INSTITUTO TECNOLOGICO DE CIUDAD MADERO

INTEGRANTES: PEREZ RODRIGUEZ TANIA GABRIELARODRIGUEZ MERAZ JULIA VELAZQUEZ MARTINEZ GLADYSRODRIGUEZ RIOS MARCOSTRIANA TORRES FERNANDORIVERA CORDOVA SALMA CASTAEDA SALCEDO JOSE

CARRERA: ING. GEOCIENCIAS

MATERIA: METODOS ELECTRICOS I

SALON: U-14HORA: 07:00 A 11:00HRS.VERANO 2015JAULA DE FARADAY.

Una jaula de Faraday es una caja metlica que protege de los campos elctricos estticos. Debe su nombre al fsico Michael Faraday, que construy una en 1836. Se emplean para proteger de descargas elctricas, ya que en su interior el campo elctrico es nulo.

El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrosttico. Cuando la caja metlica se coloca en presencia de un campo elctrico externo, las cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, empiezan a moverse puesto que sobre ellos acta una fuerza dada por:

Donde e es la carga del electrn. Como la carga del electrn es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo elctrico 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, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva).

Este desplazamiento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo elctrico de sentido contrario al campo externo.El campo elctrico resultante en el interior del conductor es por tanto nulo.Como en el interior de la caja no hay campo, ninguna carga puede atravesarla; por ello se emplea para proteger dispositivos de cargas elctricas. El fenmeno se denomina apantallamiento elctrico.Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana estn provistos de una jaula de Faraday: los microondas, escneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday actan como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc. Por esta razn se recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta elctrica: su carrocera metlica acta como una jaula de Faraday.

COMO FUNCIONA LA JAULA DE FARADAY?

Primero vamos a tratar de comprender cmo funciona la jaula de Faraday.En su experimento original, Faraday utiliza la hoja de metal para recubrir por completo una habitacin.A continuacin, utiliza un generador electrosttico de emitir descargas de alto voltaje y la huelga de los exteriores de la habitacin.Una vez que este campo elctrico externo se aplic a la sala, los campos elctricos aplicados ejercen una fuerza sobre los portadores de carga dentro de la habitacin. Esto dio lugar a una corriente que se genera hace que los cargos dentro de la sala, se reorganizan. Este reordenamiento de los cargos luego llev a la cancelacin del campo aplicado en el interior, por lo tanto, lo que hace la sala, neutral.Faraday entonces se utiliza un electroscopio. Un electroscopio es un instrumento cientfico que se utiliza para detectar y medir la carga elctrica de un cuerpo en particular. El electroscopio revel que no haba carga elctrica detectada en las paredes interiores de la habitacin.

Una jaula de Faraday funciona mejor cuando est conectado a la tierra. De esta manera, las cargas electromagnticas que actan sobre la caja pueden llevarse a cabo sin causar dao en el suelo, manteniendo el contenido de la caja afectada.

APLICACIONES

- Seguridad contra relmpagos: Coches y actan como jaulas de Faraday aviones / escudos para proteger a las personas cuando el vehculo es golpeado por un rayo. La caja protege el interior del vehculo de la, los campos elctricos fuertes de la iluminacin.-Microondas: las microondas dentro del horno se encuentran atrapados y se utiliza con el fin de cocinar en un horno de microondas, donde la cubierta metlica del horno de microondas acta como una jaula de Faraday.

-Protecciones para los productos electrnicos: los equipos electrnicos pueden ser blindados y protegidos de la perdida campos electromagnticos mediante el uso de cables coaxiales que contienen una capa conductora que acta como una jaula de Faraday.

-Trajes de proteccin para los linieros: linieros suelen llevar trajes de proteccin que actan como jaulas de Faraday para garantizar su seguridad mientras se trabaja con lneas elctricas de alta tensin. Estos trajes de protegerlos de electrocutarse.

- Evitar Ruido Molesto de la Interferencia de Celular y Parlante

- Dejar sin seal: (Celulares, Mdems, Etc.)

-Evitar interferencia entre parlantes y una frecuencia de radio.

CAMPO ELECTRICO CONSERVATIVO Campo y potencial elctrico de una carga puntualLa ley de Coulomb nos describe la interaccin entre dos cargas elctricas del mismo o de distinto signo. La fuerza que ejerce la cargaQsobre otra cargaqsituada a una distanciares.F=140Qqr2rLa fuerzaFes repulsiva si las cargas son del mismo signo y es atractiva si las cargas son de signo contrario.

