Jaula de Faraday - Apuntes 34 PDF

Preview

Summary

Electromagnetismo...

Description

JAULA DE FARADAY MARTINEZ ROJAS KARLA MILDRETH; MOTTA RODRIGUEZ KEVIN SNEIDER; FLOREZ VILLAMIZAR YAIDER; GONZALEZ PEÑALOZA LUIS 29 DE SEPTIEMBRE DE 2020 OBJETIVOS:

1. Determinar la relación entre la carga inducida en la jaula de Faraday por un objeto cargado dentro del mismo y la diferencia de potencial. 2. Analizar la naturaleza eléctrica de objetos cargados. 3. Demostrar la conservación de carga. 4. Estudiar la distribución de carga sobre una esfera en diferentes situaciones.

MARCO TEÓRICO En 1836, Michael Faraday observó que el exceso de carga en un conductor cargado residía únicamente en su exterior y no tenía ninguna influencia sobre nada encerrada en ella. Para demostrar este hecho, construyó una sala recubierta con papel metálico y las descargas de alta tensión permitidas a partir de un generador electrostático golpean el exterior de la habitación. Usó un electroscopio para mostrar que no había ninguna carga eléctrica presente en el interior de las paredes de la habitación. Aunque este efecto jaula se ha atribuido a los experimentos del cubo de hielo de Michael Faraday realizados en 1843, fue Benjamín Franklin en 1755 quien observó el efecto descendiendo una bola de corcho sin carga suspendida de un hilo de seda a través de una abertura en una caja de metal con carga eléctrica. En sus palabras, «el corcho no fue atraído por el interior de la caja como habría sido en el exterior, y aunque tocó la parte inferior, sin embargo, cuando se sacó no se encontró electrificada (cargada) al tacto, como habría estado tocando el exterior. El hecho es singular». Franklin había descubierto el comportamiento de lo que ahora se refiere como una jaula de Faraday o escudo (basado en experimentos posteriores de Faraday, que duplicaron el corcho y caja de Franklin). El funcionamiento de la jaula de Faraday se basa en las propiedades de un conductor en equilibrio electrostático. Cuando la caja metálica se coloca en presencia de un campo eléctrico externo, las partículas positivas de la red metálica permanecen estáticas dicha red. Sin embargo, sobre los electrones, que en un metal son libres, actuará una fuerza sobre ellos que los obligará a moverse. 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 se debe a que, cuando el conductor está sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza, de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0.

Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday. Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en aviones o en la protección de equipos electrónicos delicados, tales como repetidores de radio, discos duros y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas

CUESTIONARIO 1. Defina diferencia de potencial. La diferencia de potencial es el impulso que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir por el conductor de un circuito eléctrico, esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Si la energía (E) que el generador cede al circuito durante su funcionamiento es directamente proporcional a su diferencia de potencia (V) y a la carga, q (C), que pone en movimiento. 2. Defina carga superficial. La carga eléctrica es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. El termino carga superficial hace referencia a la cantidad de carga que existe en una determinada superficie. 3. Explicar cómo funciona el electrómetro. El electrómetro funciona por el principio de la fuerza electrostática, esta es una de las cuatro fuerzas fundamentales que actúa atrayendo o repeliendo (dependiendo sus signos), cuerpos con cargas eléctricas. Estas interacciones son denominadas fenómenos magnéticos. Los primeros electrómetros ya prácticamente no se usan pero describen bien su principio. El electrómetro es un instrumento que mide la carga eléctrica, corriente eléctrica y diferencia potencial. Existen tres tipos de electrómetros distintos, dos de ellos inventados por Lord Kelvin, matemático, físico e ingeniero del siglo XIX que tuvo prominentes contribuciones a la ciencia, quien en 1857 publicó una descripción del funcionamiento del electrómetro. El tercero es el electrómetro de filamento de Hakel, de los cuales se hablara a continuación: Electrómetro absoluto de Lord Kelvin Este electrómetro da una medida absoluta, a través de la medición del peso de atracción de dos platillos colocados horizontalmente de forma paralela, donde uno es más pequeño que el otro y es recubierto por un anillo. Entre los platillos se aplica un voltaje y este permitirá el desplazamiento de los platillos, lo que dará paso a la medición del potencial.

