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Febrero 15, 2010 Código: 1695 Laboratorio 1 de Física Electricidad

Departamento de Física © Ciencias Básicas Universidad del Norte

LABORATORIO 1: FORMAS DE CARGAR UN CUERPO Vanessa Aarón Henríquez vaaron@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

Andrés Ortega Ariza arortega@uninorte.edu.co Ingeniería de Sistemas

Eduanis Salazar Rivera eduaniss@uninorte.edu.co Ingeniería Electrónica

RESUMEN Utilizando la jaula de Faraday, esferas metálicas, productores y transportadores de carga se estudiaron las distintas formas de cargar un cuerpo y las posibles causas del margen de error durante la toma de datos, en ánimo de proponer mejoras para futuros procedimientos experimentales. ABSTRACT Using the Faraday shield, metal spheres, charge producers and transporters there has been studied different ways to charge an object and possible causes of the margin of error during the data gathering, with the intention of proposing improves for future experimental procedures. OBJETIVOS General: 1. Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. Específicos: 1. Determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso de electrificación. 2. Cargar un cuerpo por fricción, contacto e inducción. 3. Comparar la distribución de carga eléctrica en un cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción.

Febrero 15, 2010 Código: 1695 Laboratorio 1 de Física Electricidad

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 1. Carga por fricción. Se frotaron las superficies de los productores de carga, y fueron puestos cada uno dentro de la jaula de Faraday, sin tocar sus rejas. Se empieza la toma de datos con data studio. La figura 1.1 muestra los resultados recogidos.

Fig. 1.1. Gráfico del productor de carga blanco al ponerlo dentro de la jaula, retirarlo y seguidamente poner el productor de carga azul dentro de ella.

Resultados obtenidos: A los 1.5 segundos se introdujo el productor de carga blanco, la carga en la gráfica asciende y nos muestra que la superficie se encuentra cargada positivamente con el valor de 4x10-3 µC. Después de sacar el productor de carga blanco la grafica vuelve a cero y en este momento se continúa con el productor de carga azul y la grafica desciende hasta mostrar que la superficie se encontraba cargada negativamente con el valor de -4x10-3 µC.

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2. Carga por contacto. Luego de frotar los productores de carga entre sí, se puso primero el azul dentro de la jaula de Faraday; luego se tocó la jaula con éste y se retiró del interior de la jaula, para luego descargarla con el botón zero. La fig. 2.1 muestra los resultados obtenidos.

Fig. 2.1. Gráfico del productor de carga azul al ponerlo dentro de la jaula, tocarla con éste, retirarlo y descargarla con el botón zero.

Resultados obtenidos: Al insertar el productor de carga azul, la grafica desciende hasta llegar a un valor de -5x10-3 µC, luego se tocó la jaula y la grafica descendió otro poco hasta llegar a un valor de -5.5x10-3 µC, se saca la superficie azul y la grafica asciende hasta quedar en el valor de -1x10-3 µC. Luego se descarga la jaula con el botón zero. El proceso se repitió con el productor de carga blanco. La fig. 2.2 muestra los resultados obtenidos.

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Fig. 2.2. Gráfico del productor de carga blanco al ponerlo dentro de la jaula, tocarla con éste, retirarlo y descargarla con el botón zero.

Resultados obtenidos: Al insertar el productor de carga blanco, la grafica asciende hasta llegar a un valor de 2x10-3 µC, luego se toco la jaula y la grafica ascendió otro poco hasta llegar a un valor de 2.5x10-3 µC, se saca la superficie azul y la grafica desciende hasta volver a quedar en el valor de 2x10-3 µC. Luego se descarga la jaula con el botón zero.

