INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA ZACATENCO Academia de física de IE Asignatura: laboratorio de física Grupo: 2EM5 Equipo: Titulo:
5
Distribución de las cargas eléctricas en los conductores Numero de práctica:
2
Integrantes : Delgado Nájera Erick
Montes Rojas Elías Sánchez Montes De Oca Alexis Isaac Serrano Ruiz Alberto Villalobos Fuentes Carlos A. López Bruno Raúl Profesores: Álvarez Maldonado Jesús
Acevedo Chávez Luis Armando Fecha de realización:
21 de febrero del 2012
Fecha de entrega: 13 de marzo del 2012
Practica 3 distribución de las cargas eléctricas en los conductores Objetivos Determine, empleando un electroscopio, si un cuerpo esta cargado, y si esta cargado el signo de la carga
• Verifique que los conductores, la carga eléctrica se distribuye en la superficie exterior, al realizar las experiencias de cavendish y franklin • Verifique, mediante el empleo de un electroscopio, que en un conductor hueco, el campo eléctrico es nulo • Explique que sucede con el efecto de puntas al realizar las experiencias de • El rehilete electroestático • La bujía (la flama de una vela) • El mechón de cabellos
Introducción Teórica Durante esta practica usaremos varios instrumentos y utilizaremos varios conceptos que a continuación voy a describir. El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de campos eléctricos en un cuerpo e identificar el signo de la misma. El electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una esfera en la parte superior (gaz) y en el extremo opuesto dos láminas de oro o de aluminio muy delgadas. La varilla está sostenida en la parte superior de una caja de vidrio transparente con un armazón de cobre en contacto con tierra. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la varilla se electriza y las laminillas cargadas con igual signo de electricidad se repelen, separándose, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera y las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo a la esfera. Si las laminillas se separan significa
que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos. Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. El electroscopio de hojuelas fue inventado por Bennet En física,
la carga
eléctrica es
una
propiedad
intrínseca
de
algunas partículas
subatómicas que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones
electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es
influida por los campos electromagnéticos, siendo a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética. Desde el punto de vista del modelo estándar la carga eléctrica es una medida de la capacidad de la partícula para intercambiar fotones. Una de las principales características de la carga eléctrica es que se conserva, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma algebraica de cargas positivas y negativas presente en cierto instante no varía. Qi=Qf La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: – 1, 1, también expresada – e. Los protones tienen carga positiva: +1 o
. A los quarks se les asigna carga
+e
fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la naturaleza. naturaleza .
1
El generador de Van de Graaff es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. Las diferencias de potencial
así alcanzadas en un generador de Van de Graaff moderno pueden llegar a alcanzar los 5megavoltios. Las diferentes aplicaciones de esta máquina incluyen la producción de rayos X, esterilización de alimentos y experimentos de física de partículas y física nuclear. Para hacer esta practica necesitamos entender los siguientes conceptos El término energía (del griego ἐνέργεια ἐνέργεια//energeia, actividad, operación; ἐνεργóς/energos = fuerza de acción o fuerza trabajando) tiene diversas acepciones y definiciones, relacionadas con la idea de una capacidad para obrar, transformar o poner en movimiento. En física, «energía» se define como la capacidad para realizar un trabajo. En tecnología y economía, «energía» se refiere a un recurso natural (incluyendo a su tecnología asociada) para extraerla, transformarla y darle un uso industrial o económico.
Material • Generador de van der graaff • Copa de farsear ecipiente de platico con esferas de cripsota • R ecipiente • Barra de poliestireno • Esfera hueca • Paño de lana • Banco aislado • Pinza para mesa • Rehilete electrostático • Electroscopio • Hemisferios de cavendish • Barra de vidrio • Punta de metal • Paño de seda • Vela • Cables de conexión
Desarrollo 1.- El electroscopio Descripción:
Es un dispositivo formado de dos laminas L, L’, ligerísimas de aluminio, fijas a una varilla metálica, coronada por una esferilla también metálica. La varilla se ajusta en un tapón aislador. Las ventanillas de cristal, una frente a la otra permiten ver al interior.
