Electrización de los cuerpos y conservación de la carga eléctrica

Febrero 18, 2010

Laboratorio de Física Electricidad.

Electrización de los cuerpos y conservación de la carga eléctrica

Jossy Aguas Medina Estefanía Becerra Sanabria

Email: aguasj@uninorte.edu.co Email: sanabriae@uninorte.edu.co

Ingeniería de Sistemas Ingeniería Eléctrica

Elkin Cubas Mendoza Inírida Carrillo Foliaco

Email: ecubas@uninorte.edu.co Email: ifoliaco@uninorte.edu.co

Ingeniería de Sistemas Ingeniería Electrónica

RESUMEN

En este trabajo estudiaremos el comportamiento de las cargas de los objetos a evaluar y cómo interactúan sus cargas por medio de los procesos de inducción, fricción y contacto físico, para esto nos valdremos de una serie de experimentos y toma de datos para luego sacar nuestras conclusiones.

ABSTRACT

The objectives of this experiment is to analyze the physical phenomena when a body is loaded electrically. For this we will study the behavior of the loads of an object that is acquired by means of friction, induction and physical contact, and how these interact with other loads.

1. INTRODUCCION

En este trabajo hablaremos sobre los fenómenos físicos que ocurren cuando se carga eléctricamente un cuerpo, ya sea por inducción, fricción o contacto. También se observo cómo se distribuyen las cargas sobre una superficie, todo esto se evaluó a través de una serie de experimentos con los cuales pudimos probar la veracidad de estos fenómenos físicos. Dichos experimentos nos arrogaron datos que fueron presentados en forma de gráficos y que se mostraran mas adelante en este trabajo.

2. OBJETIVOS

2.1 General:

· Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo.

2.2 Específicos:

· Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación.

· Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción.

· Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción.

3. MARCO TEORICO

3.1 Conductor: Un material conductor es aquel en donde los electrones se mueven con mayor facilidad que en otros materiales. Los mejores conductores son los metales entre ellos el oro, la plata y el cobre.

3.2 Carga Eléctrica: Es una propiedad esencial de la materia, que se presenta en algunas de las partículas subatómicas que conocemos. Hay dos tipos de cargas eléctricas, positivas y negativas. Las cargas del mismo signo se repelen mientras que las de las de signo contrario se atraen. Por otro lado, existen diferentes formas de cargas un cuerpo, de las cuales mencionaremos algunas.

3.2.1Carga por contacto: Es un proceso por el cual se transfiere electrones de un objeto a otro solo por contacto, teniendo en cuenta que uno de los cuerpos debe estar cargado

3.2.2Carga por fricción: Cuando tenemos dos objetos y los frotamos, estos se transfieren electrones. A este proceso le llaman carga por fricción.

3.2.3Carga Por Inducción: Es aquel proceso de carga de un cuerpo que sin contacto directo. Cuando las cargas salen de un conductor por contacto decimos que está en polo de tierra. Ejemplo: tormentas eléctricas.

3.3 Electrización de cuerpos: La materia es eléctricamente neutra por defecto. Así que para que un cuerpo tenga una carga negativa en exceso es necesario agregarle cargas negativas o quitarle cargas positivas. Un cuerpo tiene carga positiva en abundancia si se le agregan cargas negativas o si se le quitan cargas negativas.

3.4 Modelo atómico: La estructura del átomo se describe en términos de tres partículas: el electrón, con carga eléctrica negativa, el protón, con carga positiva y el neutrón que no tiene carga. Los protones y neutrones constituyen el núcleo del átomo, mientras que los electrones se despliegan como una nube alrededor del núcleo.

3.5 Principio de Conservación de la carga: La suma de todas las cargas eléctricas de un sistema cerrado siempre es constante en todo proceso de carga la cual se crea ni se destruye sino solo que se transfiere de un cuerpo a otro.

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Lo siguiente fue lo realizado durante la experiencia en laboratorio:

Los dispositivos que se utilizaron fueron los siguientes:

* 2 Esferas conductoras.
* 1 Jaula de Faraday.
* 2 Productores de carga, uno blanco y uno azul. Blanco cuerina, Azul Acrílico.

* 1 Transportador de Carga
* Data Studio (Software diseñado para el estudio de datos físicos).

* Fuente de voltaje electro estática.

* Sensor de carga.

