electrostatica informe

Departamento Departamento de Física

Agosto 19, 2009 Código: 1807 Laboratorio de Física electricidad

©Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

EXPERIENCIA No. 1 ELECTRIZACION ELECTRIZ ACION DE LOS CUERPOS Y CONSERVACION CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA

Vanessa Fonseca

Andres Lastra

email: [email protected] Ingenieria Industrial

email: [email protected] Ingenieria industrial

Abstract

This report is about the forms of an electrically charged body, the analysis of the graph graphs s of each each of the the metho methods ds and the identi identific ficat ation ion of physic physical al phen phenom omen ena a related to these processes of electric charge. With this knowledge it is possible to identify some natural phenomena and some of the electrostatic properties. Resumen

Este informe es sobre las formas de cargar eléctricamente un cuerpo, el análisis de las graficas de cada uno de los métodos y la identificación de de los fenómenos físicos relacionados a estos procesos de carga eléctrica. Con este conocimiento es posible identificar ciertos fenómenos naturales y algunas propiedades de la electroestática. 1.

INTRODUCCION Y OBJETIVOS

En los primeros tiempos las investigaciones con base en la electricidad eran más que una ciencia, un pasatiempo de aficionados, que aun así hicieron grandes avances y descubrieron descubrieron las bases de la electricidad. electricidad. Un fenómeno fenómeno que hoy en día nos sorprende debido a su complejidad y a la facilidad con la que esta puede ser  manipulada si se conocen sus principios básicos, los cuales no son difíciles de ente entend nder er he aquí aquí algu alguno nos s de sus sus prop propie ieda dade des s expu expues esto tos s en dife difere rent ntes es situaciones. 1. Objetivos: 1.1. General: 1.

Anal Analiz izar ar los los fenóm fenómen enos os físi físico cos s que ocu ocurr rren en en el el proce proceso so de carg cargar  ar  eléctricamente un cuerpo. 1.2. Específicos:

1. Determin Determinar ar el signo de la carga carga adquiri adquirida da por un cuerpo cuerpo en un proceso proceso de electrificación. 2. Cargar Cargar un cuerpo cuerpo por por fricción, fricción, contac contacto to e inducció inducción n 3. Comparar Comparar la distribución distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico metálico sometido al proceso de carga por inducción 2.

MARCO TEORICO

Teniendo en cuenta las propiedades de la carga: cuantización, conservación e invariancia; y las características de esta donde la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas elementales, por lo mismo podemos decir que todos los cuerpos de la naturaleza pueden electrizarse y esta existencia de carga eléctrica se manifiesta cuando un cuerpo cargado interactuar con otro en la misma condición, lo que nos lleva a analizarlas y a darnos cuenta que existen dos tipos de carga llamadas convencionalmente positivas y negativas, donde las de mismo signo se repelen y las de signo contrario se atraen. Por ello podemos pensar en las diferentes formas como un cuerpo puede ser cargado, se conocen 6 tipos de méto métodos dos los cuales cuales son: son: carg carga a pos pos conta contact cto, o, carga carga por por fricc fricción ión,, carga carga por  por  inducción, carga por efecto termoiónico, carga por efecto fotoeléctrico, carga por  efecto piezoeléctrico. A continuación una explicación simple de estos efectos. •

Carga por contacto

Es posible posible transferir transferir electrone electrones s de un cuerpo cuerpo a otro por simple simple contact contacto, o, por  ejemplo cuando se pone un objeto cargado en contacto con uno neutro, entonces se le transfiere la carga a este; si el cuerpo e buen conductor la carga se disipara por todo el objeto, sino es mejor hacer contacto con el objeto cagado en distintas partes para obtener una carga medio uniforme. •

Carga por inducción

Es el proceso en el que se puede cargar eléctricamente un cuerpo sin necesidad de tener contacto con el objeto cargado, y a este se le llama inducción. Un ejemplo claro de este método de carga es en el que tienes dos esferas metálicas al principio se tienen en contacto luego se les acerca una varilla cargada esta induce una separación de cargas luego se separan las esferas todavía actuando la varilla luego de esto y al retirar la varilla del sistema las dos esferas quedan cargadas con cargas de igual magnitud pero de signos opuestos. También se pude cargar  una sola esfera por inducción, cuando se acerca una varilla cargada positivamente a una esfera la cual induce una separación de cargas en la esfera, luego se hace una conexión a tierra la cual funciona como un gran conductor, entonces los electrones fluyen desde la tierra para neutralizar las cargas positivas del lado derecho de la esfera, después la conexión se elimina y se retira la varilla y enton entonce ces s se puede puede obse observa rvarr que que la esfera esfera qued queda a carga cargada da nega negativ tivam ament ente e y distribuida uniformemente. El mejor ejemplo natural de una carga por inducción es durante las tormentas eléctricas donde las partes inferiores de las nubes en las

que hay cargas negativas, inducen una carga positiva sobre la superficie de la tierra. •

