Electrostatica Informe

Departamento de Física

Agosto 19, 2009 Código: 1807 Laboratorio de Física electricidad

©Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

EXPERIENCIA No. 1 ELECTRIZACION DE LOS CUERPOS Y CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA Vanessa Fonseca

Andres Lastra

email: [email protected] Ingenieria Industrial

email: [email protected] Ingenieria industrial

Abstract

This report is about the forms of an electrically charged body, the analysis of the graphs of each of the methods and the identification of physical phenomena related to these processes of electric charge. With this knowledge it is possible to identify some natural phenomena and some of the electrostatic properties. Resumen

Este informe es sobre las formas de cargar eléctricamente un cuerpo, el análisis de las graficas de cada uno de los métodos y la identificación de de los fenómenos físicos relacionados a estos procesos de carga eléctrica. Con este conocimiento es posible identificar ciertos fenómenos naturales y algunas propiedades de la electroestática. 1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS

En los primeros tiempos las investigaciones con base en la electricidad eran más que una ciencia, un pasatiempo de aficionados, que aun así hicieron grandes avances y descubrieron las bases de la electricidad. Un fenómeno que hoy en día nos sorprende debido a su complejidad y a la facilidad con la que esta puede ser manipulada si se conocen sus principios básicos, los cuales no son difíciles de entender he aquí algunos de sus propiedades expuestos en diferentes situaciones. 1. Objetivos: 1.1. General: 1.

Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. 1.2. 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 2. MARCO TEORICO

Teniendo en cuenta las propiedades de la carga: cuantización, conservación e invariancia; y las características de esta donde la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas elementales, por lo mismo podemos decir que todos los cuerpos de la naturaleza pueden electrizarse y esta existencia de carga eléctrica se manifiesta cuando un cuerpo cargado interactuar con otro en la misma condición, lo que nos lleva a analizarlas y a darnos cuenta que existen dos tipos de carga llamadas convencionalmente positivas y negativas, donde las de mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. Por ello podemos pensar en las diferentes formas como un cuerpo puede ser cargado, se conocen 6 tipos de métodos los cuales son: carga pos contacto, carga por fricción, carga por inducción, carga por efecto termoiónico, carga por efecto fotoeléctrico, carga por efecto piezoeléctrico. A continuación una explicación simple de estos efectos. •

Carga por contacto

Es posible transferir electrones de un cuerpo a otro por simple contacto, por ejemplo cuando se pone un objeto cargado en contacto con uno neutro, entonces se le transfiere la carga a este; si el cuerpo e buen conductor la carga se disipara por todo el objeto, sino es mejor hacer contacto con el objeto cagado en distintas partes para obtener una carga medio uniforme. •

Carga por inducción

Es el proceso en el que se puede cargar eléctricamente un cuerpo sin necesidad de tener contacto con el objeto cargado, y a este se le llama inducción. Un ejemplo claro de este método de carga es en el que tienes dos esferas metálicas al principio se tienen en contacto luego se les acerca una varilla cargada esta induce una separación de cargas luego se separan las esferas todavía actuando la varilla luego de esto y al retirar la varilla del sistema las dos esferas quedan cargadas con cargas de igual magnitud pero de signos opuestos. También se pude cargar una sola esfera por inducción, cuando se acerca una varilla cargada positivamente a una esfera la cual induce una separación de cargas en la esfera, luego se hace una conexión a tierra la cual funciona como un gran conductor, entonces los electrones fluyen desde la tierra para neutralizar las cargas positivas del lado derecho de la esfera, después la conexión se elimina y se retira la varilla y entonces se puede observar que la esfera queda cargada negativamente y distribuida uniformemente. El mejor ejemplo natural de una carga por inducción es durante las tormentas eléctricas donde las partes inferiores de las nubes en las

que hay cargas negativas, inducen una carga positiva sobre la superficie de la tierra. •

Carga por efecto termoiónico

Es la ionización producida por el calor. A altas temperaturas, se empiezan a mover los electrones fuertemente, es tanto así que empiezan a escapar del cuerpo; lo cual lo dejara cargado positivamente. Este fenómeno es la base de la electrónica de válvulas. •

Carga por efecto fotoeléctrico

Es la ionización producida por la luz. Si esta se encuentra golpeando una superficie metálica, puede provocar la emisión de los electrones. •