El proceso se llevo acabo de la siguiente forma:

Determinación de signos de las cargas:

Acrílico: Carga Negativa -
Cuerina: Carga Positiva +

La primera parte de la experiencia consistió en descargar la jaula de Faraday con el botón de tare, luego se frotaron ambos productores de carga e introducimos primero uno luego el otro en la jaula de Faraday. El primero que se introdujo fue la cuerina, y sin suspender la toma de datos se retiro este de la jaula, luego se introdujo el acrílico y al cabo de unos segundos se suspendió la toma de datos. A este procedimiento se le denomino carga por fricción.

Segundo, se repitió el mismo procedimiento anterior solo que la toma de datos de cada productor de carga se hizo en graficas individuales además de que ahora al introducir el productor de carga se realizaba contacto con la jaula, a diferencia del procedimiento anterior, al retirar el productor de carga, en el software se observo que la jaula aun quedaba cargada después de haber retirado dicho productor de carga. A este procedimiento se denomino carga por contacto.

En la tercera prueba se descargo la jaula como en los procedimientos anteriores, se frotan los productores de carga, y se introduce la cuerina dentro de la jaula sin contacto con ella, luego se descarga el sistema con el botón tare mientras se encuentra el productor de carga adentro, se observan los datos tomados, se retira el productor y al cabo de unos segundos se suspende la toma de datos. Este procedimiento se repite para el Acrílico. A este procedimiento se denomino carga por inducción.

La ultima parte de la experiencia consistió en la utilización de dos esferas conductoras las cuales inicialmente están descargadas, luego, una de las esferas es cargada por la fuente electroestática, dejándola cargada positivamente. Más adelante se utilizo un transportador de carga colocándolo sobre la esfera cargada y al cabo de unos segundos introduciéndola en la jaula mientras se toman los datos, con el fin de probar que la carga sea positiva. Luego se realizo el mismo procedimiento con la otra esfera con el fin de comprobar que la otra esfera estuviera descargada. Más adelante se acercaron las esferas con a lo más 5 cm de separación una de la otra, se descargo el transportador de carga y la jaula, se coloco en transportador en una de las partes de la esfera descargada y luego en la jaula, se observaron datos y se descargo el transportador, se repitió el procedimiento en 3 lugares diferentes mas. Al cabo de unos segundos luego de la toma de datos se suspendió dicha toma. Este procedimiento se denomino distribución de carga.

Se utilizó el software Data Studio para obtener las respectivas gráficas (mostradas en este informe), las cuales nos ayudaron a corroborar los resultados buscados y esperados según la teoría estudiada (electrización de cuerpos).

5. DATOS OBTENIDOS

5.1 Experimento # 1 (carga por contacto, fricción, e inducción)

· Se puede observar al principio de la grafica que la jaula se encuentra sin carga negativa o positiva, es decir, neutra. Después de frotar los dos productores (blanco y azul, cuerina y acrílico respectivamente), al tocar la jaula con el productor azul se registra que la jaula queda cargada negativamente (ver figura 1.1), después al tocar de nuevo la jaula con el productor blanco la carga es positiva (ver figura 1.2).

ACRILICO (Carga por contacto)

Figura 1.1: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el productor de carga de acrílico, realizando contacto con la jaula antes de retirar el productor

CUERINA (Carga por contacto)

Figura 1.2: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el productor de carga de cuerina, realizando contacto con la jaula antes de retirar el productor.

· La jaula se encuentra sin carga al iniciar el experimento, después de frotar los dos productores, al introducir el productor azul en la jaula de Faraday, (sin hacer contacto), se puede observar en la grafica como se registra la carga negativa, al retirarlo la jaula queda nuevamente sin carga, después al
introducir el productor blanco se observa que se registra carga positiva y al retirarlo la jaula vuelve a quedar descargada (ver figura 1.3).

CUERINA Y ACRILICO RESPECTIVAMENTE

Figura 1.3: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el portador de carga de acrílico, sin realizar contacto con la jaula, luego de retirar el productor, sin suspender la toma de datos, se introdujo el otro portador, se observaron los datos, luego de retirar el otro portador al cabo de unos segundos se suspendió la toma de datos.

· La jaula se encuentra descargada, el productor azul, después de ser frotado, se introduce en la jaula registrando carga negativa, (como lo muestra la grafica) al hacer polo a tierra con el botón tare de la jaula, dicha jaula queda cargada negativamente (ver figura 1.4), en el otro tramo se repitió el proceso con el productor blanco que en este caso quedo cargado positivamente (ver figura 1.5).

ACRILICO

Figura 1.4: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el portador de carga de acrílico, sin realizar contacto con la jaula antes de retirar el productor se descarga la jaula con el botón tare, y luego se retiro el productor.

