El documento describe 4 experimentos realizados para analizar cómo se cargan eléctricamente los cuerpos y cómo se distribuyen las cargas. En el primer experimento, se usaron dos superficies que se frotaron para electrizarlas, y se midió su carga con un electrómetro. En el segundo, se cargaron las superficies por inducción al tocar la jaula de Faraday. En el tercero, se cargó la jaula directamente con las superficies. El cuarto analizó cómo se distribuye la carga en una esfera metálica c

1. Departamento de Física
Universidad del Norte
EXPERIENCIA NO 1 .
ELECTRIZACIÓN DE LOS CUERPOS Y CONSERVACIÓN DE LA CARGA
ELÉCTRICA
Johana Held
Andrea Martínez
Martinezheld1807@gmail.com
AGOSTO DE 2009
ABSTRACT
On our daily life we experiment that on having rubbed some objects these they
acquire certain "aptitude" to attract other objects as paper(role) or powder, this
capacity of attraction owes to itself to that the body has electrified itself
(it(he,she) has gained(earned) or yielded electrons). In this report we will
analyze the different methods of electrifying or loading a body and will do
measurements of the above mentioned loads(charges) using an electrometer
and Faraday's cage.
Key words: to electrify, electrons, electrometer, Faraday's cage.
RESUMEN
En nuestra vida diaria experimentamos que al frotar algunos objetos estos
adquieren cierta “capacidad” de atraer otros objetos como papel o polvo, esta
capacidad de atracción se debe a que el cuerpo se ha electrizado (ha ganado o
ha cedido electrones). En este informe analizaremos los diferentes métodos de
electrizar o cargar un cuerpo y haremos mediciones de dichas cargas utilizando
un electrómetro y la jaula de Faraday.
Palabras clave: electrizar, electrones, electrómetro, jaula de Faraday.
1 Johana Held
Andrea Martínez
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INTRODUCCION
Todos los días experimentamos fuerzas: fuerza gravitacional, eléctrica,
magnéticas, etc. pero la mas común es la fuerza electromagnética (que
abarca tanto las eléctricas como las magnéticas).
En las interacciones electromagnéticas intervienen partículas que tienen cargas
eléctricas, (esta es una característica tan fundamental como la masa de un
cuerpo). Esta carga eléctrica puede ser de dos tipos, positiva, o negativa o
incluso puede ser neutra. Un cuerpo puede ser electrizado por diferentes
métodos: fricción, inducción, o contacto. En física, se denomina electrización al
efecto de ganar o perder cargas eléctricas, normalmente electrones, producido
por un cuerpo eléctricamente neutro, esto, hace que los cuerpos con cargas
opuestas se atraigan y los que tienen cargas iguales se repelen.
OBJETIVOS
General:
Analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso de cargar
eléctricamente un cuerpo.
Específicos:
• 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
MARCO TEORICO
Carga eléctrica
Los antiguos griegos descubrieron en 600 Ac. que al frotar ciertas sustancias
éstas adquieren la propiedad de atraer cuerpos de masa reducida. Esto lo
experimentaron con el ámbar cundo lo frotaban con lana. El ámbar se había
cargado por lo que atraía el polvo. La denominación del ámbar en griego es
ELEKTRÓN, el cual se aplicó al proceso que tenía lugar en él.
Cuando un cuerpo está electrizado, se dice que presenta una cierta carga
eléctrica que caracteriza las propiedades de atracción y repulsión del mismo.
Estos experimentos y otros parecidos nos han mostrado que hay dos tipos de
cargas positiva y negativa y que cargas opuestas se atraen y cargas iguales se
repelen.
Electrómetro:
Un electrómetro es un electroscopio dotado de una escala, este es usado para
medir cargas eléctricas de ciertos objetos.
Jaula de Faraday:
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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 explica por que en ascensores o algunos edificios lo celulares no
reciben señal alguna.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Materiales:
Productores de carga azul (acrilico) y blanco (cuero)
Jaula de faraday
Sensor de carga (data studio)
Dos esferas de aluminio una de ellas conectada a una fuente de voltaje
electrostática que provee 1000 VDC.
Esfera1 = conectada a la fuente
Esfera 2= desconectada y descargada inicialmente
Primera experiencia: Carga por fricción
Para esta experiencia utilizamos las dos superficies de cuero (blanca) y un
acrílico (azul); estas superficies las frotamos para electrizarlas procurando no
tocarlas pues estas se descargan a través del cuerpo.
