EXPERIENCIA NO 1 .
ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA
Johana Held
Andrea Martínez
[email protected]
AGOSTO DE 2009
ABSTRACT
On our daily life we experiment that on having rubbed some objects these
they acquire certain "aptitude" to attract other objects as paper(role) or
powder, this capacity of attraction owes to itself to that the body has
electrified itself (it(he,she) has gained(earned) or yielded electrons). In
this report we will analyze the different methods of electrifying or
loading a body and will do measurements of the above mentioned
loads(charges) using an electrometer and Faraday's cage.
Key words: to electrify, electrons, electrometer, Faraday's cage.
RESUMEN
En nuestra vida diaria experimentamos que al frotar algunos objetos estos
adquieren cierta "capacidad" de atraer otros objetos como papel o polvo,
esta capacidad de atracción se debe a que el cuerpo se ha electrizado (ha
ganado o ha cedido electrones). En este informe analizaremos los diferentes
métodos de electrizar o cargar un cuerpo y haremos mediciones de dichas
cargas utilizando un electrómetro y la jaula de Faraday.
Palabras clave: electrizar, electrones, electrómetro, jaula de Faraday.
INTRODUCCION
Todos los días experimentamos fuerzas: fuerza gravitacional, eléctrica,
magnéticas, etc. pero la mas común es la fuerza electromagnética (que
abarca tanto las eléctricas como las magnéticas).
En las interacciones electromagnéticas intervienen partículas que tienen
cargas eléctricas, (esta es una característica tan fundamental como la masa
de un cuerpo). Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos, positiva, o
negativa o incluso puede ser neutra. Un cuerpo puede ser electrizado por
diferentes métodos: fricción, inducción, o contacto. En física, se
denomina electrización al efecto de ganar o perder cargas eléctricas,
normalmente electrones, producido por un cuerpo eléctricamente neutro,
esto, hace que los cuerpos con cargas opuestas se atraigan y los que tienen
cargas iguales se repelen.
OBJETIVOS
General:
Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar
eléctricamente un cuerpo.
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
Carga eléctrica
Los antiguos griegos descubrieron en 600 Ac. que al frotar ciertas
sustancias éstas adquieren la propiedad de atraer cuerpos de masa reducida.
Esto lo experimentaron con el ámbar cundo lo frotaban con lana. El ámbar se
había cargado por lo que atraía el polvo. La denominación del ámbar en
griego es ELEKTRÓN, el cual se aplicó al proceso que tenía lugar en él.
Cuando un cuerpo está electrizado, se dice que presenta una cierta carga
eléctrica que caracteriza las propiedades de atracción y repulsión del
mismo.
Estos experimentos y otros parecidos nos han mostrado que hay dos tipos de
cargas positiva y negativa y que cargas opuestas se atraen y cargas iguales
se repelen.
Electrómetro:
Un electrómetro es un electroscopio dotado de una escala, este es usado
para medir cargas eléctricas de ciertos objetos.
Jaula de Faraday:
El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el
interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los
campos externos, esto explica por que en ascensores o algunos edificios lo
celulares no reciben señal alguna.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Materiales:
Productores de carga azul (acrilico) y blanco (cuero)
Jaula de faraday
Sensor de carga (data studio)
Dos esferas de aluminio una de ellas conectada a una fuente de voltaje
electrostática que provee 1000 VDC.
Esfera1 = conectada a la fuente
Esfera 2= desconectada y descargada inicialmente
Primera experiencia: Carga por fricción
Para esta experiencia utilizamos las dos superficies de cuero (blanca) y
un acrílico (azul); estas superficies las frotamos para electrizarlas
procurando no tocarlas pues estas se descargan a través del cuerpo.
Descargamos la jaula e iniciamos la toma de datos con el sensor de carga
(data Studio) introduciendo una de las superficies en el interior de la
jaula sin tocarla. Observamos la grafica en el data Studio, similarmente
realizamos el procedimiento con la otra superficie y observamos nuevamente
la grafica.
