EL CUBO DE HIELO DE FARADAY
PRESENTADO POR: David Cárdenas Cristian Rojas Denni Ca!ada "onat#an Rodr$%&e!
FISICA II 'ison Pao(ino Pa!as
UNI)ERSIDAD CENTRAL DE COLO*BIA DEPARTA*ENTO DE IN+ENIER,A IN+ENIER,A A*BIENTAL -./01I
OB"ETI)OS General •
Estudiar el fenómeno de inducción electrostática usando el cubo de hielo de Faraday.
Específicos •
Comparar los mecanismos de carga por inducción y de carga por contacto.
•
Verificar la ley de Gauss para conductores.
*ARCO TE2RICO El fenómeno de la inducción electromagnética es la producción de corrientes eléctricas por campos magnéticos, el efecto descubierto por el científico, Michael Faraday (1791-1867) (H. I. Sharlin, 1961). En el ao !"#!. Fue un físico y $uímico británico, $ue estudio el electromagnetismo y la electro$uímica, la inducción electromagnética como se mencionó fue uno de los traba%os más rele&antes, en los $ue también se atribuyen traba%os como el diamagnetismo y la electrolisis (H. I. Sharlin, 1961). ' pesar de su escasa formación formal recibida, Faraday fue uno de los científicos más influyentes en la historia. Fue debido a su estudio del campo magnético alrededor de un conductor por el $ue circula corriente continua, en el $ue él estableció las bases para el desarrollo del concepto de campo electromagnético. Faraday también estableció $ue el magnetismo podía afectar los rayos de la lu(, en la cual e)istía una relación subyacente entre ambos fenómenos. 'un$ue posteriormente centro sus traba%os en la electricidad estática, demostrando $ue la carga eléctrica se centra en las caras e)teriores de los conductores, de forma independiente a lo $ue hubiera en su interior. Esta conclusión fue el principio para el descubrimiento de, el cubo de hielo de hielo de Faraday en el ao !"*+ (H. I. Sharlin, 1961). El efecto cubo de hielo de Faraday pro&oca $ue el campo electromagnético en el interior de un conductor en e$uilibrio sea nulo, anulando los efectos de los campos e)ternos. o cual se conoce como la ley de Gauss (L. P. illia!", 196#-196$). Esto se debe a $ue, cuando el conductor está su%eto a un campo electromagnético e)terno, se polari(a, de manera $ue $ueda cargado positi&amente en dirección en la $ue &a el campo electromagnético, y cargando negati&amente en el sentido contrario. -uesto $ue el conductor se ha polari(ado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual acero (L. P. illia!", 196#-196$).
Este fenómeno tiene una importante aplicación en a&iones o en la protección de e$uipos electrónicos delicados. na manera de comprobarlo es con un radio sintoni(ado en una emisora de onda media. 'l rodearla con periódico, el sonido se escucha correctamente. /in embargo, si se sustituye el periódico con un papel aluminio la radio de emitir sonido, el aluminio es un conductor eléctrico y pro&oca el fenómeno del cubo de hielo de Faraday (%. &. %er"e""ian, 198$). a electrostática es la rama de la física $ue estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. a e)istencia del fenómeno electrostático es bien conocido desde la antig0edad, e)isten &arios e%emplos ilustrati&os $ue hoy forman parte de la ensean(a moderna1 como el de comprobar como ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura con un pao ('. . . Mac'onald, 1966). 2ateriales aislantes, conductores3 los materiales se comportan de forma diferente a la hora de ad$uirir una carga eléctrica. Esto se debe a $ue ciertos materiales, típicamente en los metales, los electrones más ale%ados de los n4cleos respecti&os ad$uieren fácilmente libertad de mo&imiento en el interior del sólido. Estos electrones libres son las partículas $ue transportan la carga eléctrica. 'l depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo para compensar la pérdida de la carga (%. &. %er"e""ian, 198$). Estas sustancias se denominan conductores. En contrapartida de los conductores eléctricos, e)isten materiales en los cuales los electrones están firmemente unidos a sus respecti&os átomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libres y no será posible el despla(amiento de carga a tra&és de ellos. 'l depositar una carga eléctrica en ellos, la electri(ación se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes o dieléctricos. El &idrio, ebonita o el plástico son e%emplos típicos. Electrómetro Electrómetro o electroscopio dotado de una escala. Consiste en una ca%a metálica en la cual se introduce, debidamente aislada, una &arilla $ue soporta una &arilla de oro muy fina o una agu%a de aluminio, apoyada de tal manera $ue pueda girar libremente sobre una escala graduada. En !565 7heodor 8ulf desarrollo el primer electrómetro, un instrumento diseado la tasa de producción de iones dentro de un contenedor sellado herméticamente.
