experencia de laboratorio

Agosto 18, 2009C�odigo: 1022-02-04Laboratorio de F��sica I

Departamento de Matem�aticas y F��sicac Ciencias B�asicasUniversidad del Norte - Colombia

CARGAS ELECTROESTATICAS

Daniela Hernandezemail: [email protected]

Ingenier��a Industrial

Stefee Agudeloemail: [email protected]

Ingenier��a Industrial

Resumen

In this report, is to the study of electrostatics the form in like a body acquiring load, which also can be said tohim like electrifying a body, the di�erent types from methods that exist as they are it load by friction, load bycontact, load by induction, which dates studies threw the load that obtained the producers of individual formobtained when realising some of the methods. It is determined what is the load of a body to the electri�ed beingas well and the behavior of metals when they are loaded by means of the induction method.

Resumen

Es na s��ntesis de un solo p�arrafo (m�aximo ocho renglones) del objetivo de la pr�actica y su conclusi�on principal.

Debe escribirse en espa~nol con el t��tulo de Resumen e ingl�es con el titulo de Abstract En este informe, semuestra el estudio de la electros tica la forma en como un cuerpo adquirir carga, lo que tambi�ense le puede decir como electrizar un cuerpo, los diferentes tipos de m�etodos que existen comolo son carga por fricci�on, carga por contacto, carga por inducci�on, la cual data estudios nosarrojara la carga que obtuvo los productores de forma individual obtenida al realizar algunode los m�etodos. Se determina cual es la carga de un cuerpo al ser electri�cado y a su vez elcomportamiento de los metales cuando se cargan por medio del m�etodo de inducci�on.

1 INTRODUCCI�ON Y OBJETIVOS

INTRODUCCI�ON Si estudiamos la historia de descubrimientos acerca de las cargas el�ectricas,nos damos cuenta de que la historia de estas se remonta muchos a~nos atr�as, la cual inicio graciasal hecho de que el �ambar, al ser frotado adquiere el poder de atracci�on sobre algunos obje-tos(tales de Mileto) es decir que este fen�omeno que un cuerpo puede cargarse( se presenta unexceso de electrones) el cual se presenta en nuestra vida diaria y que en la mayor��a de ocasionesno es analizado, la f��sica se ha encargado de estudiar este fen�omeno, las diferentes forma comose pueden cargar los cuerpos y los fen�omenos f��sicos que en dicho proceso ocurren.

OBJETIVOSObjetivo general:en esta experiencia se analizara los fen�omeno f��sicos que se encuentran involucrados en el

proceso de electri�car un cuerpo.Objetivos espec��cos:-determinar mediante instrumentos el signo de la carga adquirida por un cuerpo al ser elec-

trizado.

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Universidad del Norte 2

-hacer uso de los diferentes m�etodos de carga (inducci�on, contacto, fricci�on).-comparar la distribuci�on de carga en un cuerpo met�alico sometida al m�etodo de carga por

inducci�on.

2 MARCO TE�ORICO

La electrost�atica es la rama de la f��sica que estudia los fen�omenos el�ectricos producidos pordistribuciones de cargas est�aticas, esto es, el campo electrost�atico de un cuerpo cargado.

La existencia del fen�omeno electrost�atico es bien conocido desde la antig�uedad, existen nu-merosos ejemplos ilustrativos que hoy forma parte de la ense~nanza moderna; como el de compro-bar como ciertos materiales se cargan de electricidad por simple frotadura y atraen, por ejemplo,peque~nos trozos de papel o pelo a un globo que previamente se ha frotado con un pa~no seco.

Materiales aislantes, conductores Los materiales se comportan de forma diferente a lahora de adquirir una carga el�ectrica. Esto se debe a que en ciertos materiales, t��picamente enlos metales, los electrones m�as alejados de los n�ucleos respectivos adquieren f�acilmente libertadde movimiento en el interior del s�olido. Estos electrones libres son las part��culas que trans-portar�an la carga el�ectrica. Al depositar electrones en ellos, se distribuyen por todo el cuerpo,y viceversa, al perder electrones, los electrones libres se redistribuyen por todo el cuerpo paracompensar la p�erdida de carga. Estas sustancias se denominan conductores. En contrapartidaa los conductores el�ectricos, existen materiales en los cuales los electrones est�an �rmementeunidos a sus respectivos �atomos. En consecuencia, estas sustancias no poseen electrones libresy no ser�a posible el desplazamiento de carga a trav�es de ellos. Al depositar una carga el�ectricaen ellos, la electrizaci�on se mantiene localmente. Estas sustancias son denominadas aislantes odiel�ectricos. El vidrio, la ebonita o el pl�astico son ejemplos t��picos. Entre los buenos conductoresy los diel�ectricos existen m�ultiples situaciones intermedias. Entre ellas destacan los materialessemiconductores por su importancia en la fabricaci�on de dispositivos electr�onicos que son la basede la actual revoluci�on tecnol�ogica.

