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Lab1. Fisica Electrica

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  • 1. Departamento de Física©Ciencias Básicas Universidad del Norte-Colombia
    Agosto 19, 2009
    Código: FIS-1033-04
    Laboratorio de Física electricidad
    ELECTRIZACION DE LOS CUERPOS Y CONSERVACION DE LA CARGA ELECTRICA
    Yesid Rafael Gutierrez AvilaEmail: yavila@uninorte.edu.coIngeniería Mecánica
    Slahyden José Vides VillamizarEmail: slahydenv@uninorte.edu.coIngeniería Civil
    Abstract
    In the first experience carried out was treated as a first step the analysis of physical phenomena that occur in the process of charging a body electrically, in where electron transfer occurs (friction and contact) and distribution of electrical charges along the surface of objects (induction). It was also determined the sign of the charge acquired by a body in a process of electrification with the software available in the laboratory as well as essential tools such as Faraday cage.
    Resumen
    En la primera experiencia realizada se trato como medida inicial el análisis de los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo, en donde ocurren transferencia de electrones (fricción y contacto) y distribución de cargas eléctricas a lo largo de la superficie de los objetos (inducción). También se determino el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación, gracias al software disponible en el laboratorio al igual que instrumentos esenciales como la jaula de Faraday.
    • INTRODUCCION Y OBJETIVOS
    En el presente informe tratamos de observar y estudiar la electrización de los cuerpos a través de unos productores de cargas (instrumentos de laboratorio de física electricidad) que se han frotado entre sí para obtener la carga de cada uno de ellos, para ello se llevaron a cabo tres métodos estudiados en clase, estos son: carga del cuerpo por fricción, contacto e inducción. Los signos de cada uno de estos productores de carga fueron determinados por el software Data Studio con la ayuda de la jaula de faraday, pero estos datos arrojados por el sistema debieron ser analizados cuidadosamente. Por otra parte se realizo experimentos con esferas metálicas en donde una estaba cargada y la otra neutra; a través de carga por inducción se cargo la que se encontraba neutra y se determino las zonas en donde se encontraba cargada positiva y negativamente comparando de esta manera la distribución de carga eléctrica del cuerpo metálico.
    • MARCO TEORICO
    2.1 Campo Eléctrico
    Según el enfoque moderno, se sabe que una partícula cargada no emite una “atmósfera” ni requiere de la intervención del medio para interactuar con otras cargas. La descripción moderna de la interacción entre partículas está basada en el concepto de campo, que desarrolló Michael Faraday hacia la década de 1830.
    La distribución de valores sobre una región del espacio recibe el nombre de campo.
    2.2 Propiedades de las cargas eléctricas.
    Existen dos tipos de cargas eléctricas a las que Benjamín Franklin las llamo positiva y negativa. Los electrones poseen carga negativa y los protones carga positiva.
    Las propiedades son:
    • En la naturaleza se presentan dos tipos de carga: carga de signos opuestos se atraen y las cargas del mismo signo se repelen.
    • 2. En un sistema aislado la carga total se conserva.
    • 3. La carga está cuantizada.
    • 4. 2.3 Carga eléctrica de objetos por inducción
    • 5. La inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Cuando permitimos que las cargas salgan de un conductor por contacto, decimos que lo estamos poniendo a tierra. Durante las tormentas eléctricas se llevan a cabo procesos de carga por inducción.
    • 6. 2.4 Carga eléctrica de objetos por contacto
    • 7. Esta se presenta cuando se pone en contacto un cuerpo sin cargar con uno con carga, y este le transmite la carga de mismo signo. Los electrones se desprenden y los objetos quedan con carga.
    • 8. 2.5 Carga eléctrica de objetos por frotamiento
    • 9. Este se realiza al poner en contacto dos cuerpos y moverlos de manera bidireccional de tal manera que se friccionen uno con el otro.
    • 10.
    • 11. 2.6 Ley de Coulomb
    • 12. Estable el valor de una fuerza electrostática. Esta fuerza depende de las cargas enfrentadas y de la distancia que ahí entre ellas.
    • 13.
    • 14. Donde k = constante que depende del sistema de unidades y del medio en el cual se encuentran las cargas.
    • 15. F = la fuerza electrostática que actúa sobre cada carga q1 Y q2.
    • 16. R = es la distancia que hay entre las cargas.
    • 17. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
    Se utilizo el sensor de Carga para determinar la polaridad de los productores de carga. Luego se midió la cantidad de carga transferida a la jaula de Faraday por contacto con cada productor de carga. Y por último se utilizo el sensor de carga para medir la carga de la jaula de Faraday causada por inducción. Se utilizo Data Studio para registrar y mostrar los datos. Al cabo de esto se procedió a comparar la carga por contacto con la de inducción.