Concepto de campoEs ms til, imaginar que cada uno de los cuerpos cargados modifica las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia. Supongamos, que solamente est presente la cargaQ, despus de haber retirado la cargaqdel punto P. Se dice que la cargaQcrea un campo elctrico en el punto P. Al volver a poner la cargaqen el punto P, cabe imaginar que la fuerza sobre esta carga la ejerce el campo elctrico creado por la cargaQ.

Cada punto P del espacio que rodea a la cargaQtiene una nueva propiedad, que se denomina campo elctricoEque describiremos mediante una magnitud vectorial, que se define como la fuerza sobre la unidad de carga positiva imaginariamente situada en el punto P.E=140Qr2rLa unidad de medida del campo en el S.I. de Unidades es el N/CEn la figura, hemos dibujado el campo en el punto P producido por una cargaQpositiva y negativa respectivamente.Energa potencialLafuerza de atraccinentre dos masas es conservativa, del mismo modo se puede demostrar que la fuerza de interaccin entre cargas es conservativa.El trabajo de una fuerza conservativa, es igual a la diferencia entre el valor inicial y el valor final de una funcin que solamente depende de las coordenadas que denominamos energa potencial.ABFdl=EpAEpB

El trabajo infinitesimal es el producto escalar del vector fuerzaFpor el vector desplazamientodl, tangente a la trayectoria.dW=Fdl=Fdlcos=Fdr.Donde:dres el desplazamiento infinitesimal de la partcula cargadaqen la direccin radial.Para calcular el trabajo total, integramos entre la posicin inicial A, distanterAdel centro de fuerzas y la posicin final B, distanterBdel centro fijo de fuerzas.W=AB140Qqr2dr=140QqrBA=140QqrA140QqrBEl trabajoWno depende del camino seguido por la partcula para ir desde la posicin A a la posicin B. La fuerza de atraccinF, que ejerce la carga fijaQsobre la cargaqesconservativa. La frmula de la energa potencial esEp=140Qqr

El nivel cero de energa potencial se ha establecido en el infinito, parar=,Ep=0El hecho de que la fuerza de atraccin sea conservativa, implica que la energa total (cintica ms potencial) de la partcula es constante, en cualquier punto de la trayectoria.E=12mv2+Ep=cteConcepto de potencialDel mismo modo que hemos definido el campo elctrico, el potencial es una propiedad del punto P del espacio que rodea la cargaQ. Definimos potencialVcomo la energa potencial de la unidad de carga positiva imaginariamente situada en P,V=Ep/q.El potencial es una magnitud escalar.V=140QrLa unidad de medida del potencial en el S.I. de unidades es el volt (V).Relaciones entre fuerzas y camposUna carga en el seno de un campo elctricoEexperimenta una fuerza proporcional al campo cuyo mdulo esF=qE, cuya direccin es la misma, pero el sentido puede ser el mismo o el contrario dependiendo de que la carga sea positiva o negativa.Relaciones entre campo y diferencia de potencialLa relacin entre campo elctrico y el potencial es.ABEdl=VAVB

En la figura, vemos la interpretacin geomtrica. La diferencia de potencial es el rea bajo la curva entre las posiciones A y B. Cuando el campo es constanteVA-VB=Edque es el rea del rectngulo sombreado.El campo elctricoEes conservativo lo que quiere decir que en un camino cerrado se cumpleEdl=0Dado el potencialVpodemos calcular el vector campo elctricoE, mediante el operador gradiente.E=V=VxiVyjVzk

Trabajo realizado por el campo elctricoEl trabajo que realiza el campo elctricoEsobre una cargaqcuando se mueve desde una posicin en el que el potencial esVAa otro lugar en el que el potencial esVBesW=ABFdl=EpAEpB=q(VAVB)

El campo elctrico realiza un trabajoWcuando una carga positivaqse mueve desde un lugarAen el que el potencial es alto a otroBen el que el potencial es ms bajo. Siq>0 yVA>VBentoncesW>0. El campo elctrico realiza un trabajo cuando una carga negativaqse mueve desde un lugar B en el que el potencial es ms bajo a otro A en el que el potencial es ms alto. Una fuerza externa tendr que realizar un trabajo para trasladar una carga positivaqdesde un lugar B en el que el potencial es ms bajo hacia otro lugar A en el que el potencial ms alto. Una fuerza externa tendr que realizar un trabajo para trasladar una carga negativaqdesde un lugar A en el que el potencial es ms alto hacia otro lugar B en el que el potencial ms bajo.

isolneasSin importar de qu isolnea se trate, stas presentan las siguientes caractersticas

