1. Introducción y objetivos.
En esta experiencia se trato la electrización de los cuerpos y la conservación de la
carga eléctrica, para esto se utilizaron instrumentos específicos, como son las
jaulas de faraday, que permitieran la comprensión y la consecución de los
objetivos del laboratorio.
El objetivo principal de la experiencia es analizar los fenómenos físicos que
ocurren en el proceso de cargar eléctricamente un cuerpo. Para esto primero
debemos determinar el signo de la carga adquirida por un cuerpo en un proceso
de electrificación. Es importante entender y saber como cargar un cuerpo por
fricción, contacto e inducción y comparar la distribución de carga eléctrica de un
cuerpo metálico sometido al proceso de carga por inducción.
En este experimento pretendemos comprobar prácticamente el principio de
conservación de la carga eléctrica y la cuantificación de la carga eléctrica y los
procesos atómicos que este conlleva.
2. Marco teórico.
ESTRUCTURA ATOMICA
La teoría aceptada hoy es que el átomo se compone de un núcleo de carga
positiva formado por protones y neutrones, en conjunto conocidos como nucleón,
alrededor del cual se encuentra una nube de electrones de carga negativa.
El núcleo del átomo se encuentra formado por nucleones, los cuales pueden ser
de dos clases: Protones: Neutrones
Alrededor del núcleo se encuentran los electrones que son partículas elementales
de carga negativa igual a una carga elemental y con una masa de 9,10 × 10–31 kg
La cantidad de electrones de un átomo en su estado basal es igual a la cantidad
de protones que contiene en el núcleo, es decir, al número atómico, por lo que un
átomo en estas condiciones tiene una carga eléctrica neta igual a 0.
A diferencia de los nucleones, un átomo puede perder o adquirir algunos de sus
electrones sin modificar su identidad química, transformándose en un Ion, una
partícula con carga neta diferente de cero.
CARGA ELÉCTRICA
La carga eléctrica es un atributo de las partículas elementales que la poseen,
caracterizado por la fuerza electrostática que entre ellas se ejerce. Dicha fuerza es
atractiva si las cargas respectivas son de signo contrario, y repulsiva si son del
mismo signo.
La carga libre más pequeña que se conoce es la del electrón siendo C (Coulomb)
la unidad de carga en el sistema internacional de unidades (SI)
. Dicha carga es negativa.
La otra partícula elemental cargada que interviene en la constitución de los átomos
es el protón, cuya carga es positiva y del mismo valor que e, siendo su masa unas
2000 veces mayor.
En un sistema aislado la carga se conserva, es decir, la suma de las cargas
positivas y negativas no varia, sea cual fuese el proceso en estudio, lo que
constituye el principio de conservación de la carga eléctrica.
Hasta el momento todas las cargas libres que se han observado son múltiplos
enteros, positivos ó negativos, de la carga del electrón, lo que se entiende por
cuantificación de la carga eléctrica.
3. PRINCIPIO DE CONSERVACION DE LA CARGA
El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni
creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético la
carga total de un sistema aislado se conserva.
En un proceso de electrización, el número total de protones y electrones no se
altera y sólo hay una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay
destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva.
Pueden aparecer cargas eléctricas donde antes no había, pero siempre lo harán
de modo que la carga total del sistema permanezca constante. Además esta
conservación es local, ocurre en cualquier región del espacio por pequeña que
sea.
Al igual que las otras leyes de conservación, la conservación de la carga eléctrica
está asociada a una simetría del lagrangiano, llamada en física cuántica
invariancia gauge.
ELECTROSTATICA
La electrostática es la rama de la física que estudia los fenómenos eléctricos
producidos por distribuciones de cargas estáticas, esto es, el campo electrostático
de un cuerpo cargado.
CARGA INDUCIDA
La carga inducida se produce cuando un objeto cargado repele o atrae los
electrones de la superficie de un segundo objeto. Esto crea una región en el
segundo objeto que está con una mayor carga positiva, creándose una fuerza
atractiva entre los objetos. Por ejemplo, cuando se frota un globo, el globo se
mantendrá pegado a la pared debido a la fuerza atractiva ejercida por dos
superficies con cargas opuestas (la superficie de la pared gana una carga eléctrica
inducida pues los electrones libres de la superficie del muro son repelidos por los
electrones que ha ganado el globo al frotarse, creando una superficie de carga
positiva en la pared, que luego atrae a la superficie del globo).
