Agosto 19, 2009 Código: 1033 Laboratorio de Electroestática, Física Eléctrica
Departamento de Física ©Ciencias Básicas Universidad del Norte - Colombia
Uriel Quiroga Alba
[email protected] Ingeniería Industrial
Jairo Rodríguez
[email protected] Ingeniería Industrial
Abstract . In the development of electrostatic laboratory able to perform a series of experiments in each of the different types of cargo in a body, determined two materials can be loaded by a simple process and would drag their loads depending on the nature of their material based on this you can determine how the body is loaded to be subjected to a process of friction, also determined the effect of certain bodies to be obtained through the polarized load inductance carries a loaded to a neutral body that repulsion caused by this simple fact, with these kinds of charges we can recognize and identify a body shape that is unloaded or loaded. Resumen En el desarrollo del laboratorio de electrostática pudimos realizar una serie de experimentos de cada uno de los diferentes tipos de carga en un cuerpo, determinamos como dos materiales se puedes cargar por simple proceso de fricción y como serian sus cargas dependiendo de la naturaleza de su material con base a esto se pude determinar de que forma esta cargado dicho cuerpo al ser sometido a un proceso de fricción, también determinamos el efecto que obtienen ciertos cuerpos al ser polarizados gracias a la carga por inducción que ejerce un cuerpo cargado a uno neutro, que por simple repulsión ocasiona este efecto, con estos tipos de cargas podemos reconocer e identificar de que forma un cuerpo se descarga o se carga. Introducción Gracias a que el hombre es un ser pensante y social por naturaleza hemos podio resolver problemas y desarrollar un coeficiente intelectual muy alto que nos a ayudado en años a realizar logros, hallazgos e inventos importantes para el desarrollo, uno de estos logros es el desarrollo a la física eléctrica el cual nos a ayudado a resolver ciertos enigmas y fenómenos de la estructura eléctrica empezando con el átomo, la cuantización de la carga, los campos electromagneticos y muchas incertidumbres que han costado tiempo en
investigar, pero gracias a esas investigaciones se construye el conocimiento y por eso aquí en este articulo se va explicar y enseñar sobre lo diferente tipos de cargas de un cuerpo.
Objetivos Objetivos: General: 1.
Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. Específicos: 1. Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación. 2. Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción 3. Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción 4. Reconocer cuando se polariza un cuerpo.
Marco Teórico La electrificación es el efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producidos por un cuerpo eléctricamente neutro En física, la carga eléctrica es una propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas (pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. La interacción entre carga y campo eléctrico origina una de las cuatro interacciones fundamentales: la interacción electromagnética. La carga eléctrica es de naturaleza discreta, fenómeno demostrado experimentalmente por Robert Millikan. Por razones históricas, a los electrones se les asignó carga negativa: –1, también expresada –e. Los protones tienen carga positiva: +1 o +e. A los quarks se les asigna carga fraccionaria: ±1/3 o ±2/3, aunque no se han podido observar libres en la naturaleza.1 La carga eléctrica es una propiedad intrínseca de la materia que se presenta de dos tipos. Éstas llevan ahora el nombre con las que Benjamin Franklin las denominó: cargas positivas y negativas.3 Cuando cargas del mismo tipo se encuentran se repelen y cuando son diferentes se atraen. Con el advenimiento
de la teoría cuántica relativista, se pudo demostrar formalmente que las partículas, además de presentar carga eléctrica (sea nula o no), presentan un momento magnético intrínseco, denominado "spin", que surge como consecuencia de aplicar la teoría de la relatividad especial a la mecánica cuántica.
Procedimiento Los materiales utilizados para esta experiencia son:
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Portadores de carga de cuero, acrílico Jaula de Faraday. Transportador de carga. Dos esferas de aluminio. Sensor de carga.
