Ciencias básicas
Departamento de fisica
Laboratorio de física eléctrica
Código: FIS-1033-04
Universidad del Norte – Colombia
Electrización de los cuerpos y conservación de la carga eléctrica
Pedro Diaz aconte
Email: Pdaconte@uninorte.edu.co
Ingenieria Industrial
Alberto Iriarte Quintero
Email: Albertoq@uninorte.edu.co
Ingenieria Mecânica
Abstract
In this article one seeks to analyze the physical phenomena that happen in the process of loading electricity company in a body, also to explain every case and to obtain the suitable conclusions and finally to give it physical explanations applied to the daily life. Other intentions of this experience are to show experimentally that the bodies are loaded electrically with the different forms that exist, measuring the above mentioned load analyzing the distribution of this one on the surface of a hollow sphere.
Resumen
En este artículo se busca analizar el fenómeno físico que sucede cargando un determinado objeto eléctricamente, basándonos en cuatro experiencias que deberán arrojar datos diferentes para cada caso. Comenzaremos con cargas por fricción, seguidamente cargas por inducción, luego cargas por contacto y culminaremos con distribución de cargas sobre una superficie. Finalmente trataremos de explicarlos fenómenos ocurridos y las causas de los mismos.
1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS
Existen diversas formas de cargar un cuerpo en la naturaleza, a continuación en este articulo buscaremos probar, analizar y argumentar el fenómeno de las cargas por tres métodos diferentes (fricción, inducción y contacto); y además el fenómeno de distribución de cargas sobre una superficie esférica, tomando en cuanta de que este posee una superficie hueca y la repercusión de todos estos procesos respectivamente y dar razones validas del porque del comportamiento.
Estos son los objetivos:
• Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo.
• 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
2. MARCO TEÓRICO
Átomo y 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 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.
Métodos para cargar un cuerpo
Por Fricción: En la carga por fricción se transfieren electrones por la fricción del contacto de un material con el otro. Aun cuando los electrones mas internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, los mas externos de muchos átomos están unidos muy débilmente y pueden desalojarse con facilidad. La fuerza que retiene a los electrones exteriores en el átomo varia de una sustancia a otra. Los átomos con deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque su carga neta es positiva. Si se frota una barra de vidrio o plástico contra un trozo de seda tienen mayor afinidad por los electrones que la barra de vidrio o de plástico; se han desplazado electrones de la barra hacia la seda.
Por Contacto: Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto. Por ejemplo, si se pone en contacto una varilla cargada con un cuerpo neutro, se transferirá la carga a este. Si el cuerpo es un buen conductor, la carga se dispersara hacia todas las partes de su superficie, debido a que las cargas del mismo tipo se repelen entre si. Si es un mal conductor, es posible que sea necesario hacer que la varilla toque varios puntos del cuerpo para obtener una distribución más o menos uniforme de la carga.
Por Inducción: Podemos cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el acercamiento de los que interactúan, sin necesidad de algún contacto físico directo.
Conducción de carga en materiales
Conductores: es aquel cuerpo que puesto en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Generalmente elementos, aleaciones o compuestos con electrones libres que permiten el movimiento. Se llaman conductores eléctricos a los materiales que puestos en contacto con un cuerpo cargado de electricidad transmite ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores eléctricos son los metales y sus aleaciones.
Aislantes: Material con escasa capacidad de conducción de la electricidad, utilizado para separar conductores eléctricos evitando un cortocircuito y para mantener alejadas del usuario determinadas partes de los sistemas eléctricos que de tocarse accidentalmente cuando se encuentran en tensión pueden producir una descarga. Los más frecuentemente utilizados son los materiales plásticos y las cerámicas. El comportamiento de los aislantes se debe a la barrera de potencial que se establece entre las bandas de valencia y conducción que dificulta la existencia de electrones libres capaces de conducir la electricidad a través del material. Para más detalles ver semiconductor.
3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Estos son los pasos para seguir en la experiencia, consta de los siguientes cuatro ítems expuestos posteriormente:
Carga por fricción.
• Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.
• Iniciamos la toma de datos en Data Studio
• Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.
• Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.
• Introducimos el productor de carga azul en la jaula de Faraday sin tocar esta y luego lo retiramos.
• Finalizamos la toma de datos.
• Observamos las graficas obtenidas.
Carga por inducción.
• Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.
• Iniciamos la toma de datos en Data Studio
• Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los productores de carga.
• Introducimos el productor de carga blanco en la jaula de Faraday sin tocar esta.
• Cuando el productor de carga blanco estaba en el interior de la jaula, tocamos la jaula con el dedo para aterrizarla momentáneamente.
• Retiramos el dedo y el productor de carga.
• Finalizamos la toma de datos.
• Observamos las graficas obtenidas.
• Descargamos la jaula, pusimos en “zero” el sensor y repetimos el procedimiento anterior con el productor de carga azul.
Carga por contacto
• Descargamos la Jaula y presionamos el botón “zero” del sensor para descargarlo.
• Iniciamos la toma de datos en Data Studio.
• Frotamos los portadores de carga azul y blanco.
