Experimento

 

EXPERIMENTO N°1: CARGAS ELECTROESTÁTICAS Introducción: El propósito de la parte A de esta actividad es comparar y contrastar los resultados de tres métodos diferentes de cargas: (1) frotar dos objetos juntos, (2) tocar un objeto cargado con uno neutral (carga por contacto) y (3) conectar a tierra un objeto neutral mientras esta polarizado (carga por inducción). La Parte A también demostrara la ley de conservación de la carga.

I.

  OBJETIVOS:    Comparar y contrastar los resultado resultados s de los tres métodos di diferentes ferentes de carg carga: a: (1) carga por frotamiento, (2) carga por contacto y (3) carga por inducción. 



 FUNDAMENTO TEÓRICO

II.

TEORIA A: Cargas eléctricas: La carga eléctrica es una propiedad fundamental de la naturaleza. Viene de dos tipos, llamados positivo y negativo. La carga positiva es el tipo de carga transportada por protones. La carga negativa es el tipo de carga transportada por los electrones. Tan cerca como se puede medir (mejor que 1 parte en 103  ), la magnitud de la carga del electrón es la misma que la magnitud de la carga de un protón. Los átomos normalmente tienen la misma cantidad de electrones y protones y este equilibrio de cargas los hace eléctricamente neutros. La mayoría de los objetos se encuentran en este estado neutral. Para que un objeto tenga carga positiva, debe tener más protones que electrones, de igual forma, un objeto con carga negativa, debe tener más electrones que protones, lo que altera el equilibrio de carga neutral. Fuerzas entre cargas: Las cargas opuestas siempre se atraen Las cargas similares tienden a repelerse. En un nivel elemental, las cargas similares siempre se repelen (los electrones repelen a los electrones y los protones repelen a los protones), pero para los objetos macroscópicos, la distribución de carga no simétrica puede resultar una atracción general entre dos objetos que llevan el mismo tipo de carga general (positiva o negativa). La distribución de carga no simétrica siempre resulta en una atracción entre un objeto cargado y un objeto eléctricamente neutro (general). Carga:

 

  Todos los procesos de carga implican la transferencia de electrones a un objeto a otro Para que un objeto se cargue positivamente, debe perder algunos electrones. Para que un objeto se cargue negativamente debe adquirir más electrones.

1. Carga por Frotación: Cuando dos objetos no conductores inicialmente neutros se frotan, una de ellos generalmente unirá electrones con más fuerza que el otro otr o y tomará electrones del otro. La ley de conservación de la carga requiere que se conserve la cantidad total de electrones. Es decir que los electrones solo se mueven de un objeto al otro, no se crean electrones nuevos ni desaparecen. En general, los dos objetos cuando se consideran juntos todavía tienen carga neta cero.

2. Carga por contacto: Cuando un objeto cargado se toca con un objeto neutral (o menos cargado), Las fuerzas repulsivas entre las cargas similares hacen que cierta parte de la carga se transfiera al objeto menos cargado, por lo que cargas similares estarán más separadas. Este efecto es mucho mayor para conducir objetos. 

3. Carga por indu inducción: cción:  Los protones y electrones dentro de cualquier objeto responden a las fuerzas eléctricas de atracción o repulsión. Cuando un objeto se coloca cerca de un objeto cargado, el objeto cargado ejercerá fuerzas opuestas sobre los protones y los electrones dentro del otro objeto, obligándolos a separarse unos de otros. Un lado del objeto se volverá más positivo de lo que era inicialmente y el otro se volverá más negativo, a medida que los electrones migren internamente. Esta condición se llama polarización, una palabra que se refiere al objeto que tiene polos o lados opuestos con diferentes estados eléctricos, a pesar de que el objeto en su conjunto aún puede ser neutral. Si un conductor toca el objeto polarizado, parte de la carga se transferirá al conductor. Si de retira el conductor, el objeto ahora lleva carga neta diferente de su carga inicial. TEORIA B: Distribución de carga en una superficie conductora:   La carga tendera a concentrarse en lugares en un conductor donde la superficie está más curvada. Esto sucede porque las cargas no interactúan tan fuertemente con otras otr as cargas que están “en el horizonte” ya que las líneas del campo eléctrico no pueden pasar a través de un conductor Carga dentro de una carcasa conductora esférica: Si la fuerza entre dos cargas puntuales obedece a una ley del cuadrado inverso (es decir cae como 1/  2 ), entonces toda la carga en una carcasa esférica conductora debe estar en el exterior de la carcasa y en el interior de la carcasa debe estar descargada. III.