Lo primero que hacemos es medir las cargas de los productores de carga con ayuda del Data Studio, y la jaula de Faraday, estos productores van a ser cargados mediante un frotamiento entre ellos mismos, este procedimiento lo hacemos 3 veces el primero es con el fin de encontrar sus cargas como lo mencionamos anteriormente, el segundo es para saber qué ocurre si tocamos el productor con la jaula y el tercero que pasa cuando lo tocamos con el dedo, es decir lo aterrizamos, mientras el productor está en la jaula. Después de esto pondremos dos esferas muy cerca sin que se toquen, una con una fuente de voltaje positiva y otra neutra, y con el productor de carga mediremos la carga que tendrá la esfera que al principio estaba neutra.
Datos Obtenidos y Análisis Carga por fricción:
En primera instancia de nuestra experiencia, lo que realizamos fue determinar el signo de cada carga de los productores de carga, mediante un intercambio de electrones por fricción, con el Data Studio y la jaula de faraday nos damos cuenta que el de cuero quedo con una carga positiva y el acrílico quedo con una negativa. Esto ocurre por el frotamiento entre ellos, lo que da oportunidad a un intercambio de electrones, el cual el acrílico cede los electrones al portador de cargas de cuero quedando este con una carga positiva.
Grafico 1 Carga de los productores por Fricción
Carga por contacto: El presente grafico fue el resultado de un procedimiento similar al anterior pero con una diferencia que al entrar el productor de carga en la jaula de faraday lo ponemos en contacto con la jaula para ver qué pasa con la carga total de la jaula.
Grafico 2 Carga por Contacto
Como vemos en el grafico al entrar el portador de carga en la jaula vemos que el Data Studio nos muestra la carga del portador de cuero que resulta positiva y después al ponerlo en contacto y sacarlo de la jaula, esta no vuelve a ser cero (0) sino que queda cargada positivamente o negativa dependiendo de cual sea el material del productor, esto nos da a entender que en esa jaula se aplica el principio de faraday, porque no deja escapar la carga contenida en ella.
Carga por inducción: En este tipo de carga por inducción lo primero que se realizo fue introducir el productor (positivo o negativo) cargado por fricción en la jaula, después se introduce el dedo en la parte interior de la jaula realizando un polo a tierra con la jaula, este polo a tierra va a tratar de neutralizar las cargas dependiendo como este cargada la jaula.
Grafico 3 Carga por Inducción (productor positivo)
Por ejemplo como vemos en esta grafica el productor se encuentra cargado positivamente entonces se toca con el dedo la jaula para realizar el polo a tierra y se nota como disminuye la carga ya que este le transfiere electrones de la tierra para su neutralización, después se retira el dedo y el productor de carga y notamos que la jaula queda cargada negativamente gracias a la transferencia de electrones con el efecto del polo a tierra que realiza el dedo con la jaula.
Grafico 4 Carga por induccion (Productor negativo)
En esta grafica vemos lo contrario a la anterior el productor de energía esta cargado positivamente y al colocar el dedo para realizar el polo a tierra los electrones que contiene la jaula son expulsados hacia la tierra para poder neutralizar la carga de la jaula, después notamos que al retirar el dedo y el productor de energía la jaula queda cargada positivamente porque sus electrones fueron expulsados por el polo a tierra.
Segunda fase: En la segunda fase de nuestra experiencia utilizamos dos esferas metálicas, una conectada a un generador de carga positiva y la otra esta neutra a una distancia de 50cm, lo primero que se debe realizar es: Verificar que la esfera que no esta conectada al generador este neutra, esto se realiza tomando muestras con el “Proof. Plane” en diferentes secciones y introduciéndolas en la jaula como vemos a continuación en este grafico.
Grafico 5 Carga neutra de la esfera
segundo se acerca las dos esfera a una distancia de un centímetro. tome muestras de carga en cada uno de sus extremos y introduciéndolos en la jaula registre los resultados como se muestra en la siguiente grafica.
