Febrero 18, 2010 Código: 1676 Laboratorio de Física Electricidad
Paula Cuecha Fernández Email:
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Wilmer García Pérez Email:
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Ingeniería Industrial
Ingeniería Electrónica
Carlos Otero Palencia
Omar Reales Arrieta
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Email:
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Ingeniería Industrial
Ingeniería Industrial
ABSTRACT Toda Today y we are are surr surrou ound nded ed by a lot lot of tech techno nolo logy gy,, usin using g elec electr tric icit ity y in many many applications in order to provide society with a well unimaginable.
In the following experience, try some basic principles of electrical physics, as the various methods to charge a body; by friction, contact and induction. We use softwa ware re help help to dete determ rmin ine e the the sign sign of the the char charge ge acqu acquir ired ed by DataStudio soft electrification processes already mentioned. Also this experience allowed us to analy analyze ze the the bodie bodies’ s’ react reaction ion under under the influe influence nce of thes these e proce processe sses s such such as charge distributions in metallic bodies (e.g. metal spheres).
All procedures and tucked developments contributed to analyze the causes of the electrification of bodies and verify the principle of conservation of electric charge.
RESUMEN
En la actuali actualidad dad estamos estamos rodeado rodeados s de una gran cantida cantidad d de tecnolog tecnología, ía, que utilizan la electricidad en múltiples aplicaciones con la finalidad de brindarle a la sociedad un bien inimaginable. En la siguiente experiencia, trataremos algunos principios básicos de la física eléctric eléctrica, a, como como son los diferen diferentes tes métodos métodos para para cargar cargar un cuerpo; cuerpo; carga carga por fricción, contacto e inducción. Utilizamos la ayuda del software DataStudio para determinar el signo de la carga adquirida mediante los procesos de electrización ya mencionados. mencionados. También También esta experiencia experiencia nos permitió analizar analizar las reacciones reacciones que que tienen tienen los cuerp cuerpos os bajo bajo la influ influen encia cia de dicho dichos s proce procesos sos como como son son las distribuciones de cargas en cuerpos metálicos (ej. Esfera metálica). Todos los procedimientos y metidos desarrollos contribuyeron para analizar las causas de la electrización de los cuerpos y comprobar el principio de conservación de la carga eléctrica.
1. INTROD INTRODUCCI UCCIÒN ÒN Y OBJETI OBJETIVOS VOS 2. MARC MARCO O TEÒR TEÒRIC ICO O mente salvo en condiciones muy especiales. El átomo átomo está formado formado por un núcleo, compuesto a su
Antes Antes de llega llegarr a la expe experie rienci ncia a del del labor laborato atorio rio indag indagare aremo mos s los los siguie siguiente ntes s conceptos claves:
2.1Modelo Simple de un Átomo: Demócrito postuló en el siglo V a.C., sin evidencia científica, que el universo se confor conforma maba ba por partíc partícula ulas s muy muy peque pequeña ñas s e indiv indivisi isibl bles, es, que llamó llamó “átomos”, que significa “no divisibles”; los filósofos de la antigua Grecia, utilizaban la palabra “átomo” para referirse a la parte de la materia más pequeña que podía imaginarse.