CARGA POR FRICCION
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
4. otra. Por ejemplo los electrones son retenidos con mayor fuerza en el hule que en
la piel de gato y si se frota una barra de aquel material contra la piel de un gato, se
transfieren los electrones de este al hule. Por consiguiente la barra queda con un
exceso de electrones y se carga negativamente. A su vez, la piel queda con una
deficiencia de electrones y adquiere una carga positiva. Los átomos con
deficiencia de electrones son iones, iones positivos porque su carga neta es
positiva. Si se frota una barra de vidrio o plástico contra un trozo de seda tienen
mayor afinidad por los electrones que la barra de vidrio o de plástico; se han
desplazado electrones de la barra hacia la seda.
CARGA POR INDUCCION
Se puede cargar un cuerpo por un procedimiento sencillo que comienza con el
acercamiento a él de una varilla cargada. Considérese la esfera conductora no
cargada, suspendida de un hilo aislante. Al acercarle la varilla cargada
negativamente, los electrones de conducción que se encuentran el la superficie de
la esfera emigran hacia el lado lejano de esta; como resultado, el lado lejano de
las esfera se carga negativamente y el cercano queda con carga positiva. La
esfera oscila acercándose a la varilla, porque la fuerza de atracción entre el lado
cercano de aquella y la propia varilla es mayor que la de repulsión entre el lado
lejano y la varilla. Vemos que tiene una fuerza eléctrica neta, aun cuando la carga
neta en las esfera como un todo sea cero. La carga por inducción no se restringe a
los conductores, si no que se puede presentar en todos los materiales.
LEY DE COULOMB
A partir de experimentos realizados por Coulomb en 1785 se llegó a la siguiente
ley:
La fuerza entre dos cargas es directamente proporcional al producto de las cargas
e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia, su dirección es la de la
recta que une las cargas y el sentido depende de los signos respectivos, de
atracción si son de signo opuesto y de repulsión si son del mismo signo.
La ley de Coulomb puede expresarse como:
La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas
puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de
ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa.
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.
5. 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 d 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:
6. Procedimiento experimental.
Para el experimento se uso un sensor de carga utilizado para medir la polaridad
de los instrumentos productores de carga. La primera carga se obtuvo atreves de
fricciona de transportadores de carga de dos texturas, una de cuerina y otra
acrílica, luego se llevo al interior de la jaula de faraday (sin hacer contacto con
ella) el transportador con la textura acrílica, se tomaron datos y se obtuvo una
grafica correspondiente con data studio, el proceso se repitió para el trasportador
de cuerina.
Jaula de faraday
Transportadores.
Luego se cargaron nuevamente los mismos transportadores siendo frotados pero
esta vez se hiso contacto con la jaula de faraday y al igual se obtuvieron la
graficas correspondientes para cada trasportador.
Para la segunda parte de la experiencia se utilizaron dos esferas metálicas, una
de las cuales se encontraba conectada a un generador de voltaje de 3000 volt
(carga positiva), la otra está libre.
Se activa el generador de voltaje y se acercan las esferas pero sin estar en
contacto en ningún punto. Con un transportador de carga metálico se toca a la
esfera libre en distintas zonas adquiriendo el transportador así distintas cargas por
zona, se utiliza la jaula de faraday para tomar los datos de carga en cada zona
introduciendo el transportador en ella y dándole inicio al data estudio
Seguidamente se tomaron los datos de carga por inducción en las esferas , este
paso se realizo de la siguiente manera :
7. -Se acercaron las esferas, la libre con carga neutra y la otra con carga positiva que
le daba el generador de voltaje
-Luego uno de los estudiantes hiso contacto con una de las esferas tocándola con
un dedo.
-Las esferas son separadas
-Luego con el transportador la jaula de faraday y data studio se verifica que carga
final obtuvo la esfera libre.
Datos obtenidos
8. Grafica 1
Grafica de carga vs tiempo obtenida de el transportador acrílico y el de cuerina
luego de la carga por fricción de ambas.
