Agosto 17,2009 Código: FIS-1033-03 Laboratorio de Física Electricidad
ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA
JOSE JAIRO GUTIERRE R Email:
[email protected] Ingeniería de Sistemas
ROBERTH PORTO SOLANO Email:
[email protected] Ingeniería de Sistemas
Abstract In this lab we will study the behavior of body interacting with a load. To analyze this behavior we have a laboratory guide will enable us to experience this behavior in a body with different experiences. Within thes these e expe experi rien ence ces s are: are: Uplo Upload ad a body body by fric fricti tion on,, cont contac actt and and induction. Then we can identify physical phenomena that occur in the process of loading a body electrically and simultaneously determine the sign of the charge acquired by a body in a process of electrification.
Resumen En esta práctica estudiaremos el comportamiento de los cuerpos al interactuar con alguna carga. Con el fin de analizar dicho comp compor orta tami mien ento to cont contam amos os con con una una guía guía de labo labora rato torio rio que que nos nos permitirá experimentar este comportamiento en un cuerpo con las distintas distintas experiencia experiencias. s. Dentro Dentro de estas estas experiencia experiencias s encontramo encontramos: s: Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción. De esta manera podremos identificar fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo y a la vez Determinar Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.
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. Comp Compar arar ar la dist distri ribu buci ción ón de carg carga a eléc eléctr tric ica a en un cuer cuerpo po metálico sometido al proceso de carga por inducción.
MARCO TEORICO Todos Todos los cuerpos cuerpos que nos rodean están están compuesto compuestos s de electrones electrones,, protones y neutrones. En muchos casos la cantidad de protones y electrones no es la misma (el cuerpo no está equilibrado eléctricamente). En el caso de que un cuerpo tenga más electrones que protones se dice dice que está está cargad cargado o negati negativam vament ente e y si tiene tiene más proto protones nes que elec electr tron ones es se dice dice que que está está carg cargad ado o posi positi tiva vame ment nte. e. Cuan Cuando do la cantid cantidad ad de proton protones es y electr electrone ones s es la misma, misma, la carga carga es nula nula o neutra neutra (el cuerpo no está está cargad cargado). o). En el siguie siguiente nte diagra diagrama ma se presentan dos cuerpos con carga nula o neutra.(Figura 1)
Figura 1 Para que un cuerpo se cargue, ya sea positiva o negativamente, tiene que verse afectado de alguna manera. Una forma de alterar el cuerpo (suponer un metal), es calentarlo. En este caso el cuerpo adquiere más o menos electrones, pues el número de protones permanece generalmente constante.(Figura 2)
Figura 2 Cuando los electrones pasan de un cuerpo a otro, el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente y el que gana electrones se carga negativamente. Este movimiento de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. (Figura (Figura 3)
Figura 3 Los metales permiten un flujo fácil de electrones. Este Este fluj flujo o puede deberse a la acción de fuerzas electrostáticas. Cuando esto es así, se dice que los electrones están bajo el efecto de un campo electroestático, también llamado campo eléctrico.
COMO SE CARGAN LOS CUERPOS •
Carga por fricción:
En la carga por fricción se transfieren electrones por la fricción del contacto de un material con el otro. Aun cuando los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opue opuest sta, a, los los mas mas exte extern rnos os de much muchos os átom átomos os está están n unid unidos os muy muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. •
Carga por contacto:
Es posi posibl ble e tran transf sfer erir ir electr electron ones es de un mate materia riall a otro otro por por simp simple le contacto. Por ejemplo, si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferirá la carga a este. Si el cuerpo es un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre si. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribución mas o menos uniforme de la carga. •
Carga por inducción:
Podem odemos os carg cargar ar un cuer cuerpo po por por un proc proced edim imie ient nto o senc sencil illo lo que que comien ienza con el acerc ercamiento a él de una varilla lla cargada. Considérese la esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aisl aislad ador, or, que que se mues muestr tra a en la figur figura a (1). (1). Al acer acerca carl rle e la varil varilla la carg cargad ada a nega negati tiva vame ment nte, e, los los elec electr tron ones es de cond conduc ucci ción ón que que se encuentran el la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de esta esta;; como como resul esulta tado do,, el lado lado leja lejano no de las las esfe esfera ra se carg carga a negativamente y el cercano queda con carga positiva.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Util Utilic ice e el sens sensor or de Carg Carga a para para dete determ rmin inar ar la pola polari rida dad d de los los prod produc ucto tore res s de carg carga. a. A cont contin inua uaci ción ón mida mida la cant cantid idad ad de carg carga a transferida a la jaula de Faraday por contacto con cada productor de carga. Finalmente, Finalmente, utilice el sensor de Carga para medir la carga de la jaula jaula de Faraday araday causad causada a por inducc inducción ión.. Utilice Utilice DataStudio para registrar registrar y mostrar mostrar los datos. datos. Compare Compare la carga carga por contacto contacto con la carga por inducción.
Configuración del ordenador 1.Conecte
el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador. ordenador. 2.Conecte el sensor de Carga directamente al Canal Analógico A del interfaz.
Calibración del sensor y montaje del equipo. • 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). /Measurement). Conecte Conecte las pinzas pinzas dentadas dentadas del cable del sensor 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 araday,, ésta ésta debe debe ser descar descargad gada a moment momentáne áneame amente nte.. 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.
Toma de datos Carga por fricción. 1. Descar Descargue gue la jaula y presion presione e el botón botón ‘ZERO’ ‘ZERO’ del sensor sensor para descargarlo.
