lab 1. carga electrostatica

Departamento de FísicaCiencias Basicas

Universidad del Norte - Colombia

Febrero 18 2010NRC: 1676Laboratorio de Fisica Electricidad

Carga Electrostática

Ricardo Daza Oscar [email protected] [email protected]

Eduardo Malo Laura Oñ[email protected] [email protected]

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Departamento de Física Ciencias Basicas


1. Carga Por Friccion:

Procedimiento:

Básicamente este fue el primer experimento que realizamos en el laboratorio, en una mesa en donde nos toco acoplarnos de la manera correcta y nos toco tiempo adaptarnos debido a que medios externos impedían que la experiencia se realizara de la mejor manera, porque al comienzo iniciamos el software “Data Studio”, donde debíamos comprobar que la carga de la Jaula de Faraday iniciara en 0, y debido al aire del laboratorio (cuya rendija se ubicaba justo en-cima de dicha jaula, lo cual alteraba la medición). Logramos cerrar la rendija e iniciamos nuestra experiencia con los siguientes implementos:

Jaula de Faraday 2 Portadores de Carga (Azul y Blanco) Software “Data Studio”

Ya librándonos del inconveniente del aire, y teniendo nuestra Jaula nula parti-mos a realizar la experiencia, en donde todos debíamos estar de pie (porque al estar sentados nos cargábamos rápidamente y alterábamos la medición), se frotaban los 2 portadores de carga rápidamente, se daba inicio al “Data Stu-dio” (Grafica “Carga vs Tiempo”), inmediatamente se introdujo el portador de carga azul por unos segundos y se retiro (sin tocar la jaula), y le dimos parar. Luego guardamos la grafica, y procedimos a realizar de la misma manera con el portador de carga blanco, en donde antes de empezar debíamos comprobar que la Jaula estuviese nula y que partiese en 0, y luego la realizamos de la mis-ma forma, iniciamos el Data Studio, introducimos el portador de carga blanco sin tocar la jaula por unos segundos, lo retiramos y le dimos parar al software, para determinar la carga del productor blanco.

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Graficas:

Grafica 1. Carga por friccion. Productor de carga azul.

El frotar ambos productores de cargas, el uno contra el otro, se ocaciona un flujo o movimiento de electrones de un cuerpo hacia otro. Vemos en la grafica 1 que el productor de carga azul posee carga negativa una vez finalizada la fric-cion. Esto quiere decir que este productor recibió electrones que fueron cedi-dos por el otro productor de carga, el cual a su vez tiene carga positiva por los electornes que pasaron hacia el otro productor, tal como lo muestra la grafica 2.

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Grafica 2. Carga por friccion. Productor de carga blanco.

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2. Carga Por Contacto:

Procedimiento:

En este tramo del experimento se buscaba observar cómo se distribuía la carga de los portadores en la jaula de material metálico. Para llevar a cabo el experimento fue necesario frotar los portadores unos cuantos segundos para que estos quedaran con cargas positivas y negativas, cada uno con una caga de signo diferente. Una vez cargados los portadores y utilizando como ayuda para observar mejor los resultados el software “DataS-tudio”, se introducía en la jaula el portador azul y se realizaba un contacto con la jaula, más específicamente la que estaba conectada al borde positivo, y ana-lizar los resultados en una gráfica. Luego de realizado el proceso, y siguiendo los mismos paso se repitió el proceso con el portador blanco y nuevamente se analizo lo sucedido en la gráfica.

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Graficas:

Grafica 3. Carga por contacto. Productor de carga azul.

En la gráfica es posible observar que la carga inicial de la jaula antes de tener un contacto con el portador es neutra, y sufre un cambio al recibir la carga que le trasmite el portador por contacto. También se puede afirmar que la jaula queda finalmente cargada negativamente ya que se logra observar cuando se estabiliza nuevamente la carga en un valor que resulta en este caso ser negati-vo.

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Grafica 4. Carga por contacto. Productor de carga blanco.

Es válido afirmar que nuevamente la carga de la jaula es neutra y que luego del contacto sufre un cambio, pero esta vez el valor que toma la jaula es positi-vo. Luego de un tiempo la carga de la jaula se estabiliza en el valor que la grafi-ca indica.