    3.1. Configuración del ordenador
    Para la configuración del ordenador se conecto el interfaz de Science Workshop al ordenador, luego se encendió el interfaz y el ordenador. Posteriormente se conecto el sensor de carga directamente al canal analógico A del interfaz.
    3.2. Calibración del sensor y montaje del equipo.
    No se necesito calibrar el sensor. Debido a que el sensor de carga tiene ganancias de x1, x5 y x20 se escogió una de éstas, y al hacerlo automáticamente el sensor también lo hizo en el software Data Studio.
    Se conectaron las pinzas dentadas del cable del sensor a las jaulas interior y exterior de la jaula de Faraday.
    Cabe anotar que antes de comenzar el experimento la jaula de faraday fue descargada momentáneamente debido a su utilización. Para descargar la jaula, se presiono el botón de cero en el sensor.
    3.3. Toma de datos
    3.3.1 Carga por fricción.
    1. Se descargo la jaula y se presiono el botón zero del sensor para descargarlo.
    2. Se realizo la toma de datos.
    Se froto varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.
    Sin tocar la jaula, se introdujo el productor de carga blanco en la jaula. Luego se observaron los resultados y se consignaron en la libreta.
    Se retiro el productor de carga blanco y se introdujo el productor de carga azul en la jaula. Como en el paso anterior se asignaron los resultados y se consignaron en la libreta.
    3.3.2 Carga por inducción
    6. Se descargo la jaula y se presiono el botón zero del sensor para descargarlo.
    7. Se efectuó la toma de datos.
    8. Se froto varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.
    9. Sin tocar la jaula con el productor de carga, se introdujo el productor de carga blanco en la jaula.
    10. Cuando el productor de carga se localizaba en el interior de la jaula, se utilizo el dedo para aterrizar momentáneamente la jaula. Se observaron los datos y se consignaron en la libreta.
    11. Después de aterrizar la jaula, se retiro el dedo y el productor de carga.
    Se descargo la jaula y se coloco en cero el sensor. Se repitio el procedimiento utilizando el productor de carga azul.
    Carga por contacto:
    Se froto los portadores de carga azul y blanco.
    Se toco la jaula que está conectada al borde positivo con el portador azul, se observo el signo de la carga y se registro su valor.
    Se descargo la jaula.
    Se toco la jaula que está conectada al borde positivo con el portador blanco, se observo el signo de la carga y se registro su valor.
    3.4 Distribución de la carga sobre una superficie:
    En el propósito de esta parte de la experiencia se indago la forma como se distribuye la carga sobre una superficie metálica, midiendo la densidad de carga en varias secciones. Se Utilizo el “transportador de carga” junto con la Jaula de Faraday para determinar la densidad de carga.
    Se ubicaron dos esferas de aluminio separadas por lo menos 50 centímetros, de tal manera, que una de ellas se encontrara conectada a la fuente de voltaje electrostática que provee 1000 VDC.
    Se Confirmo que una de las esferas este descargada tomando muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en la jaula de Faraday.
    Se acercaron las dos esferas a una distancia de un centímetro. Posteriormente se encendió la fuente de voltaje y se tomaron muestras de carga en las secciones de la esfera y se anotaron los resultados.
    Se aterrizo la esfera de la cual se estaba midiendo la carga.
    Se separo la esfera que estaba conectada a la fuente de voltaje a una distancia de 50 cm de la otra.
    Nuevamente se tomaron muestras de carga en las secciones de la esfera que se aterrizo.
    DATOS OBTENIDOS
    Figura 1: Las primeras dos parábolas que abren sobre el eje x indican que la carga del productor de carga de color blanco y cuyo material es cuero es de signo positivo y las dos últimas parábolas de la graficas que abren por debajo de eje x indican que la carga del productor de carga de color azul, cuyo material es polímero es de signo negativo. Cabe anotar que estas cargas fueron obtenidas por fricción.

    Figura 2: La grafica indica que el signo que presenta la carga del productor de carga de color azul es negativo. Esta carga fue obtenida por contacto.
    Figura 3: La grafica indica que el signo que presenta la carga del productor de carga de color blanco es positivo. Al igual que el anterior esta carga fue obtenida por contacto.
    Figura 4: La grafica muestra el comportamiento de los signos de la carga del productor de carga de color blanco. Esta carga se obtuvo por inducción.
    Figura 5: La grafica muestra claramente al igual que la anterior el comportamiento de los signos de la carga del productor de carga de color azul. Esta carga se obtuvo por inducción.
    Figura 6: Esta grafica es tan solo de verificación en donde se puede apreciar que una de las dos esferas metálicas estaba cargada positivamente.
    Figura 7: Al igual que la anterior es una grafica de verificación pero en este caso la grafica nos muestra que la otra esfera es neutra.