Grafica 2
14. 1. positivo, debido a que el transportador de cuerina al ser frotado con el
transportador de carga de acrilico se carga positivamente porque el cuero
por ser un material organico tiene la propiedad de donar electrones, por
tanto el cuero dona electrones al acrilico y este se carga positivamente
mientras que el acrilico se carga de forma negativa
2. Luego de que se frotan los transportadores de acrílico y de cuerina se
introduce uno de ellos en la jaula de faradai (en este caso el transportador
de carga de acrílico), el acrílico se carga con electrones que le han sido
transferidos por la cuerina, y obtiene una carga negativa generando un
campo y al ser introducido dentro de la jaula de faraday se reorganizan los
electrones dentro de ella y cuando se escapa la cantidad de carga que a
sido introducida por la neutralización de la jaula el sensor muestra una
carga negativa y luego de ser retirado en acrilico la jaula se estabiliza y el
sensor muestra una carga neutra. En cambio luego de haber introducido el
transportador el sensor muestra la misma carga negativa y al tocar la jaula
esta se carga negativamente dándose un cambio o variación de la carga
dentro de la jaula, luego de ser retirado la jaula no se neutraliza por que ya
esta cargado en tal caso el sensor muestra la cantidad de carga que se le
ha sido transferido
3. al acercarse las dos esferas, una cargada positivamente y la otra neutra, sin
tocarlas, la positiva induce a la otra esfera, reorganizando su electrones y
protones, del lado de la esfera neutra que da la esfera positiva quedan los
electrones y del otra lado de la esfera neutra quedan los protones, luego
cuando la esfera neutra hace contacto con un polo tierra esta se carga
negativamente debido a que la tierra retransmite electrones por el polo
tierra con el fin de neutralizar la carga de la esfera positiva.
Preguntas problematológicas.
1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el
frotamiento con otro cuerpo?
Ocurre carga por fricción. La fricción entre dos objetos a veces conduce a la
transferencia de electrones de uno a otro. Los electrones son unidades de carga
eléctrica negativa, y el objeto que gana electrones queda cargado
negativamente, mientras que el que los pierde queda con una carga positiva. Si
el objeto esta construido por un material buen conductor (por ejemplo cobre) de
la electricidad, los electrones instantáneamente se desplazan a través de él y
anulan cualquier carga superficial. Por mas que frotemos una varilla de metal no
conseguiremos que atraiga pequeños trozos de papel, no puede quedar
cargada. Pero si el objeto fuera de algún tipo de material aislante (por ejemplo
15. plástico), los electrones no podrían desplazarse a través de el, toda carga
acumulada en algún punto de su superficie allí se quedaría. Una lapicera de
material plástico que haya sido frotada atraerá trocitos de papel simplemente
porque ha sido cargada y porque ha mantenido sus cargas.
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?
Mientras el productor de carga se encuentra en el interior de la jaula, esta se
reorganiza atómicamente de acuerdo a la carga del productor, al ser aterrizada
esta se descargara liberando o atrayendo electrones.
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?
Al retirarse el productor de carga de la jaula esta retomará un estado estable pero
ahora ya no con una carga neutra pues a perdido su neutralidad al ser aterrizada
mientras los electrones y protones se encontraban en zonas particulares.
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 pues al hacer contacto con el dedo estamos aterrizando a la esfera inducida y
los electrones se transfieren instantáneamente y al alejar la esfera cargada y
seguidamente separar el dedo, la esfera libre obtendrá una carga final , igual a el
proceso inverso de separar primero el dedo antes que la esfera cargada.
16. Conclusiones
A través de la realización de estas experiencias y al analizar los fenómenos físicos
que ocurren al cargar eléctricamente un cuerpo, se puede:
• Determinar el signo de la carga que puede presentar un productor cuando es
cargado por un proceso de electrificación.
• Afirmar que existen varios métodos para cargar un productor o en general un
cuerpo, tales como inducción, fricción y por contacto. De esta manera pueden
obtener diferentes cargas y afectar a otros cuerpos por medio de la transferencia
de electrones.
• Concluir que la máxima transferencia de electrones entre cuerpos se encuentra
en el punto más cercano al cuerpo que esta cargado por una fuente externa a su
vez que el otro cuerpo se carga por inducción y queda polarizado
.• Determinar la distribución de cargas en cuerpos que están cargados por una
fuente alterna. Como por ejemplo, la carga en cuerpo que esta cargado por el
método de inducción esta distribuida en zonas, una parte positiva en una zona y
una parte negativa en otra. A este fenómeno se le llama Polarización
.• Por medio de los diferentes experimentos llevados a cabo pudimos dar
respuesta a los diferentes fenómenos planteados y explicar por que suceden,
teniendo un mejor concepto y claridad de lo que llamamos “Electroestática”.