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3. Carga por inducción. Luego de frotar los productores de carga entre sí, se puso primero el azul dentro de la jaula de Faraday, sin tocar sus rejas. Luego un miembro del grupo puso su dedo sobre la jaula. Luego retiró el productor de carga y el dedo de la jaula. El programa data studio recogió los siguientes datos de la carga:

Fig. 3.1. Gráfico del productor de carga azul al ponerlo dentro de la jaula, seguidamente poner el dedo sobre ella y quitarlos a los dos.

Resultados obtenidos: De 0 a 1,5 segundos de iniciada la toma de datos no se presenta una carga considerable en la jaula de Faraday hasta que el productor de carga azul es introducido en ella. A partir de ese instante, la jaula adquiere una carga de -6*10-3 µC. Cuando el miembro del grupo tocó la jaula, la carga subió hasta hacerse cero casi al mismo ritmo en que subió al introducir el productor de carga, tardando este proceso unos 2,5 segundos. Al retirar tanto el dedo como el productor de carga, la carga en la jaula de Faraday se hizo 1*10-3 µC, que tardó aproximadamente 1 segundo en desaparecer.

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Luego de descargar la jaula con el botón zero, se repitió el mismo proceso, ahora con el productor de carga blanco. El siguiente gráfico muestra los resultados obtenidos.

Fig. 3.2. Gráfico del productor de carga blanco al ponerlo dentro de la jaula, seguidamente poner el dedo sobre ella y quitarlos a los dos.

Resultados obtenidos: De 0 a 1,5 segundos de iniciada la toma de datos no se presenta una carga considerable en la jaula de Faraday hasta que el productor de carga blanco es introducido en ella. A partir de ese instante, la jaula adquiere una carga de 2*10 -3 µC. Cuando el miembro del grupo tocó la jaula, la carga bajó hasta hacerse cero en casi dos décimas de segundo. Al retirar tanto el dedo como el productor de carga, la carga en la jaula de Faraday se hizo -2*10-3 µC, y permaneció constante hasta el fin de la toma de datos.

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4. Distribución de la carga por una superficie. Se tomaron dos esferas de metal distanciadas una de la otra a 50 cm. Una cargada positivamente y una previamente descargada como lo muestra la figura 4.1.

50 cm

Fig. 4.1. La esfera de la izquierda está descargada mientras que la de la derecha está cargada positivamente.

El siguiente gráfico muestra la carga de la esfera de la izquierda mientras permanece separada de la esfera de la derecha. La carga se midió utilizando un transportador de carga llevado a la jaula de Faraday.

Fig. 4.2. La esfera de la izquierda muestra una pequeñísima carga negativa, probablemente como resultado del ambiente.

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Como se muestra en la fig. 4.2, la carga presente en la esfera medida en muchos puntos es casi cero. Luego se acercó la esfera descargada a 1 cm de la esfera cargada positivamente y se tomaron medidas de la carga de la esfera descargada.

Fig. 4.3. La esfera de la izquierda al acercarse a la esfera cargada positivamente, la esfera adquirió una carga negativa, en poco porcentaje.

Luego de juntarlas, uno de los miembros del grupo tocó la esfera de la izquierda y la separó de la esfera cargada positivamente por conexión y se tomó medidas de la carga de la esfera luego de separada.

Fig. 4.4. La esfera de la izquierda luego de ser separada y tocada por uno de los miembros del grupo. En algunos puntos presentaba cargas positivas.

En el siguiente gráfico se muestra la carga de la esfera descargada al juntarse con la esfera cargada positivamente.

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Fig. 4.5. Carga de la esfera de la izquierda, luego de alejarla de la esfera cargada positivamente y ser tocada por un miembro del grupo.

Resultados obtenidos: En un punto lejano a la superficie que permaneció mas cerca de la esfera cargada durante la aproximación, la carga fue de sólo -7.32x10-5 µC; en el punto que mayor cercanía tuvo a la esfera cargada durante la aproximación, la carga fue de -1.099x10-4 µC.

ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS En el primer punto, carga por fricción, se observa que las cargas en cada uno de los productores tenían una magnitud casi idéntica, difiriendo del signo de éstas; esto se dio gracias a que la toma de datos se dio en el mismo frotamiento y no hubo tiempo considerable entre la lectura de datos para el productor de carga blanco y el productor de carga azul. Los resultados van acorde con las teorías sobre carga por fricción y se puede inferir que los electrones liberados durante la fricción permanecieron en el productor de carga azul.

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En el segundo punto, carga por contacto, las cargas de los productores no tenía una magnitud idéntica debido a que fueron cargadas por distintas fricciones. Al entrar la jaula de Faraday en contacto con cualquiera de los productores de carga, se observa que su carga en ella aumentaba en magnitud; su dirección era la misma que la leída mientras el productor de carga estaba dentro de ella. Se observa en ambos casos que luego del contacto, sin importar que el productor de carga estuviese dentro de la jaula o no, la jaula permaneció cargada, es decir, por simple contacto se transfirieron electrones, sea de la jaula al productor o viceversa; sin embargo, en el caso del productor de carga azul, la jaula permanecía cargada al ser éste retirado, pero no en igual magnitud, como ocurre en el caso del productor blanco. En el tercer punto, carga por inducción, las cargas de los productores no tenían magnitudes idénticas debido a que fueron cargadas por distintas fricciones. La toma de datos en cuanto al productor de carga blanco estuvo de acuerdo con lo esperado, pero, al igual que en el segundo punto, la toma de datos en cuanto al productor de carga azul no estuvo cercana a lo esperado; la carga de la jaula debió ser de igual magnitud que la del productor de carga luego de retirarlo de su interior, pero ésta sólo se presentó en una sexta parte que se hizo cero sin necesidad de aterrizarla ni con los dedos ni con el botón zero. En el cuarto punto, distribución uniforme de la carga, la esfera que debió haber respondido al proceso de carga por inducción de tal manera que ésta quedase cargada negativamente y, al ser separada y tocada por uno de los miembros del grupo, haberse distribuido uniformemente la carga en toda su superficie, no presentó favorablemente dichos resultados. La carga leída sobre ella era negativa, pero demasiado pequeña. Una posible causa de ello fue el hecho de que todos los miembros del grupo nos encontrábamos cargados (las sillas donde nos encontrábamos contribuían activamente con ello); en éste y en los procedimientos anteriores (especialmente en el de carga por inducción) los resultados pudieron haber sido alterados debido a ello. Cómo funciona la jaula de Faraday 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. 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 está 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, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a cero.

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CONCLUSIONES En la medida que se fue desarrollando este laboratorio se descubrieron unas proposiciones finales, a las que se llegaron después de la consideración de la evidencia y de las discusiones en la parte experimental, dentro de las cuales hacen parte: Porcentaje de error debido a los materiales utilizados: Es evidente que éste se originó en parte por uso de elementos del laboratorio (en especial consideración el productor de carga azul) que, debido a su reutilización, trae como consecuencia el desgaste de estos y la información errónea que se trasmite al computador. Se podría considerar de gran ayuda el trabajar con materiales nuevos si lo que se quiere es una efectividad reconocible. Campo eléctrico del cuerpo humano y del medio: El cual interfiere en los resultados ya que los miembros del grupo no se encuentran completamente aislados de las cargas del medio y las fricciones mínimas traen consigo una lectura errónea de los datos. Se recomendaría que los miembros utilicen calzado que los aísle de la tierra, se mantengan alejados entre sí, permanezcan de pie durante las tomas de datos, aterricen siempre la jaula de Faraday con el botón zero y no con sus dedos y utilicen guantes de material aislante como el hule.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Castro, D. Burgos, A. (2008). FÍSICA ELECTRICIDAD PARA ESTUDIANTES DE INGENIERÍA. Barranquilla: Colombia. Ediciones Uninorte.


Primer laboratorio - formas de cargar un cuerpo