¡Hoy los avances científicos de este siglo comprueban que la estructura atómica integra a partículas más pequeñas! ¿Qué es un protón? El protón es una partícula elemental que constituye parte del núcleo de cualquier átomo. Es el que determina las propiedades químicas del átomo en cuestión. Los protones poseen carga eléctrica positiva y una masa 1.836 veces mayor de la de los electrones. ¿Qué es un Neutrón? Partícula elemental que constituye parte del núcleo de los átomos. La masa del neutrón es ligeramente superior a la del protón, determina la estabilidad del núcleo frente a posibles procesos procesos nucleares (fisión, fusión o emisión de radiactividad). Los neutrones carecen de carga eléctrica, y son inestables cuando se hallan fuera del núcleo. ¿Qué es un Electrón? Partícula Partícula elemental elemental que constituye constituye parte de cualquier átomo, los electrones de un átomo giran en torno a su núcleo, formando la denominada corteza electrónica. La masa del electrón es 1836 veces menor que la del protón y tiene carga opuesta, es decir, negativa. 1
2.2Principio de Conservación de la Carga: Graci Gracias as a la curios curiosida idad d y expe experim riment entos os hech hechos os por por Benj Benjamí amín n Fran Frankli klin n (1706-1790), (1706-1790), sabemos que hay dos tipos de cargas eléctricas, a las que se les asigno el nombre de positivas y negativas, debido a las observaciones reali realiza zada das s a parti partirr de los los exper experim iment entos os a travé través s del del tiemp tiempo o pode podemo mos s concluir que:
Cargas similares se repelen entres sí y que cargas opuestas se atraen entre sí. Además Además de esto, esto, otro aspecto aspecto relevant relevante e del modelo de electric electricidad idad de conserva, Franklin es la deducción de que la carga eléctrica siempre se conserva, “lo que quiere decir que en toda interacción o reacción, lo valores inicial y final de la carga eléctrica toral deben ser los mismo. Por lo tanto:
En un sistema aislado, la carga total permanece constante” . 2
Cuantificación de la Carga: Robert Millikan, en 1909, ratificó que la carga eléctrica siempre se presenta como algún múltiplo integral de cierta unidad fundamental de carga, e. En
1 Tomado de: http://www http://www.profesorenlinea .profesorenlinea.cl/fisica/atom .cl/fisica/atomoEstructura.htm oEstructura.htm 2 CASTRO, Castro Darío. OLIVO, Burgos Antalcides. Física Electricidad Electricidad para Estudiantes de Ingeniería. Ediciones Uninorte. Pág. 13.
términos actuales, se dice que la carga q está cuantizada, donde q es el símbolo estándar utilizado para carga. La carga eléctrica existe como “paquetes” discretos, luego podemos escribir donde N es cualqu cualquier ier enter entero. o. Millik Millikan an encon encontró tró que la unida unidad d q = N e, donde fundamental de carga es: e=1.602×10-19C
2.3La 2.3 La Jaula de Faraday: Entendemos la jaula de Faraday como una aproximación a un conductor hueco ideal, que protege de los campos eléctricos estáticos. Inventada por Michael Michael Faraday, Faraday, quien quien constru construyó yó una en 1836. 1836. Su caracte caracterís rística tica más importante, en su interior, el campo eléctrico es nulo 3. ¿Cómo funciona?... funciona?... La jaula jaula de Farad Faraday ay se basa basa en las las propie propieda dades des de un condu conducto ctorr en equilibrio equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia presencia de un camp campo o eléc eléctr tric ico o exte extern rno, o, las las carg cargas as posi positi tiva vas s se qued quedan an en las las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por:
Donde e es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mient mientras ras que el otro otro lado lado qued queda a con con un defe defecto cto de elect electron rones es (carg (carga a positiva). Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléctrico de sentido contrario al campo externo. ¡El fenóm fenómen eno o que obse observa rvamo mos s al empl emplear ear una una jaula jaula de Fara Faraday day se llama llama apant antalla allam miento nto eléctr ctrico ico! Y es usado ado en mucho chos de nuestr stros elec electr trod odom omés ésti tico cos, s, los los micr microo oond ndas as,, escá escáne nere res, s, cabl cables es,, etc. etc. Otro Otros s dispositivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday actúan como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc.
1. EXPERI EXPERIENC ENCIAS IAS Y DIS DISCUC CUCIÒN IÒN DE DE DATOS DATOS 3.1 Ensayo por Fricción:
3 Tomado de: http://acer.forestales.upm. http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisic es/basicas/udfisica/asignaturas/fi a/asignaturas/fisica/electro/ja sica/electro/jaula.html ula.html
1. Lo primero primero que hicimos hicimos fue fue desca descarg rgar ar la jaula (Presi (Presion onand ando o el botó botón n ZERO) para que nuestros datos fueran lo más precisos posible, luego, un estudiante tomó los productores, uno de color blanco, al parecer una cuerina, y el otro de color azul, acrílico:
Productor 1
Productor 2
2. Frotó varias varias veces veces la superficie superficie de de ambos, ambos, posteriormente posteriormente se dio inicio inicio a Data Data Stud Studio io un tiem tiempo po,, ante antes s de intr introd oduc ucir ir los los port portad ador ores es,, para para cerciorarnos que los instrumentos estén calibrados correctamente:
3. Se introdujo introdujo primero primero el productor productor blanco en en la Jaula Jaula de Faraday, Faraday, y luego el productor azul:
Jaula de Faraday
4. Después de realizados realizados los pasos pasos mencionados mencionados podemos observar observar en la gráfica de Carga Vs Tiempo y notamos que el portador blanco tiene una carga positiva, es decir, cedió electrones y tiene una cantidad mayor de protones, mientras que, al introducir el instrumento azul el pico se nota en el lado negativo notando esto, concluimos que, éste ganó electrones y su carga es de signo negativo.