Carga por efecto termoiónico

Es la ionización producida por el calor. A altas temperaturas, se empiezan a mover  los electrones fuertemente, es tanto así que empiezan a escapar del cuerpo; lo cual lo dejara cargado positivamente. Este fenómeno es la base de la electrónica de válvulas. •

Carga por efecto fotoeléctrico

Es la ioniz ionizac ación ión produ producid cida a por por la luz. luz. Si esta esta se encu encuent entra ra golp golpean eando do una una superficie metálica, puede provocar la emisión de los electrones. •

Carga por efecto piezoeléctrico

Cuando se comprimen o se dilatan ciertos cristales, estos tienden a desplazar las cargas a sus caras. Esto se utiliza mucho en la grabación y reproducción del sonido. •

Carga por fricción

Este aun que se debe a la conducción por contacto, es realizado por otras razones y por otro medios, cando se tienen dos elementos y se frotan uno contra el otro, esto produce una transferencia de electrones de una material al otro. 3. PROCED PROCEDIMI IMIENT ENTO O EXPERIM EXPERIMENT ENTAL AL

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 para medi medirr la carg carga a de la jaul jaula a de Fara Farada day y caus causad ada a por por indu inducc cció ión. n. Util Utilic ice e DataStudio para registrar y mostrar los datos. Compare la carga por contacto con la carga por inducción. 3.1. Configuración del ordenador  1.Conecte

el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.

1) Conec Conecte te el sens sensor or de Carga Carga direct directam ament ente e al Canal Canal Analógico A del interfaz. 3.2. Calibración Calibración del sensor sensor y montaje del equipo. equipo. No se necesita calibrar el sensor 

•

El sen sensor sor de car carga tie tien ne gan gananc ancias ias de x1, x1, x5 y x20 x20 esc escoja una una de de ést ésta depen dependie diend ndo o del del valor valor de carg carga a a medir medir,, cuan cuando do esco escoja ja una una de estas estas ganancias físicamente en el sensor también lo debe hacer en el software (DataStudio / Setup /Measurement).

Conecte las pinzas dentadas del cable del sensor a las jaulas interior y exterior de la jaula de Faraday. Antes de comenzar cualquier experimento experimento en el que se utilice la jaula de Faraday, Faraday, ésta debe ser descargada momentáneamente. 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. 3.3. Toma de datos

•

Carga por fricción

1. Descargue Descargue la jaula y presione presione el botón ‘ZERO’ del sensor sensor para descargar descargarlo. lo. 2.

Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio

3.

Frote Frote varias varias veces veces las superficie superficies s azules azules y blancas blancas de los productore productores s 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 Retire el productor productor de carga carga blanco blanco e introduzca introduzca el product productor or de carga azul azul en la jaula. Observe los resultados y anótelos. 6. Pasado Pasado unos unos momento momentos, s, finalice finalice la toma toma de datos. datos.

•

Carga por inducción

7. Descargu Descargue e la jaula y presion presione e el botón ‘ZERO’ ‘ZERO’ del del sensor sensor para descar descargarl garlo. o. 8.

Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio) DataStudio ).

9. Frote Frote varias varias veces veces las superfi superficie cies s azul azules es y blanc blancas as de los produ producto ctores res de carga. 10. Sin tocar tocar la jaula jaula con el productor productor de carga, carga, introduzca introduzca el productor 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 aterrizar  momentáneamente la jaula. Observe y anote los resultados.

12. Después de aterrizar aterrizar la jaula, retire retire su dedo y el productor productor de carga. 13. Pasados Pasados unos momentos, momentos, finalice finalice la toma de datos. datos. 14. Descargue Descargue la jaula y ponga a cero el sensor. sensor. Repita el procedimiento procedimiento utilizando utilizando el productor de carga azul.

