Agosto 20, 2009 Departamento de Física
Laboratorio de Física electricidad ciencias básicas
Universidad Del Norte – Colombia
ELECTROSTATICA
Rada Ariza Carlos Alfonso Laino Dario
Email: carada@uninorte.edu.co Email: laino@uninorte.edu.co
Ing. Mecánica. Ing. Industrial.
Abstract
During this experiment was to analyze the scientific phenomena of the electric charge and the fields produced by it. Using the different charging system, such as contact and induction. Using the Faraday cage and two metal spheres can describe how the load off the different environments where they are.
Laboratorio de Física electricidad ciencias básicas
Universidad Del Norte – Colombia
ELECTROSTATICA
Rada Ariza Carlos Alfonso Laino Dario
Email: carada@uninorte.edu.co Email: laino@uninorte.edu.co
Ing. Mecánica. Ing. Industrial.
Abstract
During this experiment was to analyze the scientific phenomena of the electric charge and the fields produced by it. Using the different charging system, such as contact and induction. Using the Faraday cage and two metal spheres can describe how the load off the different environments where they are.
Resumen
Durante esta experiencia científica se pudo analizar los fenómenos de la carga eléctrica y los campos producidos por la misma. Utilizando los distintos procesos de carga para un sistema, como lo es el contacto y la inducción. Utilizando la Jaula de Faraday y dos esferas metálicas podemos describir como se comporta la carga frente a los diferentes entornos en los que se encuentren.
Introducción y objetivos
En la civilización es muy importante entender los fenómenos de la carga ya que mucho de las cosas que utilizamos diariamente sufren sus efectos. Con la realización de estas experiencias podemos cuantificar mucho de los fenómenos que normalmente no son perceptibles ante nuestros sentidos, a través del programa data estudio y un sensor de carga se puede obtener el signo de la carga, y comparar la distribución de carga en un sistema conductor como lo es el metálico. La jaula de Faraday (explicada en la anterior entrada) es muy útil en estos casos ya que nos permite medir la carga en si, ya sea por el fenómeno de inducción o por contacto.
Durante el procedimiento se puede esperar que las cargas se polaricen en un objeto dejando las cargas negativas de un lado y las positivas en el otro. Es también muy probable que durante la medida de la carga, esta dependa del elemento que al frotarse se ponga en medición, ya que las cargas pasan de un elemento a otro acumulándose de manera temporal.
Marco teórico
Carga por contacto
Esta forma de carga nos dice que mientras dos objetos se encuentren en contacto estos pueden transferir carga de manera directa. En este punto hay que hacer un alto ya que existen materiales que son mejores conductores que otros y permiten el flujo rápido mientras que otros los obstruyen. De este modo se observa la distribución carga a través de un objeto la cual puede ser lenta o muy rápida dependiendo del material.
Carga por inducción
El proceso de carga por inducción se presenta al cargar un objeto sin tener contacto con él. Durante el proceso de inducción es necesario llevar un objeto muy cerca al otro, al punto tal que los electrones libres son atraídos por el otro cuerpo. Este fenómeno también puede ocurrir cuando un conductor cargado se acerca a otro conectado a tierra, este fenómeno se presenta por el polo a tierra que desvía las cargas de manera directa al otro conductor descargado. Este fenómeno se presenta mucho en las tormentas eléctricas.
Ley de Coulomb
Descubierta por Charles Augustin Coulomb en 1784. Describe claramente como se comporta las fuerzas de interacción entre las partículas con carga eléctrica. Utilizando una balanza de torsión muy parecida a la Cavendish utilizada 13 años después, esta media de manera muy practica la fuerza que podrían tener dos cuerpos cargados eléctricamente. La ley enuncia claramente como dos cargas puntuales (puntuales se refiere que pueden tratarse como puntos en relación con el sistema a donde se encuentran) presentan un relación de fuerza totalmente dependiendo al radio de separación de donde se encuentre. “La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancias que las separa”. Matemáticamente podría enunciarse a través de esta forma:
(1)
Donde k es una constante de proporcionalidad cuyo valor numérico depende del sistema de unidades que se utilice. La dirección de la fuerza depende del signo que estas posean ya que signos de cargas iguales se repelen y signos de cargas distintas se atraen. La unidad carga eléctrica en SI es el Coulomb (1C) y la constante k en SI es.