DISEO DE ISOLNEAS

1. Todas las isolneas se cierran, a pesar de que los mapas no las muestren de manera completa, se asume que la distribucin del fenmeno que representan es continua y no puede desaparecer de manera brusca.2. No es posible que las isolneas se crucen puesto que cada una representa un nico valor.3. El acercamiento o la separacin entre las isolneas, muestra las caractersticas de la variacin del fenmeno en relacin con la distancia. Cuando estas se acercan expresan un cambio notorio del fenmeno y cuando se separan el cambio es gradual, ms suave o lento.En relacin con este ltimo aspecto, el gradiente permite determinar cul es el grado de variacin del fenmeno, presentando una relacin de cambio en funcin de aspectos tales como la distancia, el tiempo y la velocidad. Por ejemplo, en el gradiente brico, como lo expresa Monkhouse (1978), un gradiente pronunciado implica una gran diferencia de presin con isobaras muy prximas, mientras que un gradiente dbil implica solo una pequea diferencia con isobaras muy distantes. As mismo es conveniente pensar en otros aspectos asociados al fenmeno; siguiendo al mismo autor un gradiente pronunciado suele estar asociado a fuertes vientos.

Clasificacin y aplicacin de las isolneasTodas las isolneas buscan mostrar la variacin espacial de un fenmeno, ya sea de carcter humano o fsico. Su aplicacin depende de los objetivos perseguidos. Algunas isolneas sirven para estudiar las caractersticas, dinmica y evolucin de fenmenos fsicos; otras son utilizadas para identificar las potencialidades del espacio y unas pocas dan cuenta de fen- menos que ataen a la accin humana.En este sentido, no vale la pena hacer una clasificacin estricta de las isolneas, puesto que, en el caso de una isoclina, que identifica un fenmeno fsico como lo es la pendiente, permite a su vez descubrir posibilidades de uso (agrcola, asentamientos, mecanizacin) que de hecho son de corte humano.Para fines didcticos, se puede establecer una clasificacin de las isolneas a partir de la procedencia de sus datos, con lo que obtenemos dos grupos. En el cuadro 5.1 se presenta una clasificacin de isolneas, con base en varias fuentes: Strahler (1981), Monkhouse y Wilkinson (1978), Gil y Olcina (1997) e Hyparion (2000).Un primer grupo rene a todas aquellas isolneas cuyos datos parten de la observacin de fenmenos fsicos: isohipsas, isoyetas, isotermas, isohelias, isobaras, isobatas, isogonas, isoclinas... En un segundo grupo, se pueden ubicar las isolneas que dependen del comportamiento humano, pero cuya distribucin espacial no es tan permanente como las del primer grupo. Es el caso de las isocronas, las isodemas, las lneas de isoprecios....Es necesario recordar que para uno y otro caso, las isolneas representan umbrales de cambio o de variacin, siendo el rea entre las mismas (isopleta) de informacin ms relevante.A continuacin se har una breve descripcin de algunas isolneas; ntese que unas de ellas definen directamente una isopleta. Ms adelante sern tratadas slo unas pocas para ejemplificar su construccin.

Practica de medicin, Campo elctrico e IsolineasMateriales: de cartulina Grafito Multmetro Surfer

Procedimiento:En el de cartulina desvanecemos el grafito (previamente hecho polvo) en toda la superficie a excepcin de sus laterales con un algodn, dejando pequeos espacio si grafico para poder notar la anomala q se produca, despus de ensamblaban dos piezas de madera conectada a los bordes que se dejaron vacos en la cartulina conectados y con el multmetro se meda las carga q se produca entre el grafito y como varia de un punto a otro en toda la cartulina. Despus con os datos se elabor una tabla y una grfica para mostrar grficamente el campo que se produca y las anomalas en los espacios.

Conclusiones:Pudimos observar que la seal pasa conducida por el grafito y donde no haba sea alguna del grafito se mostraban anomalas notorias en la representacin del mapa, cabe destacar que las mediciones no son siempre perfectas y puede haber unas variables mnimas y teniendo un parecido la representacin grafica con la mancha de grafito en la cartulina

SURFER:

Mapa vectorial

Mapa de Blancos y Negros

*Posible error de lectura de datos e igualmente en la representacin del mapa en la primera zona n el eje de las YPOTENCIAL Y DIFERENCIA DE POTENCIAL.Para explicar el potencial elctrico nos valdremos de un smil mecnico. En el campo gravitatorio, las cargas "gravitatorias" son las masas. Una masa situada a cierta altura, tiende a caer hacia el suelo, (atraida por la masa de la Tierra) y es capaz de desarrollar ms trabajo cuanto ms alta se la coloque, se dice entonces que tiene ms potencial gravitatorio. En el campo elctrico, esa "altura" elctrica (esa capacidad de desarrollar un trabajo), se denomina POTENCIAL ELECTRICO, y las cargas tienden a "caer" desde los potenciales ms altos a los ms bajos, desarrollando un trabajo. Como se desprende de la comparacin gravitatoria, el concepto de potencial es relativo: (por ejemplo, cuando hablamos de la altura de un edificio, nos referimos a la altura respecto a la calle, sin embargo, cuando hablamos de la altura de una montaa, nos referimos a la altura sobre el nivel del mar) as pues en algn punto habr que fijar la referencia. Igualmente en Electrosttica, hay que fijar un origen de potenciales que, por otra parte, ser arbitrario. Algunas veces se toma como origen el potencial de la Tierra, y se dice entonces que la Tierra est a potencial cero. Otras veces es el infinito el que se toma como punto de referencia. De todos modos, para nosotros ese no va a ser lo importante, ya que lo que ms nos interesa no es el potencial a que est la carga, sino la DIFERENCIA DE POTENCIAL, es decir la "diferencia de alturas" o diferencia entre los potenciales de dos puntos entre los cuales se va a mover nuestra carga. As pues, se define la diferencia de potencial (d.d.p.) entre dos puntos como el trabajo que realiza la unidad de carga (el culombio) al caer desde el potencial ms alto al ms bajo. El potencial se representa con la letra V. El potencial del punto A se representa por VA (V sub A). y VA-VB (V sub A menos V sub B) 0 simplemente VAB (V sub AB) es la diferencia de potencial entre el punto A y el punto B (en ese sentido y no al revs). Ya que VBA es igual a -VAB. Si VAB es, por ejemplo 5, VBA ser -5. Los potenciales y diferencias de potencial, en el Sistema Internacional, se expresan en VOLTIOS.

Divisores ms usuales del voltio:Voltiosmilivoltiosmicrovoltios

1 Voltio (V) =1103106

1 milivoltio(mV) =10-31103

1 microvoltio(mV) =10-610-31

El mltiplo ms usual es el Kilovoltio. 1 KV = 1.000 V.A la diferencia de potencial tambin se le suele llamar VOLTAJE o TENSION.

PRACTICA: JAULA DE FARADAY

ObjetivoComprobar las propiedades de los cuerpos conductores, frente a los efectos de un campo elctrico externo.

JustificacinLa prctica se realiz con el fin de conocer, identificar y analizar los efectos que la Jaula de Faraday produce, por ejemplo que el campo electromagntico sea nulo, anulando cualquier campo externo.

Marco tericoLa Jaula de Faraday debe su nombre a su inventor, el cientfico britnico Michael Faraday, fue inventada en el ao 1836.Dicha Jaula provoca que el campo electromagntico en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor est sujeto a un campo electromagntico se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la direccin en que va el campo electromagntico, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo elctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagntico, luego hasta la suma de ambos campos dentro del conductor ser igual a 0.

AntecedentesUnaJaula de Faradayes un recipiente hecho de material conductor, como por ejemplo una malla de alambre o planchas de metal, que protege lo que encierra de campos elctricos externos. En nuestros experimentos, una jaula de Faraday se puede utilizar para evitar lainterferencia electromagntica(IEM, o ruido) que interfiere con nuestras grabaciones neuronales. Como ya sabes, las seales neuronales que registramos son muy pequeas (del orden de micro-voltios), as que usamos nuestros Spikerbox para amplificar estas pequeas seales a una amplitud lo suficientemente grande par a que podamos escucharlas y registrarlas. Sin embargo, dependiendo de nuestro ambiente pueden existir emisiones electromagnticas, de radio, microondas, u otros tipos de emisiones invisibles que pueden viajar a travs del aire e interactuar con las agujas de metal y el cable que utilizamos como electrodos. El metal luego propaga la seal de ruido como una antena a nuestras grabaciones neuronales, lo que interfiere o incluso ahoga nuestras grabaciones, causando que en el peor de los casos, lo nico que escuchemos sea una estacin de radio! Una jaula de Faraday se puede utilizar para bloquear muchas de estas fuentes de ruido.