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3. Carga Por Induccion:

Procedimiento:

Primero nos cercioramos que la jaula de Faraday estaba completamente des-cargada, si este era el caso, procedimos a realizar este tipo de electrización; de ser lo contrario, la descargamos a través del sensor. Luego iniciamos el progra-ma de DATA STUDIO. Despues frotamos los productores de carga azul y blan-ca, inmediatamente de esto, se introdujo el primer productor a la jaula de fa-raday si tocar ninguna superficie. Pasados unos minutos, tocamos y así neu-tralizamos la jaula de Faraday sin haber retirado el productor de carga. Luego, retiramos nuestro dedo y el productor de carga e iniciamos el análisis de la grafica de resultados. Finalmente repetimos el procedimiento para el otro pro-ductor de carga.

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Graficas:

Grafica 5. Carga por induccion. Productor de carga azul.

De la Grafica podemos deducir que: al frotar los productores de carga inicial-mente, y luego introducir el productor de carga azul, se puede observar que este ha quedado cargado negativamente; teniendo así un exceso de electro-nes, esto es lo que evidenciamos en la grafica en los primeros intervalos de tiempo; luego, al tocar la jaula con nuestro dedo, la estamos neutralizando, ac-tuando como un polo a tierra donde los electrones fluyen hacia la tierra, tal co-mo se puede apreciar, luego seguimos tomando lectura unos segundos mas y es de esperarse que el productor quede cargado positivamente puesto que los electrones libres de este son atraídos hacia la jaula; En conclusión, se puede afirmar que el productor ha inducido una separación de cargas.

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Grafica 6. Carga por induccion. Productor de carga blanco.

Podemos observar que esta grafica nos arroja un resultado totalmente inverso al anterior; puesto que en este caso, el productor blanco al frotarlo queda car-gado positivamente y al introducirlo a la jaula de faraday y tocar a esta con nuestro dedo, los electrones fluyen desde la tierra para neutralizar las cargas positivas del productor y de esta manera al soltar la jaula, es de esperarse que el productor ahora tenga un exceso de carga, es decir; quede cargado negati-vamente.

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4. Distribucion de Cargas Sobre una Superficie:

Procedimiento:

En esta parte de la experiencia buscamos cargar un objeto metálico para poder determinar la forma en que se distribuyen sus cargas. Para tal propósito se busco medir la densidad de carga en distintos puntos del objeto metálico; para lo cual se hizo uso de una fuente de voltaje, un transportador de carga, dos esferas metálicas y la jaula Faraday.

Primero se descargo la jaula Faraday presionando el botón Zero del sensor. Luego se separaron las dos esferas a una distancia cercana a los 50cm, donde una de las esferas estaba conectada a la fuente de voltaje y la otra no. Se tocó con la mano a la esfera no conectada para así asegurar de que esta este descargada y remover alguna pequeña carga residual que tenga.

Posteriormente se hizo contacto entre el transportador de carga y la esfera no conectada y se introdujo el transportador de carga en la jaula Faraday, verificando así que la esfera tenia carga neutra. Luego se acercaron las dos esferas a una distancia mínima sin que hicieran contacto. Se encendió la fuente, y se procedió a tomar muestras de las secciones derecha, izquierda y central de la esfera no conectada utilizando el transportador de carga e introduciéndolo en la jaula Faraday.

Finalmente se aterrizo la esfera no conectada tocándola con la mano. Se le separo de la otra esfera y se apago la fuente de voltaje. Se tomaron muestras de las cargas de la esfera en las mismas secciones en que se habían tomado anteriormente.

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Graficas:

Grafica 7. Distribucion de cargas sobre una supericie. Esfera neutra.

Esta grafica demuestra que la esfera metálica que no se encuentra conectada a la fuente de voltaje, no esta cargada.

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Grafica 8. Distribucion de cargas sobre una supericie. Lado izquierdo y derecho de la esfera metalica.

Esta grafica muestra como se distribuyen las cargas en la esfera metálica. Como la esfera que esta conectada a la fuente esta cargada positivamente, el lado izquierdo de la otra esfera posee una carga negativa. Esto se debe a que este lado se encuentra próximo a la esfera positiva, por lo que sus cargas negativas se ven acumuladas hacia la parte izquierda de la esfera no conectada.

Por otra parte el lado derecho de la esfera esta positivamente cargado, debido a que las cargas negativas se acumularon en el lado izquierdo. Dando como resultado que la mitad derecha de la esfera acumule las cargas positivas, las cuales a su vez son repelidas las cargas positivas de la esfera conectada a la fuente.

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Grafica 9. Distribucion de cargas sobre una supericie. Esfera negativa tras haber hecho polo a tierra.

