Febrero 18 del 2009 Departamento de Física Laboratorio de Física electricidad ciencias básicas Universidad Del Norte – Colombia ELECTROSTATICA Blanco Rigoberto, Ángel Gutiérrez, Alexandra Solano, David Russi. Email: rdelaossa@uninorte.edu.co , angelg@uninorte.edu.co, salexandra@uninorte.edu.co , russid@uninorte.edu.co
RESUMEN En la presente experiencia científica se pudo comprobar y estudiar los diferentes sistemas de transmisión de cargas eléctricas. Inducción, fricción y contacto por medio de análisis científicos con la jaula de Faraday y dos esferas cargadas. Al comparar y analizar diferentes resultados científicos se pudo conocer también que fenómenos influyen y bajo que circunstancias se pude optimizar la experiencia. Abstract In this scientific experiment could verify and study the various transmission systems of electric charges. Induction, friction and contact through scientific analysis with the Faraday cage and two charged spheres. By comparing and analyzing different scientific results are also aware that events could influence and under what circumstances it could optimize the experience
Introducción. Hoy en día en los campos de ingeniería; es de vital importancia el conocer los efectos eléctricos en los cuerpos y como estos influyen en su comportamiento. El presente informe contiene una experiencia científica realizada por estudiantes de ingeniería de la universidad del norte en la cual constataron y analizaron los mecanismos básicos de transmisión eléctrica. Para ello se uso el software data Studio con el cual se pudo obtener datos prácticos que permitieron el entendimiento del proceso. Objetivos Entender, comprender y analizar la forma de cargar un cuerpo por fricción. Entender, comprender y analizar la forma de cargar un cuerpo por contacto. Entender, comprender y analizar la forma de cargar un cuerpo por inducción. Analizar el comportamiento grafico en cada uno de los anteriores procesos.
Marco teórico
Carga por contacto Es la que se da cuando por la simple interacción de dos cuerpos cargados hay transmisión de electrones. En este tipo de carga a que resaltar que no todos los cuerpos tienen la misma capacidad de carga ya que este puede ser un buen o un mal conductor. Al poner el ejemplo de la varilla cargada que toca un cuerpo neutro, si el cuerpo es bueno conductor bastaría con que la varilla lo toque en un solo punto de ser contrario seria necesario el contacto en diferentes puntos. Carga por inducción. Este proceso de carga es aquel que se presenta entre dos cuerpos que no tienen contacto. Durante este proceso se lleva un cuerpo cargado hacia otro lo mas cerca posible sin que haya contacto al hacerlo los electrones de valencia de uno serán atraídos por el otro cuerpo y cada uno obtendrá una carga. Carga por fricción. Mecanismo de carga en el cual dos cuerpos se frotan y uno desprende electrones y el otro gana quedando así ambos cargado, con cargas opuestas entre si. Ejemplo entre la seda y un vidrio que se frotan o un pedazo de cuero que se frota sobre una superficie acrílica.
Ley de Coulomb La ley de Coulomb es válida sólo en condiciones estacionarias, es decir, cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximación cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilíneas uniformes. Es por ello que es llamada fuerza electrostática. En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales y ejerce sobre la otra separadas por una distancia se expresa como:
Dadas dos cargas puntuales y separadas una distancia en el vacío, se atraen o repelen entre sí con una fuerza cuya magnitud está dada por:
La Ley de Coulomb se expresa mejor con magnitudes vectoriales:
donde es un vector unitario que va en la dirección de la recta que une las cargas, siendo su sentido desde la carga que produce la fuerza hacia la carga que la experimenta. Al aplicar esta fórmula en un ejercicio ,se debe colocar el signo de las cargas q1 o q2 ,según sean éstas positivas o negativas. El exponente (de la distancia: d) de la Ley de Coulomb es, hasta donde se sabe hoy en día, exactamente 2. Experimentalmente se sabe que, si el exponente fuera de la forma , entonces
.