Para entender cmo funciona la jaula nos remitiremos a un famoso cientfico,Charles-Augustin de Coulomb. Coulomb trabaj mucho en la dinmica de partculas cargadas y los campos elctricos que generan. Coulomb determin que el campo elctrico, E, en un radio r de distancia de una carga estacionaria puntual, Q, podra ser calculado por la siguiente ecuacin:

El mensaje es que esta ley sienta las bases para una relacin matemtica que relaciona la carga y el campo elctrico dentro de un volumen fijo de espacio. Una jaula de Faraday encierra un volumen fijo de espacio, y, si la jaula est hecha de material conductor, la caracterstica clave de este de esta jaula es que evita que cargas externas induzcan campos elctricos dentro de ese volumen. Aqu estn dos de las principales reglas que rigen este efecto de barrera:1. La ley de Coulomb exige que las cargas en un conductor en equilibrio estn lo ms separadas posible, y por lo tanto la carga elctrica neta de un conductor reside enteramente en su superficie.2. Cualquier campo elctrico neto dentro del conductor causara un movimiento de carga, ya que sta es abundante y mvil, pero el equilibrio exige que la fuerza neta en el conductor sea igual a cero. As, el campo elctrico dentro del conductor es cero.La regla 2 nos dice que el campo elctrico dentro del conductor en equilibrio es cero, la regla 1 nos dice que la carga del conductor se encuentra por completo en la superficie (frontera). En otras palabras, la superficie del volumen conductor se convierte en una barrera donde las cargas se mueven hacia y alrededor de la superficie para generar campos exactamente opuestos a cualquier carga que busca cruzar la frontera, manteniendo as un interior libre de interferencia elctrica externa.

Faraday demostr por primera vez esto enun famoso experimento usando un balde para hielo y una esfera de metal. Faraday hizo descender una bola metlica cargada con electricidad esttica a un balde metlico sobre una silla de madera que aislaba el balde del suelo. Cuando la bola cargada baj y entr al balde sin tocarlo, las cargas sobre la superficie del balde se redistribuyeron a travs de induccin electrosttica. Este concepto se conoce como el principio de la jaula de Faraday que ests estudiando hoy.

Los agujeros en una Jaula de FaradayMuchas jaulas de Faraday, incluyendo la que ests construyendo y vas a usar, tienen agujeros con fines prcticos (para ver al interior de la jaula). Jaulas hechas de esta manera con material de malla an tienen superficies conductoras que generan las barreras necesarias para campos elctricos, pero hay tipos de ondas electromagnticas, como las de radio o microondas que en teora podran entrar por los agujeros. Para evitar esto, la jaula tiene que ser construida con orificios ms pequeos que la longitud de onda de estas emisiones. La frecuencia se relaciona con longitud de onda por la siguiente ecuacin:

Donde f = frecuencia en Hz, c es la velocidad de la luz, y representa la longitud de onda en metros. Una regla de uso frecuente para jaulas de Faraday para prevenir esta transmisin es que los agujeros deben ser no mayores a 1/10 de la longitud de onda de la seal. Entonces, para un telfono celular 3G que funciona a una frecuencia de 2,1 GHz (2,1 * 109Hz), la longitud de onda = (3 * 108m/sec) / (2,1 * 109Hz) = 0,14 metros. Por lo tanto, para que una jaula de Faraday pueda evitar que este ruido ingrese, los agujeros en la jaula deben ms pequeos que 0,014 metros (o 1,4 cm).El uso de mltiples capas de malla superponindolas de tal manera que los agujeros de un nivel estn bloqueados la malla de otro nivel, es otra manera eficaz de construir una barrera para el ruido de IEM.

Material:1. Malla metlica2. Tijeras de hojalatero3. Alambre4. Celular 5. Audifonos (opcional)

Procedimiento1. Recortar un cubo, de las dimensiones que consideres apropiadas para que quepa un celular ah dentro en nuestro caso fue de 15x15cm de lado2. Juntar las caras del cubo con alambre de amarre3. Se coloca el aparato dentro del cubo ya sea de emisor o de receptor podemos notar como afecta a la seal emitida o recibida

ObservacionesPudimos percatarnos de que al cerrar la jaula, con el celular dentro no se escucha nada, ninguna emisin de sonido, el sonido penetra la jaula, abrimos un centmetro la jaula o menos y se escucha claramente el sonido, pero bien cerrada, es imposible. Tampoco al recibir una llamada suena, si est bien cerrada la caja.

ConclusionesDespus de realizar el experimento de la Jaula de Faraday se puede concluir que todo dentro de la Jaula de Faraday el fenmeno de campo elctrico es nulo, por lo cual todos los campos como las ondas que nos rodean, no ingresan dentro de esta.Un conductor hueco no genera ningn campo en su interior por lo cual el celular con el radio dentro de este, dejo de transmitir la frecuencia. Esto comprueba que aunque es invisible el campo electromagntico, esta alrededor de nuestras vidas, todo a nuestro alrededor esta lleno de distintos campos.

Ejemplos en videos:

Como hacer una jaula de FaradayElectromagnetismo: Jaula de Faraday

Experimentos con la jaula de Faraday