Grafico 6 Efecto de Polarizacion en la esfera
Aquí en esta grafiaca podemos observar que en la sección alfrente (cara a cara) de la esfera cargada, las cargas tomadas dieron negativas, en la parte contraria a esta (trasera) dio totalmente contraria ósea positiva, en sus otros lados también dio positiva pero con una menor magnitud este fenómeno se da gracias al efecto de polarización.
tercero se aterriza la esfera que se esta midiendo tocándola, cuarto retírela a unos 50cm de la otra esfera y quinto vuelva a tomar las mediciones de carga como hizo en las veces anteriores mida la carga.
Al acercar las dos esferas de manera que no se toquen como lo muestra el grafico, esto hace un efecto en la esfera neutra que se llama polarización, el cual consiste en la reubicación de los electrones, ya que la esfera de carga positiva atrae los electrones de la otra esfera y repela los de carga positiva.
Grafico 7 Ejemplo de polarización por efecto de induccion
Análisis resultados Pregunta 1: ¿Qué signo tiene la carga obtenida por el productor de 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. R//El productor de carga blanca después de ser frotado obtuvo una carga positiva, en cambio el azul tuvo una carga negativa, esto se debe al frotamiento que hubo entre ellos antes de que fueran medidas sus cargas, esa fricción hizo que el productor de carga blanco (cuero) le cediera electrones al azul quedando así con carga positiva y negativa respectivamente como se muestra en el grafico1.
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 la toca directamente?. Explique con argumentos físicos que sucede en cada caso. R//La diferencia que hay entre las dos graficas fue la carga con que quedo la jaula de faraday. En el grafico1 la jaula termino con una carga neutra mientras que en el grafico2 muestra cuando el productor toca la jaula y esta queda con el mismo signo de la carga del productor. Esto quiere decir que al hacerse un
contacto directo jaula-productor, se ceden electrones o se atraen de ella, ya sea para quedar con carga positiva o negativa.
Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera metálica del experimento II cuando está cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando ésta es cargada por inducción?. Este fenómeno de distribución de cargas se llama polarización, consiste en una reubicación de cargas debido a otra carga externa que hace que las cargas de la esfera u otro objeto se reacomoden de manera tal, que en un lado quede más cargado positivamente y el otro lado ligeramente negativo.
Preguntas Problematológicas 1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante frotamiento con otro cuerpo? R// Ocurre el fenómeno de electrización por fricción o carga por fricción, el cual pasa por el rozamiento entre los dos materiales, que normalmente se transfieren y/o ceden electrones entre sí. [3] 2. En el proceso de cargar un cuerpo por inducción, ¿qué ocurre con la carga de la jaula cuando es momentáneamente aterrizada mientras que el productor de carga se encuentra todavía en su interior? R// En este momento como la jaula está cargada positivamente por inducción, al ser aterrizada ganara electrones de la tierra y su carga disminuirá y será neutralizada entre ella y el productor de carga. 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? R// Como la carga está siendo neutralizada por el productor de carga, esta al ser retirada, dejara que la jaula muestre su carga negativa, recibida por la tierra cuando fue aterrizada.
Conclusiones Nos dimos cuenta de cómo se ceden electrones o las cargas en los cuerpos, en cuanto a que si un cuerpo está cargado negativamente y otro con la carga contraria esperaríamos que la reacción fuera una cedencia de electrones de parte del negativo hacia el positivo. La experiencia nos mostro varias maneras de cómo cargar un cuerpo eléctricamente, y de ver la naturaleza de su carga, si era positiva o negativa, depende a las características del material y a la forma como se cargo, como lo vimos en el primer ejemplo con la fricción, que cargo a un material positivamente y al otro negativamente. Pudimos observar cómo afecta las cargas a los materiales, como lo hizo la esfera que estaba cargada positivamente e hizo reubicar a todas las cargas de la otra esfera neutra.
Bibliografia [1] http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica [2]http://www.angelfire.com/empire/seigfrid/Polarizacion.html [3] http://html.rincondelvago.com/electrostatica_4.html [4]http://www.google.com.co/search?hl=es&rlz=1W1SKPB_es&q=carga+electri ca&meta= [5]http://es.wikipedia.org/wiki/Electrizaci%C3%B3n electricidad uninorte
