Laboratorio I

Agosto 18 del 2009 Código: 200018392 Laboratorio de Física Electricidad

Departamento de Física © Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

Electrización de los cuerpos y conservación de la carga eléctrica Carlos Alberto Riascos Rodgers Email: [email protected] Ingeniería Civil

ABSTRACT In this experiment aims to recreate the three methods that exist for electrically charging an object, either negatively or positively. These methods are: friction, contact and induction. In the first part of the experience working and observing two materials rubbing his load in the Faraday cage without touching it, which studies the behavior and significance of the charge acquired by each material. In the second experiment introduces a positive bearing on the cage and then lands touching the cage with your finger and then withdrew the carrier. In the third experiment will be handled the same way that the materials in the first experience unlike this time if there is contact with the Faraday cage. And finally the fourth field experience is a positive charge and is close to neutral under load another area in order to measure the distribution of loads in the cargo area with initially neutral.

RESUMEN En esta experiencia se busca recrear los tres métodos que existen para cargar eléctricamente un objeto, ya sea negativa o positivamente. Estos métodos son los siguientes: fricción, inducción y contacto. En la primera parte de la experiencia se trabaja frotando dos materiales y observando su carga en la jaula de Faraday sin tocarla, en la que se estudia el comportamiento y significado de la carga adquirida por cada material. En la segunda experiencia se introduce un portador positivo en la jaula y luego se aterriza la jaula tocándola con el dedo y posteriormente se retira el portador. En la tercera experiencia se manipula de la misma forma los materiales que en la primera experiencia a diferencia de que esta vez si existe contacto con la jaula de Faraday. Y finalmente en la cuarta experiencia se carga una esfera positivamente y se le aproxima a otra esfera con carga neutra con el fin de medir la distribución de cargas en la inicialmente esfera con carga neutra.

INTRODUCCION Y OBJETIVOS Todos los cuerpos tienen la característica de poseer carga eléctrica, dichas cargas pueden ser transferidas de un cuerpo a otro mediante el traspaso de electrones. En el siguiente experimento se estudiará la transferencia y conservación de cargas eléctricas.

Objetivos Generales:

Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. 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. MARCO TEORICO 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. 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. 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. Conservación de la carga eléctrica: El electrón, la primera partícula elemental, se descubrió hace mucho, en 1897. Por lo que se ha podido comprobar hasta el momento, es absolutamente estable y no se desintegra en otras partículas más ligeras. La estabilidad absoluta del electrón está garantizada por la ley de conservación de la carga eléctrica En una interacción de partículas la carga eléctrica total ha de mantenerse constante. El electrón es la partícula cuántica cargada más ligera, y no puede desintegrarse en partículas más ligeras porque no hay ninguna partícula que pueda llevarse su carga eléctrica. La ley de la conservación de la carga eléctrica, como todas las leyes físicas, se somete a pruebas experimentales; hasta el momento no se ha demostrado que no se cumpla. Las leyes de conservación, como la ley de conservación de la carga eléctrica, desempeñan un papel muy importante en la interpretación de las interacciones de partículas y en la investigación del origen del universo. Las leyes de conservación, de acuerdo con los trabajos de Noether, son consecuencia de una simetría exacta. La ley

de conservación de la carga eléctrica, si es absoluta, es el resultado de una simetría exacta de las ecuaciones de la teoría de campo. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL El primer paso de la experiencia es establecer el montaje y configurar el software Data Studio para la toma de datos de carga eléctrica en función del tiempo. A continuación se muestra un bosquejo de la experiencia: Procedimiento 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 1. 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.

2. 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.

3. Retire el productor de carga blanco e introduzca el productor de carga azul en la jaula. Observe los resultados y anótelos. 4. 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 jaula.

la

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. 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.

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.( ¡NO CONECTAR AL ELECTROMETRO CON LA FUENTE DE TENSION!) 21. La otra esfera debe ser aterrizada momentáneamente para remover las posibles cargas residuales que contengan.

22. Confirme que esta esfera está descargada tomando muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en la jaula de Faraday.

23. Acerque ahora las dos esferaa 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. 24. Aterrice ahora la esfera de la cual está midiendo su carga. (puede hacerlo tocando con un dedo la parte posterior de la esfera metálica).

25. Separe la esfera que está conectada a la fuente de voltaje a una distancia de 50 cm de la esfera que aterrizó y apáguela. 26. Nuevamente tome muestras de carga en las mismas secciones en que las tomó en los numerales 22 y 23 y mida la carga.

DATOS OBTENIDOS Carga por fricción: Acorde con los pasos nombrados anteriormente, se procede realizando la primera experiencia, como ya es sabido se frotó dos materiales (cuero y acrílico), en la siguiente grafica se observa el comportamiento que mostró las cargas del acrílico y el cuero al ser introducidos a la jaula de Faraday uno por uno.

En el grafico (1) se observa el comportamiento de las cargas eléctricas (Sin contacto) de los portadores de carga en función del tiempo .

Basándose en el la grafica se observa que la carga eléctrica del acrílico tomó valores negativos, y la carga eléctrica del cuero tomó valores positivos. Esto indica que debido al frotamiento de los materiales ocurrió una transferencia de electrones del cuero al acrílico y en consecuencia el acrílico quedó cargado negativamente por el exceso de electrones, a diferencia, el cuero que quedó cargado positivamente debido a la pérdida de electrones. Se observa que la jaula tomaba la carga respectiva solo en el tiempo que se encontraba el portador dentro de ella, al sacarlo la jaula vuelve a quedar neutralizada.

