2009

Camilo Riveros ManjarrezJorge Ortega De la RosaJulio Vidal PomboUniversidad del Norte, 2009

Física ElectricidadInforme de laboratorio

Febrero 12, 2009 Código: Departamento de matemáticas y físicaLaboratorio de física Electricidad ©Ciencias Básicas

Universidad del Norte – Colombia

Camilo Riveros Manjarrez Jorge Ortega De la Rosae-mail: riverosc@uninorte.edu.co e-mail: iortega@uninorte.edu.co

Julio Vidal Pomboe-mail: vidalj@uninorte.edu.co

RESUMEN

El desarrollo de la práctica de laboratorio de electrostática se enfatizó en las cargas eléctricas y electrización de los cuerpos, fue posible observar las cargas que adquieren los productores de carga al frotarlos e introducirlos en la jaula de Faraday la cual se conecta a un electrómetro del cual obtuvimos lecturas de los distintos tipos de cargas eléctricas, entre ellas, la carga por fricción, inducción y por contacto. Analizamos así la razón por la cual cada productor obtiene una carga diferente, ya sea negativa o positiva en cada caso, obteniendo así a través de la experimentación una idea más clara y un conocimiento aun más profundo sobre los tipos de cargas objetos de investigación para esta sección, además, examinamos también las cargas que puede recibir un transportador de carga al colocarlo en diferentes puntos de una de las esferas conductoras que fueron colocadas a una corta distancia una de la otra, una de las dos fue conectada a una fuente de energía electrostática en la salida de voltaje.

ABSTRACT

The electrostatic laboratory experiment was emphasize on electric charges and body electrization, it was possible to observe charges bodies acquire on rubbing friction and measure the different charges, by friction, induction and contact, with a electrometer in the faraday cage, we were able to determinate why charge producers have different charges, whether positive or negative, throughout the laboratory tasks, we were also able to analyze the charges a charge transporter can receive when place over two conductive spheres one of which was connected to a electrostatics voltage source.

INTRODUCCION

A medida que han pasado los años se han realizado hallazgos en pro del desarrollo de la física eléctrica, los cuales han dado explicación a una parte de los fenómenos y estructuras eléctricas que han surgido a lo largo de la historia. Fenómenos tales como la cuantización y la conservación de la carga, además de estructuras como la del átomo, cada uno de estos conceptos nos lleva más acerca al entendimiento ideal que

debemos conseguir y aunque tomara tiempo es necesario aportar en la manera posible a la investigación de estos artilugios de la naturaleza, en este singular informe explicaremos determinadas teorías y leyes que se han descubierto y nombrado para el desarrollo del conocimiento.

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 inducido

- Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción

MARCO TEORICO

El modelo simple de un átomo permitía explicar fenómenos experimentales como la electrización la cual es el exceso o la deficiencia de electrones que tiene un cuerpo y es la responsable de su carga eléctrica negativa o positiva. Cuantización de la carga, la carga eléctrica es un atributo de las partículas elementales que la poseen, caracterizado por la fuerza electrostática que entre ellas se ejerce. Dicha fuerza es atractiva si las cargas respectivas son de signo contrario, y repulsiva si son del mismo signo. Los electrones no se crean ni se destruyen, solo se transfieren de un material a otro. Cuando un cuerpo se electriza por otro, este recibe la cantidad exacta de electricidad (electrones) que cede el otro cuerpo, es decir, la misma cantidad de electrones que transfiere un cuerpo, es igual a la recibe el (los electrones) otro cuerpo, de aquí se puede inferir que la carga se conserva. Todo cuerpo que posea una carga eléctrica, tiene un exceso o deficiencia de cierto número de entero de electrones, entero porque los electrones no se pueden dividir en fracciones (a excepción de los quarks, Sin embargo, nunca se han observado quarks libres y el valor de su carga en conjunto, en el caso del protón suma +e y en el neutrón suma 0.), es decir, que la carga del cuerpo es un múltiplo entero de la carga del electrón.