Descargamos la jaula e iniciamos la toma de datos con el sensor de carga
(data Studio) introduciendo una de las superficies en el interior de la jaula sin
tocarla. Observamos la grafica en el data Studio, similarmente realizamos el
procedimiento con la otra superficie y observamos nuevamente la grafica.
Segunda experiencia: Carga por inducción
Análogamente a la primera experiencia, descargamos la jaula y frotamos las
superficies (de cuero y de acrílico) para electrizarlas, luego de esto iniciamos la
toma de datos e introducimos el productor de carga blanco (de cuero) en la
jaula sin tocarla, luego con nuestro dedo tocamos la jaula para “aterrizarla”,
observamos la grafica. Finalmente descargamos nuevamente la jaula y
realizamos el mismo procedimiento con el productor de carga azul (de acrílico)
y finalizamos la toma de datos.
Tercera experiencia: Carga por contacto
Nuevamente frotamos los productores de carga azul y blanco e iniciamos la
toma de datos en el data Studio, tocamos la jaula con el portador azul y
observamos el signo de la carga, luego descargamos la jaula y realizamos el
mismo procedimiento con el portador blanco.
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Cuarta experiencia: Distribución de la carga sobre una superficie
En esta parte de la practica, utilizamos las dos esferas de aluminio una de ellas
conectada a una fuente de voltaje electrostática que provee 1000 VDC
( esfera1), en esta cuarta experiencia, mediremos la densidad de la carga en
las esferas.
primero ubicamos las esferas por lo menos a 50 centímetros de distancia , la
esfera que no esta conectada (esfera 2) tiene carga neutra,(para ello la
tocamos con nuestras manos para descargarla) y rectificamos esto tomando
muestras con el “Proof. plane” en diferentes secciones de la misma e
introduciéndola en la jaula de Faraday. Luego de comprobar esto, acercamos
las esferas a una distancia de por lo menos 1 o 2 cm pero sin que estas se
toquen y tomamos muestras de carga en las mismas secciones de la esfera
que tomamos anteriormente.
Luego de esto, aterrizamos la esfera de la cual estamos midiendo la carga
(esfera 2) tocándola con nuestras manos y posteriormente la separamos de la
esfera que esta conectada a la fuente, finalmente tomamos muestras de carga
en la esfera que aterrizamos y observamos los resultados en el sensor de
carga.
DATOS OBTENIDOS
Primera experiencia: Carga por fricción
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Grafica 1: carga por fricción
Al introducir la superficie de cuero, notamos que la carga registrada en el
sensor (data Studio) es positiva (circulo verde); esta se debe a que en el
momento de frotar las superficies (de cuero y acrílico) , el cuero cedio
electrones al acrilico quedando (el cuero) cargado positivamente y el acrilico
con una carga de igual magnitud pero con signo opuesto (circulo azul).
Segunda experiencia: Carga por inducción
• Grafica 2: carga por inducción productor de carga Azul: acrilico
Positiva por induccion
• Grafica 3: carga por inducción Productor de carga Blanco: cuero
Negativa por induccion
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Después de frotar las superficies (de cuero y de acrílico) e introducir en la jaula
de Faraday el productor de carga azul podemos observar que inicialmente este
posee una carga negativa de 0.0010 Coulomb, al aterrizar la jaula (tocarla con
el dedo) esta adquiere una carga positiva debido a que por medio de nuestro
cuerpo se “escapan” ciertos electrones, así la jaula queda cargada
positivamente por inducción.
De la misma forma, al introducir el cuero, este inicialmente posee carga positiva
de aproximadamente y al tocar la jaula con nuestros dedos, estos sirven como
“suministro” de electrones por lo que la jaula queda cargada negativamente por
inducción.
Tercera experiencia: Carga por contacto
• Grafica 4: carga por contacto Productor de carga Azul: acrílico
• Grafica 5: carga por contacto Productor de carga Blanco: cuero
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• Grafica 6: Ambas
Inicialmente, la jaula de Faraday esta descargada, luego de frotar los
productores de carga e introducir el productor de carga azul (grafica 4), este al
tener una carga negativa carga la jaula de Faraday negativamente pues crea
un exceso de electrones a esta. Análogamente al introducir el productor de
carga blanco con carga positiva (grafica 5), los electrones de la jaula de
Faraday son atraídos por los protones del productor de carga, haciendo que en
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la jaula haya una carencia de electrones por lo que queda cargada
positivamente.
