27/11/12
CARGA POR INDUCCIÓN L. Petro, J. Cogollo, M. Viña, J. Ruiz, K. Pacheco, M. García. García. Departamento de Física y Electrónica Universidad de Córdoba, Montería
Prof. Daniel Ricaurte Aguas
RESUMEN Para estudiar experimentalmente experimentalmente el efecto de la carga por influencia. Se observaron los efectos efectos de varillas y hojas cargadas eléctricamente eléctricamente sobre trozos de papel y tubos de aluminio suspendidos, además se analizó el efecto fuerza entre una varilla de polipropileno cargada eléctricamente y una placa metálica descargada descargada sujeta por un aislante, y por último se estudió el comportamiento de la aguja del electroscopio cuando se acerca a ella o al cuerpo del electroscopio cuerpos cargados eléctricamente. Luego de hacer el montaje, se llevaron a cabo cada uno de los puntos de la práctica y se tomaron los apuntes.
CARGA POR INDUCCIÓN Carga por inducción es cuando, la presencia de una carga cercana hace que los electrones se junten o dispersen, aun sin contacto físico. Si acercamos un cuerpo cargado negativamente a un conductor aislado, la fuerza de repulsión entre el cuerpo cargado y los electrones de valencia en la superficie del conductor hace que estos se desplacen a la parte más alejada del conductor al cuerpo cargado, quedando la región más cercana con una carga positiva, lo que se nota al haber una atracción entre el cuerpo cargado y esta parte del conductor. Sin embargo la carga neta del conductor sigue siendo cero (neutro).
Benjamín Franklin fue el primero en demostrar este hecho a través de su famoso experimento de la cometa, que le permitió comprobar que los rayos son un efecto eléctrico. Franklin descubrió también que la carga fluye con facilidad hacia o desde objetos puntiagudos y así se construyó el primer pararrayos.
MATERIALES 1. Observamos fenómenos de influencia: Electroscopio sin aguja Varilla de polipropileno, d= 8 mm; l=175mm Varilla acrílica, d= 8 mm; l=175mm Par de péndulos Hoja de acetato Hoja de papel áspero, seco
Si se un objeto con carga a una una superficie conductora, conductora, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. Para explicarlo mejor podemos poner como ejemplo dos esferas metálicas aisladas A y B, las cuales no tienen carga y se encuentran en contacto, de modo que forman en efecto un solo conductor sin carga. Posteriormente se acerca una barra con carga negativa a la esfera A. La barra repele los electrones del metal y el exceso de carga negativa se desplaza a la esfera contigua, con lo cual la primera esfera queda con exceso de carga positiva. La carga en ambas esferas ha sido redistribuida por lo que se dice que ha sido inducida en ellas. Como la barra con carga no toca las esferas, conserva su carga inicial.
2. ¿porque actúa una fuerza entre una varilla de plástico cargada y una placa de metal sin carga? Electroscopio (sin aguja metálica). Varilla de polipropileno, d=8mm; l=175mm Grapa para varillas redondas placa de influencia influencia hoja de papel áspero, seco.
La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra. Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción. La parte inferior de las nubes, de carga negativa, induce una carga positiva en la superficie terrestre.
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3. ¿Por qué la aguja del electroscopio se mueve incluso sin contacto? Electroscopio con aguja metálica Varilla de polipropileno, d= 8 mm, l= 175 mm Varilla acrílica, d= 8 mm, l= 175 mm Hoja de acetato Hoja de papel áspero seco.
3. ¿Por qué la aguja del electroscopio se mueve incluso sin contacto? Procedimiento:
MONTAJE Y PROCEDIMIENTO 1. Observamos fenómenos de influencia: Montaje: Se colgó el par de péndulos de una ranura del electroscopio como se ve en la figura 1. Se cortó la hoja de papel en varios trozos pequeños Procedimiento: 1. Se cargó eléctricamente la varilla de polipropileno frotándola enérgicamente con el papel, y se aproximó desde arriba a los trozos de papel. ( figura 2) Se repitió el mismo experimento con la varilla acrílica. 2. Se cargó la hoja de acetato frotándola con papel y se sujetó horizontalmente por encima de los trozos de papel. 3. Se cargó la varilla de polipropileno frotándola con papel y se aproximó el extremo cargado a los tubos de aluminio colgados del electroscopio (figura 1) Se acercó hasta que toco el extremo inferior del tubo de aluminio. 4. Se descargaron los tubos de aluminio tocándolos con la mano, se acerco desde abajo a los tubos la varilla de polipropileno cargada (figura 3)
1. Se descargó el electroscopio tocándolo con la mano, se frotó enérgicamente con papel la varilla de polipropileno y se aproximó el extremo cargado a la aguja pero sin tocarla (figura 6 punto A). Se repito el experimento con la varilla acrílica. 2. Se acercó el extremo cargado de la varilla de polipropileno al electroscopio desde arriba pero sin tocarlo (figura 7). 3. Se cargo la hoja de acetato frotándola con papel. Se sostuvo horizontalmente, y se aproximó desde arriba al electroscopio hasta que la aguja se inclinó unos veinte grados. Luego se tocó con la mano la parte inferior del electroscopio (figura 6 punto B). Se quitó la mano del electroscopio, y se quitó hacia un lado la hoja de acetato. Se observó la aguja en cada uno de los pasos.
