Informe de laboratorio 1

Código: FIS-1033-05

Febrero 12, 2009

Laboratorio de Física Eléctrica

Departamento de Matemáticas y Física

©Ciencias Básicas

Universidad del Norte - Colombia

Adrián Alberto Fernández Cabrera
adrianf@uninorte.edu.co

Ingeniería Electrónica

Andrea Zogby Núñez

azogby@uninorte.edu.co

Ingeniería Mecánica

Carlos Mario Ocampo Yepes
carlosy@uninorte.edu.co
Ingeniería Mecánica



Abstract

This experience is with the objective of analyze the physical phenomena that appear in the process of charging electrically a body through different ways for charging a neutral body (friction, induction and contact) and the distribution of charge over a constant spherical surface trying to give an physical explanation of this phenomena.


Resumen

Esta experiencia busca analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo apartir de las diferentes formas que existen para cargar un cuerpo neutro (fricción, inducción y contacto) y la distribución de la carga sobre una superficie esférica continua, intentando dar una explicación física al porqué de estos fenómenos.


Introducción y objetivos.

El propósito de esta experiencia es mostrar experimentalmente que los cuerpos se cargan eléctricamente através de las distintas formas que existen, midiendo dicha carga analizando la distribución de esta sobre la superficie de una esfera hueca.

Apartir de esto se plantean los siguientes objetivos:

1) Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.
2) Cargar un cuerpo por fricción, inducción y contacto.
3) Comparar la distribución de cargas eléctricas en un cuerpo metálico sometido a un proceso de carga por inducción.


Marco teórico

El átomo y la carga.

Igual que la masa, la carga eléctrica es una propiedad fundamental de la materia. La carga eléctrica esta asociada con partículas que constituyen el átomo: el electrón y el protón. El simplista modelo del sistema solar del átomo se asemeja en su estructura a los planetas orbitando alrededor del sol. Los electrones son considerados como orbitando un núcleo que contiene la mayoría de la masa del átomo en la forma de protones y partículas eléctricamente neutras llamadas neutrones. La fuerza centrípeta que mantiene a los planetas en orbitas alrededor del sol es proporcionada por la gravedad. De manera similar, la fuerza que mantiene los electrones en orbita alrededor del núcleo es la fuerza eléctrica. Sin embargo hay distinciones importantes entre las fuerzas gravitatorias y eléctricas.

Una distinción básica es que solo hay un tipo de masa en la naturaleza, y se sabe que las fuerzas gravitatorias son solo atractivas. Sin embargo, la carga eléctrica existe en dos tipos distinguidas por el tipo: (+) positiva y (-) negativa. Los protones llevan una carga positiva y los electrones una negativa. Las diferentes combinaciones de los dos tipos de carga pueden producir fuerzas eléctricas atractivas y repulsivas.

Las direcciones de las fuerzas eléctricas cuando las cargas interactúan entre si, están dadas por el siguiente principio, llamado ley de las cargas o ley carga-fuerza:

“Cargas iguales se repelen entre si, y cargas desiguales se atraen entre si”

Al tratar con cualquier fenómeno eléctrico, otro importante principio es el de la conservación de la carga:

“La carga neta de un sistema aislado permanece constante”

Cuantificación de la carga

En 1909, Robert Andrews Millikan (1868-1953) confirmo experimentalmente que la carga eléctrica siempre se presenta como un múltiplo entero de cierta cantidad fundamental de carga e. En términos actuales se dice, que la carga q esta cuantizada, donde q es el símbolo estándar utilizado para la carga. En el experimento de Millikan se encontró que la unidad fundamental de la carga es :

e= 1.602 * 10-19 C

Cualquier carga q debe ser un múltiplo entero de esta unidad fundamental. Esto es:
Q= Ne, para todo N ε Z

Invariancia relativista

La magnitud de la carga, medida en diferentes sistemas inerciales de referencia, resulta ser igual. Por consiguiente, la carga eléctrica es una invariante relativista. De esto se sigue que la magnitud de la carga no depende de su estado de movimiento o reposo.

Procedimiento experimental.

Toma de datos

Carga por fricción.

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio

3) Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.

4) Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.

6) Introducimos el productor de carga azul en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.

7) Finalizamos la toma de datos.

8) Observamos las graficas obtenidas.

Carga por inducción.

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio

3) Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.

4) Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta.

5) Cuando el productor de carga blanco estaba en el interior de la jaula, tocamos la jaula con el

dedo para aterrizarla momentáneamente.

6) Retiramos el dedo y el productor de carga.

7) Finalizamos la toma de datos.

8) Observamos las graficas obtenidas.

9) Descargamos la jaula, pusimos en “zero” el sensor y repetimos el procedimiento anterior con el productor de carga azul.

Carga por contacto

1) Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.

2) Iniciamos la toma de datos en Data Studio.

3) Frotamos los portadores de carga azul y blanco.

4) Tocamos la jaula que esta conectada al borde positivo con el portador azul, observamos el signo de la carga y registramos su valor.

5) Descargamos la jaula.

6) Tocamos la jaula que esta conectada al borde positivo con el portador blanco, observamos el signo de la carga y registramos su valor.

Distribución de la carga sobre una superficie.

1) Ubicamos las 2 esferas de aluminio una alejada de la otra de tal manera que una estaba conectada a la fuente de voltaje electrostática.

2) Aterrizamos momentáneamente la otra esfera.

3) Confirmamos que esta esfera estaba descargada tomando muestras en diferentes secciones de la misma e introduciéndola en la jaula de Faraday.

4) Acercamos las 2 esferas a una distancia de 1 cm

5) Encendimos la fuente de voltaje y tomamos muestra de carga en las mismas secciones de la esfera antes descargada introduciéndola en la jaula de Faraday.

6) Observamos las graficas obtenidas.


Datos Obtenidos

A continuación se presentan las distintas graficas obtenidas mediante Data Studio en las diferentes experiencias:

Carga por fricción azul-blanco.

Carga por fricción blanco-azul.


















Carga por inducción blanca.


















Carga por inducción azul.


















Cargas por contacto




















Distribución de carga:

Esfera neutra.


















Contacto de la esfera desde el borde opuesto a la esfera cargada.


















Análisis y discusión de resultados

Apartir de las graficas obtenidas nos damos cuenta que después de que los productores de carga se frotan, el productor de carga blanco (cuero) obtiene una carga de signo negativo pues adquiere electrones al momento de la fricción por parte del productor de carga azul (acrílico), y este a su vez adquiere una carga positiva pues le ha donado electrones al productor blanco (ley de la conservación de carga).

Por medio de las graficas también nos damos cuenta que la esfera cargada positivamente es decir aquella conectada a la fuente de voltaje electrostática, induce una carga negativa en el lado próximo a la esfera neutra por la ley carga-fuerza que afirma que cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen, por consiguiente las cargas positivas se alejan de la esfera de igual carga (negativas se acercan), quedando a su vez la esfera antes neutra polarizada negativamente del lado cercano a la esfera positiva.

En los procesos de inducción pudimos observar que al tocar la jaula de Faraday estando dentro de ella el productor de carga blanca, la medición de la jaula tiende a invertirse, la razón de esto es que al tocar la jaula con nuestro cuerpo, hacemos un efecto de polo a tierra, cargando la Jaula positivamente con una carga igual y opuesta a aquella del productor que esta cargado negativamente. En el caso del productor de carga azul el proceso se invierte.

Para las cargas por contacto tenemos que al tocar la Jaula conectada al borde positivo con el productor de carga azul, los electrones de más en este se transfieren a la jaula quedando esta cargada negativamente, cuando tocamos a esta con la carga positiva la jaula nos muestra su carga positiva, y también queda cargada positivamente.

