Laboratorio Fisica Electrica

Agosto 20, 2009 Código: 1033 Laboratorio de Física Eléctrica

_____________________________ Departamento de Física ©Ciencias básicas

Universidad del Norte – Colombia _____________________________

ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERCIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA Sergio Arjona [email protected] Ingeniería Mecánica

Francisco Ariza [email protected] Ingeniería industrial

Abstract The parctice in the laboratory was done by the need to experimentally verify the different ways to load a body, were used in this laboratory equipment and records the perceived burden on the body, these were plotted using the software DataStudio through this procedure and the analysis of these graphs in done to corroborate the main objective, this is only achieved through knowledge of electrical phenomena studied by the laboratory. Resumen La práctica realizada en el laboratorio fue llevada a cabo por la necesidad de verificar experimentalmente las distintas formas de cargar un cuerpo, en esta se utilizaron implementos del laboratorio que perciben y registran las cargas presentes en los cuerpos, estas fueron graficadas por medio del software DataStudio, gracias a este procedimiento y al análisis de dichas graficas se logra corroborar el objetivo principal, esto solo es logrado gracias al conocimiento de los fenómenos eléctricos estudiados antes del laboratorio.

1. INTRODUCCION Un cuerpo puede ser cargado sin importar su tamaño, tal preposición es totalmente cierta, para cargar un cuerpo u objeto no necesariamente debe ser de tamaño atómico, luego de esto se puede dar paso a las diferentes formas como de cómo hacerlo, este aspecto es el que se desea desarrollar en este informe basado en las experiencias realizadas en el laboratorio además de los conceptos estudiados los cuales serán expuesto en una parte posterior del informe. Este trabajo es realizado por alumnos de la Universidad del Norte los cuales pertenecen al curso de física electricidad, en tal asignación se ha propuesto el estudio de los fenómenos eléctricos que se presentan con mas frecuencia de lo que se cree y son parte fundamental de la actual vida que llevamos, al punto que se podría decir que gran parte de la tecnología que se ha desarrollado y la que esta en proceso de creación están basadas en los fenómenos eléctricos y por ende estos modifican toda nuestra vida. La importancia de los distintos fenómenos por llamar de alguna forma a las propiedades pertenecientes al mundo eléctrico hace necesario el estudio del mismo. 2. OBJETIVOS 2.1 Objetivo General. • Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. 2.2 Objetivos Específicos • Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación. • Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción. • Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción. 3. MARCO TEORICO Carga eléctrica. La carga eléctrica es un atributo de las partículas elementales que la poseen. Caracterizado por la fuerza electrostática que entre ellas se ejerce. Dicha fuerza es atractiva si las cargas respectivas son de signo contrario, y repulsiva si son del mismo signo.

Principio de conservación de la carga. En concordancia con los resultados experimentales, el principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea. Cuantificación de carga eléctrica. En física, un cuanto o cuantio (del latín Quantum, plural Quanta). Max Plank, 1900, dijo que la luz siempre viaja en pequeños paquetes llamados "quata". Denotaba en la física cuántica primitiva tanto el valor mínimo que puede tomar una determinada magnitud en un sistema físico, como la mínima variación posible de este parámetro al pasar de un estado discreto a otro. Se hablaba de que una determinada magnitud estaba cuantizada según el valor de cuanto. O sea que cuanto es una proporción hecha por la magnitud dada. Un ejemplo del modo en que algunas cantidades relevantes de un sistema físico están cuantizadas lo encontramos en el caso de la carga eléctrica de un cuerpo, que sólo puede tomar un valor que sea un múltiplo entero de la carga del electrón. En la moderna teoría cuántica aunque se sigue hablando de cuantización el término cuanto ha caído en desuso. El hecho de que las magnitudes estén cuantizadas se considera ahora un hecho secundario y menos definitorio de las características esenciales de la teoría.

4. 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. 4.1. 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.

4.2. 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 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.

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. Se recomienda además que previamente todos los integrantes del grupo se descarguen tocando la malla exterior de la jaula.

4.3. 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: 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:

El propósito de esta parte de la experiencia es indagar la forma de 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 19. Antes de comenzar, asegúrese que la Jaula de Faraday esté aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro. 20. 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. La otra esfera debe ser aterrizada momentáneamente para remover las posibles cargas residuales que contengan.

