto con una neutra: Existe un flujo de electrones de la carga hacia tierra. C.- Una barra con carga positiva se acerca a una placa metálica neutra y aislada: Se atraen los cuerpos. Procedimiento. Utilice el sensor de Carga para determinar la polaridad de los productores de carga. A continuación mida la cantidad de carga transferida a la jaula de Faraday por contacto con cada productor de carga. Finalmente, utilice el sensor de Carga para medir la carga de la jaula de Faraday causada por inducción. Utilice DataStudio para registrar y mostrar los datos. Compare la carga por contacto con la carga por inducción. Configuración del ordenador 1.Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador. 2.Conecte el sensor de Carga directamente al Canal Analógico A del interfaz. Calibración del sensor y montaje del equipo. No se necesita calibrar el sensor El sensor de carga tiene ganancias de x1, x5 y x20 escoja una de éstas dependiendo del valor de carga a medir, cuando escoja una de estas ganancias físicamente en el sensor también lo debe hacer en el software (DataStudio / Setup /Measurement). Conecte las pinzas dentadas del cable del sensor a las jaulas interior y exterior de la jaula de Faraday. Antes de comenzar cualquier experimento en el que se utilice la jaula de Faraday, ésta debe ser descargada momentáneamente. Para descargar la jaula, presione el botón de cero en el sensor (también puede hacerlo tocando el interior y exterior de la jaula al mismo tiempo con un dedo de la misma mano). Se recomienda además que previamente todos los integrantes del grupo se descarguen tocando la malla exterior de la jaula.

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Toma de datos Carga por fricción. 1. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo. 2. Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio) 3.Frote varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga. Se recomienda que tome los productores de carga lo más cerca posible del extremo donde están ubicados las superficies a cargar (esto con el fin de no partirlos con el esfuerzo). Tenga la precaución de no tocar con sus manos estas superficies debido a que estas se descargan a través del cuerpo. 4.Sin tocar la jaula, introduzca el productor de carga blanco en la jaula. Vigile la gráfica y el display métrico. Observe los resultados y anótelos. 5.Retire el productor de carga blanco e introduzca el productor de carga azul en la jaula. Observe los resultados y anótelos. 6.Pasado unos momentos, finalice la toma de datos. Carga por inducción 7. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo. 8. Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio). 9. Frote varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga. 10. Sin tocar la jaula con el productor de carga, introduzca el productor de carga blanco en la jaula. 11. Cuando el productor de carga esté en el interior de la jaula, utilice el dedo para aterrizar momentáneamente la jaula. Observe y anote los resultados. 12. Después de aterrizar la jaula, retire su dedo y el productor de carga. 13. Pasados unos momentos, finalice la toma de datos. 14. Descargue la jaula y ponga a cero el sensor. Repita el procedimiento utilizando el productor de carga azul.

Carga por contacto:

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15. Frote los portadores de carga azul y blanco. 16. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador azul, observe el signo de la carga y registre su valor. 17. Descargue la jaula. 18. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador blanco, observe el signo de la carga y registre su valor. Distribución de la carga sobre una superficie:

Grafica y análisis grafico Grafica por contacto

Figura 1 Carga por contacto (Positvo):

Figura 2:Carga por contacto (Negativo)

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En esta parte del experimento se analiza digamos de esta manera la carga que queda luego de hacer contacto con los diferentes productores de carga (cuerina=Positivo; Acrílico=Negativo), ya que el interior de la carga es buen conductor la carga queda totalmente cargada luego de hacer contacto con cualquiera de las dos cargas, los que nos demuestra esta parte de todo esta experiencia que los cuerpo pueden quedar totalmente por medio del contacto directo. Grafica por Inducción

Figura 3: Inducción (Positivo - Negativo )

Figura 4: Inducción (Negativo - Positivo)

Esta experiencia es la más compleja en explicar. Al momento de introducir un productor de carga dentro del interior de la jaula vemos que esta enseguida tiene interacción con esta carga. Es ahí donde actúa el llamado “polo a tierra”, como no tenemos conexión a polo a tierra nuestro cuerpo hace las veces de polo a tierra, donde nuestros electrones fluyen para neutralizar las cargas positivas o negativas (dependiendo con carga inicial se haga) del interior de jaula; con lo cual se deja sobre el interior de la jaula la carga opuesta (a la que dimos inicio) distribuidas totalmente. Carga por Fricción

