EAbril 10, 2009

LABORATORIO DE FISICA ELECTRICA

ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA ELÉCTRICA.

María Fernández JarabaEmail: mffernandez@uninorte.edu.co

Ingeniería Industrial

Laura Vizcaíno SanjuanEmail: vizcainol@uninorte.edu.co

Ingeniería Mecánica

Luis Duran MoraEmail: leduran@uninorte.edu.co

Ingeniería Mecánica

Omar Reales ArrietaEmail: oreales@uninorte.edu.co

Ingeniería Industrial

Abstract

In this edge where technology has an important place, it is necessary to

understand how to manipulate the electricity to give people an unimaginable

welfare.

In the first practice in the laboratory of physical power was considered physical

phenomena that occur in the process of an electrically charged body.

In the experiments in the laboratory showed that objects can be loaded by

inducing, by contact or rubbing. Was determined the sign of the charge acquired by

a body when subjected to these processes of electrification.

All procedures and methods developed to analyze the contributing causes of

electric forces and verify the principle of conservation of electric charge, since it is

not created or destroyed only transformed.

Resumen

En esta era donde lo tecnológico ocupa un lugar primordial, es importante

entender como podemos manipular la electricidad a fin de proporcionar a la gente

un bienestar inimaginable.

En la primera práctica realizada en el laboratorio de física eléctrica se

consideraron los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar

eléctricamente un cuerpo.

En las experiencias realizadas en el laboratorio sé observó, que los objetos

pueden ser cargados por inducción, por contacto o frotación. Además se

determinó el signo de la carga adquirida por un cuerpo cuando es sometido a

estos procesos de electrización.

Todos los procedimientos y métodos desarrollados contribuyeron para analizar las

causas de fuerzas eléctricas y comprobar el principio de la conservación de la

carga eléctrica, ya que ésta no se crea ni se destruye, sólo se transforma.

1. INTRODUCCION

La electricidad, se encuentra inmersa en casi todo lo que nos rodea, desde la

chispa que salta bajo nuestros pies al arrastrarlos sobre una alfombra hasta

cuando observamos los relámpagos que se producen durante una tormenta.

Día a día se puede experimentar pequeñas fuerzas de atracción o repulsión con

objetos comunes que encontramos en nuestras casas. Esto se debe a que los

cuerpos se encuentran cargados eléctricamente, ya sea de forma positiva,

negativa o neutra. En este laboratorio se experimentará con cargas estacionarias

para aprender la lógica de la electrostática.

La electrostática es la ciencia que se encarga de estudiar las cargas que están en

reposo; la carga eléctrica es una propiedad de la materia causante de las

interacciones eléctricas y magnéticas.

El modelo de electricidad de Benjamín Franklin implica que la carga eléctrica

siempre se conserva, es decir, cuando un cuerpo se frota con otro, no se carga en

el proceso. El estado electrificado se debe a una transferencia de carga de un

cuerpo a otro.

Para la realización de esta práctica de laboratorio es necesario comprender y

tener claro el funcionamiento de la “Jaula de Faraday”, ésta es un recinto cerrado

formado por cubiertas metálicas o por un enrejado de mallas apretadas que impide

en el interior la influencia de los campos eléctricos exteriores.

Además es necesario dominar la diferencia entre conductores y aisladores, ya que

los conductores son materiales en los que las cargas eléctricas se mueven con

bastante libertad, como los metales, y los aislantes eléctricos son materiales en los

que las cargas eléctricas no se mueven con tanta libertad, como el caucho y la

madera.

Un Concepto fundamental, que es importante conocer, lo constituye la ley de

Coulomb, que menciona que la fuerza de interacción eléctrica entre dos cargas

puntuales actúa a lo largo de la línea recta que las une. La fuerza es proporcional

al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia

que las separa.

Donde K es la constante de proporcionalidad, conocida como constante de

Coulomb y tiene un valor de: , calculada para el vacío y cuyas

unidades están en el S.I.

2. MARCO TEORICO

Para realizar el experimento tenemos que tener claro ciertos conceptos,

empezaremos por explicar que es una carga eléctrica; cuando frotamos dos

cuerpos hay una transferencia de electrones de un cuerpo a otro, debido a este

proceso uno de los cuerpos quedara con un exceso de electrones, podemos decir

entonces convencionalmente que el cuerpo ha quedado cargado negativamente;

el otro cuerpo que ha cedido electrones quedara con una deficiencia de estos,

quedando así cargado positivamente.

Podemos cargar un cuerpo de distintas formas, si podemos transferir electrones

de un material a otro por simple contacto, entonces podemos decir que este a sido

cargado por contacto; si un cuerpo se carga sin ser tocado, por ejemplo, cuando

dos cuerpos se encuentran en contacto y acercamos un tercer cuerpo con carga

positiva a uno de los otros dos cuerpos, este tercer cuerpo inducirá una

separación de cargas entre los cuerpo en contacto, entonces podemos decir que

los cuerpos han sido cargados por inducción. Las explicaremos a continuación con

mas detalle.