El valor de k esta muy relacionado con la rapidez de la luz en el vacio y también se puede escribir como:
En unidades de SI k también puede escribirse como 1/4πε0 donde ε0 es otra constante rescribiendo la ecuación de esta manera:
(2)
Donde:
Debe resaltarse también que la carga mínima o fundamental es la de un electrón o de un protón la cual es:
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.
(3)
Procedimiento Experimental
El método utilizado para poder analizar el comportamiento de las cargas fue a través de la jaula de Faraday la cual conectada aun sensor de carga pudo obtener valores de los diferentes objetos cargados que se sometieron a las medidas ene este caso las dos productores de carga (uno de cuero y el otro de polímero los cuales al frotarse quedaban cargados por fricción). Después de haber observado como el campo es neutralizado por la carga y medido por el sensor se prueba se pudo observar como el polo atierra generado por el contacto con la jaula pudo generar un proceso de inducción.
Luego de registrar los datos en Data estudio procedimos a examinar el fenómeno dela redistribución de carga después de haber sometido a una esfera al contacto y después acercarla a otra esfera que estaba cargada positivamente por un generador de voltaje, de manera siguiente se procedió a realizar las medidas con un productor que en la parte final estaba hecho de metal este se sometió a el contacto con diferentes polos de la esfera y quedaron cargados de manera distinta. Analizando de esta manera como se distribuyen las cargas a través de una superficie.
Datos obtenidos
Análisis y discusión de los resultados
Durante la experiencia se pudieron observar muchos fenómenos de la carga uno de estos pudo verse al cargar un cuerpo por fricción, en la cual se pudo cuantificar la carga positiva que producía el generador de carga hecho con cuero y el de carga negativa representada por el generador de carga hecho de polímero. Los cual al ser introducidos en la jaula de Faraday tenían cargas iguales pero opuestas. Esta experiencia pudo mostrarnos el fenómeno de carga por fricción y carga por inducción ya que al frotarse los generadores se cargan por fricción y al colocarlos a la medida a la jaula de Faraday con el sensor de carga, este daba las lecturas correspondientes. A pesar de que en la Grafica 1 se puede observar que las lecturas no son talmente perfectas, esto es debido a los instrumentos utilizados y las condiciones ideales para que esta se realice.
En la segunda experiencia se pudo analizar clara mente el fenómeno de polo a tierra el cual convertía por así decirlo, la lectura del sensor en forma opuesta esto es visto cuando al introducir un generador de carga y un miembro del grupo genera el polo atierra con tocar la jaula , aquí se logra ver el decaimiento de el signo de la carga todo esto debido al desvió que genera el polo a tierra, esto hace parte del fenómeno de inducción en el cual no es necesario esta en contacto con el cuerpo. En esta parte de la experiencia se tuvo problemas con respecto a la grafica ya que por lo general esta respondía de manera muy rápida y realizaba picos en la graficas los cuales no nos permitían describir el comportamiento genuino (Grafica 2).
En la tercera experiencia era necesario comprender lo peligroso de dañar algún medidor, ya que existía el riesgo de que el generador fundiera los sensores, después de esto se puso en contacto con una esfera y se logro observar como se redistribuyen las cargas después de estar sometidas a un campo eléctrico. En esta parte se utilizó el generador metálico para que este quedara cargado con la del correspondiente signo que se encontraba en cada uno de los polos de la esfera, se debe resaltar que una de las esferas estaba conectada a un generador el cual repelía las cargas positivas y atraías las negativas polarizando la esfera de manera temporal. Es en este punto cuando comienza el proceso de toma de datos, los resultados no fueron los esperados, pero esto no sucedió por incumplimiento de las leyes que la rigen, si no por que la lateralidad de los polos no fue la esperada, explicando de manera más clara: donde se esperaba que fuera negativa esta era positiva y viceversa.
Durante la experiencia se pudieron observar muchos fenómenos de la carga uno de estos pudo verse al cargar un cuerpo por fricción, en la cual se pudo cuantificar la carga positiva que producía el generador de carga hecho con cuero y el de carga negativa representada por el generador de carga hecho de polímero. Los cual al ser introducidos en la jaula de Faraday tenían cargas iguales pero opuestas. Esta experiencia pudo mostrarnos el fenómeno de carga por fricción y carga por inducción ya que al frotarse los generadores se cargan por fricción y al colocarlos a la medida a la jaula de Faraday con el sensor de carga, este daba las lecturas correspondientes. A pesar de que en la Grafica 1 se puede observar que las lecturas no son talmente perfectas, esto es debido a los instrumentos utilizados y las condiciones ideales para que esta se realice.
