1. Agosto 18, 2009 Departamento de Física Código: 1033-04 ©Ciencias Básicas Laboratorio de física electricidad Universidad del Norte - Colombia Informe de laboratorio: Electroestática Marco mazo Diana Castaño mazom@uninorte.edu.co dbustos@uninorte.edu.co Ingeniería eléctrica Ingeniería electrónica Abstract This experience in the laboratory had as principal objetive analyze the physical phenomena that happen in the process of charging electrically a body, for that we realize different experiments in which we were exposing charged bodies on other bodies to see how they were interacting between them, after finishing this experience in the laboratory we come to the conclusion that when two or more charged objects interact between them his fields also do it and there exists a redistribution of his electrons depending on how these objects and fields interact. Resumen Esta experiencia en el laboratorio tuvo como objetivo principal el analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo, por lo que realizamos diferentes experimentos en los cuales exponíamos cuerpos cargados a otros cuerpos para ver como interactuaban entre si, Al de esta experiencia en el laboratorio llegamos a la conclusión que cuando dos o más objetos cargados interactúan entre ellos sus campos también lo hacen y existe una redistribución de sus electrones dependiendo de cómo interactúan estos objetos y campos. Introducción y objetivos El propósito de este primer laboratorio es fortalecer la teoría aprendida en las horas por lo que sometemos esa teoría en la práctica para presenciar con nuestros sentidos lo que está sucediendo y la justificación de dicha teoría, como el objetivo principal de esta primera experiencia era analizar los fenómenos físicos que sucedían cuando dos cuerpos cargados interactuaban entre sí dispusimos de varios experimentos y diferentes herramientas para presenciar dichos fenómenos, por lo que recurrimos a los fenómenos físicos de carga por fricción, inducción y contacto entre otros y con la ayuda de el software DataStudio logramos obtener ciertas mediciones y graficas de los experimentos mencionados. Marco teorico Carga eléctrica: es una propiedad fundamental de algunas partículas subatómicas (no es más que pérdida o ganancia de electrones) que se manifiesta mediante atracciones y repulsiones que determinan las interacciones electromagnéticas entre ellas. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos siendo, a su vez, generadora de ellos. Campo Eléctrico: es un campo físico que es generado por partículas cargadas, pero a su vez también afecta a estas, es decir una partícula cargada generara un campo eléctrico pero dicha partícula puede ser influenciada o afectada por otro campo eléctrico generado por otra partícula que puede estar equidistante de esta. Carga 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 más internos de un átomo están fuertemente unidos al núcleo, de carga opuesta, los más 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 Carga por inducción: un objeto puede ser cargado solamente con el hecho de este ser expuesto a el campo de otro objeto cargado, es decir si un objeto est cargado generara un campo por lo que si un objeto es influenciado por este campo dicho objeto se cargara positivamente o negativamente dependiendo de la naturaleza del campo y de los objetos. Procedimiento experimental y Datos obtenidos Primero que todo se dispone a conectar y configurar la interfaz con las herramientas dispuestas para realizar los experimentos. Luego se procede a realizar un nuevo experimento en el Software DataStudio y se configura de acuerdo a las necesidades. Una vez que esta rodo en orden y listo para realizar el experimento se arrastra el símbolo del sensor utilizado (en este caso el sensor de carga) a grafica para graficar los datos que este está obteniendo en el momento del experimento y se dispone del montaje requerido. Para mayor comodidad tanto del lector como del redactor hemos separado el experimento en 4 experimentos individuales con sus respectivas graficas, datos, preguntas problemas. Etc. A continuación le presentamos una ilustración del montaje en general y las herramientas dadas. En estos experimentos se utilizaron dos productores de carga (blanco y azul), dos esferas metalizadas, una jaula de faraday tamaño escala, una fuente de voltaje, el electrómetro y el software DataStudio. La jaula de faraday juega un rol muy importante en este experimento ya que mediante el fenómeno que esta causa (previamente explicado) logramos medir la carga de los objetos que introduzcamos en ella, siendo está conectada con la interfaz de nuestro experimento. Figura 1.3 jaula conectada con la interfaz Experimento 1: Carga de los productores Antes de realizar un experimento se debe tener una razón para hacerlo o cierta hipótesis para probar, nosotros tenemos una pregunta que debemos contestar en base a lo que observamos y los datos que obtenemos. Dicha pregunta es ¿Qué signo tiene la carga obtenida por el productor de carga azul? Explique cómo cada productor obtuvo esa carga. Por lo que comenzamos cargando ambos productores mediante fricción entre ellos y procedemos a colocarlos dentro de la jaula de faraday para ver que signo de carga posee cada productor. 377190-102235 Figura 1.4 grafica de la carga de los productores azul y blanco. Respectivamente Con la ayuda de esta grafica obtenida gracias al software podemos responder a dicha pregunta pero esto lo dejaremos para la sección de análisis de datos. Experimento 2: carga por contacto Al igual que nuestro experimento anterior la pregunta a responder es: ¿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. Ya que hemos obtenido previamente la grafica de de jaula cuando es influencia de manera indirecta por los productores ahora procedemos a ver que pasa si la jaula es tocada por los productores directamente y luego retirándolos. 