Lab 1 Experiencia

Agosto 19, 2009
Código: FIS 1022-02-04 Departamento de Física
Laboratorio de Física Electricidad ©Ciencias Básicas
Universidad del Norte - Colombia

INFORME DE LABORATORIO “CARGA ELECTROSTATICA”

María Mónica Ruiz P. Jorge Mario Bustillo De La Rosa
Email: mmruiz@uninorte.edu.co Email: jmbustillo@uninorte.edu.co
Ingeniería Industrial Ingeniería Industrial

Abstract

In this experience about “Body’s electrization and electric charge
conservation”, we will find concepts that will help us clarify our
understanding. Also, in this practice we will have as main objective to
analyze the physical phenomena that occur in the process of an electrically
charged body, and thus we can get an answer to many questions we have.
Because of that we can get to the conclusion that there are a lot of methods
for load a body, which can cause different reactions in them.

Resumen

En esta experiencia sobre electrización de los cuerpos y conservación de la
carga eléctrica, encontraremos conceptos que nos ayuden a clarificar
nuestros conocimientos. Así mismo, en ésta práctica tendremos como
objetivo principal analizar los fenómenos físicos que ocurren en el proceso
de cargar eléctricamente un cuerpo, y de este modo podremos darle
repuesta a muchos interrogantes que se nos presentan, llegando a la
conclusión de que hay diversos métodos para cargar un cuerpo, los cuales
pueden producir diferentes reacciones en éstos.

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS

En la experiencia, se busca aplicar los conceptos de cargas electrostáticas
y las propiedades de las mismas cuando son sometidas a diferentes
procedimientos como lo son cargas por fricción, por contacto, por inducción.
De este modo poder comprender de mejor manera cómo ocurren estos
fenómenos. Además de esto, también esta experiencia nos permite
reconocer diversas propiedades que poseen los cuerpos cuando estos son
cargados, como por ejemplo los cambios en su distribución y la reacción
que tienen con cada uno de los procedimientos que se le apliquen, como

también la capacidad de ceder o ganar electrones, cuando entran en
contacto con otros cuerpos.

1.1 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

2 MARCO TEÓRICO

Como ya se ha mencionado anteriormente, a través de esta experiencia,
aplicamos algunos conceptos de cargas electrostáticas, los cuales se
explicaran a continuación:

Carga por contacto
Es posible transferir electrones de un material a otro por simple contacto, tal
como hicimos en el laboratorio, al poner una barra cargada en contacto con
un objeto neutro, al cual se le transfirió carga. Si el objeto es buen
conductor la carga se distribuye en toda su superficie porque las cargas
iguales se repelen entre sí. Si se trata de un mal conductor puede ser
necesario tocar con la barra varias partes del objeto para obtener una
distribución de carga más o menos uniforme.

Carga por fricción
Cuando un material roza con otro y se transfieren electrones se dice que
se presenta una carga por fricción. En muchas situaciones de la vida
cotidiana podemos ver que se presenta este efecto, por ejemplo, cuando
frotamos un bolígrafo con tela, ésta libera electrones los cuales cede al
bolígrafo, quedando éste cargado negativamente.

Carga por inducción
La carga por inducción tiene como principal característica que el cuerpo se
carga sin tener contacto físico con el otro. Cuando acercamos un cuerpo
cargado positivamente a un cuerpo de carga neutra, entonces el cuerpo de
carga neutra experimenta una polarización de cargas, es decir, los
electrones se mueven hasta el lado más cercano donde se está induciendo
la carga, y los protones van hacia el lado más lejano. Esto, respetando el
principio de que cargas de igual signo se repelen y cargas de signo
contrario se atraen.

Existen también otras formas de cargar un cuerpo, como lo son: Carga
por efecto termoiónico, carga por efecto fotoeléctrico y carga por efecto
piezoeléctrico, las cuales no profundizaremos en esta experiencia.

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Luego de configurar el ordenador, calibrar el sensor y hacer el montaje
del equipo a utilizar, proseguimos con la toma de datos, tal como se
específica a continuación.

Carga por fricción.
• Descargamos la jaula y presionamos el botón ‘ZERO’ del sensor
para descargarlo.
• Comenzamos la toma de datos.
• Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los
productores de carga.
• Sin tocar la jaula, introducimos el productor de carga blanco en la
jaula. Vigilamos la gráfica y el display métrico. Observamos los
resultados y los anotamos.
• Retiramos el productor de carga blanco e introducimos el productor
de carga azul en la jaula. Observamos los resultados y los
anotamos.
• Pasado unos momentos, finalizamos la toma de datos.

Carga por inducción
• Descargamos la jaula y presionamos el botón ‘ZERO’ del sensor para
descargarlo.
• Comenzamos la toma de datos.
• Frotamos varias veces las superficies azules y blancas de los
productores de carga.
• Sin tocar la jaula con el productor de carga, introducimos el productor
de carga blanco en la jaula.
• Cuando el productor de carga esté en el interior de la jaula,
utilizamos el dedo para aterrizar momentáneamente la jaula.
Observamos y anotamos los resultados.
• Después de aterrizar la jaula, retiramos el dedo y el productor de
carga.
• Pasados unos momentos, finalizamos la toma de datos.
• Descargamos la jaula y ponemos a cero el sensor. Repetimos el
procedimiento utilizando el productor de carga azul.