Tipos de cargasCarga inducida: La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae

los electrones de la super�cie de un segundo objeto. Esto crea una regi�on en el segundo objetoque est�a con una mayor carga positiva, cre�andose una fuerza atractiva entre los objetos.

Carga por fricci�on: En la carga por fricci�on se trans�eren electrones por la fricci�on delcontacto de un material con el otro. Aun cuando los electrones m�as internos de un �atomoest�an fuertemente unidos al n�ucleo, de carga opuesta, los m�as externos de muchos �atomos est�anunidos muy d�ebilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electronesexteriores en el �atomo varia de una sustancia a otra.

Carga por inducci�on: Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo quecomienza con el acercamiento a �el de una varilla cargada. Consid�erese la esfera conductorano cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada negativamente, loselectrones de conducci�on que se encuentran el la super�cie de la esfera emigran hacia el ladolejano de esta; como resultado, el lado lejano de las esfera se carga negativamente y el cercanoqueda con carga positiva. La esfera oscila acerc�andose a la varilla, porque la fuerza de atracci�on


entre el lado cercano de aquella y la propia varilla es mayor que la de repulsi�on entre el ladolejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza el�ectrica neta, aun cuando la carga neta en lasesfera como un todo sea cero. La carga por inducci�on no se restringe a los conductores, si noque se puede presentar en todos los materiales.

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Materiales:-DATA STUDIO-sensor de carga-jaula de faraday-electr�ometro-esferas met�alicas-transportador de carga-productores de carga (azul y blanco)

METODOSPrimera experienciaEsta experiencia se baso en la electri�caci�on de los materiales en este caso se uso dos pro-

ductores, la conservaci�on de la caga de estos. Para tal estudio fue necesario frotar los dosproductores e ingresarlos uno por uno, luego DATA STUDIO arrojaba las cargas dependiendode los diferentes de m�etodos usado para cargar un material. Los cuales ser�an especi�cados acontinuaci�on:

* Carga por fricci�on: se frotaron los productores y se ingresaron uno a uno en la jaula defaraday la carga que arrojaba DATA STUDIO era contraria a la que pose��a el productor comoconsecuencia de que si el productor se encontraba cargado negativamente este desplazaba loselectrones a los extremos de la jaula, quedando esta cargada positivamente en su super�cie yesta era la arrojada por data estudio.

*carga por contacto: se frotaban los productores se ingresaban uno a uno a la jaula de faradaytocando la jaula y el productor le transfer��a su carga a la jaula, quedando cargada la super�ciede esta con la carga que la trans�ri�o el productor, lo que quiere decir que en este m�etodo lacarga que arroja el data estudio es exactamente la que posee los productores.

*carga por inducci�on: se frotaban los productores se ingresaban uno a uno y cuando estosse encontraban dentro se toca la jaula en la parte de adentro, actuando nosotros como polotierra, es decir, atra��amos la carga desplazada al extremo de la jaula al momento de ingresarel productor, dejando solo la carga que se encontraba en la super�cie, es decir, induciendo lacarga.

Este ultimo tipo de carga fue realizado con las dos esferas met�alicas, para poder llevar a caboesta parte del experimento se tomo una de las esferas la cual se demostr�o que estaba aterrizada(es decir su carga era neutra) y otra que estaba conectada a la fuente de voltaje( est�a cargadapositivamente). Luego primera se coloco a una distancia corta de la segunda sin ser juntadas,mas tarde con el probador met�alico probamos que esta estaba cargada negativamente en la