En un sistema aislado la carga se conserva, es decir, la suma de las cargas positivas y negativas no varía, en un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva, lo que constituye el principio de conservación de la carga eléctrica. Hasta el momento todas las cargas libres que se han observado son múltiplos enteros, positivos ó negativos, de la carga del electrón, lo que se entiende por cuantificación de la carga eléctrica.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para empezar el experimento primero nos cercioramos que todos los instrumentos a utilizar estén en perfecto estado y estén completos. Estos instrumentos son:

- dos esferas

- una jaula de Faraday

- electrómetro

- fuente de voltaje DC con protección a tierra

- productor de carga ( cuero)

- productor de carga (acrílico)

- transportador de carga

- ordenador

- sensor de carga

- interfaz

- Data Studio

Una vez se halla cerciorado que los instrumentos este en perfectos estado, se procede a la configuración del ordenador de la siguiente manera:

- Conectar el interfaz de Science Workshop al ordenador, se enciende el interfaz y luego el ordenador.

- Se conecta el sensor de carga directamente al canal analógico A de la interfaz.

Luego de haber configurado el ordenador, se calibra el sensor y montaje del equipo:

Se conectan las pinzas dentadas del cable del sensor a las jaulas interior y exterior de la jaula de Faraday. Antes de comenzar algún experimento, se debe cerciorar de que la jaula este totalmente descargada, y para esto se presiona el botón cero del sensor y además cada personal que va realizar el experimento debería descargarse también tocando la jaula. Después de haber instalado el montaje de manera correcta y haber descargado la jaula, se empieza con los experimentos propuestos en el laboratorio que son los de carga por fricción, carga por inducción, carga por contacto y carga sobre una superficie como se había mencionado anteriormente.

Carga por fricción:

- se descarga la jaula

- se inicia data Studio

- se brotan las superficies de cuero y aclirico de los productores de carga

- se introduce inicialmente el productor de carga de cuero en la jaula de Faraday sin tocarla, y se anotan los resultados obtenidos por Data Studio

- se retira el productor de carga y se hace el mismo procedimiento anterior para el productor de carga de acrílico

- después de unos segundos, se finaliza la toma de datos

Carga por inducción:

- se descarga la jaula.

- se inicia data Studio para la toma de datos.

- se frotan las superficies de los productores de carga.

- se introduce el productor de carga de cuero sin tocar la jaula con el mismo.

- una vez introducido el productor de carga en la jaula, se toca la jaula con el dedo para aterrizar momentáneamente la jaula y se anotan los resultados.

- luego de aterrizar la jaula, se retira el dedo y el productor de carga.

- se finaliza la toma de datos.

- se repite el mismo procedimiento para el productor de carga de acrílico.

Carga por contacto:

- se descarga la jaula.

- se frotan los productores de carga.

- se inicia data Studio para la toma de datos.

- se toca la jaula conectada al borde positivo con el portador de carga de aclirico y se registran los datos.

- se descarga la jaula y se aplica el mismo procedimiento con el productor de carga de cuero.

Distribución de la carga sobre una superficie:

- se descarga la jaula y se aterriza con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro.

- se conecta una esfera de aluminio a la fuente de voltaje electrostática que provee 3.000 VDC (esta fuente debe estar aterrizada en la misma tierra que el electrómetro y la jaula de Faraday).

- la esfera que no esta conectada a la fuente debe ser aterrizada momentáneamente para poder remover las posibles cargas residuales que contengan.

- se confirme que la esfera este totalmente descargada tomando muestras en diferentes puntos de la misma con el transportador de carga introduciendo cada toma de carga con el transportador en la jaula Faraday.

- la esfera q no esta conectada a la fuente se pone lo mas cercano posible a la esfera conectada de manera que el transportador quepa entre las dos esferas.

- se enciende la fuente.

- se enciende el Data Studio.

- se toman diferentes muestras de cargas de la esfera desconectada de la fuente, se introducen en la jaula y se toman los datos.

- se aterriza la esfera de la cual se están midiendo las cargas tocando la esfera con el dedo en la parte posterior de la esfera metálica.

- se separa la esfera que esta conectada a la fuente de voltaje de la esfera que fue aterrizada a una distancia considerable y se apaga la fuente.

- nuevamente se toman muestras de cargas de la esfera que se separo y se toman los datos en Data Studio.