Representación gráfica de la Ley de Coulomb para dos cargas del mismo signo. Obsérvese que esto satisface la tercera de la ley de Newton debido a que implica que fuerzas de igual magnitud actúan sobre y . La ley de Coulomb es una ecuación vectorial e incluye el hecho de que la fuerza actúa a lo largo de la línea de unión entre las cargas.
Campo Eléctrico Durante un día completo estamos expuestos muchos campos eléctricos, pero normalmente no los percibimos. Un campo eléctrico surge de comprender que fuerza puede realizar esa carga si otra de igual o diferente carga estuviera situada en ese lugar determinado “la fuerza eléctrica sobre un cuerpo con carga es ejercida por el campo eléctrico creado por otros cuerpos con carga.” Debido a que la fuerza tiene una magnitud vectorial el campo también tiene una magnitud vectorial como el campo eléctrico esta relacionado directamente con la distancia a la que nos encontremos de la carga se puede hablar de intensidad del campo.
Materiales y procedimientos. Materiales. 1. Dos esferas con recubrimiento metálico. 2. Jaula de Faraday 3. 1 transportador de carga.(metálico) 4. Dos productores de carga (cuero, acrílico) 5. Generador de carga. 6. Software data Studio.
Fig.1.1
Procedimientos Esta experiencia se dividió en tres partes. La primera parte. Obtención de carga por fricción. Aquí se tomaron los dos productores de carga. Y se frotaron hasta estar completamente cargados después se prosiguió a insertar uno de estos dentro de la jaula de faraday y observar en la grafica el comportamiento. Una vez tomado los resultados se vio que en la grafica de uno de los dos productores la carga era positiva (describía una parábola hacia abajo) y en la otra la carga era negativa (una parábola hacia arriba) esto se debe a que hubo un proceso de ganancia y cedencia de electrones. Un detalle muy importante que cabe resaltar es que durante esta primera parte de la experiencia la jaula no fue tocada por ninguno de los generadores de carga cuando estos fueron introducidos en esta. De hay el comporta creciente, sostenible y decreciente en la línea de la grafica q vs t. esto se ve en que cuando el generador es introducido y se mantiene dentro de la jaula la carga crece y se mantiene cuando este es retirado la carga decrece. La figura 1.2 ilustra el proceso de cómo se obtenía la carga por fricción al frotar los dos productores de carga.
Figura 1.2
Segunda parte. Obtenciรณn de carga por Inducciรณn. Para esta parte de la experiencia se utilizaron dos esferas con recubrimiento metรกlico una cargada y la otra neutra sobre una base aislante. Lo primero que se prosiguiรณ a hacer fue; cargar una esfera con uno generador de carga a un voltaje de unos 3000 volteos. Una vez esta quedo cargada se prosiguiรณ a acercarla poco a poco a la esfera neutra y guardando cierto radio de distancia, se tomo el transportador de carga y se cargo. Al cargarlo por contacto en diferentes puntos de las dos esferas se obtuvieron los datos en los cuales claramente se vio que la esfera neutra obtuvo una carga en la superficie cerca de la otra esfera y obtuvo una carga de signo contrario sobre su otro extremo. La figura 1.3 ilustra el momento en el que las dos esferas son juntadas una con carga y la otra neutra.
Figura 1.3
Como se explico anteriormente. la esfera cargada, Tenia una carga positiva, al acercarla a la esfera neutra esta comenzó a jalar los electrones valencia hasta atraerlos a su superficie dejando sobre la otra superficie un poco numero de electronos con un mayor numero de protones. Estos resultados se pueden corroborar en las graficas arrojadas por el software data studio. La cual muestra que sobre un lado de la esfera la carga es negativa y sobre el otro muestra que esta es positiva.