424815-130810 Figura 1.5 la carga graficada en la jaula al ser primero expuesta al campo del productor y luego siendo tocada por este 539115419100Luego se procede a descargar la jaula de manera que la carga remanente por el contacto sea 0 y se hace lo mismo con el otro productor. Figura 1.6 carga graficada por la jaula al ser expuesta y luego ser tocada por el productor azul Experimento 3: carga por inducción Ahora decidimos a probar otro experimento, deseamos saber que pasa con la carga de la jaula si primero exponemos esta al campo de un productor y luego la “aterrizamos” utilizando el dedo de la mano de una persona, por lo que se realizo el experimento y obtuvimos las siguientes graficas. 88201548895 Figura 1.7 jaula siendo expuesta por el campo, luego tocada y luego retirando el productor(azul) y el dedo Experimento 4: distribución de cargas en una superficie En este experimento deseamos conocer como se distribuyen las cargas de un cuerpo cuando está expuesto a un campo en un lugar en especifico, por lo que procedemos a cargar una esfera positivamente con la ayuda de la fuente de voltaje, una vez q esta esfera está cargada acercamos la otra que tiene carga neutra ( previamente medido) y la acercamos a la esfera cargada, después de unos segundos procedemos a usar el transportador de carga en ciertos lugares específicos(puntos cardinales), introducimos el transportador de cargas en la jaula y vemos como es la carga en el área de la esfera tocada previamente, obtenemos la siguiente grafica. 758190259715 Figura 1.8 la carga de la esfera en el lugar más cercano de la otra, más lejano y en la parte superior y en sus partes laterales Análisis y Discusión de resultados Una vez que obtuvimos las graficas respectivas de cada experimento podemos responder las preguntas que formulamos antes de realizar los experimentos y a nuevas preguntas formuladas para poner a prueba nuestro conocimiento. La primera pregunta que nos formulamos en la sección de procedimiento experimental fue ¿ que signo tenia la carga del productor azul y como cada productor obtuvo dicha carga? Para poder responder dicha pregunta consultamos y analizamos la grafica que obtuvimos en el experimento 1 y nos damos cuenta que el productor azul posee una carga positiva. La explicación del por que posee dicha carga se debe al fenómeno de carga por fricción, en este fenómeno ambos cuerpos se frotan entre si y la fricción entre ellos causa que existe una interacción entre sus electrones, dicha interacción tiene como consecuencia que un objeto ceda sus electrones al otro por lo que un objeto quedara cargado positivamente y el otro tendrá una carga negativa. El segundo experimento fue la carga por contacto y nos propusimos a observar que sucedía en la jaula si era tocada por el productor en vez de solo dejar que esta interactuara con el campo del productor si comparamos las graficas 1.4 la cual corresponde a la libre interacción de la jaula con el campo del productor con las figuras 1.5 y 1.6 nos damos cuenta que una vez que el productor es retirado de la jaula esta aun conserva una carga remanente de este como producto de el contacto jaula-productor. El “aterrizaje” de la jaula mientras que esta interactuando con el campo del producto nos revelo que la jaula entra en una especie de equilibrio electroestático y una vez que se ha retirado el dedo y el productor existe una carga remanente en la jaula con el signo contrario de la primera carga experimentada por ella al principio. Es decir la jaula al introducir un productor interactúa con el campo de este pero cuando se aterriza esta vuelve a su estado original de carga nula, poco después cuando se retira el dedo con la cual se aterrizo observamos q la carga que esta dentro de la jaula cambio de signo ( positivo o negativo) . la explicación de este fenómeno en realidad no es tan complicado ya que una vez que se aterriza la jaula con el dedo el dedo completa de alguna manera el circuito y hace que esta posea una carga nula pero una vez que el dedo se retira dicho circuito se desarma y hace que la jaula interactué con el campo del productor de manera inversa a como estaba interactuando en un principio. Este fenómeno se puede clasificar como una carga por inducción. Finalmente nos topamos con el fenómeno de la distribución de cargas en una superficie, para saber cómo estaban interactuando nuestras dos esferas una cargada positivamente y la otra cargada neutramente realizamos el esquema mental el cual nos decía que una vez que ambas estaban suficientemente cerca sin tocarse sus campos podían interactuar de manera significativa y precisamente eso fue lo que apreciamos en la práctica y en la grafica que obtuvimos (Fg 1.8) la cual nos señalaba que la esfera que estaba cargada hacia reaccionar a la otra con una polarización de la carga de esta, que quiere decir esto, la carga de la esfera neutra en el lugar mas cercano a la otra esfera se vuelve negativa por el efecto de la positividad de la esfera cargada y esta redistribución en uno de sus lados hace que las otras secciones o partes de esta se cargen positivamente y una vez que es alejada de la esfera cargada esta también queda cargada pero de manera negativa como lo vemos en el 5to pico de la figura 1.8. Un bosquejo de esta situación es el siguiente: Conclusiones Gracias a esta oportunidad que hemos tenido de experimentar y analizar los fenómenos físicos de la electroestática se ha logrado comprender que siempre que un objeto esta cargado existe un campo, y siempre que existan dos o mas campos estos pueden interactuar entre ellos y afectar la carga de un cuerpo teniendo en cuenta que esa influencia de los campos hacia el cuerpo genera una redistribución y reorganización de los electrones del objeto. Gracias a esto los conceptos de carga y campos pasan de ser formulas o teoría a entes que podemos sentir con nuestros sentidos o incluso a manejar con ayuda de la tecnología. Bibliografía I1I. Dario Castro Castro y Antalcides Olivero Burgos, Física Electricidad para estudiantes de ingeniería, notas de clase,Ed Uninorte.