DATOS OBTENIDOS

A través de los instrumentos de lectura de datos que fueron utilizados para la práctica de laboratorio obtuvimos los fundamentos necesarios, que nos dan la posibilidad de estudiar los fenómenos eléctricos en base a los conocimientos previos que hemos adquirido sobre las cargas. Nuestros experimentos reflejaron en la interfaz grafica (Data Studio) los datos y de forma muy concisa las variaciones de la carga con los diferentes métodos utilizados, a continuación revelaremos información importante de los datos obtenidos que ayudaran en gran manera al entendimiento y buen desarrollo del concepto que hemos tratado en esta sección del curso.

1) Carga por fricción.

los datos adquiridos para este experimento fue por medio de dos generadores de carga, de cuero y acrílico respectivamente, los cuales fueron frotados para obtener la carga necesaria para poder medir su magnitud y signo a través de un electrómetro conectado a una jaula de Faraday en la cual serian introducidos uno a uno, a su vez el computador conectado al electrómetro obtuvo los datos con los cuales fue posible generar la Grafica adjunta, que nos muestra la variación que se obtuvo en el intervalo 4sg a 8sg donde fue introducido el primer generador de carga de acrílico en cual refleja que al ser su carga negativa adquirió electrones del cuero al momento de generar su carga en la fricción con el cuero del otro generador, es predecible la forma de la grafica en el intervalo de tiempo dentro del cual se introdujo el generador faltante, la lectura en el intervalo de 9sg a 12sg es la referente al generador de cuero el cual muestra una carga de igual magnitud que la lectura del generador acrílico pero con signo contrario a este.

2) Carga por inducción.

De la misma manera en que se hizo el experimento anterior, además, de poner el dedo en la jaula después de un tiempo de introducido el productor para aterrizar la jaula, esta grafica nos muestra las cargas que obtienen los productores de carga del acrílico y el cuero al introducirlos en la jaula de Faraday. Como se puede observar, en el intervalo de 2sg a 5.6sg aproximadamente, el productor de carga de acrílico (línea roja) obtiene una carga negativa de 0.025 micro coulomb y una vez se aterriza la jaula, a partir de los 5.7sg aproximadamente, este gana un poco de carga positiva, pasando a 0.02 micro coulomb y el productor de carga de cuero (línea purpura) obtiene una carga positiva de 0.024 micro Coulomb a partir del intervalo 2sg a 6.5sg y después de aterrizar la jaula a los 6.6sg aproximadamente, este gana una carga positiva pasando a 0.027 micro coulomb.

3) Carga por contacto.

De la misma manera en que se hizo el experimento anterior, solo que esta vez en vez de poner el dedo en la jaula, se toca la misma con el productor de carga ya sea el de acrílico o de cuero después de un tiempo introducido. Esta grafica nos arroja las cargas que obtienen los productores de carga al realizar el experimento y se puede observar que el productor de carga del acrílico obtiene una carga negativa de -0.025 micro coulomb aproximadamente y una vez este hace contacto con la jaula, gana una carga positiva, convirtiéndose en una carga de -0.02 micro coulomb y el productor de carga de cuero obtiene una carga positiva de 0.03 micro coulomb aproximadamente y después de hacer contacto con la jaula, este pierde carga positiva pasando a una carga de 0.25 aproximadamente.

4) Distribución de carga sobre una superficie

Por medio de esta grafica se puede observar que la mayor carga negativa ocurre cuando el distribuidor de carga se encuentra entre las dos esferas y cualquier toma de descarga tomada por el distribuidor cerca del punto donde se encuentra la distancia separadora entre las dos esferas, también obtiene una carga negativa y que cualquier otro punto de la esfera que este distante de la distancia separadora entre las dos esferas, obtiene una carga positiva y la mayor carga positiva la obtiene en el punto contrario al punto donde e distribuidor obtiene la mayor carga negativa.

ANALIZIS Y DISCUSIÓN DE DATOS

1. ¿Qué signo tiene la carga obtenida por el productor de carga blanco después de ser frotado con el azul? ¿Que signo tiene la carga obtenida por el productor de carga blanco? Explique como obtuvo cada productor esa carga

El productor de carga blanco después de ser frotado con el azul obtiene una carga positiva, y el productor de carga azul obtiene una carga negativa.Para el acrílico es mucho mas fácil adquirir electrones que para el cuero, por lo que cuando se ponen en rozamiento, los electrones del cuero se transfieren al acrílico, dándole una carga neta negativa y de esa forma el cuero queda cargado positivamente.