parte m�as cercana de la bola y en el extremo mas lejos se encontraba cargada positivamente.lo cual este comportamiento se esperaba ya que las cargas de signos iguales se repelen y las designos opuestos se atraen( los electrones fueron atra��dos por la esfera que se encontraba cargadapositivamente conectada a la fuente de voltaje ) ,luego se toco a la primera esfera en el extremoopuesto al que estaba en contacto con la otra esfera, y se Alejo la esfera 2 que se encontrabaconectada a la fuente de voltaje, y con el probador met�alico estudiamos cual fue la carga con laque quedo la esfera.>cual fue? como era de esperarse esta quedo cargada negativamente lo quesucedi�o fue que en la esfera que tocamos la carga que se encontraba en ese extremo de la esferaera positiva y nuestro cuerpo la atrajo a la tierra. Luego la esfera queda cargada negativamente,luego estas cargas que quedaron en un extremo de la esfera ser�an desplazadas a toda la super�ciede la esfera por que las cargas crean una fuerza de repulsi�on entre ellas misma, y al momentode tocar la esfera en cualquier punto de su super�cie se encontrara cargada negativamente.

4 DATOS OBTENIDOS

Figura 1: Carga por contacto con productor azul. esta gra�ca muestra la carga real que tieneel productor azul, ya que cuando este interactua con la jaula el productor le trans�ere su carga,tal como se muestra en la �gura.


Figura 2: blanco. esta gra�ca muestra la carga real del productor ya que inicialmente tenia unacarga positiva y luego al ser frotado y al interactuar con la jaula de faraday le trans�rio su cargaa esta y queda cargada negativamente, como se muestra en la �gura.


Figura 3: carga por induccion productor azul. el gra�co nos muestra que al momento de ingresarel productor la carga inducida es negativa.

Figura 4: carga por induccion con productor blanco. este gra�co nos muestra que al momentode ingresar el productor y tocar la jaula de faraday , la carga inducida es positiva.


Figura 5: en la �gura se muestra las cargas producidas atravez del metodo de friccion, observamosque inicialmente se referencia una carga positiva, puesto que con anterioridad se ha ingresado elproductor blanco, sinembargo esa no es la carga real que presenta el productor ya que su cargaes de valor negativa. seguidamente se observa en la gra�ca que se presenta un cambio en estadebido a que es ingresado el productor de color azul con carga negativa; pero igual que con elproductor anterior su carga real es opuesta.


Figura 6: con el trasportador la esfera en la parte mas cercana a la esfera izquierda(la cual seencuantra cargada positivamente) e ingresandolo en la jaula de faraday nos muestra que estaposee carga negativa. y en la parte mas alejada de la esfera izquierda esta cargada positivamente.


Figura 7: carga por induccion de la esfera. cuando la esfera es tocada en la parte mas alejada dela esfera izquierda donde se encuentra la carga positiva esta es atraida por nosotros( actuandocomo polo tierra) y al momento de retirar la esfera conectada al electrometro, a esta se le inducela carga negativa, como muestra la �gura.


Figura 8: esfera descargada

5 AN�ALISIS Y DISCUSI�ON DE RESULTADOS

Pregunta 1: >Qu�e signo tiene la carga obtenida por el productor de carga blanco despu�es deser frotado con el azul?. >Qu�e signo tiene la carga obtenida por el productor de carga azul?.Explique como cada productor obtuvo esa carga.

Rta: al momento de frotar los productores e ingresarlos a la jaula de faraday (sin tocarla)este objeto cargado atrae a las cargas opuestas a las que este posee a la suer�cie con la queesta interactuando de la jaula .lo que quiere decir que la jaula de faraday queda con una cargacontraria a la del productor ingresado. y DATA estudio arroja la carga que posee la jaula.conla anterior explicaion se puede decir que al momento de ingresar el productor azul la gra�cade DATA estudio muestra una carga negativa;como consecuencia a lo anterior se dice que lajaula se encuentra cargada negativamente y el productor se espera que este cargado en formacontraria a esta ,es decir, el reproductor azul debe tener una carga positiva. despues cuando seingreso el productor blanco en la gra�ca se observaba que la jaula de faraday tenia una cargapositiva, eso quiere decir que el productor blanco debia tener una carga negativa.

Pregunta 2: >Qu�e diferencias observa en la gr�a�ca entre introducir el productor de cargaen la jaula sin tocarla y cuando el productor de carga la toca directamente?. Explique conargumentos f��sicos que sucede en cada caso.

Rta: la diferencia que se observa es cuando no se toca la jaula con el reproductor la cargade la jaula es opuesta a la del reproductor que se esta estudiando. por lo tanto DATA estudio


arrojara una gra�ca con las cargas de signo contrario a la que se estudia.en cambio cuan estajaula es tocada por el productor su carga es transmitida a la jaula por lo tanto el signo arrojadopor DATA estudio por medio de este metodo es el que posee el productor.