CUERINA

Figura 1.5: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el portador de carga de cuerina, sin realizar contacto con la jaula antes de retirar el productor se descarga la jaula con el botón tare, y luego se retiro el productor.

5.2 Experimento # 2 (Distribución de carga, dos esferas)

· Al comprobar la carga en diferentes puntos de la esfera se puede observar que hay una gran cantidad de carga negativa en el polo que se encuentra al lado de la esfera cargada y en los otros puntos se muestra pequeñas cargas positivas.

Figura 2.1: Grafica carga contra tiempo, obtenida en Data Studio al introducir el portador de carga en la jaula luego de tocar la esfera que no se encontraba conectada a la fuente. Este proceso se repitió en varios otros lugares de la esfera mientras se tomaban los datos.

6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6.1 Preguntas de Análisis

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 cómo cada productor obtuvo esa carga.

Rta: La carga obtenida por el productor carga blanco (Cuerina) será positiva, mientras que el signo de la carga obtenida por el productor de carga azul (Acrílico) será negativa. Ya que algunos materiales son más afines a atraer electrones. Para este caso el acrílico atraerá los electrones más que la cuerina por lo tanto habrá exceso de electrones, mientras que en el productor de carga blanco ocurría lo contrario

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.

Rta: La diferencia se nota al momento de retirar el productor de carga, ya que si no se toca la jaula, con el productor de carga, la carga de la jaula regresa a ser la inicial, es decir nula; mientras que si se hace contacto con la jaula, esta quedara cargada con el mismo signo de la carga del productor de carga, ya que habrá una transferencia de electrones.

Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera metálica del experimento “Distribución de la carga sobre una superficie” cuando está cerca de la esfera conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando esta es cargada por inducción? Realice un grafico con las esferas que muestre la distribución de las cargas observadas en el proceso.

Rta: La esfera conectada a la fuente positiva, hace que esta se cargue positivamente, por lo cual al acercar la esfera neutra se genera una redistribución de carga, haciendo que las cargas negativas se atraigan con las cargas positivas de la esfera, lo cual hace que en la esfera neutra las cargas positivas vallan al lado opuesto de donde están las cargas negativas.

Figura 2.2. Distribución de cargas

6.2Preguntas Problematológicas

Pregunta 1: Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo?

Rta: El fenómeno físico que ocurre es la fricción ya que este se basa en el hecho de frotar dos cuerpos para que estos se carguen ya sea positivamente o negativamente. Esto dependerá de cual material es más afín que el otro.

Pregunta 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?

Rta: Si el productor de carga que entra a la jaula está cargado negativamente hace que la jaula muestre una carga del mismo signo y los electrones de la jaula son transferidos al cuerpo de la persona actuando como un polo de tierra, después cuando se quita el dedo y el productor de carga, la jaula queda cargada positivamente porque ya ha cedido sus electrones. Esto pasa de forma inversa si el productor es de carga positiva.

Pregunta 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?

Rta: En el instante que se quita el productor de carga la jaula de Faraday mostrara una distribución de cargas con el signo contrario de las cargas presentadas en el productor de carga. Si la carga de la jaula es positiva, habrá deficiencia de electrones y los protones se distribuirán en una mayor superficie, y si la carga de la jaula es negativa, habrá un exceso de electrones, y los electrones se distribuirán en una mayor superficie.

7. CONCLUSION

Al encontrar tantas maneras de cargar un cuerpo, no es difícil imaginarnos que en todo momento de nuestra vida cotidiana, estamos siendo afectados por los fenómenos de carga y descarga de cuerpos, lo cual nos afecta de diferentes maneras, tanto positiva como negativamente.

Esta experiencia fue bastante fructífera, pues nos permitió comprobar de manera clara y precisa tres de los diferentes tipos de cargar un cuerpo (fricción, inducción y contacto), de la misma forma se logró identificar las diferencias de estos con respecto al procedimiento, a los fenómenos que ocurren y a las condiciones para poder efectuarlas.

Pudimos observar definitivamente la carga eléctrica es una propiedad fija, inherente e inseparable de cualquier material, pero cuya magnitud o estado puede ser alterado fácilmente por algún acercamiento o interrelación entre partículas.

Por último se comprendió que cuando dos cuerpos interactúan y se produce un flujo de carga entre ellos, no significa que la carga se crea o se destruye solo que se transmite de un cuerpo a otro conservando su valor neto constante e invariable.

BIBLIOGRAFIA

FISICA EXPERIMENTAL ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. Mendoza Aníbal, Ripoll Luis, Miranda Juan; Ediciones Uninorte.