Electrómetro de filamento de Hankel Funciona con un filamento de platino que tiene un diámetro de 1 o 2 mm y actúa desplazándose entre potenciales opuestos. La medición se realiza con un visor micrométrico. Detecta diferencias de 1 a 100 voltios. Electrómetro de cuadrantes de Lord Kelvin Caja metálica con cuatro cuadrantes en la que está suspendida una aguja en forma de ocho que puede estar conectada a los cuadrantes o a una fuente externa. La carga a medir es colocada sobre el objeto de forma directa o inducida; al estar dicho objeto cargado girará hacia un lado u otro indicando la medición 4. Defina cargas remanentes Es aquella que se da por el contacto de dos materiales cargados y la cual permanece en ellos después del contacto los valores remanentes correspondientes a un estado de carga se define como la diferencia entre los valores establecidos después de una descarga y los iniciales antes de la carga. 5. Mencione y explique los métodos de cargar eléctricamente los cuerpos. 6. Existen tres formas de electrizar un cuerpo: electrización por frotación, contacto e inducción. En estos procedimientos siempre está presente el principio de conservación de la carga y la regla fundamental de la electrostática. Tambieén los objetos pueden ser cargados a través del efecto fotoeléctrico. Frotación Al frotar dos cuerpos eléctricamente neutros (número de electrones igual al número de protones), ambos se cargan, uno con carga positiva y el otro con carga negativa. Si se frota una barra de vidrio con un paño de seda, hay un traspaso de electrones del vidrio a la seda. Si se frota un lápiz de pasta con un paño de lana, hay un traspaso de electrones del paño al lápiz. El vidrio adquiere una carga eléctrica positiva (mayor número de protones) al perder un determinado número de cargas negativas (electrones); estas cargas negativas son atraídas por la seda, con lo cual se satura de cargas negativas. Al quedar cargados eléctricamente ambos cuerpos, ejercen una influencia eléctrica en una zona determinada, que depende de la cantidad de carga ganada o perdida, dicha zona se llama campo eléctrico, una explicación sobre los materiales y cómo se cargan puede hallarse en el efecto triboeléctrico. Contacto En la electrización por contacto, el cuerpo conductor es puesto en contacto con otro cuya carga es nula. Aquel cuerpo que presente un exceso relativo de electrones los transferirá al otro. Al

finalizar la transferencia los dos cuerpos quedan con carga de igual signo, ya que cargas iguales se repelen. Inducción Cuando un cuerpo cargado se acerca a uno descargado sin llegar a tocarlo, las cargas en este último se reagrupan en dos regiones distintas del mismo, debido a que los electrones del cuerpo descargado son atraídos o repelidos a uno de los extremos según sea el caso; al alejarse nuevamente el cuerpo cargado desaparece ese reagrupamiento de cargas. Carga por el efecto fotoeléctrico Es un efecto de formación y liberación de partículas eléctricamente cargadas que se produce en la materia. En el efecto fotoeléctrico externo se liberan electrones en la superficie de un conductor metálico al absorber energía de la luz que incide sobre dicha superficie. Este efecto se emplea en la célula fotoeléctrica, donde los electrones liberados por un polo de la célula, el fotocátodo, se mueven hacia el otro polo, el ánodo, bajo la influencia de un campo eléctrico. ANÁLISIS DE DATOS

Tabla 1. Carga por inducción

Toma 1 Toma 2 Toma 3 Toma 4 Toma 5 Toma 6 Promedio

potencial (mV) -3,8 -1,4 -2,2 -2,5 3,3 -3,2 -1,63

Toma 1 Toma 2 Toma 3 Toma 4 Toma 5 Toma 6 Promedio

potencial (mV) 5,8 7,3 1.9 5,5 1,5 9,1 5,84

Tabla 2. Carga por contacto

Tabla 3. Conservación de la carga identificando la polaridad. Frotando fuera de la Jaula de Faraday. potencial productor de carga azul (mV) productor de carga blanco (mV) 2,6 Toma 1 -5,8 -1,6 Toma 2 6,7 -1,5 Toma 3 3,9 -3,8 Toma 4 5,8

Tabla 4. Conservación de la carga intercambiando productores de carga. Frotando dentro de la Jaula de Faraday. potencial productor de carga azul (mV) productor de carga blanco (mV) 9,4 Toma 1 -5,2 6,5 Toma 2 -7 3,7 Toma 3 -8,7 8,2 Toma 4 -6,5

Tabla 5. Distribución de la carga en la esfera conductora Puntos seleccionados de la esfera Punto 1 Punto 2 Punto 3 Punto 4 Punto 5

potencial (mV) 1,6 1,5 1,7 0,5 0,3

PREGUNTAS DE CONTROL 1. ¿Qué métodos de cargar eléctricamente los cuerpos son utilizados en la práctica y en qué momentos del procedimiento? En la práctica se pueden observar los tres tipos de electrización. En primer lugar aparece la frotación y este método se puede apreciar cuando se frotan las paletas que posteriormente serán ingresadas en la jaula de Faraday. Posteriormente, cuando son ingresadas ambas paletas la jaula de Faraday es cargada mediante inducción y es por eso que los valores de voltaje pueden ser medidos en a través del electrómetro. Finalmente, la carga por contacto se puede apreciar cuando las paletas son acercadas a la esfera conductora a fin de poder estimar el voltaje que registra la paleta (carga transferida) en la jaula de Faraday.

