Agosto 17,2009Código: FIS-1033-03Laboratorio de Física Electricidad

ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA

JOSE JAIRO GUTIERRE REmail:

jjgutierrez@uninorte.edu.coIngeniería de Sistemas

ROBERTH PORTO SOLANOEmail:

roberthp@uninorte.edu.coIngeniería de Sistemas

Abstract

In this lab we will study the behavior of body interacting with a load. To analyze this behavior we have a laboratory guide will enable us to experience this behavior in a body with different experiences. Within these experiences are: Upload a body by friction, contact and induction. Then we can identify physical phenomena that occur in the process of loading a body electrically and simultaneously determine the sign of the charge acquired by a body in a process of electrification.

ResumenEn esta práctica estudiaremos el comportamiento de los cuerpos al interactuar con alguna carga. Con el fin de analizar dicho comportamiento contamos con una guía de laboratorio que nos permitirá experimentar este comportamiento en un cuerpo con las distintas experiencias. Dentro de estas experiencias encontramos: Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción. De esta manera podremos identificar fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo y a la vez Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.

OBJETIVOS

General

Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo.

Específicos

Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.

Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción. Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido

al proceso de carga por inducción.

MARCO TEORICO

Todos los cuerpos que nos rodean están compuestos de electrones, protones y neutrones. En muchos casos la cantidad de protones y electrones no es la misma (el cuerpo no está equilibrado eléctricamente).

En el caso de que un cuerpo tenga más electrones que protones se dice que está cargado negativamente y si tiene más protones que electrones se dice que está cargado positivamente. Cuando la cantidad de protones y electrones es la misma, la carga es nula o neutra (el cuerpo no está cargado). En el siguiente diagrama se presentan dos cuerpos con carga nula o neutra.(Figura 1)

Figura 1

Para que un cuerpo se cargue, ya sea positiva o negativamente, tiene que verse afectado de alguna manera. Una forma de alterar el cuerpo (suponer un metal), es calentarlo. En este caso el cuerpo adquiere más o menos electrones, pues el número de protones permanece generalmente constante.(Figura 2)

Figura 2

Cuando los electrones pasan de un cuerpo a otro, el cuerpo que pierde electrones se carga positivamente y el que gana electrones se carga negativamente. Este movimiento de electrones es lo que se llama corriente eléctrica. (Figura 3)

Figura 3

Los metales permiten un flujo fácil de electrones. Este flujo puede deberse a la acción de fuerzas electrostáticas. Cuando esto es así, se dice que los electrones

están bajo el efecto de un campo electroestático, también llamado campo eléctrico.

COMO SE CARGAN LOS CUERPOS

Carga por fricción:

En la carga por fricción se transfieren electrones por la fricción del contacto de un material con el otro. Aun cuando los electrones más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, los mas externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra.

Carga por contacto:

Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Por ejemplo, si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferirá la carga a este. Si el cuerpo es un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre si. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribución mas o menos uniforme de la carga.

Carga por inducción:

Podemos cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento a él de una varilla cargada. Considérese la esfera conductora no cargada, suspendida de un hilo aislador, que se muestra en la figura (1). Al acercarle la varilla cargada negativamente, los electrones de conducción que se encuentran el la superficie de la esfera emigran hacia el lado lejano de esta; como resultado, el lado lejano de las esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

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 medir la carga de la jaula de Faraday causada por inducción. Utilice DataStudio para registrar y mostrar los datos. Compare la carga por contacto con la carga por inducción.

Configuración del ordenador

1. Conecte el interfaz de ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.2. Conecte el sensor de Carga directamente al Canal Analógico A del interfaz.

Calibración del sensor y montaje del equipo.• El sensor de carga tiene ganancias de x1, x5 y x20 escoja una de ésta dependiendo del valor de carga a medir, cuando escoja una de 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 en el que se utilice la jaula de 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.

Toma de datos

Carga por fricción. 1. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo.2. Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio3. Frote varias veces las superficies azules y blancas de los productores 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 el productor de carga blanco e introduzca el productor de carga azul en la jaula. Observe los resultados y anótelos.6. Pasado unos momentos, finalice la toma de datos. Carga por inducción7. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo.8. Comience la toma de datos. (Haga clic en ‘Start’ en DataStudio).