2. ¿porque actúa una fuerza entre una varilla de plástico cargada y una placa de metal sin carga? Montaje: Se puso la grapa en el centro de una varilla y se cargó una de sus mitades frotándola con papel. Se colgó la varilla del electroscopio. (figura 4)Se fijo la placa de influencia en el extremo de la otra varilla. (Figura 5). Procedimiento: 1. Se aproximó la placa de influencia a la varilla suspendida (figura 4). se aproximó después la placa al extremo cargado (figura 5). Se aproximó un dedo primero al extremo descargado de la varilla y después al extremo cargado.
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RESULTADOS. 1. Observamos fenómenos de influencia: al acercar el extremo cargado de la barra de polipropileno a los trozos de papel se observo que éstos se fijaron a la barra, debido a que cuando se acerca un cuerpo cargado negativamente a uno neutro provoca que los protones del papel traten de ubicarse lo más cerca posible de la barra, atraídos por las cargas negativas. Esto dejará a los trozos de papel con dos regiones eléctricamente diferentes: una tendrá exceso de electrones y será negativa; la otra, con déficit de electrones, será positiva. Los trozos de papel quedaron polarizados. Al repetir el mismo procedimiento con la varilla de acrílico se produce el mismo efecto que el procedimiento anterior, solo que en este caso las cargas que se acercan a la varilla son los electrones debido a que la varilla acrílica al ser frotada toma carga positiva. Al realizar este procedimiento con la hoja de acetato, los tozos de papel se adhirieron a la hoja debido al fenómeno anteriormente explicado. En este caso los protones del papel fueron los que se aproximaron a la hoja de acetato. Para la siguiente parte de la práctica, una vez hecho el montaje, se aproximo la parte cargada de la varilla de polipropileno, se noto como los tubos de metal fueron atraídos por la barra, posteriormente se descargaron los tubos al ponerlos en contacto con la mano y al acercar la varilla cargada desde abajo, estos seguían el movimiento ejercido a la barra. Esto se puede explicar, mediante el fenómeno de polarización descrito anteriormente. 2. ¿porque actúa una fuerza entre una varilla de plástico cargada y una placa de metal sin carga? Luego de tener listo el montaje, se sometió un extremo de la varilla de polipropileno a carga por fricción, una vez hecho esto, se acerco la placa de influencia fijada en el extremo de la varilla metálica, primero a la parte sin carga de la varilla suspendida en el electroscopio, notando que no hubo ningún efecto, seguidamente se aproximó la placa al extremo cargado de la varilla y se observó que hubo atracción entre la mitad de la varilla de polipropileno cargada y la placa metalica.
4. ¿Por qué la aguja del electroscopio se mueve incluso sin contacto? Cuando se aproximó la barra cargada a la parte superior del electroscopio, ser percibió como la aguja tomo cierto grado de inclinación, esto debido a que el electroscopio tomo el mismo tipo de carga que tenía el extremo frotado de la barra de polipropileno (negativa) provocando que la aguja se aleje de las paredes del electroscopio. Al efectuar el procedimiento con la varilla acrílica se observó el mismo fenómeno, teniendo en cuenta que la carga de la varilla
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acrílica fue positiva. Luego se acerco la varilla de polipropileno cargada al electroscopio sin tocarlo y se notó que la aguja intento volver a su posición inicial, esto se explica porque las varillas de acrílico y polipropileno tienen cargas contrarias. Para culminar la práctica, se acercó la hoja de acetato previamente cargada a la parte superior del electroscopio percibiendo que la aguja se inclino aproximadamente a 20 grados, seguidamente se tocó con la mano la parte inferior del electroscopio observando que la aguja regresó a su posición inicial, al retirar la mano de la base la aguja se inclinó nuevamente, por último se retiro la hoja de acetato y la aguja nuevamente quedó de forma vertical.