Cuarta experiencia: Distribución de la carga sobre una superficie
• Grafica 7: Comprobamos que la esfera 2 esta inicialmente descargada
• Grafica 8
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• Grafica 9
Inicialmente comprobamos que la esfera 2 esta descargada( grafica 7), luego al
acercar ambas esferas a menos de 1 cm pero sin tocarse, podemos determinar
la distribución de carga que presenta la esfera 2 gracias a el campo generado
por la esfera 1, recordemos que esta se encuentra cargada positivamente
gracias una fuente de voltaje.
En la grafica 8 podemos observar la distribución de carga en la esfera 2, la
figura siguiente nos muestra la relación entre la distribución de la carga en la
esfera 2 y la grafica 8:
El punto verde sobre la esfera 2 corresponde al
círculo verde de la grafica 8, amarillo de la esfera
con el círculo amarillo de la grafica etc.,
así podemos determinar la distribución de la carga
en la esfera 2, que gracias a la presencia de la
esfera 1 cargada, se polariza, quedando hacia el
lado mas cercano a la esfera 1 cargado
negativamente y hacia el lado mas lejano
positivamente. Esto se debe al hecho de que las
cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se
atraen.
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Al tocar con nuestras manos la esfera 2, esta adquiere electrones
“neutralizando” los protones que estaban ubicados (en este caso) de lado
derecho de la segunda esfera, al separar luego las esferas, la esfera 2 queda
cargada negativamente (con exceso de electrones), como podemos ver en la
grafica 9 donde con un transportador de carga medimos en la jaula de Faraday
la carga final de la esfera 2.
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
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.
El signo de carga obtenida por el productor de carga azul es negativa, y por el
productor de carga blanco positiva, esto se debe a que al frotarlos, el productor
de carga blanco al ser de cuero cede electrones al productor de carga azul.
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.
Sucede lo que se conoce polo a tierra, al tocarla los electrones van hacia la
tierra, lo que hace que el productor quede cargado positivamente
Pregunta 3: ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la
esfera metálica del experimento IV cuando está cerca de la esfera
conectada a la fuente con relación a la distribución de la carga cuando
ésta es cargada por inducción?.
La distribución de carga de la esfera metálica descargada cuando esta cerca
de la esfera conectada, es heterogénea, es decir no es uniforme pues la carga
opuesta a la que esta cargada la esfera conectada es atraída hacia esta ultima
como experimentamos en la grafica 8, finalmente cuando es cargada por
inducción, la esfera metálica posee una carga distribuida homogéneamente, en
nuestro caso quedo cargada negativamente en toda su superficie.
PREGUNTAS PROBLEMATOLÓGICAS
1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo
mediante el frotamiento con otro cuerpo?
Cuando se carga un cuerpo con otro ocurre un fenómeno llamado
electrización por contacto, que es que al frotar dos cuerpos que se
encuentran neutros, uno se carga positivamente y el otro negativamente
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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?
Sucede lo que comúnmente es conocido como polo a tierra, el dedo en
este caso, es el medio de conducción de electrones hacia la tierra, lo que
hace que, la carga de la jaula quede neutra
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?
Cuando se retira el productor, los electrones del mismo son llevados a la
tierra lo que hace que esta quede cargada positivamente
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.
Si, solo que el resultado seria lo contrario, ya que cuando el productor se
introduce en la carga este esta cargado positivamente que obtiene
cuando se retira el productor y posteriormente el dedo
CONCLUSIONES
De este informe podemos concluir que es posible electrizar un cuerpo de
diferentes formas no sólo frotándolo, sino también poniéndolo en contacto con
otro ya cargado, o por inducción etc., en cada uno de estos métodos no se
“destruye” la carga, esta siempre se conserva comprobando así la ley de la
conservación de carga.
Finalmente podemos concluir que la distribución de una carga en cualquier
superficie puede ser homogénea si esta no está en contacto con ningún campo
producido por otro objeto pues las cargas opuestas son atraídas y las cargas
iguales se repelen, este hecho es importante en el proceso de carga por
inducción en el que cargamos un objeto son ponerlo en contacto con otro salvo
por nuestras manos que sirven de escape o de suministro de electrones.
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REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
• es.wikipedia.org/wiki/Carga_eléctrica
• www.hiru.com/es/fisika/fisika_03000.html
• www.angelfire.com/.../Fuerzasycargaselectricas.html
• guia de laboratorio 1 física electricidad universidad del norte agosto de
2009
• notas de clase
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