Segunda experiencia: Carga por inducción
Análogamente a la primera experiencia, descargamos la jaula y frotamos las
superficies (de cuero y de acrílico) para electrizarlas, luego de esto
iniciamos la toma de datos e introducimos el productor de carga blanco (de
cuero) en la jaula sin tocarla, luego con nuestro dedo tocamos la jaula
para "aterrizarla", observamos la grafica. Finalmente descargamos
nuevamente la jaula y realizamos el mismo procedimiento con el productor de
carga azul (de acrílico) y finalizamos la toma de datos.
Tercera experiencia: Carga por contacto
Nuevamente frotamos los productores de carga azul y blanco e iniciamos la
toma de datos en el data Studio, tocamos la jaula con el portador azul y
observamos el signo de la carga, luego descargamos la jaula y realizamos el
mismo procedimiento con el portador blanco.
Cuarta experiencia: Distribución de la carga sobre una superficie
En esta parte de la practica, utilizamos las dos esferas de aluminio una de
ellas conectada a una fuente de voltaje electrostática que provee 1000 VDC
( esfera1), en esta cuarta experiencia, mediremos la densidad de la carga
en las esferas.
primero ubicamos las esferas por lo menos a 50 centímetros de distancia ,
la esfera que no esta conectada (esfera 2) tiene carga neutra,(para ello la
tocamos con nuestras manos para descargarla) y rectificamos esto tomando
muestras con el "Proof. plane" en diferentes secciones de la misma e
introduciéndola en la jaula de Faraday. Luego de comprobar esto, acercamos
las esferas a una distancia de por lo menos 1 o 2 cm pero sin que estas se
toquen y tomamos muestras de carga en las mismas secciones de la esfera
que tomamos anteriormente.
Luego de esto, aterrizamos la esfera de la cual estamos midiendo la carga
(esfera 2) tocándola con nuestras manos y posteriormente la separamos de la
esfera que esta conectada a la fuente, finalmente tomamos muestras de carga
en la esfera que aterrizamos y observamos los resultados en el sensor de
carga.
DATOS OBTENIDOS
Primera experiencia: Carga por fricción
Grafica 1: carga por fricción
Al introducir la superficie de cuero, notamos que la carga registrada en el
sensor (data Studio) es positiva (circulo verde); esta se debe a que en el
momento de frotar las superficies (de cuero y acrílico) , el cuero cedio
electrones al acrilico quedando (el cuero) cargado positivamente y el
acrilico con una carga de igual magnitud pero con signo opuesto (circulo
azul).
Segunda experiencia: Carga por inducción
Grafica 2: carga por inducción productor de carga Azul: acrilico
Grafica 3: carga por inducción Productor de carga Blanco: cuero
Después de frotar las superficies (de cuero y de acrílico) e introducir en
la jaula de Faraday el productor de carga azul podemos observar que
inicialmente este posee una carga negativa de 0.0010 Coulomb, al aterrizar
la jaula (tocarla con el dedo) esta adquiere una carga positiva debido a
que por medio de nuestro cuerpo se "escapan" ciertos electrones, así la
jaula queda cargada positivamente por inducción.
De la misma forma, al introducir el cuero, este inicialmente posee carga
positiva de aproximadamente y al tocar la jaula con nuestros dedos, estos
sirven como "suministro" de electrones por lo que la jaula queda cargada
negativamente por inducción.
Tercera experiencia: Carga por contacto
Grafica 4: carga por contacto Productor de carga Azul: acrílico
Grafica 5: carga por contacto Productor de carga Blanco: cuero
Grafica 6: Ambas
Inicialmente, la jaula de Faraday esta descargada, luego de frotar los
productores de carga e introducir el productor de carga azul (grafica 4),
este al tener una carga negativa carga la jaula de Faraday negativamente
pues crea un exceso de electrones a esta. Análogamente al introducir el
productor de carga blanco con carga positiva (grafica 5), los electrones de
la jaula de Faraday son atraídos por los protones del productor de carga,
haciendo que en la jaula haya una carencia de electrones por lo que queda
cargada positivamente.