 E EQUIPOS QUIPOS Y MATERIALES 

 

  1

Electrómetro Básico

ES-9078

2

Productores de prueba y plano de prueba

ES-9057C

3

Cubo de hielo de Faraday y escudo

ES-9042A

4

Formas conductoras

ES-9061

Varillas productoras de carga.

Electrómetro básico.

Jaula de Faraday

 

 

 PROCEDIMIENTO 

IV.

Preparación de los materiales.

1. Conecte el electrómetr electrómetro o al cubo de hielo F Faraday araday como se muestra en la anterior imagen. Conecte la pinza de cocodrilo con la banda roja al conductor interno y la tierra (cocodrilo negro) al conductor externo. El electrómetro es un dispositivo que puede medir la diferencia de voltaje entre cargas pequeñas sin afectar las cargas 2. Encienda el electrómetro y configure a rango de 10V.

3. Conecte a tierra el cubo de hielo toca tocando ndo al mismo tiempo el cilindro interno y el externo. Luego retire el dedo del cilindro interno y luego el dedo del cilindro externo, el “puesta a tierra” se usa para eliminar el exceso de carga. 4. Presione botón “CERO” en el electrómetro. Esto Obliga al electrómetro a leer cero incluso si hay carga en el cubo de hielo. Esto está bien ya que solo estamos interesados en los cambios de carga. 5. Es posible que deb deba a rehacer la puesta a tie tierra rra y/o la puesta a cero del cubo de hielo durante el experimento.

 

6. Cambie el rango del electrómetro a 100V. Pre Presione sione el botón CERO nuevamente. 7. Uno a la vez vez,, inserte los discos e las varitas d del el productor de cargas (uno con un disco de plástico oscuro y el otro con un disco de cuero blanco) en la cesta interior. Donde están tus manos, si los discos no están cargados, la aguja del electrómetro permanecerá en cero, si la aguja se mueve, entonces hay carga residual en las varitas.

Procedimiento A1: Carga frotando objetos juntos 1. Conecte a tierra el cubo de hielo, ponga a cero el elec electrómetro trómetro y asegúrese de que no haya carga en las varillas que producen cargas.  2. Sostenga la varita en ca cada da mano y bájelas hac hacia ia la mitad inferior de la canasta interna, sin dejar que se toquen entre sí o que toquen las paredes de la canasta. Como no hay carga neta en ninguna de las varillas, la aguja en el monitor no debe moverse y leer casi cero. Presione el botón cero en el electrómetro. electrómetro. Registre la lectura “inicial” en la fila 1 de la Tabla 1. 

Tabla 1: Voltajes del electrómetro Leyendo

Prueba 1 (v)

Prueba 2 (v)

Prueba 3 (v)

Prueba 4 (v)

Prueba 5 (v)

1

Inicial

0.9

-0.3

0.3

14

-56

2

Después de frotar Después de la separación Oscuro Afuera Ambos en

0.8

-0.8

0.5

13

-53

1.0

-0.3

0.7

12

-54

14

3.33

42

42

-92

-1.5

-1

-2

12

-56

3 4 5 6

-33

-35

-28

-33

7

Hacia afuera -18 blanco Final -2.1

-1.9

-2

-11

-52

8

Tanto a cabo

-3

-0.2

2.5

-0.1

-2

9

Suma

-7.9

-34.17

7

53.9

-398

3. migración Realice todos los pasos siguientes uientes lo más rápido posible para minimiz minimizar ar la de carga a los sig alrededores.