2. ¿Qué diferencias observa en la grafica entre introducir el productor de carga en la jaula sin tocarla y cuando el productor de carga la toca directamente? Explique con argumentos fiscos que suceden en cada caso.

En la grafica de carga por fricción vemos que cuando se introduce el probador la carga aumenta (ya sea positiva o negativamente dependiendo del probador) y luego disminuye hasta llegar a cero nuevamente; la diferencia que hay entre esta grafica y la de carga por contacto es que al final de esta ultima, la carga no se hace cero, sino que disminuye un poco pero al final queda cargada.Esta diferencia se da ya que en la carga por fricción se coloca el probador y el campo que se produce es el encargado de la carga que aparece en la grafica y al momento de retirarlo también se va la carga, en la carga por contacto es diferente pues después de introducir el probador cargado, se toca la jaula y en ese momento se transmiten la carga, al final la jaula es la que queda cargada, por eso cuando retiramos el probador la carga en la grafica disminuye pero al final queda con un valor diferente de cero.

3. ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera metálica del experimento II cuando esta cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando ésta es cargada por inducción?

La fuente a la que está conectada la primera esfera tiene una carga positiva, por lo tanto la esfera queda cargada positivamente, y cuando acercamos la segunda esfera a esta, las cargas positivas que tiene la primera esfera hacen que la segunda( que tiene su carga neta en cero) distribuya sus cargas atrayendo las cargas negativas y alejando las positivas, es por eso que cuando hacemos la grafica de inducción vemos que solo en el punto que está en frente de la primera esfera la carga es negativa, a medida que se aleja de ese punto la carga va disminuyendo y va convirtiéndose luego en cargas positivas en los puntos mas alejados.

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

Existen cuerpos que son mas electro-afín que otros, es decir, que son capaces de atraer electrones de mejor forma que otros, cuando dos cuerpos se frotan, lo que ocurre es que la partícula mas electro-afín toma los electrones de la otra partícula, dejándola cargada solo positivamente, mientras ella queda con la carga que tenia antes de la fricción y además queda con los electrones de la segunda.

5. 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?

Se descarga levemente ya que al colocar el dedo en la jaula lo que estamos haciendo es transmitiendo parte de esa energía a tierra, pero después de quitar el dedo nuevamente la jaula aumenta un poco su valor pues obtiene la carga del probador. 6. 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?

La jaula queda con carga después de retirar el dedo y luego cuando se retira el probador disminuye un poco la carga final de la jaula.

7. 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? Explique su respuesta

En este caso lo que habría pasado seria que luego de sacar la carga y dejar el dedo colocado, este ultimo descargaría la jaula pues tomaría la carga y la llevaría a tierra.

CONCLUCIONES

Se comprobaron, por medio de la experimentación con cargas, las propiedades que hemos estudiando, la cuantización de la carga y conservación de la misma, la estructura del átomo, en la medida que se ha desarrollado el proceso, hemos comprobado que existen transferencias de cargas pero en si es perdida o ganancia de electrones que se dan a través, para esta práctica, de los métodos utilizados como la carga por fricción, inducción y contacto, además analizamos como se presenta la distribución de carga sobre una superficie, además, el concepto de la conservación de la misma determinamos con esto que en un sistema aislado las cargas se conservan.

El desarrollo de la práctica de laboratorio cumplió con los objetivos propuestos, ayudándonos a comprender de una mejor forma como se presentan las cargas de una manera muy práctica, lo cual incentiva a la investigación y a seguir estudiando con el fin de tener la posibilidad de darle explicación a la mayoría de los fenómenos electrostáticos que podemos presenciar.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Libros

Física experimental. Electricidad y magnetismo, Ediciones Uninorte. Física Universitaria, Sears & Zemansky, Decima edición.

Web

www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/index.html www.wikipedia.com www.hiru.com www.fisicanet.com www.sectorfisica.cl