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Carga por contacto

13. Frote los portadores portadores de carga carga azul y blanco. 14. 14. Toque oque la jaula jaula que que está está conec conectad tada a al borde borde positiv positivo o con con el porta portador dor azul, azul, observe el signo de la carga y registre su valor. 15. Descargu Descargue e la jaula. jaula. 16. Toque oque la jaula que está conecta conectada da al borde positivo positivo con el portador portador blanco, 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 como se distribuye la carga sobre una superficie metálica, midiendo la densidad de carga en varias

secciones. secciones. Utilice el “transpor “transportador tador de carga” carga” junto con la la Jaula de Faraday Faraday para para determinar la densidad de carga. Para ello realice el montaje que aparece en la Figura 1.2 17. Antes de comenzar comenzar,, asegúrese que la Jaula de Faraday esté esté aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro. 18. Ubique dos esferas esferas de aluminio separadas separadas por lo menos menos 50 centímetros, 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. ay.( ¡NO CONECTAR AL ELECTROMETRO CON LA FUENTE DE TENSION!) 19. 19. La otra otra esfer esfera a debe debe ser aterri aterrizad zada a mome momentá ntáne neam amen ente te para para remov remover er las posibles cargas residuales que contengan. 20. Confirme Confirme que esta esta esfera esfera está descarg descargada ada tomando tomando muestra muestras s con el “Proof. “Proof. plane” en diferentes diferentes secciones secciones de la misma misma introduciéndola introduciéndola en la jaula jaula de Faraday. 21. Acerque Acerque ahora ahora las dos esfera esfera a una distanci distancia a de un centímet centímetro. ro. Encienda Encienda la fuente fuente de voltaje voltaje y tome muestra muestras s de carga carga en las mismas mismas secciones secciones de la esfera que tomó en el numeral 22 introdúzcala en la jaula de Faraday y anote los resultados. 22. Aterrice Aterrice ahora ahora la esfera de la cual cual está midiendo midiendo su carga. (puede (puede hacerlo hacerlo tocando con un dedo la parte posterior de la esfera metálica). 23. Separe la esfera esfera que está conectada conectada a la fuente de voltaje a una distancia distancia de 50 cm de la esfera que aterrizó y apáguela. 24. Nuevame Nuevamente nte tome muestras muestras de carga en las mismas mismas seccione secciones s en que las tomó en los numerales 22 y 23 y mida la carga.

4. DAT DATOS OBTE OBTENI NIDO DOS S

Carga por fricción

Grafica 1: resultado ensayo de carga por fricción; primer pico productor azul, segundo pico  productor blanco.

Carga por inducción

Grafica 2: resultado ensayo por inducción; primer pico productor azul, azul, alternación de la carga del   polo a tierra, continuidad de la carga positiva por carga de la jaula.

Carga por contacto

Grafica 3: resultado ensayo por contacto; primer pico del productor azul, nivelación negativa por el  contacto con la jaula, neutralización de la jaula, segundo pico productor blanco, continuidad de la carga por contacto de la jaula, neutralización de la jaula.

Carga por contacto (esferas)

Grafica Grafica 4: resultado resultado por contacto contacto de la esfera; primer pico productor metálico metálico en contacto con la  parte interna de la esfera cercana a la esfera cargada, segundo y tercer pico productor metálico en contacto con las partes exteriores de la esfera (arriba y a un lado).

Carga por inducción (esferas)

Grafica 5: resultado de inducción de esferas; pico resultado del productor metálico después de hacer polo atierra en la esfera que estaba inducida a separación de cargas. 5. •

ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Pregunta 1: 1: ¿Qué signo tiene tiene la carga obtenida obtenida por por el productor productor de carga blan blanco co desp despué ués s de ser ser frota frotado do con con el azul? azul? ¿Qué ¿Qué signo signo tiene tiene la carga carga obtenida por el productor de carga azul? Explique cómo cada productor  obtuvo esa carga. RTA/: El signo signo de la carga carga del produ product ctor or blanc blanco o hecho hecho de cuerin cuerina a es positivo y el signo del productor productor azul de acrílico es negativo, esto se debe a las las prop propie iedad dades es del del mater material ial,, ya que que las telas telas o los mater materia iales les texti textile les s tienden a tener cargas positivas y por el contrario los aislantes como el acrílico atraen a su superficie las cargas negativas. Es por esto que cuando se frotan los dos materiales los electrones libres de la cuerina pasan al acrílico lo que deja carga positiva en el blanco y carga negativa en el azul.

