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

Electrización de los cuerpos y conservación de la carga eléctrica.

Abstract

In this work we aim to analyze the physical phenomena that occur in the process of an electrically charged body, for this we are going to make a series of activities such as determining the sign of charge acquired by a body in a process of electrification, charge a body by friction, contact and induction and compare the distribution of electric charge in a metal subjected to the charge process by induction, which gave us sufficient information to perform the above analysis.

Resumen

En este trabajo pretendemos analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo, para esto se realizaran una serie de actividades como lo son determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación, cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción y comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción; las cuales nos brindaran los datos suficientes para realizar el análisis anteriormente mencionado.

Michel De La Rosa PorrasEmail: porrasm@uninorte.edu.co

Ingeniería Industrial

Andrea Donado OlmosEmail: andreao@uninorte.edu.co

Ingeniería Industrial

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

Desde la antigüedad la electrostática ha marcado una importancia dentro del campo de la Física, desde que el filósofo Thales de Mileto describió propiedades del ámbar al frotarlo, para atraer cuerpos pequeños hasta nuestros días, donde conocimientos del siglo XVII, como la ley de Coulomb se aplican aún. La electrostática se encarga de estudiar los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas. En este informe queremos analizar algunas de los fenómenos físicos que ocurren en este campo, como son las cargas por fricción, por contacto e inducción, o la determinación del signo de la carga adquirida por un cuerpo sometido a electrificación. Todo esto con el fin de ampliar nuestros conocimientos en el área y de alguna forma dar un punto de vista con respecto a dichos fenómenos que en la actualidad son muy comunes.

2 MARCO TEORICO

Para el siguiente informe se necesitará tener claro los siguientes conceptos:

a) Modelo simple de un átomo: El átomo es la partícula más pequeña que puede formar elementos químicos, ésta está formada por otras partículas más pequeñas llamadas: Protón: de carga positiva, situado en el núcleo. Neutrón: no tiene carga, situado en el núcleo. Electrón: de carga negativa, situado alrededor del núcleo en diferentes niveles de

energía.

b) Principio de conservación de la carga:El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica y afirma que en todo proceso electromagnético la carga total de un sistema aislado se conserva. Esto es, 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. Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán de modo que la carga total del sistema permanezca constante; además esta conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que sea.

c) Cuantificación de la carga eléctrica:El principio de cuantificación de la carga es más amplio que el dominio de las partículas elementales. Establece que dada cualquier carga Q+¿¿ (positiva) o Q−¿ ¿ (negativa) adquirida por cualquier cuerpo puede expresarse, respectivamente, como múltiplo entero de las cargas elementales del electrón y del protón. En símbolos: existen números N1 y N2, naturales, tales que Q+¿=N1 ∙ p¿ (donde p es la carga de un protón) y Q−¿=N 2∙ e¿ (donde e es la carga de un electrón) cualesquiera sean Q+¿¿ y Q−¿ ¿. Las cargas e yp pasan así a constituirse en las cargas elementales mínimas constituyentes de cualquier carga negativa o positiva, respectivamente.

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se hicieron cuatro pruebas, para las cuales se utilizó el software DataStudio para registrar y mostrar los datos, dichas pruebas fueron:

a) Carga por fricción:I. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo.

II. Comience la toma de datos. III. 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.

IV. 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.

V. Retire el productor de carga blanco e introduzca el productor de carga azul en la jaula. Observe los resultados y anótelos.

VI. Pasado unos momentos, finalice la toma de datos.

b) Carga por inducción:I. Descargue la jaula y presione el botón ‘ZERO’ del sensor para descargarlo.

II. Comience la toma de datos. III. Frote varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga. IV. Sin tocar la jaula con el productor de carga, introduzca el productor de carga

blanco en la jaula. V. 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. VI. Después de aterrizar la jaula, retire su dedo y el productor de carga.

VII. Pasados unos momentos, finalice la toma de datos.VIII. Descargue la jaula y ponga a cero el sensor. Repita el procedimiento utilizando el

productor de carga azul.

c) Carga por contacto:I. Frote los portadores de carga azul y blanco.

II. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador azul, observe el signo de la carga y registre su valor.

III. Descargue la jaula.IV. Toque la jaula que está conectada al borde positivo con el portador blanco,

observe el signo de la carga y registre su valor.

d) Distribución de la carga sobre una superficie:Antes de comenzar, asegúrese que la Jaula de Faraday esté aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro.

I. 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!)

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

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

IV. Acerque ahora las dos esferas 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 paso anterior, introdúzcala en la jaula de Faraday y anote los resultados.

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

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

VII. Nuevamente tome muestras de carga en las mismas secciones en que las tomó en los pasos “III” y “IV” y mida la carga.