Carga por contacto:
• Frotamos los portadores de carga azul y blanco.
• Tocamos la jaula que está conectada al borde positivo con el
portador azul, observamos el signo de la carga y registramos su
valor.
• Descargamos la jaula.
• Tocamos la jaula que está conectada al borde positivo con el
portador blanco, observamos el signo de la carga y registramos su
valor.

Distribución de la carga sobre una superficie

Figura1. Montaje demostrativo de la experiencia de Jaula de Faraday.

El propósito de esta parte de la experiencia es indagar la forma como se
distribuye la carga sobre una superficie metálica, midiendo la densidad de
carga en varias secciones. Utilizamos el “transportador de carga” junto con
la Jaula de Faraday para determinar la densidad de carga. Para ello
realizamos el montaje que aparece en la Figura 1.

• Antes de comenzar, nos aseguramos que la Jaula de Faraday esté
aterrizada con el blindaje conectado a tierra junto con el electrómetro.
• Ubicamos dos esferas de aluminio separadas por lo menos 50
centímetros, de tal manera, que una de ellas esté conectada a la fuente
de voltaje electrostática que provee 1000 VDC.
• La otra esfera debe ser aterrizada momentáneamente para remover las
posibles cargas residuales que contengan.

• Confirmamos que esta esfera está descargada tomando muestras con el
“Proof. plane” en diferentes secciones de la misma introduciéndola en
la jaula de Faraday.
• Acercamos ahora las dos esferas a una distancia de un centímetro.
Encendimos la fuente de voltaje y tomamos muestras de carga en las
mismas secciones de la esfera que tomamos en el punto anterior y la
introducimos en la jaula de Faraday y anotamos los resultados.
• Aterrizamos ahora la esfera de la cual estamos midiendo su carga.
• Separamos la esfera que está conectada a la fuente de voltaje a una
distancia de 50 cm. de la esfera que aterrizó y apagamos.
• Nuevamente tomamos muestras de carga en las mismas secciones en
que las tomamos anteriormente y medimos la carga.

4 DATOS OBTENIDOS

Grafica 1. Carga por fricción de cuerina y acrílico. [q(µC) vs t(seg)].

Grafica 2. Carga por contacto de cuerina. [q(µC) vs t(seg)]

Grafica 3 Carga por inducción del acrílico. [q(µC) vs t(seg)].

Grafica 4 Carga por inducción de las esferas. [q(µC) vs t(seg)]

5 ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Grafica 1: En esta gráfica tomamos los transportadores de carga de
acrílico y cuerina y los sometimos a carga por fricción. Lo que se refleja en
la primera parte de la gráfica es la carga del acrílico, como vemos
claramente éste queda cargado negativamente, es decir que la cuerina le
cedió electrones al acrílico, y en la segunda parte de la grafica vemos la
carga con la que quedo la cuerina, como le cedió electrones al acrílico éste
quedó con un déficit de electrones, razón por la cual quedo cargado
positivamente.
Analizando lo anteriormente mencionado podemos llegar a la conclusión de
que algunos cuerpos tienen tendencia a ceder electrones y otros a
ganarlos, en este caso la cuerina es el cuerpo con tendencia a ceder los
electrones y el acrílico a recibirlos.

Grafica 2: Después de cargar por fricción los trasportadores de carga
(acrílico y cuerina), los ponemos en contacto con la jaula de Faraday y se
obtuvieron los resultados que se observan en la grafica. Cuando el
transportador de cuerina (carga positiva) se puso en contacto con la jaula,
como podemos ver, la jaula quedo cargada del mismo signo que el
transportador de cuerina, esto es una característica de la carga por
contacto, ya que cuando cargamos por contacto un cuerpo, el cuerpo que
se carga, queda con cargas de igual signo a las del cuerpo que lo esta

cargando; esto debido a la transferencia de carga, otra de las
características de este proceso.
Como la cuerina esta cargada positivamente, la jaula le trasfiere electrones
a la cuerina, dejando a la jaula con carga positiva constante ya que la
cuerina al dejar de tener contacto con la jaula se lleva los electrones que le
cedió la jaula con ella.

Grafica 3: En esta grafica tenemos manifestado el efecto de inducción, en
este proceso lo que hicimos fue cargar por fricción los transportadores de
carga e introducirlos dentro de la jaula (solo se introdujo el de acrílico).
Como podemos ver en la grafica cuando ingresamos el acrílico, que como
ya dijimos tiene carga negativa, la jaula registra una carga negativa; al
introducir el dedo y tocar la jaula, se toman algunos de los electrones de la
jaula por la tanto se reduce la cantidad de electrones en esta; al retirar el
dedo, nuestro cuerpo se lleva el exceso de electrones, quedando con un
déficit de estos y por esto la jaula registra carga positiva.

