Introducción y objetivos.

En esta experiencia se trato la electrización de los cuerpos y la conservación de la
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Marco teórico.

ESTRUCTURA ATOMICA

La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga
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PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA CARGA

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otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en el hule que en
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En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos
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Procedimiento experimental.
Para el experimento se uso un sensor de carga utilizado para medir la polaridad
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-Se acercaron las esferas, la libre con carga neutra y la otra con carga positiva que
le daba el generador de voltaje
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Grafica 1




Grafica de carga vs tiempo obtenida de el transportador acrílico y el de cuerina
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Carga por contacto con el transportador acrílico.




Grafica 3
Carga por contacto con el transportador de cuerina.




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Carga por inducción , transportador cuerina,




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Carga por inducción, transportador acrílico.




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1. positivo, debido a que el transportador de cuerina al ser frotado con el
      transportador de carga de acrilico se ca...
plástico), los electrones no podrían desplazarse a través de el, toda carga
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A través de la realización de estas experiencias y al analizar los fenómenos físicos
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  1. 1. Introducción y objetivos. En esta experiencia se trato la electrización de los cuerpos y la conservación de la carga eléctrica, para esto se utilizaron instrumentos específicos, como son las jaulas de faraday, que permitieran la comprensión y la consecución de los objetivos del laboratorio. El objetivo principal de la experiencia es analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. Para esto primero debemos determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación. Es importante entender y saber como cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción y comparar la distribución de carga eléctrica de un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción. En este experimento pretendemos comprobar prácticamente el principio de conservación de la carga eléctrica y la cuantificación de la carga eléctrica y los procesos atómicos que este conlleva.
  2. 2. Marco teórico. ESTRUCTURA ATOMICA La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón, alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa. El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser de dos clases: Protones: Neutrones Alrededor del núcleo se encuentran los electrones que son partículas elementales de carga negativa igual a una carga elemental y con una masa de 9,10 × 10–31 kg La cantidad de electrones de un átomo en su estado basal es igual a la cantidad de protones que contiene en el núcleo, es decir, al número atómico, por lo que un átomo en estas condiciones tiene una carga eléctrica neta igual a 0. A diferencia de los nucleones, un átomo puede perder o adquirir algunos de sus electrones sin modificar su identidad química, transformándose en un Ion, una partícula con carga neta diferente de cero. CARGA ELÉCTRICA 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. La carga libre más pequeña que se conoce es la del electrón siendo C (Coulomb) la unidad de carga en el sistema internacional de unidades (SI) . Dicha carga es negativa. La otra partícula elemental cargada que interviene en la constitución de los átomos es el protón, cuya carga es positiva y del mismo valor que e, siendo su masa unas 2000 veces mayor. En un sistema aislado la carga se conserva, es decir, la suma de las cargas positivas y negativas no varia, sea cual fuese el proceso en estudio, 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.
  3. 3. PRINCIPIO DE CONSERVACION 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. 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. Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica invariancia gauge. ELECTROSTATICA La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático de un cuerpo cargado. CARGA INDUCIDA La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los electrones que ha ganado el globo al frotarse, creando una superficie de carga positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo). CARGA POR FRICCION 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 más 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
  4. 4. otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en el hule que en la piel de gato y si se frota una barra de aquel material contra la piel de un gato, se transfieren los electrones de este al hule. Por consiguiente la barra queda con un exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, la piel queda con una deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque su carga neta es positiva. Si se frota una barra de vidrio o plástico contra un trozo de seda tienen mayor afinidad por los electrones que la barra de vidrio o de plástico; se han desplazado electrones de la barra hacia la seda. CARGA POR INDUCCION Se puede 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 aislante. 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. La esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado cercano de aquella y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a los conductores, si no que se puede presentar en todos los materiales. LEY DE COULOMB A partir de experimentos realizados por Coulomb en 1785 se llegó a la siguiente ley: La fuerza entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, su dirección es la de la recta que une las cargas y el sentido depende de los signos respectivos, de atracción si son de signo opuesto y de repulsión si son del mismo signo. La ley de Coulomb puede expresarse como: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa. La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática.
  5. 5. En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como: ‘… Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia d en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por: La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:
  6. 6. Procedimiento experimental. Para el experimento se uso un sensor de carga utilizado para medir la polaridad de los instrumentos productores de carga. La primera carga se obtuvo atreves de fricciona de transportadores de carga de dos texturas, una de cuerina y otra acrílica, luego se llevo al interior de la jaula de faraday (sin hacer contacto con ella) el transportador con la textura acrílica, se tomaron datos y se obtuvo una grafica correspondiente con data studio, el proceso se repitió para el trasportador de cuerina. Jaula de faraday Transportadores. Luego se cargaron nuevamente los mismos transportadores siendo frotados pero esta vez se hiso contacto con la jaula de faraday y al igual se obtuvieron la graficas correspondientes para cada trasportador. Para la segunda parte de la experiencia se utilizaron dos esferas metálicas, una de las cuales se encontraba conectada a un generador de voltaje de 3000 volt (carga positiva), la otra está libre. Se activa el generador de voltaje y se acercan las esferas pero sin estar en contacto en ningún punto. Con un transportador de carga metálico se toca a la esfera libre en distintas zonas adquiriendo el transportador así distintas cargas por zona, se utiliza la jaula de faraday para tomar los datos de carga en cada zona introduciendo el transportador en ella y dándole inicio al data estudio Seguidamente se tomaron los datos de carga por inducción en las esferas , este paso se realizo de la siguiente manera :
  7. 7. -Se acercaron las esferas, la libre con carga neutra y la otra con carga positiva que le daba el generador de voltaje -Luego uno de los estudiantes hiso contacto con una de las esferas tocándola con un dedo. -Las esferas son separadas -Luego con el transportador la jaula de faraday y data studio se verifica que carga final obtuvo la esfera libre. Datos obtenidos
  8. 8. Grafica 1 Grafica de carga vs tiempo obtenida de el transportador acrílico y el de cuerina luego de la carga por fricción de ambas. Grafica 2
  9. 9. Carga por contacto con el transportador acrílico. Grafica 3
  10. 10. Carga por contacto con el transportador de cuerina. Grafica 4
  11. 11. Carga por inducción , transportador cuerina, Grafica 5
  12. 12. Carga por inducción, transportador acrílico. Grafica 6
  13. 13. 1. positivo, debido a que el transportador de cuerina al ser frotado con el transportador de carga de acrilico se carga positivamente porque el cuero por ser un material organico tiene la propiedad de donar electrones, por tanto el cuero dona electrones al acrilico y este se carga positivamente mientras que el acrilico se carga de forma negativa 2. Luego de que se frotan los transportadores de acrílico y de cuerina se introduce uno de ellos en la jaula de faradai (en este caso el transportador de carga de acrílico), el acrílico se carga con electrones que le han sido transferidos por la cuerina, y obtiene una carga negativa generando un campo y al ser introducido dentro de la jaula de faraday se reorganizan los electrones dentro de ella y cuando se escapa la cantidad de carga que a sido introducida por la neutralización de la jaula el sensor muestra una carga negativa y luego de ser retirado en acrilico la jaula se estabiliza y el sensor muestra una carga neutra. En cambio luego de haber introducido el transportador el sensor muestra la misma carga negativa y al tocar la jaula esta se carga negativamente dándose un cambio o variación de la carga dentro de la jaula, luego de ser retirado la jaula no se neutraliza por que ya esta cargado en tal caso el sensor muestra la cantidad de carga que se le ha sido transferido 3. al acercarse las dos esferas, una cargada positivamente y la otra neutra, sin tocarlas, la positiva induce a la otra esfera, reorganizando su electrones y protones, del lado de la esfera neutra que da la esfera positiva quedan los electrones y del otra lado de la esfera neutra quedan los protones, luego cuando la esfera neutra hace contacto con un polo tierra esta se carga negativamente debido a que la tierra retransmite electrones por el polo tierra con el fin de neutralizar la carga de la esfera positiva. Preguntas problematológicas. 1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo? Ocurre carga por fricción. La fricción entre dos objetos a veces conduce a la transferencia de electrones de uno a otro. Los electrones son unidades de carga eléctrica negativa, y el objeto que gana electrones queda cargado negativamente, mientras que el que los pierde queda con una carga positiva. Si el objeto esta construido por un material buen conductor (por ejemplo cobre) de la electricidad, los electrones instantáneamente se desplazan a través de él y anulan cualquier carga superficial. Por mas que frotemos una varilla de metal no conseguiremos que atraiga pequeños trozos de papel, no puede quedar cargada. Pero si el objeto fuera de algún tipo de material aislante (por ejemplo
  14. 14. plástico), los electrones no podrían desplazarse a través de el, toda carga acumulada en algún punto de su superficie allí se quedaría. Una lapicera de material plástico que haya sido frotada atraerá trocitos de papel simplemente porque ha sido cargada y porque ha mantenido sus cargas. 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? Mientras el productor de carga se encuentra en el interior de la jaula, esta se reorganiza atómicamente de acuerdo a la carga del productor, al ser aterrizada esta se descargara liberando o atrayendo electrones. 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? Al retirarse el productor de carga de la jaula esta retomará un estado estable pero ahora ya no con una carga neutra pues a perdido su neutralidad al ser aterrizada mientras los electrones y protones se encontraban en zonas particulares. 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?. Explique su respuesta. Si pues al hacer contacto con el dedo estamos aterrizando a la esfera inducida y los electrones se transfieren instantáneamente y al alejar la esfera cargada y seguidamente separar el dedo, la esfera libre obtendrá una carga final , igual a el proceso inverso de separar primero el dedo antes que la esfera cargada.
  15. 15. Conclusiones A través de la realización de estas experiencias y al analizar los fenómenos físicos que ocurren al cargar eléctricamente un cuerpo, se puede: • Determinar el signo de la carga que puede presentar un productor cuando es cargado por un proceso de electrificación. • Afirmar que existen varios métodos para cargar un productor o en general un cuerpo, tales como inducción, fricción y por contacto. De esta manera pueden obtener diferentes cargas y afectar a otros cuerpos por medio de la transferencia de electrones. • Concluir que la máxima transferencia de electrones entre cuerpos se encuentra en el punto más cercano al cuerpo que esta cargado por una fuente externa a su vez que el otro cuerpo se carga por inducción y queda polarizado .• Determinar la distribución de cargas en cuerpos que están cargados por una fuente alterna. Como por ejemplo, la carga en cuerpo que esta cargado por el método de inducción esta distribuida en zonas, una parte positiva en una zona y una parte negativa en otra. A este fenómeno se le llama Polarización .• Por medio de los diferentes experimentos llevados a cabo pudimos dar respuesta a los diferentes fenómenos planteados y explicar por que suceden, teniendo un mejor concepto y claridad de lo que llamamos “Electroestática”.

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