Procedimiento: Acerque a la esfera del electroscopio una barra de vidrio sin frotar. Observe. Realizado lo anterior, cargue la barra de vidrio y acérquela hasta tocar la esfera del electroscopio. Anote sus observaciones. Tique la esfera con la mano y repita el procedimiento anterior con la barra de polietileno y anote sus observaciones. Cargue el electroscopio tocando con la barra de vidrio frotada con el paño de lana, de manera que las hojas queden solo un poco separadas; acerque a la esfera pero sin llegar a tocarla un objeto cargado negativamente. Anote lo que sucede. Ahora acoque a la esfera, pero sin llegar a tocarla un objeto cargado positivamente. Anote lo que sucede. Por último aproxime la esfera, pero sin tocarla, un objeto que no haya sido frotado y que en consecuencia, este probablemente descargado ¿Qué sucede?
Discusión ¿Por qué desciende la carga hasta las hojas? Como la esfera que tiene como capuchón el electroscopio es conductora, cuando se le acerca una carga, esta viaja atreves de ella hasta las placas. Cuando se cargo el electroscopio con un tipo de carga y se le acerco una barra cargada con el otro tipo. ¿Qué se observo? Se observo que las placas se atraían debido a que las cargas eran de signo contrario. Si se le acerca una barra cargada con carga del mismo signo ¿Qué sucede? Las placas se separarían, debido a la diferencia de signos en las cargas.
¿Cómo podría identificar el tipo de carga que adquiere un objeto cualquiera al ser frotado, empleando los resultados de las observaciones hechas en este experimento? Cargando el electroscopio de una carga conocida, así cuando se le acercara la carga de prueba, esta interactuaría con la otra separando o atrayendo las placas.
Conclusiones De las observaciones hechas en este experimento se puede concluir en un electroscopio es un dispositivo que sirve para: ¿A qué conclusión ha llegado en este experimento? En el electroscopio se pudo apreciar que las cargas del mismo signo se separan y las cargas de signo contrario se atraen. Además de que el electroscopio es un dispositivo que nos sirve para identificar el signo de las cargas, usando el principio de atracción o repulsión de cargas. 2.- La experiencia de cavendish Dispositivo: Monte el arreglo experimental que se muestra en la figura:
Monte la esfera metálica hueca en el soporte aislante y colóquela en el banco aislante. Conéctela a la esfera colectora del Van de Graff por medio del cable de conexión, teniendo cuidado que este no llegue a tocar ningún otro cuerpo, como se muestra en la figura. Para cargar la esfera metálica ponga a funcionar el generador a su velocidad mínima durante un minuto aproximadamente y apáguelo. Realzado lo anterior, desconecte la esfera metálica hueca del generador procurando no tocar con la mano, ni el generador ni la esfera, con la sonda de prueba toque cualquier punto de la superficie de la esfera y con la ayuda del electroscopio determine si está cargada. Anote sus observaciones.
El electroscopio debe estar lo bastante alejado del Van de Graff, para evitar su influencia. Ahora con los dos hemisferios metálicos descargados, provistos de mangos aisladores, y cubra la esfera metálica con ellos como se muestra en la figura. Después de unos segundos separe ambos hemisferios y, con la ayuda de sonda de prueba y del electroscopio descargado. Determine si existe carga eléctrica en la esfera y en los hemisferios. Registe sus observaciones.