Conclusiones

Luego de esta experiencia se concluye con una base experimental que la ley de cargas se mantiene para todo marco de referencia, en otras palabras probamos la propiedad de la invariancia relativista pues nos damos cuenta que no importa en que situación ni el marco de referencia que tomemos, las graficas siempre muestran el mismo comportamiento para la misma carga en la misma situación. También concluimos que estos comportamientos se mantienen constantes siempre y cuando la situación se mantenga también constante, pues la carga neta sobre un cuerpo permanece constante (ideal). En el caso de la distribución superficial de cargas concluimos, que al acercar un objeto cargado a uno neutro, al ser este ultimo buen conductor los electrones se mueven através de él con mucha facilidad, razón por la cual se polariza fácilmente quedando del lado opuesto a la esfera cargada, con una carga positiva mayor a la carga positiva de los lados, y con una carga negativa en la parte mas cercana a la esfera cargada, aunque sus carga neta permanezca neutra por no haber transferencia de electrones.

Referencias bibliográficas.

1. J. wilson y A. Buffa , Física , 5ta Edición , Pearson Educacion (2003).
2. J. Kane y M. Sterheim, Física, 2da Edición, Reverté S.A (2000).
3. A. Olivos y D. Castro, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, 1ra Edición, Ediciones Uninorte (2008)

Explicacion generador de Van der graff y electroscopio

GENERADOR DE VAN DER GRAFF

Es un aparato el cual es utilizado para crear voltajes muy altos. Este aparato está basado en los fenómenos de carga por inducción y contacto.

Su primera aparición fue en el año 1931 el cual fue construido por el físico Robert J. Van Der Graff y se ha mantenido

El generador está constituido de:
· Una esfera metálica hueca
· Una correa transportadora
· Dos rodillos uno que es movido por un motor y uno que gira libre movido por la correa
· Dos peines metálico, uno pegado a las tierra y el otro en el interior de la esfera
· Un motor eléctrico que moverá uno de los rodillos mencionado anteriormente

El generador funciona así:
Los peines metálicos se encargan de ionizar el aire con ayuda del rodillo que es impulsado por el motor, de la siguiente manera: el rodillo está cargado positivamente, este produce cargas eléctricas contrarias a las suyas que van a la punta de los peines metálicos, el aire es así ionizado volviéndolo conductor, estos electrones golpean otras moléculas las ionizan y son repelidas depositándose así en la correa y luego son transportadas, hasta llegar a la parte interna de la esfera metálica.

El rodillo de la parte superior está diseñado de un material que se carga negativamente por el contacto con la correa, este rodillo repele los electrones que son transportados por la parte exterior de la correa y estos electrones son conducidos a la punta de los peine, las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas van hacia la parte interna de la esfera metálica.
La efectividad del generador depende de los materiales de los rodillos y la correa, este puede lograr producir cargas altas si el rodillo de la parte superior obtiene grandes cargas negativamente e induce al peine cargas positivas que ocasionan que las cargas negativas del peine se vallan al otro lado del peine es decir a la parte interior de la esfera
Este generador está basado en unos principios de la física como lo son: la Inducción de carga, Electrización por frotamiento y triboelectricidad, una de las explicaciones del físico Faraday de la transmisión de cargas a una esfera hueca.



EL ELECTROSCOPIO

Este es un aparato el cual reconoce la presencia de cargas eléctricas y expresa su signos
Existe un electroscopio sencillo el cual funciona así: una varilla metálica la cual tiene una esfera en la parte superior y al otro lado de la varilla un par de láminas de oro muy delgadas; la parte superior de la varilla se encuentra sostenida por una caja de vidrio.
Al momento de acercar a la esfera un objeto cargado la varilla es electrificada y las láminas de oro que se encuentran al otro lado de la varilla cargadas con el mismo signo se repelen, la discrepancia de las laminas dependerá de la cantidad de carga que haya recibido en la parte superior de la varilla por la esfera, a medida que se aleja el objeto de la esfera las laminas vana regresando a su posición normal

El primer electroscopio apareció gracias a él medico William Gilbert quien lo creo con el objetivo de realizar experimentos con cargas electrostáticas, con el tiempo se han creado equipos o aparatos con mejora en base a este.
el electroscopio se basa en el principio de separación de cargas por inducción

Carlos Ocampo.

Explicacion Fisica de la jaula de Faraday, el generador de Van der graff y el electroscopio.