4 DATOS OBTENIDOS

En cada prueba se obtuvieron diferentes datos, los cuales se registran a continuación:

a) Carga por fricción:

Gráfica 1: Ensayo de carga por fricción

Como se puede observar en la Gráfica 1 el valor de la carga presente en el productor azul fue -0,0020C y la carga presente en el productor blanco fue de 0,0020C.

b) Carga por inducción:

Como se puede observar en la Gráfica 2 el valor de la carga presente en el productor blanco fue de 0,0073C y cuando se toco la jaula y se retira el productor la carga pasó a ser -0,009C.En el caso del productor azul, la Gráfica 3 muestra que, el valor de la carga antes de tocar la jaula fue de -0,0020C y posterior a esto, dicha carga tomó el valor de 0,010C.

Gráfica 2: Ensayo de carga por inducción (productor blanco)

Gráfica 3: Ensayo de carga por inducción (productor azul)

c) Carga por contacto:

Como podemos mirar en la Gráfica 4 el valor de la carga presente durante el contacto entre la jaula y el productor azul fue de -0.000763C y al retirar el productor vemos que la jaula queda cargada negativamente. En el caso del productor blanco, el valor de la carga presente durante el contacto entre la jaula y el productor fue de 0.0006104C y al retirar el productor vemos que la jaula queda cargada positivamente, tal y como lo vemos en la Gráfica 5.

Gráfica 4: Ensayo de carga por contacto (productor azul)

Gráfica 5: Ensayo de carga por contacto (productor blanco)

d) Distribución de la carga sobre una superficie:

Como se muestra en la Gráfica 6 al acercar la esfera neutra a la esfera cargada, la esfera neutra se polariza, quedando del lado más cercano a la esfera cargada positivamente cargas negativas (la máxima carga negativa fue de -0,001C), y del lado opuesto cargas positivas (la máxima carga positiva fue de 0,0002014C).

Gráfica 6: Ensayo de polarización de la carga de una esfera

5 ANALISIS Y DISCUCIÓN DE 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 cómo cada productor obtuvo esa carga.Respuesta 1: Cuando los dos productores de carga se frotan se están cargando por fricción, es decir el productor blanco al frotarlo con el azul, le cede electrones al segundo, quedando cargo positivamente gracias al déficit de electrones, análogamente el productor azul recibe dichos electrones, quedando cargado negativamente gracias al exceso de electrones.

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.Respuesta 2: la diferencia radica principalmente en que en el primer caso, al introducir el productor en la jaula, ésta muestra la carga del respectivo productor, posteriormente al retirarlo la jaula retoma su carga neutra, en cambio en el siguiente caso al introducir el productor y tocar la jaula, ésta queda cargada con el signo del productor introducido previamente. Lo anterior ocurre, en el primer caso, debido a que el productor causa una polarización de las cargas presentes en la jaula, y cuando éste se retira, las cargas presentes en la jaula vuelven a su posición normal, quedando ésta neutra. En el segundo caso, al entrar el productor en contacto con la jaula el exceso de electrones presentes en el productor se redistribuyen en el sistema productor-jaula, por lo que al retirar el productor, la jaula queda con una parte de los electrones cedidos durante ese proceso.

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?Respuesta 3: con respecto a la distribución de las cargas, cuando la esfera neutra está cerca de la esfera cargada positivamente, podemos decir que la primera sufre una polarización que hace que sus electrones libres se muevan hacia el lado más cercano a la esfera cargada. Y cuando la esfera neutra es cargada por inducción esta queda cargada negativamente ya que cuando se toca la esfera neutra (todavía polarizada), por su parte positiva ésta absorbe electrones, al dejar de tocarse y luego alejar la esfera cargada positivamente se vuelven a redistribuir las cargas quedando dicha esfera con un exceso de electrones que la hace tener una carga negativa.

6 CONCLUSION

De la experiencia podemos decir que cuando dos cuerpos se frotan, por medio de la fricción que hay entre ellos, se da una transferencia de electrones del uno al otro, quedando el primero cargado positivamente y el otro negativamente. Por otro lado, tenemos que cuando la jaula de Faraday es momentáneamente aterrizada mientras que el productor de carga se encuentra todavía en su interior, ésta transfiere sus electrones en exceso a tierra por lo que queda cargada positivamente, en el caso de que sea un productor de carga negativa; por lo contrario, si usamos un productor de carga positiva dentro de la jaula, al aterrizarla momentáneamente mientras el productor de carga se encuentra en el interior de ella, se transfiere electrones hacia la jaula, con el fin de eliminar el exceso de carga presente, de esta forma, en este caso la jaula quedaría cargada negativamente. Finalmente, en el proceso de distribuir la carga sobre una superficie, al invertir el orden del proceso, es decir, al retirar primero la esfera cargada y después el dedo la esfera queda cargada positivamente, ya que cuando se retira la esfera con carga, la esfera neutra cede electrones al dedo que los transfiere a la tierra.

7 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

Mario Guerra, Juan Correa, Ismael Núñez, Juan Miguel Scaron - Física, Elementos Fundamentales, Campo electromagnético, Campo Gravitatorio; Editorial Reverté, S.A.

Tambutti, Muñoz – Introducción A La Física Y A La Química; Editorial Limusa Noriega.

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrost%C3%A1tica