Cuarta experiencia: Distribución de la carga sobre una superficie
Grafica 7: Comprobamos que la esfera 2 esta inicialmente descargada
Grafica 8
Grafica 9
Inicialmente comprobamos que la esfera 2 esta descargada( grafica 7), luego
al acercar ambas esferas a menos de 1 cm pero sin tocarse, podemos
determinar la distribución de carga que presenta la esfera 2 gracias a el
campo generado por la esfera 1, recordemos que esta se encuentra cargada
positivamente gracias una fuente de voltaje.
En la grafica 8 podemos observar la distribución de carga en la esfera 2,
la figura siguiente nos muestra la relación entre la distribución de la
carga en la esfera 2 y la grafica 8:
El punto verde sobre la esfera 2 corresponde al círculo verde de la grafica
8, amarillo de la esfera con el círculo amarillo de la grafica etc.,
así podemos determinar la distribución de la carga en la esfera 2, que
gracias a la presencia de la esfera 1 cargada, se polariza, quedando hacia
el lado mas cercano a la esfera 1 cargado negativamente y hacia el lado mas
lejano positivamente. Esto se debe al hecho de que las cargas iguales se
repelen y las cargas opuestas se atraen.
Al tocar con nuestras manos la esfera 2, esta adquiere electrones
"neutralizando" los protones que estaban ubicados (en este caso) de lado
derecho de la segunda esfera, al separar luego las esferas, la esfera 2
queda cargada negativamente (con exceso de electrones), como podemos ver en
la grafica 9 donde con un transportador de carga medimos en la jaula de
Faraday la carga final de la esfera 2.
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.
El signo de carga obtenida por el productor de carga azul es negativa, y
por el productor de carga blanco positiva, esto se debe a que al frotarlos,
el productor de carga blanco al ser de cuero cede electrones al productor
de carga azul.
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.
Sucede lo que se conoce polo a tierra, al tocarla los electrones van hacia
la tierra, lo que hace que el productor quede cargado positivamente
Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la
esfera metálica del experimento IV cuando está cerca de la esfera
conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando
ésta es cargada por inducción?.
La distribución de carga de la esfera metálica descargada cuando esta cerca
de la esfera conectada, es heterogénea, es decir no es uniforme pues la
carga opuesta a la que esta cargada la esfera conectada es atraída hacia
esta ultima como experimentamos en la grafica 8, finalmente cuando es
cargada por inducción, la esfera metálica posee una carga distribuida
homogéneamente, en nuestro caso quedo cargada negativamente en toda su
superficie.
PREGUNTAS PROBLEMATOLÓGICAS
1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo
mediante el frotamiento con otro cuerpo?
Cuando se carga un cuerpo con otro ocurre un fenómeno llamado
electrización por contacto, que es que al frotar dos cuerpos que se
encuentran neutros, uno se carga positivamente y el otro 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?
Sucede lo que comúnmente es conocido como polo a tierra, el dedo en
este caso, es el medio de conducción de electrones hacia la tierra, lo
que hace que, la carga de la jaula quede neutra
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?
Cuando se retira el productor, los electrones del mismo son llevados
a la tierra lo que hace que esta 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.
Si, solo que el resultado seria lo contrario, ya que cuando el
productor se introduce en la carga este esta cargado positivamente que
obtiene cuando se retira el productor y posteriormente el dedo
CONCLUSIONES
De este informe podemos concluir que es posible electrizar un cuerpo de
diferentes formas no sólo frotándolo, sino también poniéndolo en contacto
con otro ya cargado, o por inducción etc., en cada uno de estos métodos no
se "destruye" la carga, esta siempre se conserva comprobando así la ley de
la conservación de carga.
Finalmente podemos concluir que la distribución de una carga en cualquier
superficie puede ser homogénea si esta no está en contacto con ningún campo
producido por otro objeto pues las cargas opuestas son atraídas y las
cargas iguales se repelen, este hecho es importante en el proceso de carga
por inducción en el que cargamos un objeto son ponerlo en contacto con otro
salvo por nuestras manos que sirven de escape o de suministro de
electrones.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
es.wikipedia.org/wiki/Carga_eléctrica
www.hiru.com/es/fisika/fisika_03000.html
www.angelfire.com/.../Fuerzasycargaselectricas.html
guia de laboratorio 1 física electricidad universidad del norte agosto
de 2009
notas de clase
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Positiva por induccion
Negativa por induccion