 

  4. Mientras esta dentro d de e la canasta frote rápidame rápidamente nte los dos prod productores uctores de carga y observe la aguja en el monitor. Registre el “después de frotar”. frotar”. 5. Deja de frotar aun den dentro tro de la canasta, se separe pare las varitas y observe observe la aguja en el monitor. Registre la lectura “después “después de separación “.  “.  6. Saca la varita oscura de la canasta. Registre la lectura “oscura afuera”.  afuera”.   7. Inserte la varita oscura en la canasta con la varita blanca blanca (sin tocar). Registre el “ambos en”.  en”.  8. Retira la varita blanca. Registrar la “hacia afuera blanco”.  blanco”.  9. Inserte la varita blanca en la canasta c con on la varita oscura. Registre la lectura “final”.   “final”. 10. Retira ambas varitas. Registrar el “ambos afuera” 11. Frote las dos varillas juntas y luego retire la carga de la blanca tocándola con el cilindro de malla exterior. Conecte a tierra el cubo de hielo con su dedo y ponga a cero el electrómetro. Repita los pasos del 2 al 10. 12. Frote las dos varillas juntas y luego retire la carga de la negra tocándola con el cilindro de malla exterior. Conecte a tierra el cubo de hielo con su dedo y ponga a cero el electrómetro. Repita los pasos del 2 al 10.

ANALISIS A1 1. ¿Qué se puede concluir inmediatamente acerca de las cargas en la

varita blanca y la varita oscura según los signos de los voltajes en la ejecución 1?  2. Tenga en cuenta que las líneas 3,5,7 son exactamente el mismo

sistema, por lo que deben tener el mismo voltaje. Cualquier diferencia implica que ha habido alguna carga perdida o ganada. Además, la línea 8 debe ser cero, a menos de que se haya transferido alguna carga. Mirarlos debería permitirle estimar las incertidumbres en el experimento y decidir si los números coinciden dentro de las incertidumbres.  3. Recuerde que el voltaje es directamente proporcional a la carga. Por

lo tanto, si un voltaje de 8V implica 8 unidades de carga, un voltaje de 12V implica 12 unidades de carga

 

  ¿Que implican las líneas 1-3?



 

Ingreso de varitas y separación de varitas después de la flotación.

  Agregue a la línea 4 a la línea lí nea 6 (no olvide el signo). Ingrese la suma



de la línea 9. Prueba 1 -7.9 V

Prueba 2 -34.17 V

Prueba 3 7V

  Compare la línea 1 con la línea 9. ¿Qué implica eso?



 

La primera línea n nos os indica cuan cuando do insertamos la las s varitas a la malla de Faraday y la nueve nos indica la suma total de todas las pruebas.

Procedimiento A2: carga por contacto 1. Conecte a tierra el c cubo ubo de hielo y ponga a cero el electrómetro. Reg Registre istre la lectura “cero” en la linea1 de la Tabla II.  II.   2. Frote enérgicamente a los productores d de e carga blanca y oscura para cargarlos. 3. Inserte el productor de carga blanca en la ce cesta sta inferior del cubo de hielo. Registre el voltaje “inicial” en el electrómetro en la línea 2 de la Tabla II.  II.   4. Deje que el disco blanc blanco o del produ productor ctor de carg carga a toque la pared de la canasta. Registre el voltaje “Después “Después del contacto” en el electrómetro electrómetro en la línea 3 de la Tabla 3. 5. Retire el disco blanco. Registre el voltaje de “disco afuera” en el electrómetro en la línea 4 de la Tabla II. 6. Repita los pasos 1-5 usando el disco osc oscuro uro de carg carga. a.

Procedimiento A3: Carga por inducción i nducción 1. Conecte a tierra el c cubo ubo de hielo y ponga a cero el electrómetro. Reg Registre istre la lectura “cero” en la línea 1 del cargo según la Tabla II.