2. Comience la toma de datos. (Haga (Haga clic en ‘Start’ ‘Start’ en DataStudio 3.F 3.Frote varia arias s vece veces s las las super uperfi fici cies es azule zules s y blan blanca cas s de los 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). Teng Tenga a la preca precauci ución ón de no tocar tocar con sus sus manos manos estas estas superf superfici icies es 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 6.Pasado unos momentos, finalice la toma de datos.
Carga por inducción 7. Descar Descargue gue la la jaula jaula y presio presione ne el botón botón ‘ZE ‘ZERO’ RO’ del del sensor sensor para para descargarlo. 8. Comience la toma de datos. datos. (Haga (Haga clic en ‘Start’ ‘Start’ en DataStudio) DataStudio). 9. Frote rote vari varias as vece veces s las supe superf rfic icie ies s azule azules s y blan blanca cas s de los productores de carga. 10. 10. Sin Sin toca tocarr la jaula jaula con el prod produc ucto torr de carga carga,, intr introd oduz uzca ca 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 Después de aterrizar aterrizar la jaula, jaula, retire retire su dedo y el product productor or de carga. 13. Pasados Pasados unos momentos, momentos, finalice la toma toma de datos. 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 carga azul y blanco. 16. 16. Toque oque la jaul jaula a que que está está cone conect ctad ada a al bor borde posi positi tivo vo con con el portador azul, observe el signo de la carga y registre su valor. 17. Descargue la jaula. jaula. 18. 18. Toque oque la jaul jaula a que que está está cone conect ctad ada a al bor borde posi positi tivo vo con con el portador blanco, observe el signo de la carga y registre su valor. 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 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 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. 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.
5 ANÁLISIS DE LOS DATOS 6
signo tiene la carga obtenida obtenida por el productor de Pregunta 1: ¿Qué signo 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 productor de carga blanco después de ser frotado con el de azul tiene una carga positiva, mientras que el productor azul adquiere una carga negativa. Cada productor obtuvo esa carga debido a la fricción entre entre ellos, ellos, durant durante e este este proces proceso o se trans transfiri firiero eron n electr electrone ones s de un material a otro por simple contacto.
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 carga la toca toca direct directame amente nte? ? Expliq Explique ue con argum argument entos os físicos físicos que sucede en cada caso. En la grafica cuando introducimos el productor de carga en la jaula sin tocarla, la grafica nos muestra que se encuentra cargada negativa o positiva, esta se carga por inducción, ya que al acercar el productor con carga a la jaula, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. Mientras que cuando el productor de carga la toca directamente este le transfiere una parte de la carga a la jaula.
Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera esfera metálica metálica del experi experimen mento to II cuando cuando está cerca cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando ésta es cargada por inducción? En el experimento II cuando la esfera metálica se acerca a la esfera conectada a la fuente, las cargas se encuentran la parte mas cercana a la esfera a fuente la distribución de carga es negativa, mientras que en el lado opuesto la carga es positiva.
Preguntas problematológicas. problematológicas.
Expl Expliq ique ue ¿qué ¿qué fenó fenóme meno no físi físico co ocur ocurre re cuan cuando do se carg carga a un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? Cuando se frota un cuerpo con otro sucede un proceso electrización, el cual cual ocur ocurre re por por cont contac acto to.. Ha Haci cien endo do que que cuan cuando do dos dos cuer cuerpo pos s pos posee een n una carg carga a neut eutra son fric fricci cion onad adas as carg cargá ándo ndose una positivamente y otra negativamente. 1.
2.
En el proceso de cargar un cuerpo por inducción. ¿Qué ocurre con con la carg carga a de la jau jaula cua cuando ndo es momen omentá táne nea ament mente e aterri aterrizad zada a mientra mientras s que el produ producto ctorr de carga carga se encuen encuentra tra todavía en su interior?
El proceso de aterrizar es cuando hacemos polo tierra con el cuerpo carg cargad ado. o. En poca pocas s palab alabra ras s des descarg carga amos mos la jaul jaula, a, ya que le despre desprende ndemos mos electro electrone nes s quedan quedando do la jaula jaula de Farada Faraday y con una una carga 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? Si el productor de carga queda cargado negativamente y la jaula es aterrizada la jaula queda 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 proc proces eso, o, es deci decir, r, si se hubi hubier era a reti retira rado do prim primer ero o la esfe esfera ra cargada y después el dedo? Expliqué su respuesta.
Al invertir invertir este este proceso proceso el result resultado ado si hubiera hubiera sido el mismo, mismo, y el resultado seria invertido ya que cuando el productor de carga es introducido a la jaula esta se encuentra cargada positivamente que obtenemos cuando retiramos el productor de carga y luego el dedo.
CONCLUSION Al conclui concluirr con nuestr nuestra a exper experien iencia cia podemo podemos s conclu concluir ir que existe existen n distintas formas de cargas los cuerpos y dependiendo del material la carga puede ser negativa o positiva, dentro de ellas encontramos por indu inducc cció ión n, fric fricci ción ón y por por cont conta acto cto. Cada ada una una de ella ellas s con con un com comport portam amie ient nto o espec specif ific ico o. Por otra tra parte arte con conclui cluimo mos s en el experim experiment ento o de las esfera esferas s que durant durante e la exper experien iencia cia se puede puede observar a través de la graficas la distribución de carga que ocurre,
haciendo que la parte más cercana de la parte de la esfera cargada quede negativamente y la parte opuesta queda positivamente.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS SEARS, ZEMANSKY, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Fisica Universitaria", Vol. II, Pearson, 1999