Discusión ¿Cómo obtuvo la esfera hueca, carga eléctrica en este experimento? Se obtuvo mediante la ionización , es decir que se le acerco demasiado a una superficie cargada uniformemente y si tocarla, esta adquiere la carga imantándola ¿Cómo la detecto? Se detecto mediante el electroscopio al acercarlo demasiado al objeto de prueba ¿Por qué se hace contacto en la superficie de la esfera cargada con la sonda de prueba esta adquiere la carga del punto del contacto? Debido a que al hacer contacto la sonda queda cargada y la esfera se descarga. ¿Por qué podemos considerar en este experimento que el área de contacto este la esfera y la sonda de prueba permanece constante? Porque cuando hace contacto la esfera con la sonda y se carga se considera un solo objeto y no existe la superficie de contacto. Diga si la carga por contacto por la sonda de prueba pasa íntegramente al electroscopio. ¿Cómo haría para que esto sucediera?
No debido a que existe una perdida cuando se atraviesa el electroscopio, si se desea que pase íntegramente, se debería cargar la sonda al mismo tiempo que la esfera, así ambas tendrían la misma carga. Cuando los hemisferios metálicos cubren la esfera metálica ¿Cuál es la superficie externa del conjunto? Es la parte convexa de los hemisferios debido a que allí es donde se adquiere la carga. Después de haber retirado los hemisferios de la esfera ¿detecto carga eléctrica en la esfera? ¿En los hemisferios? Cuando fueron cargados en la parte convexa convex a no, debido a que no se detecto carga en el interior, y cuando se cargo en la parte cóncava, si debido a que ahí si se cargo el hemisferio. ¿La carga que detecto en los hemisferios metálicos fue del mismo signo que la esfera metálica? Explique cómo podría comprobar lo anterior. Si debido a que se polarizo de con la misma carga para comprobarlo, se cargaría el electroscopio con la carga de la esfera y se le acercaría al capuchón esférico de el electroscopio los hemisferios, y si las placas de él, se separaran estas serian del mismo signo. 3- Experiencia de franklin Dispositivo: monte el arreglo experimental que se muestra en la figura.
Instale con la parte superior de la esfera colectora del Van de Graff. Previamente descargada, el recipiente de plástico con base de metal. Ponga a funcionar a su mínima velocidad durante algunos segundos. Observe lo que sucede y regístrelo. Realizado lo anterior desconecte el generador y descárguelo. Quite el recipiente con paredes de plástico del generador e instale en su lugar el cilindro metálico. Con las esferas
conductoras como se muestra en la figura y ponga a funcionar el generador a su mínima velocidad durante algunos segundos, observe lo que sucede y regístrelo.
Discusión ¿Por qué repelidas las esferas conductoras al funcionar el generador, cuando estas encontraban en el recipiente de plástico? Debido a que la carga de las esferas eran de signo igual a la carga de la esfera del generador. ¿Qué tipo de carga adquiere la placa metálica que sirve de tapón del recipiente de plástico cuando se golpeado por las esferas conductoras? Adquiere la misma que la de las esferas, debido a que repele a las mismas. ¿Qué tipo de carga adquieren las esferas conductoras cuando se encontraban en la copa de fardada y después de hacer funcionar el generador? Adquieren la misma carga que la del generador debido a que se ionizan, y después de ser repelidas por el tapón, están adquieren la misma. ¿Por qué no saltaron las esferas conductoras cuando se cargo la copa de faraday? Debido a que como la copa de faraday tenía la carga contraria a la de las esferas, estas fueron atraídas por la misma copa.
Conclusión ¿Qué se puede concluir las últimas dos experiencias?
Que la ionización es otro método por el cual se pueden cargar los cuerpos, sin necesidad de tener contacto con ellos, así mismo que las cargas de signo igual se repelen y las de signo contrario se atraen.
4.- Pantalla eléctrica Dispositivo: coloque el capuchón metálico cobre el electroscopio y conéctelo a la esfera del generador.
Procedimiento Ponga a funcionar el generador a su mínima velocidad. Observe. Nota: cuide que no haya arcos eléctricos entre el capuchón y el electroscopio.
Discusión: ¿Qué papel juega el capuchón conductor? Es el mismo que el de la esfera, debido a que al ser cargado este, las placas se atraen o repelen debido a la carga que se le introduce al el.