En la segunda experiencia se pudo analizar clara mente el fenómeno de polo a tierra el cual convertía por así decirlo, la lectura del sensor en forma opuesta esto es visto cuando al introducir un generador de carga y un miembro del grupo genera el polo atierra con tocar la jaula , aquí se logra ver el decaimiento de el signo de la carga todo esto debido al desvió que genera el polo a tierra, esto hace parte del fenómeno de inducción en el cual no es necesario esta en contacto con el cuerpo. En esta parte de la experiencia se tuvo problemas con respecto a la grafica ya que por lo general esta respondía de manera muy rápida y realizaba picos en la graficas los cuales no nos permitían describir el comportamiento genuino (Grafica 2).
En la tercera experiencia era necesario comprender lo peligroso de dañar algún medidor, ya que existía el riesgo de que el generador fundiera los sensores, después de esto se puso en contacto con una esfera y se logro observar como se redistribuyen las cargas después de estar sometidas a un campo eléctrico. En esta parte se utilizó el generador metálico para que este quedara cargado con la del correspondiente signo que se encontraba en cada uno de los polos de la esfera, se debe resaltar que una de las esferas estaba conectada a un generador el cual repelía las cargas positivas y atraías las negativas polarizando la esfera de manera temporal. Es en este punto cuando comienza el proceso de toma de datos, los resultados no fueron los esperados, pero esto no sucedió por incumplimiento de las leyes que la rigen, si no por que la lateralidad de los polos no fue la esperada, explicando de manera más clara: donde se esperaba que fuera negativa esta era positiva y viceversa.
Conclusiones
· Durante la experiencia no hubo ninguna discrepancia con las hipótesis planteadas al inicio ya que las graficas describieron de manera clara y concisa el comportamiento de las cargas en un cuerpo sometidos a distintos procesos. Esto era claro para los miembros del grupo los cuales pretendíamos obtener experiencias empíricas de los fenómenos de la carga.
· Otra parte importante de la experiencia era comprender que significaban los signos de la carga los cuales rigen los principios de las direcciones de las fuerzas ya descrito por la ley de Coulomb. Esta nos permitirá mas adelante comprender muchos fenómenos eléctricos importantes para el desarrollo de nuestra carrera.
· El fenómeno de polo tierra es un pilar fundamental de la física electricidad ya que muchos de los circuitos que conocemos están protegidos por este fenómeno, al igual que un para rayo este aísla de muchos peligros que pueden afectar un proceso que considere energía eléctrica.
· Durante la experiencia no hubo ninguna discrepancia con las hipótesis planteadas al inicio ya que las graficas describieron de manera clara y concisa el comportamiento de las cargas en un cuerpo sometidos a distintos procesos. Esto era claro para los miembros del grupo los cuales pretendíamos obtener experiencias empíricas de los fenómenos de la carga.
· Otra parte importante de la experiencia era comprender que significaban los signos de la carga los cuales rigen los principios de las direcciones de las fuerzas ya descrito por la ley de Coulomb. Esta nos permitirá mas adelante comprender muchos fenómenos eléctricos importantes para el desarrollo de nuestra carrera.
· El fenómeno de polo tierra es un pilar fundamental de la física electricidad ya que muchos de los circuitos que conocemos están protegidos por este fenómeno, al igual que un para rayo este aísla de muchos peligros que pueden afectar un proceso que considere energía eléctrica.
Referencias bibliográficas
· [1] CASTRO CASTRO, Darío, Física Electricidad para estudiantes de ingeniería, Primera edición, Volumen I, Ed. Uninorte, Barranquilla Colombia, 2008.
· [2] SEARS, ZEMANSZY, YOUNG, FREDDMAN, Física universitaria, Undécima edición, volumen II, Ed. Pearson educación, México 2004.
· [3] SERWAY, Raymond A, Física, Tercera edición, Tomo II, Ed. Mc Graw Hill, Colombia 1982.
· [1] CASTRO CASTRO, Darío, Física Electricidad para estudiantes de ingeniería, Primera edición, Volumen I, Ed. Uninorte, Barranquilla Colombia, 2008.
· [2] SEARS, ZEMANSZY, YOUNG, FREDDMAN, Física universitaria, Undécima edición, volumen II, Ed. Pearson educación, México 2004.
· [3] SERWAY, Raymond A, Física, Tercera edición, Tomo II, Ed. Mc Graw Hill, Colombia 1982.