Esta grafica muestra que al tocar la esfera metálica la mano actúa como un polo a tierra, transfiriendo electrones de la tierra hacia la mitad positiva de la esfera. Luego al separar la esfera de la otra (la cual esta conectada a la fuente), vemos que la esfera queda cargada negativamente en su totalidad. Debido a que su mitad izquierda esta cargada negativamente porque la esfera positiva atrae las cargas negativas hacia este lado. Mientras que la otra mitad es compensada por los electrones que fluyen de la mano (tierra) hacia la esfera.

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Analisis de Resultados:

Preguntas:

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/1: El productor de carga blanco quedó cargado positivamente al frotarlo con el productor de carga azul, el cual quedó cargado negativamente; esto se puede explicar ya que al frotar ciertos tipos de materiales, algunos electrones son transferidos de uno de ellos hacia el otro tal como lo apreciamos en el laboratorio. El productor de carga blanco le ha transferido electrones al productor de carga azul, y es notorio que al separarse quedan con cargas opuestas

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/2: Al Insertar el productor de carga, sea el azul o el blanco, dentro de la jaula Faraday sin tocarla, esta detecta o marca la carga del productor. Pero una vez que el productor sea removido de la jaul, esta regresa a su estado neutral. Tal como se aprecia en las grafica 1 y 2, donde se ve que la jaula posee una carga 0 antes d eintroducir el productor. Luego detecta la carga del productor (sea positiva o negativa) al introducirlo dentro de la jaula sin tocarla. Y al sacar el productor, la jaula regresa a su estado de carga 0.

Mientras que al tocar introducir el productor y luego tocar la jaula con el productor, la jaula primero marca la carga del productor. Luego al remover el productor, la jaula continua con la misma carga que tenia el productor. Como se ve en las graficas 3 y 4, la jaula empieza con carga 0. Luego al introducir el productor se detecta la carga. Y al sacarlo la jaula no regresa al valor de carga 0, sino que continua con la misma carga a valor constante.

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3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera metálica del experimento “Distribución de la carga sobre una superficie” cuando está cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando esta es cargada por inducción?

R/3:

Cuando se trata de la distribución con respecto a la esfera conectada a la fuente positiva lo que ocurre es que las cargas negativas de la esfera neutra se mueven y se ubican en dirección tal que estas queden de frente a la esfera cargada positivamente, y las cargas positivas de la esfera neutra miraran hacia el lado opuesto. En el caso, tal que se toque con un cuerpo neutro o un polo a tierra la esfera neutra en el lado donde se encuentran ubicados los protones en ese momento, la esfera queda cargada negativamente toda.

Con respecto a la observación que se puede realizar si el proceso aplicado a la esfera fuera cargarla por inducción, al acercarle un cuerpo cargado negativamente las cargas tomarían también como en el caso anterior una reubicación de sus cargas. Los protones pasarían al lado de frente al elemento que esta ejerciendo la inducción en ese momento, y los electrones al otro. Pero la carga de la esfera seguirá siendo neutra.

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4. ¿Cómo funciona la jaula Faraday?

R/4: Una jaula de Faraday es una caja metálica que protege de los campos eléctricos estáticos. Debe su nombre al físico Michael Faraday, que construyó una en 1836. Se emplean para proteger de descargas eléctricas, ya que en su interior el campo eléctrico es nulo.

El funcionamiento de la jaula de Farday se basa en las propiedades de un con-ductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en pre-sencia de un campo eléctrico externo, las cargas positivas se quedan en las po-siciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, em-piezan a moverse puesto que sobre ellos actúa una fuerza dada por:

Donde e es la carga del electrón. Como la carga del electrón es negativa, los electrones se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la car-ga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumu -lan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado queda con un defecto de electrones (carga positiva). Este desplaza-miento de las cargas hace que en el interior de la caja se cree un campo eléc -trico (representado en rojo en la siguiente animación) de sentido contrario al campo externo, representado en azul.

El campo eléctrico 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 eléctricas. El fenómeno se denomina apantallamiento eléctrico.

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http://es.wikipedia.org/wiki/Michael_Faraday



Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana están provistos de una jaula de Faraday: los microondas, escáneres, cables, etc. Otros disposi-tivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday actúan como tal: los ascenso-res, los coches, los aviones, etc. Por esta razón se recomienda permanecer en el interior del coche durante una tormenta eléctrica: su carrocería metálica ac-túa como una jaula de Faraday.

En pocas palabras podemos concluir que el funcionamiento de la Jaula de Fa-raday se basa una pantalla eléctrica, es decir; una superficie conductora que rodea un espacio hueco impidiendo las perturbaciones producidas por campos eléctricos externos

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