• Tocamos la jaula que esta conectada al borde positivo con el portador azul, observamos el signo de la carga y registramos su valor.
• Descargamos la jaula.
• 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.
• Ubicamos las 2 esferas de aluminio una alejada de la otra de tal manera que una estaba conectada a la fuente de voltaje electrostática.
• Aterrizamos momentáneamente la otra esfera.
• Confirmamos que esta esfera estaba descargada tomando muestras en diferentes secciones de la misma e introduciéndola en la jaula de Faraday.
• Acercamos las 2 esferas a una distancia de 1 cm
• 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.
• Observamos las graficas obtenidas.
4. DATOS OBTENIDOS
A continuación daremos a conocer los datos obtenidos de las cuatro experiencias realizadas en el laboratorio, que gracias a herramientas interactivas como Data Studio en conjunto con el análisis personal nos obsequio graficas de Vs. dando como resultado lo siguiente:
• Carga por Fricción: Se tomaron dos productores de carga, uno de cuero y otro de acrílico, se frotaron entre si, dichos productores fueron ingresados uno por uno a una jaula de Faraday, que se encontraba conectada a un electrómetro sobre la interfase del programa Data Studio. El experimento arrojo una grafica de Carga Vs. donde se adquirió que el productor de cuero poseía una carga positiva de aproximadamente de ; y a su vez el productor de acrílico poseía una carga de (negativa). El experimento en conjunto se realizo aproximadamente en 8 seg.
Esta fue la grafica recibida:
Carga por Inducción: Se tomaron los dos mismos productores de carga, se frotaron entre como en el caso anterior, dichos productores también fueron ingresados uno por uno a una jaula de Faraday, que se encontraba conectada a un electrómetro sobre la interfase del programa Data Studio, sin embargo a diferencia de la experiencia pasada en este caso se toco directamente la jaula con los dos portadores (secuencialmente). El experimento arrojo una grafica de Carga Vs. donde se adquirió que el productor de cuero poseía una carga positiva de aproximadamente de ; y a su vez el productor de acrílico poseía una carga de (negativa). El experimento en conjunto se realizo en un promedio de 4.5 seg aproximadamente.
Esta fue la grafica recibida:
Carga por Contacto: Se tomaron los dos mismos productores de carga, se frotaron entre como en el caso anterior, el productor de cuero fue ingresado a la jaula de Faraday, que se encontraba conectada a un electrómetro sobre la interfase del programa Data Studio, sin embargo a diferencia de las experiencias pasadas en este caso además de introducir en la jaula el portador de cuero, se toco la jaula con el dedo haciendo contacto a tierra. El experimento arrojo una grafica de Carga Vs. donde se adquirió que el productor de cuero poseía una carga positiva de aproximadamente de y después a descendió y paso a ser negativa al hacer el contacto a tierra hasta . El experimento se realizo en un promedio de 8 seg aproximadamente.
Esta fue la grafica recibida:
Distribución de la carga sobre una superficie: Se tomo una esfera cargada positivamente por medio de una fuente, y se acerco otra esfera con carga neutra, se cuantifico el valor de las cargas en cuatro puntos distintos sobre la esfera que inicialmente estaba neutra, en la parte próxima a la esfera positiva marco carga negativa de -0.0007 aproximadamente, y en las tres partes restantes (al lado opuesto de la medida anteriormente y las dos laterales) marco positivo con valores de aproximadamente. Es experimento fue realizado en un tiempo de 20 seg aproximadamente.
Esta fue la grafica recibida:
Esfera Polarizada con contacto a Tierra:
La esfera ya polarizada se le realizo un contacto a tierra y marco un valor de .
Esta fue la grafica recibida:
ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Inicialmente se logra analizar que al frotar los dos productores entres si y obtener los datos se expresa claramente que el productor blanco posee carga positiva y claramente ocurre esto por que el material es cuero y el cuero posee propiedades eléctricas las cuales donan electrones con gran facilidad (propiedad intrínseca). Mientras que el productor de carga azul es Polimetilmetacrilato o conocido común mente como acrílico el cual posee al igual que el primer material propiedades especificas como donar mas recibir más fasilmente electrones. En cargas por inducción se observo que al tocar la jaula de Faraday estando dentro de ella el productor de cuero (blanco), la medición de la jaula tiende a invertirse, la razón de esto es que al tocar la jaula con el dedo, se hace contacto con tierra, cargando la Jaula positivamente con una carga igual y opuesta a aquella del productor que esta cargado del signo contrario (negativo). En el caso del productor de carga azul el proceso es el mismo solo que cambiaria los signos y la tendencias de las cargas (ver graficas).
En cargas por contacto tenemos que al tocar directamente la Jaula de Faraday conectada al borde positivo con el productor de acrílico (azul), los electrones se transfieren a la jaula quedando esta cargada negativamente, cuando se procede a tocar esta con la carga positiva la jaula arroja carga positiva, y posteriormente también queda cargada positivamente.
Respecto a la grafica correspondiente a la distribución de cargas sobre una superficie se observa que la esfera cargada positivamente, induce una carga negativa en el lado próximo a la esfera neutra por la ley 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 y las partes restantes cargadas positivamente.