21. Confirme que esta esfera está descargada tomando muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en la jaula de Faraday. 22. Acerque ahora las dos esferas 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 21 introdúzcala en la jaula de Faraday y anote los resultados. 23. Aterrice ahora la esfera de la cual está midiendo su carga. (puede hacerlo tocando con un dedo la parte posterior de la esfera metálica). 24. Separe la esfera que está conectada a la fuente de voltaje a una distancia de 50 cm de la esfera que aterrizó y apáguela. 25. Toque las 2 esferas y luego mida la carga de la esfera, con el

traslador introduciéndolo en la jaula, que estaba descargada en

distintos lugares. Anote resultados y haga de nuevo el número 23 y 24. 26. Acerque las 2 esferas a una distancia de 1 centímetro, toque la

esfera con la mano y luego retírela, utilice el traslador para medir su carga en la jaula de faraday. Anote resultados.

5. DATOS OBTENIDOS Y ANALISIS Experiencia I

Figura 1. Carga por fricción En la figura 1 vemos cuando introducimos primero el productor blanco que esta hecho de cuero, que corresponde a los dos primeros picos, y observando la grafica tenemos que tiene una carga positiva, siendo más exactos tiene una carga de este productor es de 2x10-4µC. El segundo pico que observamos es cuando introducimos el productor azul, vemos que tiene una carga positiva y es de -4x10-4 µC. Esto sucede cuando frotamos los productores, esto se denomina carga por fricción.

Figura 2. Carga por contacto positiva.

En la figura 2 observamos cómo queda cargada positivamente, exactamente cuando tocamos la jaula con el productor blanco de cuero las paredes de esta. A esto se le denomina carga por contacto.

Figura 3. Carga por contacto negativa.

En la figura 3 observamos como queda cargada negativamente, exactamente cuando tocamos la jaula con el productor azul de polímetro las paredes de esta.

Figura 4. Carga por inducción positiva.

En la figura 3 observamos el momento cuando introducimos el productor blanco que es de cuero en la jaula, en este punto el interior de jaula experimenta una carga Positiva. También el momento cuando tocamos la jaula con el dedo para hacer tierra y cambiar la carga de positiva a negativa. Este se da por carga por inducción.

Figura 5. Carga por inducción negativa.

En la figura 4 observamos lo mismo pero esta vez introducimos el productor azul que es de polímetro y esta cargado negativamente esta experimente una carga negativa. En el momento cuando tocamos la jaula con el dedo esta cambia la carga de negativa a positiva.

Experiencia II

Figura 6. Verificación esfera Neutra.

En la figura 6 observamos que primero hicimos una verificación para estar seguros que nuestra esfera de estudio estuviera neutra sin ninguna carga para que no alterara los resultados en estudio.

Figura 7. Carga de esfera por contacto.

En la figura 4 vemos la carga que tiene la esfera a el momento de ser tocada por la que está cargada previamente. Su carga es igual a la de la esfera que está cargada, es positiva. Esto se da gracias a carga por contacto.

Figura 8. Carga esfera acercándola.

En la figura 5 al apreciar el primer pico, se midió la carga en la parte más cercana a la esfera cargada, vemos que su carga es negativa y q va a tender a ser positiva mientras más nos alejemos de la esfera que está cargada. Esto nos dice que la esfera que no tenía carga no tiene una distribución uniforme y que mientras el lugar donde midamos la carga

esté más cerca de la esfera cargada va a tener una carga contraria a esta. A esto se le llama polarización.

Figura 9. Carga esfera por inducción alejándola

En la figura 6 observamos que si acercamos las esfera neutra a la esfera cargada, luego la tocamos, haciendo tierra, y la retiramos la esfera neutra va a tener una carga uniforme a lo largo de toda su superficie.

Figura 9. Verificación esfera con carga positiva.

En la figura 10 observamos que la esfera fue verificada para ver si su carga era positiva y uniforme sin alterarse.