Carga por efecto piezoeléctrico

Cuando se comprimen o se dilatan ciertos cristales, estos tienden a desplazar las cargas a sus caras. Esto se utiliza mucho en la grabación y reproducción del sonido. •

Carga por fricción

Este aun que se debe a la conducción por contacto, es realizado por otras razones y por otro medios, cando se tienen dos elementos y se frotan uno contra el otro, esto produce una transferencia de electrones de una material al otro. 3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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. 3.1. Configuración del ordenador 1.Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador. 1) Conecte el sensor de Carga directamente al Canal Analógico A del interfaz. 3.2. Calibración del sensor y montaje del equipo. No se necesita calibrar el sensor

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El sensor de carga tiene ganancias de x1, x5 y x20 escoja una de ésta 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. 3.3. 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

13. Frote los portadores de carga azul y blanco. 14. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador azul, observe el signo de la carga y registre su valor. 15. Descargue la jaula. 16. 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:

El propósito de esta parte de la experiencia es indagar la forma como se distribuye la carga sobre una superficie metálica, midiendo la densidad de carga en varias

secciones. Utilice el “transportador de carga” junto con la Jaula de Faraday para determinar la densidad de carga. Para ello realice el montaje que aparece en la Figura 1.2 17. Antes de comenzar, asegúrese que la Jaula de Faraday esté aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro. 18. Ubique dos esferas de aluminio separadas por lo menos 50 centímetros, de tal manera, que una de ellas esté conectada a la fuente de voltaje electrostática que provee 1000 VDC. Esta fuente debe estar aterrizada a la misma tierra que la del electrómetro y la Jaula de Faraday.( ¡NO CONECTAR AL ELECTROMETRO CON LA FUENTE DE TENSION!) 19. La otra esfera debe ser aterrizada momentáneamente para remover las posibles cargas residuales que contengan. 20. Confirme que esta esfera está descargada tomando muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en la jaula de Faraday. 21. Acerque ahora las dos esfera a una distancia de un centímetro. Encienda la fuente de voltaje y tome muestras de carga en las mismas secciones de la esfera que tomó en el numeral 22 introdúzcala en la jaula de Faraday y anote los resultados. 22. Aterrice ahora la esfera de la cual está midiendo su carga. (puede hacerlo tocando con un dedo la parte posterior de la esfera metálica). 23. Separe la esfera que está conectada a la fuente de voltaje a una distancia de 50 cm de la esfera que aterrizó y apáguela. 24. Nuevamente tome muestras de carga en las mismas secciones en que las tomó en los numerales 22 y 23 y mida la carga.

4. DATOS OBTENIDOS

Carga por fricción

Grafica 1: resultado ensayo de carga por fricción; primer pico productor azul, segundo pico productor blanco.

Carga por inducción

Grafica 2: resultado ensayo por inducción; primer pico productor azul, alternación de la carga del polo a tierra, continuidad de la carga positiva por carga de la jaula.

Carga por contacto

Grafica 3: resultado ensayo por contacto; primer pico del productor azul, nivelación negativa por el contacto con la jaula, neutralización de la jaula, segundo pico productor blanco, continuidad de la carga por contacto de la jaula, neutralización de la jaula.

Carga por contacto (esferas)

Grafica 4: resultado por contacto de la esfera; primer pico productor metálico en contacto con la parte interna de la esfera cercana a la esfera cargada, segundo y tercer pico productor metálico en contacto con las partes exteriores de la esfera (arriba y a un lado).

Carga por inducción (esferas)

Grafica 5: resultado de inducción de esferas; pico resultado del productor metálico después de hacer polo atierra en la esfera que estaba inducida a separación de cargas.

5. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

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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. RTA/: El signo de la carga del productor blanco hecho de cuerina es positivo y el signo del productor azul de acrílico es negativo, esto se debe a las propiedades del material, ya que las telas o los materiales textiles tienden a tener cargas positivas y por el contrario los aislantes como el acrílico atraen a su superficie las cargas negativas. Es por esto que cuando se frotan los dos materiales los electrones libres de la cuerina pasan al acrílico lo que deja carga positiva en el blanco y carga negativa en el azul.