Formas de Electrización

Cuando un cuerpo cargado eléctricamente se pone en contacto con otro

inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades eléctricas. Este tipo de

electrización denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se

produce tras un reparto de carga eléctrica que se efectúa en una proporción que

depende de la geometría de los cuerpos y de su composición. Existe, no obstante,

la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en

contacto con él. Se trata, en este caso, de una electrización a distancia o por

inducción o influencia. Si el cuerpo cargado lo está positivamente la parte del

cuerpo neutro más próximo se cargará con electricidad negativa y la opuesta con

electricidad positiva. La formación de estas dos regiones o polos de características

eléctricas opuestas hace que a la electrización por influencia se la denomine

también polarización eléctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrización

es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente

próximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento

con otro cuerpo, como aprecio Tales de Mileto en el siglo sexto antes de Cristo.

Electrización por frotamiento

La electrización por frotamiento se explica del siguiente modo. Por efecto de la

fricción, los electrones externos de los átomos del paño de lana son liberados y

cedidos a la barra de ámbar, con lo cual ésta queda cargada negativamente y

aquél positivamente. En términos análogos puede explicarse la electrización del

vidrio por la seda. En cualquiera de estos

fenómenos se pierden o se ganan electrones, pero el

número de electrones cedidos por uno de los

cuerpos en contacto es igual al número de

electrones aceptado por el otro, de ahí que en conjunto no hay producción ni

destrucción de carga eléctrica. Esta es la explicación, desde la teoría atómica, del

principio de conservación de la carga eléctrica formulado por Franklin con

anterioridad a dicha teoría sobre la base de observaciones sencillas.

Electrización por contacto

La electrización por contacto es considerada como la consecuencia de un flujo de

cargas negativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque

sus correspondientes átomos poseen un defecto de electrones, que se verá en

parte compensado por la aportación del cuerpo neutro cuando ambos entran en

contacto, El resultado final es que el cuerpo cargado se hace menos positivo y el

neutro adquiere carga eléctrica positiva. Aun cuando en realidad se hayan

transferido electrones del cuerpo neutro al cargado positivamente, todo sucede

como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva al primero. En el

caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia de carga

negativa de uno a otro corresponde, en este caso, a una cesión de electrones.

Electrización por inducción

La electrización por influencia o inducción es un

efecto de las fuerzas eléctricas. Debido a que éstas

se ejercen a distancia, un cuerpo cargado

positivamente en las proximidades de otro neutro atraerá hacia sí a las cargas

negativas, con lo que la región próxima queda cargada negativamente. Si el

cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsión sobre los electrones

atómicos convertirá esa zona en positiva. En ambos casos, la separación de

cargas inducida por las fuerzas eléctricas es transitoria y desaparece cuando el

agente responsable se aleja suficientemente del cuerpo neutro.

Esta interacción entre los cuerpos o partículas que se encuentran a distancia, esta

basada en el concepto de campo desarrollado por Michael Faraday. Se dice

entonces que estas partículas no interaccionan de forma directa, sino que estas

interaccionan con los campos que las rodean generado de otras partículas

cargadas, ya que una partícula cargada genera un campo eléctrico.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

1.Conectamos el interfaz de ScienceWorkshop al computador, encendemos el

interfaz y luego procedemos a encender el computador.

2. Conectamos el sensor de carga en el canal A de la interfaz.

3. En el software Data Studio seleccionamos el sensor de carga y lo

conectamos en el interfaz A.

4. Conectamos las pinzas del sensor a la jaula de Faraday una en el exterior y

otra en el interior de esta.

Al realizar la experiencia, realizamos los siguientes pasos o procedimientos:

Para comenzar abrimos data-studio creamos nueva experiencia y

conectamos los equipos requeridos para la practica como lo son la jaula de

faraday, el sensor de carga, el electrómetro y el distribuidor de carga.

Inicialmente se realizó la carga por frotamiento entre dos portadores o

productores de carga uno blanco y otro azul, esta tuvo como objetivo

analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar

eléctricamente un cuerpo, antes del frotamiento entre ellos se oprime el

botón cero en el sensor de carga, se descarga la jaula de faraday y se le da

inicio al programa, después de frotarlos se introdujo el blanco en la jaula de

faraday luego se saca y se introduce rápidamente el de color azul y

enseguida detenemos el programa, observamos los datos y graficas que

nos arroja el data-studio y de esta manera hacemos el análisis de la

experiencia.