Conclusión:
¿Cuál es su conclusión de respecto a este experimento?
Que la carga electrostática viaja por la superficie de los cuerpos, es decir que en el interior el campo eléctrico es cero, pero mientras este por el exterior, si puede existir una carga. 5.- Efecto de puntas a.) Rehilete electrostático. Dispositivo: el que se muestra en la figura
Instale el rehilete sobre la esfera colectora de Van de Graff, ponga a funcionar este ultimo a su mínima velocidad, registre sus observaciones. Si puede aumentar la velocidad hágalo. Anote lo que sucede. b.) Mechón de cabellos Procedimiento: Descargue el generador de Van de Graff, quite el rehilete y en su lugar coloque el mechón de cabellos. Ponga a funcionar al generador (a una velocidad mínima si esta se puede regular) déjelo funcionando por espacio de un minuto, registre lo que observe.
C.) Experiencia de vela
Procedimiento Nuevamente descargue el generador, quite el mechón de cabellos, coloque la punta metálica en la esfera del generador, encienda la vela y ponga a funcionar el generador, acerque la flama de la vela a la punta metálica. Registre lo que sucede.
Discusión. Explique el comportamiento del rehilete y el mechón de cabellos. En el rehilete se aprecio que la concentración de cargas siempre será mayor en las puntas, y como la caga que adquirió el rehilete fue la misma que en la esfera, esta sirvió para impulsarlo, y hacer que este rotara. ¿Puede inozarse el aire? Si debido a que la carga pueden viajas por el, un claro ejemplo de esto son las descargas atmosféricas. ¿A que se llama viento eléctrico? Cuando los conductores metálicos terminan en punta se acumula mucha carga en ellas, la densidad de carga es muy alta y en las proximidades se crea un intenso campo que ioniza el aire. Las
puntas
cargadas
positivamente
producen
viento
eléctrico
positivo.
Las puntas cargadas negativamente producen viento eléctrico negativo
¿Por qué las cargas eléctricas fluyen atreves de una punta? Debido a que es mayor su concentración en ellas, y su área es menor, así la carga será de mayor concentración. Explique porque la flama de la vela se desvía al acercarla a la punta cargada Porque existe un flujo de electrones por medio del campo eléctrico que de las puntas sale. Conclusión: De las observaciones registradas durante estos tres últimos experimentos ¿Qué puede concluir?
Cuestionario: 1.- defina los siguientes términos: a.) Densidad lineal de carga: Expresa la cantidad de carga por unidad de longitud en unidades de Coulomb / metro. Por ejemplo en hilos
b.) Densidad superficial de carga Expresa la cantidad de carga por unidad de superficie y sus unidades son Coulomb / metro cuadrado
C.) Densidad volumétrica de carga Expresa la cantidad de carga por unidad de volumen con (Coulomb / metro cúbico) como sus unidades.
2.- ¿Qué significado tienen las siguientes ecuaciones?: #E= -#V Nos dice que el campo eléctrico es igual al decremento constante del voltaje #E= - e-/E° En este caso el decremento del campo eléctrico es lo mismo que la densidad volumétrica de carga sobre el valor de 8.85x10-12.
3.- ¿Es la superficie de un conductor una superficie equipotencial? Si, por que cuando una parte de esta superficie se carga, lo hace en ambos de sus lados y a lo largo de toda la superficie de manera constante, ya que es una característica de los conductores, y por lo tanto también su potencial es constante.
4.- ¿Qué diferencia existe ente un electroscopio y un electrómetro? El electroscopio es un instrumento que permite determinar la presencia de cargas eléctricas y su signo mediante la separación de dos laminas de oro. Y el electrómetro es un electroscopio dotado de una escala, de tal manera que gira sobre esta escala graduada.
Bibliografía: artínez, Electricidad y magnetismo (2. ed.). Madrid: Espasa-Calpe. erway, R , ewett, Electricidad y magnetismo a ed xico McGraw-Hill.