    Figura 8: La grafica nos muestra el comportamiento que presentan la esfera neutra en varias partes de su superficie al momento de juntarse con la otra esfera cargada positivamente (distancia entre ellas 1 centímetro aproximadamente).
    Figura 9: La grafica describe los signos de las cargas en la esfera que se cargo al estar anteriormente neutra pero ahora fue tocada y alejada de la otra esfera cargada positivamente.
    ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
    Luego de efectuar las respectivas anotaciones y observaciones, lo cual se resume como una toma de datos, se procedió a analizar estos mismos y de esta manera responder preguntas de análisis como las que se presentan a continuación:
    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 como cada productor obtuvo esa carga.
    El estado natural de los objetos es ser neutrales en cuanto a carga eléctrica. No obstante, algunos materiales atraen electrones más que otros. En este caso, al ser frotado el productor de carga blanco con el azul, cada uno automáticamente adquirió un signo de carga diferente. El blanco cuyo material es cuero es menos electro afín por lo que presenta carga de signo positivo por que pierde electrones en otras palabras este productor de carga tiene una deficiencia de electrones. Por el contrario el azul debido a que su material es polímero tiene la característica de ser un material más electro afín por lo tanto adquiere carga negativa porque atrae electrones hacia el mismo, en otras palabras existe un exceso de electrones en este productor de carga.
    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.
    En el primer caso el productor de carga obtiene la carga (valga la redundancia) por fricción. Luego si por ejemplo el productor de carga que se introdujo fue el de color azul entonces el software Data Studio con ayuda de la jaula de Faraday nos mostrara que se encuentra cargado negativamente pero al alejar el productor de carga de la jaula de faraday, inmediatamente la grafica vuelve sobre el eje de coordenadas en x, caso contrario ocurre en el segundo caso en donde el productor de carga se carga (valga la redundancia) por contacto, lo cual hace que al introducir este elemento en la jaula de Faraday llegue a tocarla, como consecuencia se tiene que la grafica no vuelva al eje de coordenadas en x porque obviamente la jaula de Faraday quedo cargada al momento del contacto (transferencia de electrones de un cuerpo a otro), entonces lo que describe es una línea recta por debajo de el eje x si seguimos considerando el ejemplo del primer caso, es decir, el productor de carga de color azul.
    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?
    Que es la misma distribución de carga debido a que cuando se encuentra cerca de la esfera conectada a la fuente que por cierto es de signo positivo, hace que la otra esfera se carge por inducción haciendo que haya un redistribución de cargas en su superficie de tal manera que los electrones queden ubicados los más cercano posible a la otra esfera cubriendo una mayor superficie y replegando así los protones a un área mucho menor en la esfera. Entonces podría considerarse la misma distribución de las cargas para esta esfera si es cargada por inducción.
    Responda las preguntas problematológicas.
    Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo?
    Cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo lo que ocurre es una transferencia de electrones de un cuerpo a otro produciéndose en cada uno de ellos ya sea un exceso o deficiencia de electrones, esto solo lo determina el material del cual estén hechos, ya que hay materiales más electro afines o que tienen mayor facilidad de captar electrones que otros.
    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?
    Si el productor de carga que entra a la jaula esta cargado negativamente hace que la jaula denote una carga del mismo signo, luego al momento de aterrizarla los electrones de la jaula serán transferidos al cuerpo de la persona actuando este como un polo a tierra, posteriormente cuando se quite el dedo y el productor de carga la jaula quedara cargada positivamente porque ya había cedido sus electrones. Esto pasa de manera contraria si el productor es de carga positiva.
    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 momento que se retira el productor de carga la jaula de Faraday presentara una distribución de cargas con signo contrario a las cargas presentadas en el productor de carga. Si por ejemplo la carga de la jaula es positiva, existirá deficiencia de electrones y por lo tanto los protones se distribuirán en una mayor superficie, y si la carga de la jaula es negativa, habrá exceso de electrones, y por lo tanto los electrones se distribuirán en una mayor superficie.
    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 porque en ese caso la jaula hubiese quedado cargada del mismo signo que se encontraba la esfera.
    CONCLUSIONES
    A partir de los datos, observaciones y los análisis de los fenómenos físicos hechos en el laboratorio se llego a las siguientes conclusiones:
    Los cuerpos presentan tres formas de electrización, las cuales son fricción, contacto e inducción. En las dos primeras existe transferencia de electrones dependiendo de los materiales que se encuentren interactuando. En el caso de la inducción hay un distribución de cargas a lo largo de la superficie del cuerpo.
    A través de Data Studio y la jaula de faraday podemos comprender el comportamiento de las cargas de los cuerpos sabiendo cuando presentan carga positiva o negativa.
    • REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
    • 18. SEARS, Zemansky, Física Universitaria, Volumen 2
    • 19. Serway, Raymond, Electricidad y magnetismo, 6ta edición, International Thomson editores. S.A, México D.F, México, 2005