Gráfica 1. Carga por Fricción
3.2 Carga por Inducción: 1. Lo primero primero que hicimos hicimos fue fue desca descarg rgar ar la jaula (Presi (Presion onand ando o el botó botón n ZERO) para que nuestros datos fueran lo más precisos posible, luego, un estudiante tomó los productores, uno de color blanco, al parecer una cuerina, y el otro de color azul, acrílico:
Cargador 1
Cargador 2
2. Frotó varias varias veces veces la superficie superficie de de ambos, ambos, posteriormente posteriormente se dio inicio inicio a Data DataSt Stud udio io,, un tiem tiempo po ante antes s de intr introd oduc ucir ir los los port portad ador ores es,, para para cerciorarnos que los instrumentos estén calibrados correctamente:
3.
Lo que hicimos primeramente fue descargar la jaula, comenzamos la toma toma de datos, datos, previam previamente ente frotamo frotamos s los producto productores res de carga, carga, sin tocar la jaula se introduce el portador de carga azul, seguidamente se toca la jaula para neutralizarla o también se puede presionar “zero” al
sensor, anotamos lo observado, luego de descargar o aterrizar la jaula retiramos el dedo, después de unos segundos acabamos la toma de datos, repetimos los últimos dos pasos con el portador blanco:
“Zero”
“Zero” 4.
Al
mome momento nto en que que toca tocamo mos s la jaul jaula a vemo vemos s que que el pico pico que que inic inicia ialm lmen ente te esta estaba ba posi positi tivo vo baja drásticamente, lo que sucede aquí es que el dedo hace la función de “tierra” la cual es un sumidero de electrones indeseables o una fuente infinita de ellos, como el portador azul es positivo, lo que pasa cuando tocamos la jaula es proporcionarle electrones de tal forma que quede neutral la carga de la jaula, al momento de sacar el portador el pico se invierte y esto nos quiere decir que dentro hay una carga desmedida de electron electrones, es, los cuales cuales fueron fueron proporci proporcionad onados os por nosotros nosotros mismo mismo al momento de tocar la jaula, lo mismo pasa con el otro portador pero con los picos invertidos:
Gráfica 2. Carga por Inducción
3.3 Carga por Contacto: El ensayo por contacto consta de dos partes: Primera parte: 1.
Lo primero que debemos hacer es descargar la jaula (Presionando el botón ZERO) para que nuestros datos sean lo más precisos posible, lueg luego o un estudia estudiante nte tomó los prod product uctore ores, s, uno de color color blanco blanco,, al parecer una cuerina, y el otro de color azul, acrílico :
Cargador 1
Cargador 2
2. Frotó varias varias veces veces la superficie superficie de de ambos, ambos, posteriormente posteriormente se dio inicio inicio a Data DataSt Stud udio io,, un tiem tiempo po ante antes s de intr introd oduc ucir ir los los port portad ador ores es,, para para cerciorarnos que los instrumentos estén calibrados correctamente:
3. Se dio inicio inicio a DataStu DataStudio, dio, y se tocó tocó la jaula conect conectada ada al borde borde positivo positivo con con el port portad ador or azul azul,, hace hacemo mos s las las obse observ rvac acio ione nes s en la gráf gráfic ica a y proce procedem demos os a hace hacerr lo mism mismo o con con el porta portado dorr blanc blanco o previ previam ament ente e descargando la jaula:
Contacto con Portador 2
Contacto con Portador 1
4. Observam Observamos os el valor de carga carga y analizamo analizamos. s. En esta ocasión ocasión existi existió ó un contacto entre el portador y el borde positivo de la jaula, nos damos cuenta que el portador azul generó un pico positivo y, al introducir el port portad ador or blan blanco co nota notamo mos s que que por por el cont contac acto to se han han tras trasfe feri rido do electrones y este genera un pico negativo, debido a que la jaula de Faraday se polariza.