2. ¿Se presentaron cargas remanentes en la práctica? ¿En qué instante? Sustente su respuesta Siempre al realizar una medición, quedan cargas remanentes dentro de la jaula de Faraday, para eliminar dichas cargas se debe resetear el electrómetro varias veces. Aunque este fenómeno también es observado cuando se frotan las paletas puesto que la carga en las mediciones tomadas haciendo uso de la jaula de Faraday siempre van a ser variables y esto es debido a las cargas remanentes, es decir, en algún momento la carga cambia de signo y esto se ve en la Tabla 3. 3. ¿Por qué cree que existe una diferencia de potencial entre el cubo y el blindaje solamente mientras que el objeto cargado está adentro? Debido a que la carga o cargas dentro del cubo se pone en contacto con la pared del blindaje. El exceso de carga en la pared del blindaje neutraliza la carga. El resultado es una carga de valor que se transfiere a la superficie exterior del conductor hueco. 4. ¿Por qué hay ahora una diferencia de potenciales permanentes entre el cubo de hielo y el blindaje? ¿de dónde provino la carga en el cubo de hielo? Porque al introducirse un portador de carga este hizo que se polarizaran las paredes de la jaula. La pared interna queda cargado positivamente y la pared exterior cargada negativamente, permitiéndole al electrómetro medir la diferencia de potencial presente en la jaula 5. ¿Cuál es la relación entre las magnitudes de la carga? ¿Cuál es la relación entre la polaridad de las cargas? ¿Se conserva la carga en la demostración? La relación entre las magnitudes de la carga es directamente proporcional, ya que al introducir los productores cargados positivamente dentro del cubo de hielo se crea una distribución uniforme que se presentan de igual forma en la jaula pero con sentido inverso. Tienen que ser opuestas para que haya una diferencia de potencial. La carga si se conserva por medio de la ley de la conservación de la carga porque poseen la misma magnitud. 6. ¿Cómo se distribuye la carga en una esfera conductora? El campo eléctrico de una esfera conductora con carga Q se puede obtener mediante la aplicación directa de la ley de Gauss. Considerando una superficie de la forma de una esfera de radio r > R, el campo eléctrico tiene la misma magnitud en cada punto de la superficie y está dirigido hacia afuera. Luego el flujo eléctrico será exactamente el campo eléctrico multiplicado por el área de la superficie esférica 7. ¿Por qué es necesario aterrizar la jaula para la realización de la práctica? Básicamente esto se hace para poner a tierra la jaula y así descargarla o quitarle las cargas remanentes a fin de hacer nuestros resultados los más reales posibles. 8. Mencione, ¿qué aspectos pueden dificultar la realización de la práctica?

La medición de los diferenciales de voltaje suele ser el mayor reto de está practica puesto que hay que estar muy atentos al valor máximo, ya que en el equipo siempre se verá una oscilación de valores, a su vez también puede quedar alguna carga remanente de otra práctica por lo que para eliminar o minimizar la influencia de este aspecto es que se hace necesario aterrizar la jaula de Faraday.

CONCLUSIONES Es posible electrizar un cuerpo de diferentes formas no solo frotándolo, si no también poniéndolo en contacto con otro ya cargado, o por inducción. En cada uno de esos métodos no se destruye, finalmente podemos concluir que la distribución de la carga en superficie es conservativa. La carga superficie de la esfera cargada debe ser constante en cualquier punto de la misma, esto se puede evidenciar en la toma de datos, más específicamente en los primeros puntos (1,2 y 3) puesto que en los puntos 4 y 5 los valores varían considerablemente con los puntos anteriores, por lo tanto se puede afirmar que pudo existir un error en la toma de estos dos últimos datos. Al frotar los dos cuerpos lo cual es una carga generada por fricción, el productor blanco cuyo material era cuerina obtuvo una carga positiva y el productor azul el cual era acrílico obtuvo una carga negativa, esto se debe a la clase del material ya que el acrílico es un material más duradero, es un aislante y tiende a atraer electrones, efecto distinto al de la cuerina que tiende a perder electrones. Esto se evidencia en la Tabla 4 de la práctica.

REFERENCIAS

1. CIRCUITOS ELECTRICOS. Disponible en: http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/3quincena11/3q11_co ntenidos_5c1.htm

2. ELECTROMETRO. Disponible en: https://materialeslaboratorio.com/electrometro/#:~:text=El%20electr%C3%B3metro %20es%20un%20instrumento,carga%20el%C3%A9ctrica%20de%20un%20cuerpo.

3. LA CUBETA DE FARADAY. Conductores. Disponible en http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/cubeta/cubeta.htm

4. J. D. Krauss, Electromagnetics, 4Ed, McGraw-Hill, 1992, ISBN 0-07-035621-1

:...