Primera experiencia electroestática formalmente aceptada PDF

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Guía para laboratorio de física de campos, tema electroestática, se trabaja con distintos utensilios como el electrómetro, los productores de carga y entre otros muchos más...

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UNIVERSIDAD DE LA COSTA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES Y EXACTAS

FECHA

EXPERIENCIA No. 1 ELECTROSTÁTICA LABORATORIO DE FÍSICA DE CAMPOS

DÍA

MES

GRUPO

AÑO

NOMBRES:

1. Objetivos Comprobar fenómenos electrostáticos a través de carga por fricción, por contacto y por inducción. Demostrando el principio de conservación de la carga y la distribución de la carga en una superficie. 2. Marco teórico Carga eléctrica: la carga eléctrica es aquella propiedad intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta a través de fuerzas de atracción o de rechazo. En la naturaleza únicamente existen dos tipos de carga eléctrica las positivas y las negativas, y se dice que un cuerpo está cargado neutro, cuando posee las misma cantidad de ambas cargas. Su unidad de medida en el S.I es el Coulomb (C). 1C = 6,242 x 10 18 electrones libres Una de las principales características de la carga eléctrica es que, en cualquier proceso físico, la carga total de un sistema aislado siempre se conserva. Es decir, la suma algebraica de las cargas positivas y negativas no varía en el tiempo. Electrización: Es el efecto de ganar o de perder cargas eléctricas (normalmente electrones). Existen tres formas de electrizar un cuerpo, las cuales son: -

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Electrización por fricción: al frotar dos cuerpos de diferente material, el cuerpo menos conductor gana electrones de las capas exteriores de los átomos del otro cuerpo, quedando cargado negativamente, y el que pierde electrones queda cargado positivamente. Electrización por contacto: el cuerpo que tiene un exceso de electrones traspasa cargas negativas al otro, o el cuerpo que tiene carencia de ellos atrae electrones del otro cuerpo. Ambos quedan con igual tipo de carga. Electrización por inducción: al acercar un cuerpo cargado a un conductor neutro, los electrones de este último se mueven de tal manera que se alejan o aproximan al cuerpo cargado (polarización). Si se hace contacto con tierra en uno de los extremos polarizados, el cuerpo adquiere carga y una vez retirado el contacto a tierra el cuerpo quedara electrizado con carga distinta a la del cuerpo inductor.

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3. Equipo y/o elementos a utilizar Electrómetro (1), productores de carga (2), portador de carga (1), fuente de voltaje electrostática (1), jaula de Faraday (1), cable de entrada de señal (1), sonda de prueba (1), esferas conductoras (4). 4. Actividades de la experiencia Procedimiento 1: Carga por fricción, contacto e inducción. 1. Conecte el electrómetro a la Jaula de Faraday, como se muestra en la figura 1. Asegúrese que el electrómetro y la jaula estén a tierra. El electrómetro debe leer cero cuando esté conectado a tierra, lo que indica que no hay carga en la jaula. Presione ZERO para eliminar completamente todas las cargas del electrómetro y la jaula.

Ilustración 1: Configuración para carga por contacto 2. Comience con el rango de voltaje más alto. (100V) y ajústelo si es necesario. Si realiza el ajuste se recomienda utilizar en 30V para una medida más precisa. 3. Se cargaran los productores de carga frotándolos al mismo tiempo para separar las cargas. Considerar que antes de cargarlos quitar cualquier exceso de carga en la superficie conductora, respirando en el cuello del productor de carga, para que la humedad de la respiración elimine cualquier carga residual. 4. Mantenga en su mano solo el productor de carga a usar. Aleje el otro productor de la superficie de la jaula.