ANÁLISIS NOTA: Por otro experimento sabemos que al frotar con papel la varilla de polipropileno se carga negativamente, la acrílica positivamente, y la hoja de acetato se carga negativamente. OBSERVAMOS FENOMENOS DE INFLUENCIA: 1. ¿Cómo explicas la respuesta del tubo de aluminio antes y después del contacto? ¿Qué sucede en el momento del contacto? R// el comportamiento del tubo de metal se debe a la inducción eléctrica que produce la varilla de polipropileno cargada sobre el cuerpo neutro (sin necesidad de contacto, mediante una acción a distancia). La aparición de fuerzas eléctricas entre ambos cuerpos se puede explicar por la separación de cargas que se produce en el cuerpo neutro (polarización del cuerpo), en este caso el tubo de aluminio. 2. Explica el efecto que aparece entre los dos tubos de aluminio R// al acercar la varilla de polipropileno a los tubos de aluminio colgados en el montaje, se hizo presente una fuerza de atracción por parte de la varilla hacia los tubos, es decir, se observó como los tubos siguieron el movimiento realizado con la varilla en forma circular . Esto se explica como consecuencia de la fuerza eléctrica que la varilla de polipropileno cargada ejerce sobre los tubos de aluminio neutros, en éstos las cargas se separan, acercándose más las cargas positivas a la varilla con carga negativa. Por consiguiente las fuerzas de carácter atractivo aumentan, disminuyendo las repulsivas y en suma haciendo que la varilla de polipropileno y los tubos de aluminio se atraigan.
¿POR QUÉ ACTÚA UNA FUERZA ENTRE UNA VARILLA DE PLASTICO Y UNA PLACA DE METAL SIN CARGA? 3. ¿cómo podemos explicar los fenómenos observados?
R// en este procedimiento, se observó que la placa neutra y la varilla de polipropileno cargada negativamente se atraen, este fenómeno se explica porque la placa al estar sujeta por un aislante, cuando se le acerca la barra con carga negativa, sin llegar a tocarla, el exceso de electrones de la barra repele los electrones libres de la placa metálica, los cuales se desplazan hacia la derecha, alejándose de la barra. Estos electrones no pueden escapar de la placa porque el soporte y el aire que la rodea son aisladores. Por consiguiente, se tiene un exceso de carga negativa en la superficie derecha de la placa y una deficiencia de carga negativa (es decir, una carga positiva neta) en la superficie izquierda. ¿POR QUÉ LA AGUJA DEL ELECTROSCOPIO SE MUEVE INCLUSO SIN CONTACTO? 4. Explica los movimientos de la aguja observados en la primera parte del experimento. Ten en cuenta que la varilla de polipropileno y la acrílica tienen cargas distintas. R// Al acercar la varilla de polipropileno cargada negativamente a la aguja directamente, se observó una fuerza de atracción entre estas, efecto que es causa de la fuerza eléctrica que la varilla ejerce sobre la aguja que se encuentra neutra, lo que provoca que las cargas en ésta se separen y las cargas positivas intenten acercarse a la varilla de polipropileno; por esto se nota la atracción. Para el caso de la varilla acrílica ocurre el mismo fenómeno, con la diferencia de que las cargas de la aguja que intentan acercarse a la varilla, son las negativas, ya que la varilla de acrílico tiene carga positiva. 5. ¿por qué se mueve la aguja en la segunda parte del experimento, a pesar de que esta vez no es atraída por la varilla de polipropileno? R// Para este paso, se notó que la aguja tomaba una inclinación al acercar la varilla de polipropileno cargada negativamente, este fenómeno se puede explicar basándonos en una de las propiedades de las cargas eléctricas la cual d ice q “las cargas de signos opuestos se atraen y las de signos iguales se repelen”.
Entonces como sabemos el electroscopio inicialmente se encuentra neutro, una vez se acerca la varilla cargada este toma el mismo tipo de carga de dicha varilla, provocando que la aguja también se cargue con igual signo, una vez se presenta esto, la aguja se rechaza con la base del electroscopio provocando en esta un movimiento reflejado en su inclinación.
6. Explica la respuesta de la aguja en cada uno de los pasos de la tercera parte del experimento. Fíjate sobre todo en por qué aumenta la desviación al tocar con la mano, a pesar de que precisamente al tocarlo con la mano descargamos el electroscopio. CONCLUSIONES
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De esta práctica se puede 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 se puede sintetizar que la distribución de una carga en cualquier superficie puede ser homogénea si ésta 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 se carga un objeto con ponerlo en contacto con otro, salvo por nuestras manos que sirven de escape o de suministro de electrones.
REFERENCIAS
SERWAY, Raymond a. y JEWETT, John w. Física para ciencias e ingeniería con física moderna, vol. 2, séptima edición. Cengagelearning editores, 2009. http://alfredocaguao.files.wordpress.com/2008/07/sears -zemansky-fisica-universitaria-cap21-t2.pdf
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