Pregunta 3: >Qu�e puede decir acerca de la distribuci�on de las cargas en la esfera met�alicadel experimento II cuando est�a cerca de la esfera conectada a la fuente con relaci�on a la dis-tribuci�on de la carga cuando �esta es cargada por inducci�on?.

Rta: para poder describir el comportamiento de las esferas es importanet reordar que unaesfera esta coenctado a la fuente y su carga es psitiva(1), mientras la otra esfera que se encuentraneutra(2). al moemnto de estas ser acercadas a una distancia muy peque~na , hace que las cargasde(2) e se redestribuya atrayendo los electrones al extremos mas cercano a la esfera cargadapositivamente(1) y que sus protones queden hacia el otro extremo. luego se toca a la esfera(2)por el extremo mas lejano a la otra esfera en el cual se encuantran los protones, luego seretira la esfera cargada (+).>que sucede? la carga positiva de la esfera sera atraida por nosotrosy luego pasa a la tierra quedando asi la esfera cargada negativamente. ahora estas cargas sedezplazan a lo largo de lal super�cie ya que estas se repelen entre ellas mismas.al momento detocarla en cualquier parte de su super�cie esta carga sera negativa.

6 CONCLUSIONES

Despu�es de haber realizado el ensayo en el laboratorio podemos concluir lo siguiente:

� Se demostr�o que cuando un cuerpo es cargado por fricci�on y lo introducimos en una jaulade faraday para comprobar los signos de carga vemos que DATASTUDIO nos arroja unacarga opuesta ala que en realidad posee el productor.

� Mientras que cuando cargamos u cuerpo por contacto el resultado que arroja DATASTU-DIO, es la carga real que poseen los productores, ya que el productor al hacer contactocon la jaula le transmite su carga.

� Con el m�etodo de inducci�on demostramos, primero que cuando acercamos el cuerpo elec-trizado al neutro, ocurre una interacci�on el�ectrica entre ambos, lo que da como resultadoque se desplacen electrones al cuerpo neutro.

� En general con los tres m�etodos estudiados en el laboratorio, nos dimos cuenta que aunquelos tres m�etodos sirven para lo mismo, es decir cargar un cuerpo, sus resultados no pre-cisamente tendr�an que ser iguales, con respecto al signo de cargas.

7 REFERENCIAS BIBLIOGR�AFICAS

es.wikipedia.org/wiki/Electrost�atica

www.slideshare.net/.../experiencia-1-1013157


preguntas problematol�ogicas

1. Explique >qu�e fen�omeno f��sico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamientocon otro cuerpo?

Rta: Al poner en contacto por medio de la frotaci�on dos cuerpos, entre ellos ocurre unfen�omeno llamado electrizaci�on, este fen�omeno se re�ere al efecto de ganar cargas el�ectricasespecialmente electrones, producido por un cuerpo cuando tiene carga neutra.

2. En el proceso de cargar un cuerpo por inducci�on. >qu�e ocurre con la carga de la jaulacuando es moment�aneamente aterrizada mientras que el productor de carga se encuentra todav��aen su interior?

Rta: cuando aterrizamos la jaula de Faraday que generalmente se hace tocando la jaulacon nuestro cuerpo normalmente con los dedos, estamos haciendo un polo a tierra es decir queservimos como medio para que los electrones lleguen a tierra, lo que hace que dentro de la jaulase pierda su carga, quedando neutra.

3. Para el mismo caso anterior, >qu�e ocurre con la distribuci�on de la carga de la jaula despu�esque se retira el productor de carga de su interior?

Rta: como la jaula ya se encuentra aterrizada, debido al polo a tierra anteriormente efec-tuado se logra tambien que los electrones presentes en el productor se vallan a tierra con lo queconlleva a que dentro de la jaula quede una carga positiva.

4 . En el proceso de distribuir la carga sobre una super�cie, >el resultado hubiera sido elmismo si se invirtiera el orden del proceso, es decir, si se hubiera retirado primero la esferacargada y despu�es el dedo?. Explique su respuesta.

Rta: si hubiera sido el mismo resultado ya que se veria afectado ya que cuando introducimosal productor en la jaula de faraday, el productor esta cargado positivamente que obtiene cuandoes retirado y luego nuestro dedo.

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