PREGUNTAS A ANALIZAR. 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 como cada productor obtuvo esa carga. R/ El productor de carga blanco, tenia carga positiva, en cambio el productor de carga azul es negativa, cada productor obtiene esa carga por causa de la fricción entre los dos materiales, esta fricción causa que los electrones de un material se transmitan al otro de esta manera encontramos las diferentes cargas. 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/ En que cuando se toca directamente la carga es mas alta y se mantiene debido a que por contacto la jaula queda cargada, en cambio cuando no se toca la jaula entonces la carga es menor y después de sacarla la carga empieza a descender indicando que la carga no se encuentra distribuida por la jaula. 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/ Cuando la esfera metálica es acercada al generador de carga esta realiza una carga por inducción lo cual hace que se reacomode en la esfera metálica colocando de un lado de ella cargas positivas y en el otro negativas por la atracción de los electrones que hay entre las dos esferas, pues cargas de signos opuestos son atraídos.

6. CONCLUSIONES Cuando terminamos nuestra experiencia nos dimos cuenta de muchas cosas. Y ahora sabemos explicar con más detalles que ocurre en muchos casos de nuestra vida cotidiana. En nuestra experiencia nos dimos cuenta que el productor blanco, que está hecho de cuero, tiene una carga positiva y el productor azul, que está hecho de plástico, tiene una carga negativa. Cuando hacemos el frotamiento de los dos productores de carga, el blanco y el azul, lo que ocurre es que los electrones del productor azul están unidos más fuertemente al núcleo del átomo que los del productor blanco. Esto hace que los electrones salten del productor blanco hacia el productor azul. Dejando a el productor blanco cargado positivamente y el productor azul cargado negativamente. También como el productor de carga tiene una carga positiva, al momento de tocar la jaula, el productor carga la jaula por contacto, lo cual genera que la jaula tome la misma carga que tiene el productor. Si miramos en la figura 7 y 8, observamos que las esferas no tienen la misma distribución esto se debe a que, cuando acercamos la esfera neutra a la que está cargada, esta toma una distribución, mitad positiva y mitad negativa aproximadamente, dado que la esfera cargada esta positiva, la parte más cerca a ella es negativa y la más alejada es positiva. Y cuando cargamos por inducción la esfera neutra, esta se encuentra cargada de una forma uniforme y negativa. Cuando frotamos un cuerpo con otro, físicamente lo podemos llamar electrización por contacto, ya que dos cuerpos que poseen una carga neutra son frotados y uno se carga positiva y la otra negativamente, esto depende de que tan fuerte sea la unión de los electrones y los protones de los átomos de cada cuerpo. Cuando observamos la figura 4 vemos que cambia súbitamente de carga. Esto se debe a que somos el medio de conducción de electrones de la jaula hacia tierra es decir somos el polo a tierra, de inmediato la

jaula pierde su carga y queda por el momento neutralizada. Cuando retiramos la mano y el productor hace que la jaula quede cargada positivamente debido al proceso que habíamos acabado de hacer momentos antes. Si hubiéramos invertido el proceso, es decir, hubiéramos alejado la esfera primero y luego retirábamos la mano nos hubiera dado que la esfera tuviera una carga neutra ya que el último contacto lo hicimos nosotros y la hubiéramos descargado de cualquier carga por nuestra conexión a tierra.

Preguntas Problematológicas. 1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? R/ Al frotar un cuerpo con otro sucede un fenómeno físico llamado electrización por contacto, es decir cuando dos cuerpos que poseen una carga neutra son frotados y uno se carga positivamente y el otro se carga negativamente. 2. 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? R/ Al aterrizar la carga de la jaula sucede que hacemos polo tierra, es decir, somos el medio de conducción de electrones hacia la tierra lo cual hace que la jaula de Faraday de inmediato pierda su carga y quede momentáneamente neutralizada. 3. 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? R/ Al ser retirado el productor y al estar aterrizada la jaula, los electrones del productor son llevados a tierra lo cual hace que la jaula quede cargada positivamente. 4.

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.

R/ Si, solo que el resultado seria invertido ya que cuando el productor es introducido a la jaula esta posee una carga positiva que obtiene cuando retiramos el productor y luego el dedo.

7. BIBLIOGRAFIA [1] Física. Electricidad para estudiantes de Ingeniería. Notas de clase. Darío Castro. Ediciones Uninorte. [2] SEARS, Francis W. ZEMANSKY, Mark W, YOUNG; Hugh D; FREEDMAN, Roger A; física universitaria con física moderna. Undécima edición, México: Pearson Educacion 2005