Jaula de Faraday

Una jaula de Faraday es una pantalla eléctrica , una superficie conductora que rodea un espacio hueco, es decir un recinto cerrado formado por cubiertas metálicas o por un enrejado de mallas apretadas que impide en el interior la influencia o perturbaciones producidas por campos eléctricos externos

El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, y por tanto se anulen todos los efectos de los campos. Dicho efecto jaula se pone de manifiesto en numerosas situaciones de la vida cotidiana. Por ejemplo, es el responsable de que no funcionen bien los móviles en el interior de muchos ascensores, o dentro de un edificio con estructura de rejilla de acero. Una “jaula de Faraday” 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.

En otras palabras es un volumen cerrado diseñado para excluir campos magnéticos, siendo usada como una aplicación de la ley de Gauss. La ley de Gauss describe las distribuciones de carga en un volumen conductor, como puede ser una esfera, un cilindro, un toroide, etc. Intuitivamente como las cargas de un mismo signo se repelen, entonces éstas van a emigrar hacia la superficie. Para demostrar esta aplicación, el físico Michael Faraday construyó la famosa caja en 1836 para demostrar la ley de Gauss, siendo el científico que describió los conceptos involucrados en las ecuaciones de Maxwell. El postulado de Faraday sostiene que las cargas en un conductor, sólo se sitúan en la superficie de éste, no teniendo influencia en el interior del cuerpo. Para demostrar el postulado, construyó una habitación cubierta con una capa de metal (que es conocida como la caja de Faraday), permitiendo que descargas de alto voltaje desde un generador electroestático incidieran en la parte de exterior de la habitación. En el interior de la habitación se introdujo un electroscopio (que es un dispositivo que sirve para medir la carga eléctrica), para mostrar que no había carga eléctrica en el interior. efecto estipulado en el postulado de Faraday: " Toda la electricidad va hacia la superficie libre de los cuerpos sin producirse difusión en el interior".
Se sigue usando en electrónica y los técnicos la llaman "blindaje"La ley de Faraday de la electrostática dice que: "El flujo de campo electrostático que afravieza una superficie cerrada es proporcional a la carga neta que se encuentra en el interior de dicha superficie."

La aplicación de esta caja, es usada para eliminar los efectos de los campos eléctricos en los volúmenes, por ejemplo para proteger a los equipos electrónicos de cortes de luz, así como de otras descargas electroestáticas. Una caja de Faraday es conocida también como el escudo de Faraday, terminología que se emplea para referirse para cualquier tipo de escudo electroestático.

Generador de Van der graff

El generador de Van der Graff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo.
Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas.

Funcionamiento

su funcionamiento se divide en 2 partes:

1. inferior (polarizacion)
2. superior (descarga)

Parte inferior:

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior. El rodillo inferior está fuertemente electrizado (+), por el contacto y separación (no es un fenómeno de rozamiento) con la superficie interna de la correa de caucho. Se electriza con un tipo de carga que depende del material de que está hecho y del material de la correa (escala triboelectrica).
El rodillo induce cargas eléctricas opuestas a las suyas en las puntas del “peine” metálico.
El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la banda, ioniza el aire.
Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma.El aire ionizado forma un plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento electrico negativo El aire se vuelve conductor, los electrones golpean otras moléculas, las ionizan, y son repelidas por las puntas acabando por depositarse sobre la superficie externa de la correa .
Las cargas eléctricas negativas (moléculas de aire con carga negativa) adheridas a la superficie externa de la correa se desplazan hacia arriba. Frente a las puntas inferiores el proceso se repite y el suministro de carga está garantizado.
La carga del rodillo inferior es muy intensa porque la carga que se forma al rozar queda acumulada y no se retira, mientras que las cargas depositadas en la cara externa de la correa se distribuyen en toda la superficie, cubriéndola a medida que va pasando frente al rodillo. La densidad superficial de carga en la correa es mucho menor que sobre el rodillo.Por la cara interna de la correa van cargas opuestas a las del cilindro, pero estas no intervienen en los procesos de carga de la esfera.
Recuerda que la correa no es conductora y la carga depositada sobre ella no se mueve sobre su superficie.