Cuand Cuando o sacam sacamos os el porta portador dor lo que que suced sucede, e, es que se vuelve vuelven n a equilibrar las cargas y quedando la jaula neutra hasta que entra el otro portador y las desequilibra:
Gráfica 3. Carga por Contacto: primera parte
Segunda Parte:
1. En la segu segund nda a part parte e del del expe experi rime ment nto o se busc buscab aba a inda indaga garr cómo cómo se distribuye la carga sobre una superficie metálica, midiendo carga en varios sectores. sectores. Para poder llevar a cabo este experimento experimento se usaron: 2
esferas metálicas; una esfera estaba conectada a la fuente de voltaje y, la otra estaba estaba retirada una una distancia distancia corta aproximada aproximada de 20 20 cm de la esfera conectada, además un portador metálico:
+ + + + + + + + + +
Portador Metálico
Esferas Metálicas
Fuente de Voltaje
2. Luego, acercába acercábamos mos las esferas, esferas, sin sin que se se tocara la una con con la otra: + + --+ + + - -+ + + +
3. Con Con el port portad ador or metá metáli lico co toca tocamo mos s el lado lado dere derech cho o de la esfe esfera ra que que inici inicialm almen ente te estab estaba a neut neutra ra e introd introduji ujimo mos s el portad portador or a la jaula jaula de Faraday y lo retiramos, por ultimo descargábamos el portador metálico :
+ + + + -- + + --+ + + +
4. El último último paso, paso, corres correspo ponde nde a tocar tocar con el porta portador dor metáli metálico co el lado lado izquierdo de la esfera que inicialmente estaba neutra e introdujimos el portador a la jaula de Faraday y lo retiramos: + + --+ + + -+- + + + +
5. Los
datos tomados por DataStudio, nos confirman el hecho de que al colocar dos cuerpos en contacto, contacto, uno cargado (la esfera conectada que inicialmente estaba neutra) y un conductor (el productor metálico), se da una transferencia de carga. De acuerdo con la gráfica, el lado derecho, que fue el primero que toco el productor, tiene carga negativa, es decir “ganó” electrones, la curva baja, y en la segunda oportunidad, se verificó que que el lado lado izqui izquierd erdo o de la esfer esfera a tenía tenía carga carga positi positiva va,, el produ producto ctor r “perdió” , la curva sube, y este quedo cargado positivamente:
Gráfica 4. Carga por Contacto: segunda parte
4. CONCLUSIONES •
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Determinamos el signo que presenta los productores de carga (a través de un DataStudio) frente a un proceso de electrificación. Comp Compro robam bamos os que que exist existen en distinto distintos s méto métodos dos de carga cargarr un cuerpo cuerpo:: induc inducció ción, n, contac contacto to y fricc fricción ión;; así puede pueden n obten obtener er distin distinta tas s carga cargas s afectando a otros cuerpos por la transferencia de electrones. Deter Determi mina namo mos s que que por medi medio o de la distri distribu bució ción n de carga cargas s en cuerp cuerpos os cargados con corriente alterna. En donde cabe mencionar que la carga de un cuerpo cuerpo que esta esta cargado cargado por inducció inducción n se encuentra encuentra distribu distribuida ida en zonas; una parte positiva en una zona y la negativa en otra.(Es decir esta polarizado)
5. REFERENCIAS BIBLIOGRÀFICAS BIBLIOGRÀFICAS •
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SEARS, RS, Francis cis W., ZEMANS MANSK KY, Mark Mark W., YOUNG, UNG, Hug Hugh D., D., FREEDMAN, Roger A., Física Universitaria Con Física Moderna. Vol. 2. Undécima edición. México: Pearson Educación, 2005 CASTRO, Castro Darío. OLIVO, Burgos Antalcides. Física Electricidad para Estudiantes de Ingeniería. Ediciones Uninorte http://ezproxy.uninorte.edu.co:2087/eb/article-9032271 http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/jaula .html http://www.profesorenlinea.cl/fisica/atomoEstructura.htm