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5. Inserte cuidadosamente uno de los productores de carga en la jaula de Faraday, hasta llegar a la mitad de esta, pero sin dejar que la toque. Tenga en cuenta que la lectura del electrómetro será en voltios, no en Coulomb. (anote el dato suministrado) Antes de insertar la superficie cargada en la Jaula, asegúrese de tocar la parte exterior de esta conectada a tierra. 6. Retire el productor y observe nuevamente la lectura del electrómetro, si el mango del productor no tocó el cubo, la lectura debe ser cero 7. Presione el botón “ZERO” para eliminar cualquier carga residual y luego Inserte la varita cargada nuevamente, permita que toque la jaula y luego quítelo. Anote la lectura del electrómetro. 8. Ponga a tierra momentáneamente la jaula, para eliminar toda la carga en ella. 9. Presione el botón “ZERO” para eliminar las cargas residuales del electrómetro y luego inserte el productor de carga nuevamente en la jaula. Anotar la lectura del electrómetro. Procedimiento 2: Conservación de la carga. 1. Descargue totalmente los productores de carga 2. Frote los portadores de carga. Utilizando la Jaula de Faraday, mide la magnitud y polaridad de sus cargas insertando cada uno en Jaula. Tenga en cuenta que debe evitar que ambos productores toquen cualquier cosa después de ser cargados. (anote la lectura del electrómetro) 3. Descarga por completo los portadores de carga poniéndolos a tierra, teniendo en cuenta eliminar el exceso de carga en el cuello y en el mango. 4. Frotar el portador de superficie blanca con el portador de superficie de aluminio, Inserte ambos portadores de carga uno al tiempo, en la jaula sin que la toquen y mida la magnitud y la polaridad de la carga. Registra tus medidas. 5. Retire los portadores de carga y observe la lectura del electrómetro. 6. Frota el portador de carga de superficie azul con el portador de superficie de aluminio, insertarlos en la jaula de Faraday y registra tus medidas. Procedimiento 3: Distribución de la carga

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1. Conecte la Jaula de Faraday, el electrómetro y las esferas conductoras como se muestra en la figura 1. Asegúrese tener a tierra el electrómetro y la jaula.

Ilustración 2: Configuración para distribución de carga

2. Coloque dos esferas conductoras separadas al menos 50 cm. Conecte una de las esferas a al puerto de +2000 VDC en la fuente de voltaje electrostático (ES-9077). La fuente de voltaje debe estar conectada a tierra a la misma que el electrómetro. La esfera conectada se usará como un cuerpo cargado. 3. Coloque a tierra momentáneamente la otra esfera para eliminar cualquier exceso de carga de la misma 4. Toque con el portador de carga varios puntos diferentes de la esfera que se encuentra conectada a la fuente de voltaje, registre sus datos tomado por el electrómetro. Figura 3.

Ilustración 3: Uso del portador de carga para muestrear la densidad de carga

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5. Acerque la esfera cargada de +2000 VCC a la esfera conectada a tierra, hasta que estén separadas aproximadamente 1 cm. Encienda la fuente de voltaje, luego mida, en la esfera conectada a tierra, con el portador de carga en los mismos puntos muestreados anteriormente. 6. Conecte a tierra momentáneamente la esfera conductora, tocando con una mano la jaula de Faraday y con la otra mano a la esfera. (Asegúrese de que la jaula esté conectada a tierra) Nuevamente, mida la carga de la esfera con el portador de carga en los mismos puntos muestreados anteriormente. 7. Retire la esfera cargada de +2000 VCC hasta que esté al menos a 50 cm de esfera conectada a tierra. Nuevamente, toma los valores de carga en los mismos puntos muestreados anteriormente. 8. Retire las dos esferas conductoras. Conecte la esfera con forma cónica al puerto de +2000 VDC de la fuente de voltaje. 9. Use el portador de carga en el extremo redondeado más grande y luego en el extremo estrecho. 10. Retirar la esfera de forma cónica. Conecte la esfera hueca al puerto de +2000 VDC en la fuente de voltaje. 11. Use el portador de carga de aluminio para medir la carga en la superficie exterior de la esfera. A continuación, utilice el extremo conductor del portador para medir la carga dentro de la esfera. Como se muestra en la figura:

Ilustración 4: medición de la carga dentro de la esfera

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Cálculo y análisis de preguntas 1. ¿Por qué existía una diferencia de potencial cuando el portador de carga estaba dentro de la jaula de Faraday?

2. ¿Por qué cuando se toca la Jaula con el portador de carga existe una diferencia de potencial permanente en la jaula?

3. En la electrización por fricción ¿existe alguna relación entre el tipo de material y la polaridad de la carga? ¿Se conserva la carga eléctrica?

4. ¿Cómo se distribuye la carga eléctrica en un cuerpo? ¿Depende de la geometría de esté?

5. ¿Por qué permaneció alguna carga en la segunda esfera incluso después de que estaba conectada a tierra?

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6. ¿Qué extremo de la esfera cónica tiene la mayor densidad de carga? ¿Por qué?

7. ¿Cómo se comportan las cargas entre el exterior y el interior de la esfera hueca?

5. Conclusiones de la experiencia

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Referencias [1] Sears, Zemansky, Young, Freedman. (2013), física universitaria con física moderna, vol. 1, décima tercera edición, Pearson educación, México. [2] Reyman A. Serway, Jhon W. Jewett, Jr, (2008), física para ciencias e ingenierías, vol. 1, séptima edición, Cengage Learning.

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