9. Frote varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga. 10. Sin tocar la jaula con el productor de carga, introduzca el 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 la jaula. Observe y anote los resultados. 12. Después de aterrizar la jaula, retire su dedo y el productor de carga. 13. Pasados unos momentos, finalice la toma de datos.14. Descargue la jaula y ponga a cero el sensor. Repita el procedimiento utilizando

el productor de carga azul.

Carga por contacto:15. Frote los portadores de carga azul y blanco.16. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador azul,

observe el signo de la carga y registre su valor.17. Descargue la jaula.18. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador 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. Utilice el “transportador de carga” junto con la Jaula de Faraday para determinar la densidad de carga. Para ello realice el montaje que aparece en la Figura 1.2

19. Antes de comenzar, asegúrese que la Jaula de Faraday esté aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro.

20. Ubique dos esferas de aluminio separadas por lo menos 50 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.( ¡NO CONECTAR AL ELECTROMETRO CON LA FUENTE DE TENSION!)

21. La otra esfera debe ser aterrizada momentáneamente para remover las posibles cargas residuales que contengan.

22. Confirme que esta esfera está descargada tomando muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en la jaula de Faraday.

23. Acerque ahora las dos esfera a una distancia de un centímetro. Encienda la fuente de voltaje y tome muestras de carga en las mismas secciones de la esfera que tomó en el numeral 22 introdúzcala en la jaula de Faraday y anote los resultados.

24. Aterrice ahora la esfera de la cual está midiendo su carga. (puede hacerlo tocando con un dedo la parte posterior de la esfera metálica).

25. Separe la esfera que está conectada a la fuente de voltaje a una distancia de 50 cm de la esfera que aterrizó y apáguela.

26. Nuevamente tome muestras de carga en las mismas secciones en que las tomó en los numerales 22 y 23 y mida la carga.

ANÁLISIS DE LOS DATOS

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.

El productor de carga blanco después de ser frotado con el de azul tiene una carga positiva, mientras que el productor azul adquiere una carga negativa. Cada productor obtuvo esa carga debido a la fricción entre ellos, durante este proceso se transfirieron electrones de un material a otro por simple contacto.

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.

En la grafica cuando introducimos el productor de carga en la jaula sin tocarla, la grafica nos muestra que se encuentra cargada negativa o positiva, esta se carga por inducción, ya que al acercar el productor con carga a la jaula, aún sin contacto físico los electrones se mueven en la superficie conductora. Mientras que cuando el productor de carga la toca directamente este le transfiere una parte de la carga a la jaula.

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?

En el experimento II cuando la esfera metálica se acerca a la esfera conectada a la fuente, las cargas se encuentran la parte mas cercana a la esfera a fuente la distribución de carga es negativa, mientras que en el lado opuesto la carga es positiva.

Preguntas problematológicas.

1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo?

Cuando se frota un cuerpo con otro sucede un proceso electrización, el cual ocurre por contacto. Haciendo que cuando dos cuerpos poseen una carga neutra son friccionadas cargándose una positivamente y otra negativamente.

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?

El proceso de aterrizar es cuando hacemos polo tierra con el cuerpo cargado. En pocas palabras descargamos la jaula, ya que le desprendemos electrones quedando la jaula de Faraday con una carga neutra.

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?

Si el productor de carga queda cargado negativamente y la jaula es aterrizada la jaula queda cargada positivamente.

4. 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? Expliqué su respuesta.

Al invertir este proceso el resultado si hubiera sido el mismo, y el resultado seria invertido ya que cuando el productor de carga es introducido a la jaula esta se encuentra cargada positivamente que obtenemos cuando retiramos el productor de carga y luego el dedo.

CONCLUSION

Al concluir con nuestra experiencia podemos concluir que existen distintas formas de cargas los cuerpos y dependiendo del material la carga puede ser negativa o positiva, dentro de ellas encontramos por inducción, fricción y por contacto. Cada una de ellas con un comportamiento especifico. Por otra parte concluimos en el experimento de las esferas que durante la experiencia se puede observar a través de la graficas la distribución de carga que ocurre, haciendo que la parte más cercana de la parte de la esfera cargada quede negativamente y la parte opuesta queda positivamente.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

SEARS, ZEMANSKY, YOUNG, FREEDMAN: '" Fisica Universitaria", Vol. II, Pearson, 1999