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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. RTA/: al introducir el productor con carga a la jaula de Faraday sin tocarlo gráficamente nos muestra una carga que al sacar el productor desaparece, debido a que no hubo contacto y la jaula permanece neutra; pero en el caso en el que el productor toca la jaula de Faraday esta se carga por contacto y gráficamente se muestra que la jaula ya no es neutra, sino que por el contrario esta está cargada con la misma carga que el productor. En cada caso lo que sucede es el mismo fenómeno de contacto en el caso en el que

lo hay, pero en el otro como la jaula tiene el principio de ser un aislante de las cargas lo que haces determinar la carga del sistema pero sin este cargarse. •

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? RTA/: la distribución de cargas en las esferas sin que haya inducción se puede observar que al estar juntas la esfera cargada induce una separación de cargas de la otra esfera situando en la cara que esta junto a ella las cargas negativas y al lado opuesto cargas positivas, pero ya en el caso de la inducción en el que al tocarla nosotros funcionamos como polo a tierra inducimos que desde nuestro cuerpo fluyan electrones los cuales estabilizan la esfera dejándola con una carga inducida negativa.

PREGUNTAS PROBLEMATICAS •

Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? RTA/: el fenómeno se conoce como carga por friccion, en el que ambos cuerpo al frotarse, y al generarse la friccion de uno de los cuerpo los electrones se desprenden y pasan al otro cuerpo. Esto sucede básicamente en materiales que tienen una conductividad muy buena o tienen muy mala conductividad, por ejemplo al frotar tela la cual esta neutra contra un pedazo de plástico o acrílico, los electrones de la tela pasan a el plástico dejando cargados los dos cuerpos, con cargas de igual magnitud pero con signo contrario.

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En el proceso de cargar un cuerpo por inducción. ¿qué ocurre con la carga de la jaula cuando es momentáneamente aterrizada mientras que el productor de carga se encuentra todavía en su interior? RTA/: lo que pasa es que al haber una carga y tocar la jaula los electrones fluyen desde el cuerpo como un polo a tierra, y la carga se vuelve de igual magnitud pero signo contrario y la jaula también queda cargada con la misma carga de signo opuesto. Por ejemplo tenemos en la jaula una carga positiva, al tocarla la jaula queda cargada con una carga de misma magnitud pero de signo contrario, en este caso negativa.

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Para el mismo caso anterior, ¿qué ocurre con la distribución de la carga de la jaula después que se retira el productor de carga de su interior? RTA/: la jaula queda cargada con la carga de misma magnitud pero de signo contrario.

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En el proceso de distribuir la carga sobre una superficie, ¿el resultado hubiera sido el mismo si se invirtiera el orden del proceso, es decir, si se hubiera retirado primero la esfera cargada y después el dedo? Explique su respuesta.

RTA/: el resultado no sería el mismo, ya que al primero retirar la esfera, esta al estar inducida a una separación de cargas se reordenaría y al tocarla esta quedaría neutra, y no con una carga opuesta a la de la esfera cargada desde un principio. 6. CONCLUSIONES • • •

Existen diferentes formas de conducción para cargar un cuerpo eléctricamente, son fáciles de comprender y es importante analizarlas para poder aplicarlas a la práctica mejor. Los fenómenos naturales como las tormentas eléctricas están directamente relacionados con la mecánica de a conducción de cargas eléctricas a otros cuerpos. Conociendo los métodos o formas de cargar un cuerpo podemos comprender y aplicar esta teoría y práctica para mejorar los procesos ya existentes.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS  Sears, F.; Zemansky, M.; Young, H.; Freedman, R. Física Universitaria,

Vol. 2. Undécima edición. México, Addison Wesley Longman, 2004. 864p, ISBN: 970-26-0511-3.  Castro, D.; Olivo, A. Física Electricidad. Para Estudiantes de ingeniería,

notas de clase. Primera edición. Barranquilla: Ediciones Uninorte, 2008. 198p. ISBN: 978-958-8252-49-0.  Lea, S.; Burke, J. Física. La naturaleza de las cosas, Vol. 2. Primera

edición. México: International Thomson Editores, Brooks/Cole, 1999. 493p. ISBN: 968-7529-38-5.

1998.

Physics,