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Figura 5: Carga por fricción (Acrílico y Cuerina) Al hacer las mediciones correspondientes de los productores de carga ya frotados (Cuerina y Acrílico entre sí) nos damos cuenta que cada uno de estos productores tiene diferente carga. Los electrones cedidos fueron influenciados por las moléculas de aire presentado en el medio, lo que ocasiona que la carga de cada uno de los productores sea de diferente magnitud, sin embargo esto no quiere decir que no pueda crearse una carga por medio de fricción. Carga por Inducción en esferas

Figura 6: Reacomodamiento de cargas

Figura 7:Induccion en esferas

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Figura 6: El proceso de cargar un objeto sin tener contacto con él se llama inducción. En esta parte tenemos dos esferas una sin carga par y la otra carga positivamente, colocamos la esfera sin carga relativamente cerca peor sin hacer ningún tipo de contacto. Nos damos cuenta inmediatamente al medir la esfera sin carga que hay reordenamiento de cargas en esta; la cargas negativas se colocan de tal forma de frente con la esfera y la otra parte positiva de la esfera que era sin carga se encuentra en la parte más lejana de la esfera carga positivamente. En esta grafica medimos la carga en la parte delantera y trasera de la esfera. Figura 7: Esta parte más explícita para explicar para explicar las Carga por inducción. Nuestro cuerpo hace las veces de polo a tierra por lo tanto al momento de tocar la esfera, el paso de electrones de nuestro cuerpo hacia la esfera lleva in fin de neutralizar las cargas positivas del lado derecho de la esfera. Con lo cual vemos que la esfera está totalmente con carga negativa distribuida uniformemente por toda esta

Análisis de datos Apoyándose en las gráficas y en los resultados de las mediciones realizadas conteste las siguientes preguntas. Pregunta 1: ¿Qué signo tiene la carga obtenida por el productor de carga blanco después de ser frotado con el azul? ¿Qué signo tiene la carga obtenida por el productor de carga azul? Explique cómo cada productor obtuvo esa carga. R/. La carga que tiene el producto de carga blanco es positiva, y la carga del productor de carga azul es negativa. En cualquiera de estos fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el número de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al número de electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni destrucción de carga eléctrica. Pregunta 2: ¿Qué diferencias observa en la gráfica entre introducir el productor de carga en la jaula sin tocarla y cuando el productor de carga la toca directamente? Explique con argumentos físicos que sucede en cada caso. R/. Esto se debe que cuando existe cualquier tipo de contacto la carga es más alta y se mantiene por la propiedad de carga por contacto. En Cambio cuando solamente introducimos el transportador de carga dentro de la jaula y retiramos inmediatamente no muestra enseguida que al momento de introducir hay carga

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pero luego la carga comienza descender de manera instantánea ya que la carga solo está siendo ocupada por una parte de la jaula mas no está distribuida por toda esta como en el caso de la carga por contacto. Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera metálica del experimento II cuando está cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando ésta es cargada por inducción? R/. Lo que pasas al momento de acercar la esfera aparentemente sin carga la otra con carga posita es que se reacomode o reordenen la cargas de la esfera sin carga de tol forma que las carga opuesta generada por el generador este más cercano a este y las de igual signo que la del generador del otro lado de la esfera, y pues este método es por inducción.

Conclusión En primera instancia con este informe se ha logrado cumplir cada unos de los objetivos propuestos al inicio de este.se puede notar que con cualquier leve contacto, cercanía, o por rozamiento de estos hay de alguna manera u otra perder o ganar electrones o reacomodar la posición de cada una en espacio del objeto. Cabe destacar que este informe ha llenado las expectativas de cada uno de sus autores, aprendiendo de manera práctica muchas de las cosas vistas en la vida daría que a veces el hombre desconoce el propósito de cada uno en esta y la manera de la cual puede ser utilizada Las maneras y formas de cómo cargar un cuerpo son dadas de diferentes modos, que han sido plasmadas y nombradas en el transcurrir este informe. Cada día notamos muchas aplicaciones de cómo cargar un cuerpo para una mayor utilidad en la vida diaria, desde como pintar una pared, y cosas como una simple impresión de fotocopiadora. Muchos somos ajenos a los múltiples de fenómenos que pasan a nuestro alrededor. Cada día muchas cosas nuevas ocurren dentro de nuestro desenvolver como ser humano, por la tanto es necesario saber de estas de manera correcta e indicada y ser entes de aplicabilidad del buen uso de esta.

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Bibliografía [1] http://www.solociencia.com/fisica/carga-electrica-forma-cargar-cuerpo.htm [2] http://www.natureduca.com/tecno_eltec_estat_introd.php [3] Castro Castro Darío, Olivos Burgos Antalcides, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, ediciones uninorte