Posteriormente al realizar contacto con tierra sobre la esfera polarizada los electrones de la misma entran sobre la esfera y se realiza un proceso de distribución de carga dejando la esfera cargada negativamente.
Estas son algunas preguntas relacionadas con la experiencia dividida en dos grupos:
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 como cada productor obtuvo esa carga.
R/ El productor blanco antes de la experiencia poseía una carga neutra, ya que previamente fue descargado por contacto a tierra que le suministramos, después al ejercer la frotación quedo cargado positivamente; de igual manera el productor azul al inicio poseía carga neutra por lo explicado con el productor blanco anteriormente, pero con una carga final negativa después de la frotación.
El productor blanco es de cuero y el productor azul es acrílico (Polimetilmetacrilato), al ser frotados ambos materiales el cuero Posee una propiedad intrínseca de el como tal de donar electrones, y a su vez el acrílico posee también una propiedad de se un excelente aislante eléctrico, de manera que por propiedades de materiales quedan cargados positivo y negativo respectivamente.
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.
R/ Se observa en la grafica que arroja data estudio que al introducir el productor se muestra un incremento en el eje de las Y (carga) o decrece en el mismo eje dependiendo si la carga usada fue positiva o negativa respectivamente, y al sacar el probador la carga marcada se neutraliza marcando 0; sin embargo cuando el probador hace contacto físico con la jaula de Faraday ocurre el mismo fenómeno solo que al ser retirado el probador la carga no llega a 0, sino solo disminuye un poco pero no llega a carga 0 (limite).
En el primer caso sucede el fenómeno por que al introducir la carga por inducción a la jaula de Faraday esta produce un campo, y al ser retirado seguidamente el campo se va con el mismo probador; caso diferente sucede al hacer contacto con la jaula ya que en este proceso si hay intercambio de cargas, posteriormente al retira el probador la jaula queda con algo de carga, y eso es lo marcado en las graficas obtenidas.
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?.
R/ En relación a la carga por inducción al acercar la esfera con carga neutra a la esfera conectada con carga positiva ocurre un fenómeno llamado polarización, este es un fenómeno de redistribución de cargas donde estas mismas son separadas entre si, la parte mas cercana de la esfera neutra ala positiva queda con carga negativa atraída por la esfera positiva, y en las otras paredes (laterales y la que no tiene contacto directo) quedan cargadas positivamente.
· Preguntas problematológicas:
Pregunta 1: Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el frotamiento con otro cuerpo?
R/ Esto va de acuerdo los dos materiales usados en el experimento y sus propiedades, existe un término llamado electroafinidad, un cuerpo es mas electroafín cuando tiene la facilidad de tomar los electrones del otro; en este caso el material mas electroafin quita los electrones del otro material dejando al afectado solo con carga positiva después del intercambio. Y Por otra parte el segundo cuerpo sede muy fácilmente sus electrones.
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?
R/ Momentáneamente se descarga, ya que se realiza lo conocido como polo a tierra o contacto con la tierra, y parte de la energía suministrada fluye a tierra y viceversa. Posteriormente al retirar el contacto con la tierra aumenta la carga marcada debido a que el probador aun posee carga.
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?
R /Después de retirar el probador la jaula queda con carga menor en valor absoluto de la que tenia anteriormente, mas no queda con carga neutra.
Pregunta 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.
R/ No hubiese ocurrido el mismo fenómeno ni se hubiese obtenido los mismos datos ya que el Polo a tierra establecido por el dedo descargaría la jaula y llevado la carga hacia tierra, y teóricamente quedaría con carga neutra.
CONCLUSIONES
A partir de los experimentos y los datos obtenidos en la electrificación de cuerpos y conservación de cargas eléctricas se concluye con una base empírica que la ley de cargas se mantiene estable y verdadera para todo contexto, es decir se probo la propiedad de la invariancia relativista pues nos damos cuenta que no importa en que escenario ni el contexto que tomemos, siempre se encontraran los mismos resultados expuestos por las graficas. De igual manera encontramos que los comportamientos se mantienen constantes mientras la situación se mantenga también constante, debido a que la carga neta sobre un cuerpo permanece constante basándonos en concepciones ideales; en valores de cargas un cuerpo cargado no es solo positivo o negativo, solo que posee en mayor proporción una carga.
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 a través 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 y a su vez quedando las partes restantes inverso al signo obtenido en la parte de contacto directo con el otro cuerpo, razón que vuelve clara la hipótesis de distribución de cargas, si por el contrario las esferas fueran aislantes fuera mas tedioso implantar cargas en ellas y de igual manera al ser huecas las cargas situadas se ubican en la superficie y colaboro en encontrar la carga final de la esfera con la que se hizo contacto a tierra, lo que nos facilito la elaboración de la experiencia.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
Olivos y D. Castro, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, 1ra Edición, Ediciones Uninorte (2008).
J. wilson y A. Buffa , Física , 5ta Edición , Pearson Educacion (2003).
http://es.wikipedia.org/wiki/Polarizacion_electrica