Tabla II. Carga por contacto / inducción

 

 

Estado

Disco blanco contacto (V)

Disco oscuro contacto (V)

Disco blanco inducción (V)

Disco oscuro contacto (V)

1

Cero

-0.5

0.4

0

-0.4

2

Inicial

31

-13

40

-34

3

Después tocar

de 37

-14

0

0

4

Disco a acabo

-8

-3.8

1.7

27

2. Frota las varitas juntas para c cargarlas. argarlas. 3. Sin dejar que la varita toque el cu cubo bo de hielo, inserte la varita blanc blanca a en la mitad inferior de la canasta anterior. Registre el voltaje “inicial” en el electrómetro en la línea 2 de la tabla II. 4. Mientras el productor de carga esta dentro de la canasta, muele momentáneamente el cubo de hielo haciendo un puente entre el cilindro externo y el interno con su dedo y luego retire su dedo. Registre el voltaje “después de tocar” en el electrómetro en la línea 3 de la tabla II.  II.   5. Retire la varita del cubo d de e hielo. Regi Registre stre el voltaje “disco a cabo” en el electrómetro en la línea 4 de la tabla II. 6. Repita los pasos 1-5 usando el productor de carga oscura.

Análisis A2 / A3 1. ¿Qué se puede concluir a partir de los datos de la 2da y 3ra columnas (datos de contacto) en la tabla?   

2da nos indic indica ac carga arga por flotación   3ra nos indica carga por c contacto ontacto

 

  2. Explique lo que sucede cuando induce una carga en el cilindro cili ndro interno

de malla. Es decir, explique los datos en las columnas 3 y 4 de la tabla. ¿Por qué cambia el signo?  

Después de to tomar mar la varita con la malla, al desp despejar ejar se produce la carga por contacto, al despejar se descarga por es que el sigo cambia.

  CUESTIONARIO

V.

Nota: Las respuestas a las preguntas de rellenar los espacios en blanco son sobre la polaridad de registros del electrómetro. Responda ‘Positivo’, ‘Negativo’ o ‘Cero’.  ‘Cero’. 

PROCEDIMIENTO DE OBSERVACIONES A: Carga frotando objetos juntos Mientras frota los dos productores de carga juntos dentro de la canasta: La carga detectada es: ________0.7 V______. Después de frotar, con las varitas todavía en la canasta, pero sin tocarlas La carga detectada es: _________0.3 V______. Después de quitar la varita oscura de la canasta La carga detectada solo en la varita blanca es: ______42 V_________. La carga detectada solo en la varita oscura es: _____-33 V__________.

PREGUNTAS PROCEDIMIENTO A: 1. Mientras las dos varitas se frotaban entre si ¿Cuál era su carga neta general?  

0.8 v

2. Después del proces proceso o de frotación ¿Cuál es la carga total neta de las dos varitas?   0.3 v 3. ¿Cuál es la evidencia de que el proceso de frotación le dio cada va varita rita una carga eléctrica?   La varita blanca gana electrones   La varita negra pierde electrones

 

  4. ¿Cuál es la polaridad del productor de carga blanca des después pués de frotarlo con el oscuro? ¿Ganó la varita blanca o perdió electrones durante el proceso de frotación? ¿A dónde fueron (o vinieron) los electrones?  

Es positivo   Gana electrones  

Los el electrones ectrones se fueron a la varita bla blanca nca

5. ¿Cuál es la polarid polaridad ad del product productor or de carga o oscuro scuro después de frotarlo con el blanco? ¿Ganó la varita oscura o perdió electrones durante el proceso de frotación? ¿A dónde fueron (o vinieron) los electrones?  

Es negativo   Pierde electrones   Los el electrones ectrones se fueron a la varita bla blanca nca 6. Explica como este experimento de demuestra muestra la ley de conservació conservación n de la carga.  

Se conserva la carg carga a gracias al Faraday d de e cubo de hielo porq porque ue aísla de las cargas que estas a su alrededor del Faraday de cubo de hielo.

  CONCLUSIONES

VI.

 

Al hacer la prueba y comparar de las tres tipas de carga llegam llegamos os a concluir que son diferentes que fueron c como: omo: La carga por frotación es 0.3 V, carga por contacto es 20 V y carga por inducción es 1.7 V.