Parte superior

Supongamos que nuestro generador tiene un rodillo de teflón que se carga negativamente por contacto con la correa. Este rodillo repele los electrones que llegan por la cara externa de la correa. El peine situado a unos milímetros frente a la correa tiene un campo eléctrico inducido por la carga del cilindro y de valor intenso por efecto de las puntas. Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera.
Un generador de Van der Graff no funciona en el vacío.La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa.El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el peine cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera.
El campo creado en el “peine” por efecto de las puntas ioniza el aire y lo transforma en plasma con electrones libres chocando con moléculas de aire. Las partículas de aire cargadas positivamente se alejan de las puntas (viento eléctrico positivo). Las cargas positivas neutralizan la carga de la correa al chocar con ella. La correa da la vuelta por arriba y baja descargada.El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al peine y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa.
Por el efecto Faraday (que explica el por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del peine al interior.

Principios en que se basa el GVG

• Electrización por frotamiento -triboelectricidad-
• Faraday explicó la transmisión de carga a una esfera hueca. Cuando se transfiere carga a una esfera tocando en su interior, toda la carga pasa a la esfera porque las cargas de igual signo sobre la esfera se repelen y pasan a la superficie externa. No ocurre lo mismo si tratamos de pasarle carga a una esfera (hueca o maciza) tocando en su cara exterior con un objeto cargado. De esta manera no pasa toda la carga.
• Inducción de carga(efecto de puntas): ionización

Electroscopio

Un electroscopio es un instrumento antiguo utilizado para detectar carga y medir potencial eléctrico, que posee un cuerpo. Clásicamente el electroscopio se construyó a partir de dos placas muy delgadas de material conductor unidas entre sí. Si la parte superior se pone en contacto ( también es posible cargar un electroscopio por inducción) con un conductor cargado, las delgadas hojas de metal (laminas de oro o aluminio) adquirirán el mismo potencial que el conductor. La carga en las hojas será proporcional a la diferencia de potencial entre ellas y la caja. La fuerza de repulsión que existirá entre las hojas, debido a sus cargas idénticas, puede medirse observando el valor de la desviación de una escala, siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que han recibido. Para lograr la deflexión de estas placas se necesita una cantidad apreciable de carga así como un rodamiento eficaz entre las placas. Estas condiciones no siempre son fáciles de solventar por lo que motivó una nueva manera de estimar esas cargas mediante el empleo de dispositivos electrónicos muy sensibles.

Adrian Fernandez Cabrera

Funcionamiento del electroscopio, la jaula de Faraday, el generador de Van der graff

Electroscopio

El electroscopio consta de dos láminas delgadas de oro o aluminio que están fijas en el extremo de una varilla metálica que pasa a través de un soporte de ebonita, ámbar o azufre. Cuando se toca la bola del electroscopio con un cuerpo cargado, las hojas adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida de la cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aplica una diferencia de potencial entre la bola y la caja del mismo, las hojas también se separan. Se puede calibrar el electroscopio trazando la curva que nos da la diferencia de potencial en función del ángulo de divergencia.

Jaula de Faraday

El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor sujeto a un campo electromagnético externo se polariza de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, donde la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.
Dicho efecto jaula se pone de manifiesto en numerosas situaciones de la vida cotidiana. Por ejemplo, es el responsable de que no funcionen bien los móviles en el interior de muchos ascensores, o dentro de un edificio con estructura de rejilla de acero.
En resumen una jaula de Faraday es una caja cuyas paredes son de material conductor. Dentro de una caja con paredes conductoras el campo eléctrico es cero, y esto impide la propagación de cualquier onda electromagnética en su interior.

Generador de Van der graff

Un generador de Van der Graaff es un dispositivo, muy usado en experimentos de electrostática, capaz de generar una gran carga eléctrica y almacenarla sobre una esfera metálica. Consta de una correa de caucho que va girando, accionada por un motor eléctrico. Al girar, va rozando y se carga eléctricamente. Esto se debe a que en el roce se van arrancando electrones (cargas negativas). La correa entra en contacto, en la parte superior del aparato, con una esfera metálica hueca en la que va depositando su carga. La esfera metálica es buena conductora de la electricidad y en ella la carga va repartiéndose uniformemente por toda su superficie.

Andrea Zogby