Carga por inducción: Acorde con los pasos nombrados anteriormente, se procede realizando la segunda experiencia, como ya es sabido se frotó dos materiales (cuero y acrílico). A diferencia de la experiencia anterior, en esta existio se tocá con el dedo la jaula de Faraday mientras esta tomando la carga de un material, y análogamente se procede con el otro material. En la siguiente grafica se observa el comportamiento que mostró el acrílico y el cuero al ser introducidos a la jaula de Faraday.

En el grafico (2) se observa el comportamiento de portador de carga eléctrica de cuero (Sin contacto y aterrizando la jaula de Faraday) en función del tiempo.

Como era de esperarse, al introducir el cuero en la jaula esta toma valores positivos, pero hay que resaltar, que al ser aterrizada la jaula pierde su carga positiva inmediata y abruptamente para finalmente quedar neutralizada, esto ocurre porque el cuerpo funciona como un puente. Carga por contacto: 1. Acorde con los pasos nombrados anteriormente, se procede realizando la tercera experiencia, como ya es sabido se frotó dos materiales (cuero y acrílico), en la siguiente grafica se observa el comportamiento que mostraron, en dos ensayos, las cargas de cada material al contacto físico del portador con la jaula.

En el grafico (3) se observa el comportamiento de los portadores de carga eléctrica (con contacto) en función del tiempo.

Igual que la primera experiencia el cuero y el acrílico tomaron cargas positiva y negativa respectivamente, la diferencia radica en que la jaula permaneció cargada con la respectiva carga en ambas portadores. 2. Finalmente, en esta experiencia se realizaron los pasos del 19 al 26, básicamente se tomaron las cargas eléctricas de una esfera neutralizada inicialmente que se acercó a una distancia de 5cm de otra esfera cargada positivamente. A continuación se muestra el grafico obtenido.

En el grafico (4) se observa el comportamiento de las cargas de la esfera neutra (en diferentes sectores) en función del tiempo al estar cerca de otra esfera cargada positivamente.

Esta grafica muestra al distribución de carga que sufre la esfera inicialmente con carga neutra al ser aproximada a la esfera cargada positivamente, la primera curvatura indica la carga que existe en la zona mas próxima a la esfera cargada, y las otras indican las cargas el extremo opuesto y laterales de la esfera. Vale la pena resaltar que la zona mas próxima es la única que obtiene valores negativos, a este efecto se le conoce como polarización, el cual consiste en la reubicación de los electrones, la esfera de carga positiva atrae la carga negativa de la otra esfera utilizando como puente el extremo mas próximo entre ambas esferas, esta la razón por la que las cargas negativas están concentradas allí. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 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. Rta. El productor de carga blanco (cuero) obtuvo una carga positiva y el azul (acrílico) obtuvo carga negativa, inicialmente sin haberlos frotado ambos poseen una carga neutra, luego al frotarlos se realiza la transferencia de electrones donde el material mas electroafín, en este caso el acrílico, absorbe mayor cantidad de electrones tomando así la carga negativa. 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. Con la ayuda de las graficas (1) y (3) resulta fácil denotar la diferencia que existe entre dichas experiencias, en el caso que no hay contacto las cargas que le ejerce el portador a la jaula son efímeras, es decir, la carga de la jaula de Faraday se neutraliza instantáneamente al sacar el portador; y en el caso que si hay contacto la carga en la jaula suministrada por el portador permanece constante. 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 zona mas próxima es la que obtiene valores negativos, a este efecto se le conoce como polarización, el cual consiste en la reubicación de los electrones, la esfera de carga positiva atrae la cargas negativas y repele la positivas de la esfera neutra, por esta razón las cargas negativas están concentradas del lado mas próximo de la esfera y las positivas del extremo opuesto. La distribución de cargas en el caso por inducción Preguntas Problematológicas Pregunta 4: Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? Rta. El fenómeno físico que ocurre se le llama “fenómeno electroestático”, y esto ocurre debido la fricción que se genera entre ambos materiales, la material mas electroafin ganará electrones mientras que el otro perderá electrones. Pregunta 5: 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. La Jaula de Faraday al ser aterrizada recibe una enorme cantidad de electrones instantáneamente (grafica 2) provenientes de la tierra mediante tu cuerpo, al pasar el tiempo, la jaula cede sus electrones al productor de carga y se logra que el sistema quede con carga neutra. Pregunta 6: 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. Al retirar el productor de carga se desestabiliza el sistema mostrando la jaula una carga negativa, debido a los electrones que cedió durante el equilibro y como es de suponer el productor quedo cargado negativamente. CONCLUSION Finalmente, se realizaron con éxito los objetivos propuestos, terminada la experiencia se reconoce y comprende claramente los tres métodos para cargar un objeto, fricción, inducción y contacto. Esta experiencia abre la mente al estudiante para identificar y entender estos procesos que hacen parte de nuestro diario vivir, me parece interesante haber estudiado estos fenómenos invisibles pero fundamentales que rigen severamente las leyes físicas de nuestro universo. Obviamente, esto solo es un incentivo para atreverse a profundizar en los campos de la física elecrica.

BIBLIOGRAFIA http://www.solociencia.com/fisica/carga-electrica-forma-cargar-cuerpo.htm

http://www.babylon.com/definition/Ley_de_conservaci%C3%B3n_de_la_carga_el %C3%A9ctrica/Spanish