•

Pregunta 2: ¿Qué diferencia diferencias s observa observa en la gráfica gráfica entre introdu introducir cir 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/: al introducir el productor con carga a la jaula de Faraday sin tocarlo gráficamente gráficamente nos muestra una carga que al sacar el productor desaparece, desaparece, debido a que no hubo contacto y la jaula permanece neutra; pero en el caso en el que el productor toca la jaula de Faraday esta se carga por contacto y gráficamente se muestra que la jaula ya no es neutra, sino que por el contrario esta está cargada con la misma carga que el productor. En cada caso lo que sucede es el mismo fenómeno de contacto en el caso en el que

lo hay, pero en el otro como la jaula tiene el principio de ser un aislante de las cargas lo que haces determinar la carga del sistema pero sin este cargarse. •

Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfe esfera ra metá metáli lica ca del del expe experi rime ment nto o II cuan cuando do está está cerc cerca a de la esfe esfera ra conectada conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando ésta es cargada por inducción? RTA/: la distribución de cargas en las esferas sin que haya inducción se puede observar que al estar juntas la esfera cargada induce una separación de cargas de la otra esfera situando en la cara que esta junto a ella las cargas negativas y al lado opuesto cargas positivas, pero ya en el caso de la inducción en el que al tocarla nosotros funcionamos como polo a tierra indu induci cimo mos s que que desd desde e nues nuestr tro o cuer cuerpo po fluy fluyan an elec electr tron ones es los los cual cuales es estabilizan la esfera dejándola con una carga inducida negativa.

PREGUNTAS PROBLEMATICAS •

Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? RTA/: el fenómeno se conoce como carga por friccion, en el que ambos cuerpo al frotarse, y al generarse la friccion de uno de los cuerpo los electrones se desprenden y pasan al otro cuerpo. Esto sucede básicamente en materiales que tienen una conductividad muy buena o tienen muy mala cond conduc uctiv tivid idad, ad, por por ejemp ejemplo lo al frota frotarr tela tela la cual cual esta esta neutr neutra a contra contra un pedazo de plástico o acrílico, los electrones de la tela pasan a el plástico dejando cargados los dos cuerpos, con cargas de igual magnitud pero con signo contrario.

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En el proceso de cargar un cuerpo por inducción. ¿qué ocurre con la carga de la jaula jaula cuan cuando do es mome momentá ntáne neam ament ente e aterri aterrizad zada a mien mientra tras s que que el productor de carga se encuentra todavía en su interior? RTA/: lo que pasa es que al haber una carga y tocar la jaula los electrones fluyen desde el cuerpo como un polo a tierra, y la carga se vuelve de igual magnitud pero signo contrario y la jaula también queda cargada con la misma carga de signo opuesto. Por ejemplo tenemos en la jaula una carga posi positi tiva va,, al toca tocarl rla a la jaul jaula a qued queda a carg cargad ada a con con una una carg carga a de mism misma a magnitud pero de signo contrario, en este caso negativa.

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Para el mismo caso anterior, anterior, ¿qué ocurre con la distribución de la carga de la jaula después que se retira el productor de carga de su interior? RTA/: la jaula queda cargada con la carga de misma magnitud pero de signo contrario.

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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.

RTA/: el resultado no sería el mismo, ya que al primero retirar la esfera, esta al estar inducida a una separación de cargas se reordenaría y al tocarla esta quedaría neutra, y no con una carga opuesta a la de la esfera cargada desde un principio. 6. CONC ONCLUSI LUSION ONES ES •

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Existen diferentes formas de conducción para cargar un cuerpo eléctricamente, son fáciles de comprender y es importante analizarlas para poder aplicarlas a la práctica mejor. Los Los fenó fenómen menos os natur naturale ales s como como las torme torment ntas as eléctr eléctrica icas s están están direc directa tamen mente te relac relacion ionado ados s con con la mecán mecánica ica de a cond conducc ucción ión de carga cargas s eléct eléctric ricas as a otros otros cuerpos. Conociendo los métodos o formas de cargar un cuerpo podemos comprender y aplicar esta teoría y práctica para mejorar los procesos ya existentes.

7. REFERE REFERENCI NCIAS AS BIBLIO BIBLIOGRA GRAFIC FICAS AS

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1998 1998..

Phys Physic ics s,