Grafica 4: En esta grafica vemos el comportamiento de una esfera cuando
es cargada por inducción por otra esfera, el procedimiento que realizamos
fue el siguiente: ubicamos muy cerca las dos esferas pero sin dejar que
tuvieran contacto, la esfera que crea la inducción tiene carga positiva, lo
que genera que la otra esfera neutra experimente una reorganización de
sus cargas, esto quiere decir que los electrones (cargas negativas) se
ubican del lado mas cerca de la esfera que esta induciendo la carga, y las
cargas positivas se ubican en el lado mas lejano de la esfera, ya que
cargas opuestas se atraen e iguales se repelen. Lo que observamos en la
grafica es que cuando tomamos el transportador de carga metálico y
tocamos a la esfera que experimentó la inducción en diferentes puntos,
entonces vemos cómo en algunos puntos es negativa y en otros positiva, lo
que comprueba que cuando se carga un cuerpo por inducción las cargas
internas experimentan una reorganización que esta siempre sustentada por
la repulsión y atracción de las cargas.

5.1 Análisis de resultados

Apoyándose en las gráficas y en los resultados de las mediciones
realizadas conteste las siguientes preguntas.
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 productor de carga blanco después de ser frotado con el azul tiene una
carga de signo positiva, mientras que el productor de carga azul tiene una
carga de signo negativo.

El productor de carga azul obtuvo una carga negativa, debido a que al ser
frotado con el productor de carga blanca, este le cedió electrones,
quedando el productor de carga azul con un exceso de los mismos.

Por su parte, el productor de carga blanca, quedo con carga positiva,
debido a que al cederle electrones al productor de carga azul, queda con
un déficit de los mismos, lo que hizo que su carga fuera positiva.

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.
La diferencia que se observa en la grafica entre introducir el productor de
carga en la jaula sin tocarla y cuando el productor de carga la toca
directamente, es que en el primer caso, si hablamos por ejemplo del
productor de carga blanca, el cual por frotamiento venía con una carga
positiva debido al exceso de electrones que cedió al productor de carga
azul, la jaula registra este déficit de electrones, pero al sacarlo de la jaula,
se muestra una carga neutra, debido a que los átomos ser reorganizaron.
Por su parte, en el segundo caso, al introducir el productor de carga blanca,
y al tocar la jaula, ésta registra una carga positiva, por lo que la jaula le
cede electrones al productor, de tal forma que al sacarlo, la jaula queda
también con una carga positiva por el exceso de electrones cedidos al
productor.

3. ¿Qué puede decir acerca de la distribución de las cargas en la esfera
metálica del experimento II 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 carga por inducción es una forma de cargar un cuerpo sin tener contacto
con él y se realiza acercándose al cuerpo, entonces si la esfera esta cerca
de la que esta conectada a la fuente, las cargas en el lado contiguo o mas
cercano a la esfera que esta conectada a la fuente van a experimentar una
carga negativa, mientras que las cargas en los lados mas lejanos de la
esfera fuente, experimentaran una carga de tipo positivo.

5.2 Preguntas problematológicas

1. Explique ¿qué fenómeno físico ocurre cuando se carga un cuerpo
mediante el frotamiento con otro cuerpo?
El fenómeno físico que ocurre cuando se carga un cuerpo mediante el
frotamiento con otro cuerpo, no es más que una carga por fricción, en la
que un material roza con otro y de esta forma le transfiere electrones.

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?
Cuando se carga un cuerpo por inducción, por ejemplo, cuando se usa un
productor de carga azul y al introducirlo a la jaula, ésta registra una carga

de signo negativo. Cuando se introduce el dedo en la jaula, éste adquiere
los electrones que estaban en la jaula, razón por la cual la carga a pesar de
seguir siendo negativa, queda con una menor magnitud.

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 dedo de la jaula, éste se lleva el exceso de electrones
que estaban en la misma, y por último cuando sacamos el productor de
carga, la carga que registra la jaula es de signo positivo, debido a que
nuestro cuerpo atrajo el exceso de electrones que antes presentaba.

6 CONCLUSIONES

A partir del experimento realizado, pudimos aprender y entender lo
referente a las cargas electrostáticas y las diferentes formas de cargar un
cuerpo. Así mismo, estamos en la capacidad de dar respuesta a muchos
interrogantes sobre dichos temas, e identificar las distintas formas de
cargar un cuerpo y los efectos que cada una de ellas produce sobre los
mismos, y determinar las diferentes propiedades de la carga. Es decir, que
hemos podido llevar a cabo cada uno de los objetivos propuestos.

Por otra parte, hemos comprendido que muchos de los efectos que se dan
y se desarrollan en la cotidianidad no son más que producto de la física
eléctrica y de las cargas electrostáticas.

Por último, pero no menos importante, advertimos la relación existente
entre el tipo de material y la transferencia de cargas, observando que
algunos materiales poseen características internas que se manifiestan al
momento de obtener o dar electrones.

7 BIBLIOGRAFIA

[1] C.C. Darío, O. B. Antalcides, “Física Electricidad para estudiantes de
Ingeniería”. Ediciones Uninorte (2008).

[2] Sears, Zemansky, Young, Freedman. “Física Universitaria”. Edición 11
Volumen 2.

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