*ATERIALES Cubo de hielo de Faraday -roductores de Carga Electrómetro
DESARROLLO DE LA PR3CTICA 45/ Car%a 6rod&7ida 6or 8ri77i9n o primero $ue se desea es medir la carga producida en diferentes ob%etos debido a la fricción con otro cuerpo. a forma de medir la carga será por inducción. 9 Colo$ue el productor de carga blanco dentro de la %aula interna sin tocarla. /i el electrómetro indica la presencia de carga, to$ue con él la malla e)terior hasta $ue se descargue. :ealice lo mismo para cada productor de carga $ue se &aya a usar. 9 Frote los diferentes productores de carga e insértelos separadamente dentro de la %aula. ;
R6t 2etal3 Frotamos el metal con dos materiales lana y pao y lo medimos en el electrómetro con con una escala de # donde cada línea era de 6.!+ pudimos obser&ar $ue el metal luego de ser frotado con lana genero una carga de >6.#6c y $ue al frotarlo con pao genero una carga de 6.5c indicando $ue con laa tubo una carga negati&a y con pao positi&a. -iel3 a piel lo frotamos con lana y pao pero en estos se obser&ó la misma carga implementamos el electroscopio en una escala de !6 donde cada línea indicaba 6.+ y nos dio $ue la piel $uedo cargado con >*.+c $uedando así con una carga negati&a -lástico3 El plástico lo cargamos igual con pao y lana en este material se generó la misma carga con ambos materiales una carga negati&a implementamos el electroscopio con una escala de !6 donde cada línea marcaba 6.+ y nos dio $ue el plástico se cargó con >#c generando así también una carga negati&a
9 Frote ahora dos productores de carga al tiempo, teniendo cuidado de $ue estén en contacto e introd4(calos independientemente en la %aula . ;
R6t -rimero frotamos el plástico con la de metal obser&ando $ue el plástico es cargado de forma negati&o y el metal de forma positi&a donde la de plástico se anali(ó a una escala de # dando así una carga de >6.?c y el metal a una escala de !6 generando una carga de @#c
-lástico con piel al frotar estos dos materiales obser&amos $ue la &ara de plástico fue cargada de forma negati&a la de piel de forma positi&a en donde la de plástico fue anali(ado con una escala de # genero una carga de >6.A+c y la piel igual a una escala de # genero una carga @!."c. Bbser&amos $ue en las dos situaciones la &ara de plástico se cargó de forma negati&a y los otros materiales de forma positi&a generando una carga mucha mayor $ue la del plástico.
I&stra7i9n /5 *ontaje
I&stra7i9n -5 *edi7i9n 7on 6ásti7o
45- Car%a 6rod&7ida 6or ind&77i9n o se pudo generar un análisis ni fue posible reali(ar medición alguna ya $ue el material o los implementos de la práctica Delectrómetro no genero ninguno dato ya $ue luego de frotar con &arios materiales no fue posible producir carga. Esto se puede presentar por$ue el e$uipo no está calibrado o por alguna a&ería de los e$uipos.
CUESTIONARIO 05/ Un (ateria se 6&ede 7ar%ar 6ositiva o ne%ativa(ente5 De ;&< de6ende e si%no de esta 7ar%a= :espuesta3 a carga de pende de si el material en cuestión cede o recibe electrones. /i cede electrones $ueda cargado positi&amente1 si los acepta, resultará en un e)ceso de carga negati&a Cómo se carga el material es otro asunto1 puede ser por fricción, por inducción, por un fenómeno fotoeléctrico, termoeléctrico, etc.
05- Usted o>serv9 o ;&e o7&rre 7on dos 7&er6os ;&e se 8rotan 7&ando están j&ntos5 A ;&< se de>e esta rea7i9n entre a 7ar%a de 7ada &no de os 7&er6os= :espuesta3 En base a lo obser&ado cuando n cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo $ue está neutro. Cuando acercamos un cuerpo electri(ado %unto a otro y estos os cuerpos se frotan lo $ue ocurre es $ue se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y el cuerpo neutro.
05? Reai7e e si%&iente e@6eri(ento en s& 7asa: 7on e re7e6tor de radio sintoni7e &na e(isora ;&e se oi%a >ien 7on 6oten7ia5 Env&eva e re7e6tor en e 6a6e de 6eri9di7o o>serve o ;&e o7&rre5 )erá ;&e a radio si%&e oserve ;&< en 7&anto ;&eda 7&>ierto 7on e 6a6e de a&(inio e a6arato de radio deja de sonar5 Por ;&< o7&rre esto= :espuesta3 Esto sucede debido a $ue en el momento en $ue la radio es en&uelta con periódico y con aluminio cambia el receptor debido a $ue esto dependerá del material y el aluminio genera un efecto como una %aula de acero el sonido se dispersa lo cual i(6ide en e interior a in8&en7ia de os 7a(6os e<7tri7os e@teriores y no se escucha nada generando un cubo de hielo de Faraday *ue i!+ide *ue ca+e lo" ca!+o" elecro!anico" *ue ran"+oran la "e/al.
CONCLUSIONES •
' partir del laboratorio reali(ado se concluye $ue la transferencia de materia depende del material y el ob%eto con el $ue se trasfiera electrones.
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El cubo de Faraday genera un campo magnético el cual se encarga de electrones tanto dentro como fuera del campo anulando el sonido.
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/e puede concluir $ue dentro el cubo de hielo, el fenómeno de campo eléctrico es nulo,
dispersar los
por lo cual los campos electromagnéticos $ue lo rodean no ingresan dentro del mismo. •
El cubo de la %aula de Faraday no solo lo &emos e)perimental, por e%emplo en un ascensor las paredes están hechas de metal lo cual restringe la entrada de las ondas y es por esta ra(ón $ue los celulares no tienen buena recepción.
•
El cubo de hielo de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en e$uilibrio electrostático, en la cual se pudo obser&ar, $ue la carga se concentra en las caras e)teriores de los conductores, de forma indepen diente a lo $ue hubiera en su interior.
BIBLIO+RAFIA !.
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