En el siguiente paso aplicamos la carga por inducción, dándole inicio al

programa y luego cargando los portadores e introduciendo rápidamente en

la jaula de faraday primero el azul y estando dentro de la jaula de faraday

tocamos la jaula con los dedos lo que hace que esta se neutralice, luego

retiramos los dedos y esperando unos segundos detenemos el programa

para obtener los resultados de la grafica. Con el portador blanco se hacer el

mismo proceso solo que los resultados serán diferentes.

Seguimos con la carga por contacto, esta se hace cargando los portadores

azul y blanco frotándolos entre ellos, e introduciéndolos en la jaula de

faraday haciéndolos que toquen el lado que esta conectado al positivo cada

uno por separado.

Para terminar, conectamos una esfera metálica a un voltaje y ponemos otra

a 50 centímetros de ella para cargarlas por inducción. Después medimos la

carga de la esfera que se cargo por accion directa de la carga conectada y

la cargada por inducción con el portador de carga metálico en diferentes

puntos de su superficie, tocándolas con dicho portador e introduciéndolos

en la jaula de faraday.

4. ANALISIS Y DISCUSIÓN 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 blanco? Explique como obtuvo cada productor esa carga.

Después de hacer el respectivo frotamiento entre los dos productores de carga

(blanco y azul) y al introducirlo en la jaula de Faraday, el software Data Studio

reporta la primera parte de la curva con una carga positiva la cual corresponde al

portador de carga blanco, después de sacarlo y al introducir el portador de carga

azul, el software reporta esta parte de la curva con carga negativa. Esto es debido

al frotamiento en donde cada uno de los portadores adquiere una carga positiva y

el otro una carga negativa, pero ambos conservan la misma magnitud de carga

como logra observarse en la gráfica.

Cada productor obtuvo esa carga, ganando o perdiendo electrones superficiales,

mediante el proceso de frotarlos entre ellos. El productor blanco fue el que perdió

electrones, por tal motivo quedo con carga positiva mientras que el productor azul

gano electrones y quedo con carga negativa.

Pregunta 2: ¿Qué diferencias observa en al grafica entre introducir el productor de

carga en la jaula sin tocarla y cuando el productor de carga la toca directamente?

Explique con que argumentos físicos que sucede en cada caso.

La diferencia radica en que al introducir los productores de carga a la jaula de

faraday sin tocar esta, ella mide la carga presente en los productores ya sea

positiva o negativa, pero al realizar esto mismo pero tocando la jaula de Faraday

con los productores, estos transfieren la carga que posean a la jaula.

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?

La primera parte de la gráfica corresponde a la electrización de los cuerpos

debido a la inducción causada por la esfera que estaba conectada. Al acercar

ambas esferas y al tocar una de ellas con el portador de carga, concluimos que la

que estaba conectada estaba cargada positivamente, ocasionando en la segunda

una redistribución de las cargas de tal manera que las cargas negativas estaban

del lado mas cercano a la esfera positiva. Esto es lo que se logra observar en la

gráfica, ya que la zona negativa de la curva corresponde al lado de la esfera más

cercano a la cargada positivamente. Y el resto de la curva (positivo) corresponde a

las zonas laterales (lejos de la esfera positiva), arriba y debajo de la esfera.

La segunda parte hace alusión a lo correspondiente de alejar las dos esferas y al

tomar los datos con el software se puede concluir que la esfera se descarga y

queda registrada en la grafica su carga neutra.

Pregunta 4: ¿Qué significan los picos y por que aparecen de esta forma?

En nuestra conclusión los picos se deben a una diferencia entre cargas, cuando

un cuerpo se carga por cualquiera de los métodos genera un campo o positivo o

negativo, al recomponerse la carga inicial del cuerpo, genera este comportamiento

en las graficas.

5. CONCLUSIONES

El realizar experiencias como las descritas anteriormente representa un punto

fundamental al momento de despertar en las personas un espíritu investigativo

que les permita crear sus propias ideas y concepciones acerca de los fenómenos

y situaciones que ocurren en el universo y que generalmente pasan por

desapercibidas.

Por medio de las experiencias realizadas en el laboratorio, las cuales confirman la

veracidad de los conceptos adquiridos en el curso de física eléctrica, podemos de

una vez dar respuesta a las dudas planteadas anteriormente.

Analizamos los datos de una manera que nos permitió tener razones científicas

del porque de ciertos hechos relacionados con electrización de los cuerpos y

conservación de cargas, y que nos ayudaron a predecir otros fenómenos

relacionados con la disposición de la carga en un cuerpo y el efecto de esta carga

en el espacio circundante a ella y las perturbaciones que esta realiza a otros

cuerpos.

6. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Serway, Raymond. “Física para Ciencias e Ingeniería”, quinta edición,

México, McGraw-Hill 2002.

Física Conceptual; Novena Edición/ Paul Hewitt; Tr Virgilio González;

México Pearson Education 2004.