Tercera parte. Obtención de carga por contacto. En esta parte de la experiencia se cargaron primero los productores de carga por fricción y se realizo lo mismo que en la primera parte pero con la diferencia de que al introducir los productores de carga dentro de la jaula de faraday, estos tuvieran contacto con esta en cualquiera de sus puntos. Los resultados obtenidos en las graficas son muy evidentes ya que se ve que claramente la carga se mantiene constante en la jaula y no desaparece esto quiere decir que dejamos nuestro cuerpo cargado.
Figura 1.4
En la figura 1.4 se muestra el instante en el que en productor de carga es introducido en la jaula pero esta vez teniendo contacto con esta.
Análisis de datos.
Carga por fricción. En la figura 1.5 se muestra el efecto generado por la carga por fricción insertando cada uno de los productores de carga en la jaula de faraday nótese que como estos no hicieron contacto con la jaula. La carga de la jaula disminuyo a cero una vez fueron retirados.
Figura. 1.5
Los dos materiales productores de carga utilizados fueron el cuero y acrĂlico en la anterior grafica se ve que el elemento de acrĂlico obtuvo una carga positiva mientras que el elemento de cuero Fig. 1.6, obtuvo una carga negativa
Figura. 1.6
Carga por inducci贸n.
Parte izquierda de la esfera neutra. Esta parte fue la que se encontraba m谩s lejana a la esfera cargada. en los resultados se puede ver claramente que sobre esa superficie prevalec铆a una carga positiva. esto se debe ya que los electrones libres fueron arrastrado hacia la superficie de la esfera cargada dejando el lado derecho en desequilibrio.
Figura. 1.7
Parte izquierda esfera neutra. Esta fue la parte cercana a la esfera cargada. Como la esfera cargada tenia una carga positiva esta lo que hizo fue a arrastrar los electrones de valencia de la esfera neutra dejando sobre esta superficie una carga negativa. En la figura 1.8 se puede ver el fen贸meno.
Figura. 1.8
Nota. Cabe resaltar y explicar que en ambas graficas de esta parte del experimento el valor de su carga al principio no empieza en 0 ni termina en 0. esto se debe al ambiente donde fue realizada la experiencia y a la presencia de otros cuerpos productores de carga cercanos a ella. Carga por contacto. En la figura 1.9 se ve el comportamiento del elemento de acrílico cargado. se puede ver que su carga es negativa pero en contraste con la forma como fue cargado por fricción vemos que aquí la carga se mantiene y dura aun cuando el productor de calor es retirado de la jaula de faraday dado esto se puede decir que la jaula quedo cargada negativamente.
Figura. 1.9 En la figura 1.10 se puede ver la carga obtenida por la jaula de faraday al ser introducida en esta el elemento de cuero cargado. Vemos que al igual que en el acrílico la carga se mantiene en la jaula aun cuando el productor es retirado en este caso podemos decir que la jaula fue cargada positivamente.
Figura 1.10
Conclusiones Al realizar completamente la experiencia se comprendió el fenómeno de carga eléctrica y los mecanismo mas convencionales como esta se puede producir. Fricción, inducción y contacto. Se pudo concretar fundamentos que impliquen la explicación de fenómenos como lo son el polo tierra. (cargando un cuerpo y conectándolo a una fuente finita de carga neutra (la tierra) se puede obtener este). Establecer las diferencias entre los diferentes tipos de cargas entre por contacto e inducción fundamentalmente. Y se pudo conocer en que entornos de la vida real se encuentran este tipo de formas de cargar un elemento.
Referencias bibliográficas
SEARS, ZEMANSZY, YOUNG, FREDDMAN, Física universitaria, Undécima edición, volumen II, Ed. Pearson educación, México 2004. CASTRO CASTRO, Darío, Física Electricidad para estudiantes de ingeniería, Primera edición, Volumen I, Ed. Uninorte, Barranquilla Colombia, 2008. http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Coulomb http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica SERWAY, Raymond A, Física, Tercera edición, Tomo II, Ed. Mc Graw Hill, Colombia 1982.