UNIVERSIDAD NACIONAL DE CHIMBORAZO FACULTAD DE INGENIERÍA CARRERA DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES INFORME DE LABORATORIO TEMA: JAULA DE FARADAY ASIGNATURA: Teoría Electromagnética y Laboratorio DOCENTE: Ing. José Jinez SEMESTRE: Cuarto ESTUDIANTE: Valeria Andrade
FECHA: Riobamba, 02 de Junio del 2017
PERIODO ACADÉMICO ABRIL 2017 - AGOSTO 2017
1.- Introducción Es una ocurrencia diaria de que los materiales al frotarse unos con otros se cargan estáticamente. Cuando un automóvil se desplaza por una carretera, en un clima seco, se carga electrostáticamente y estando parados al lado de él al tocar la manija de la puerta se produce una descarga entre nuestros dedos y la manija; igualmente, cuando se usa ropa con contenido de poliéster puede a veces oírse el ruido de pequeñas descargas eléctricas causadas por la carga estática. En estos dos casos mencionados la presencia de las cargas estáticas solo causan una pequeña incomodidad; pero si se trabaja en un laboratorio y se manejan componentes electrónicos, estas cargas pueden causar daños importantes o destrucción de dichos componentes. De ahí la importancia de comprender su naturaleza.
2.- Objetivos 2.1 Objetivo General Comprender los principios de electrostática en la jaula de Faraday en la producción de carga
2.2 Objetivos Específicos
Demostrar experimentalmente la producción de carga y la conservación de la carga
Demostrar que el electrómetro mide directamente las diferencias de potencial
Determinar la relación entre la carga inducida en la jaula de Faraday por un objeto cargado dentro del mismo y la diferencia del potencial
Analizar la naturaleza eléctrica de objetos cargados
Demostrar la conservación de carga
Estudiar la distribución de carga sobre una esfera en diferentes situaciones
3.- Materiales y Equipos a. Jaula de Faraday b. Generadores de carga c. Electrómetro d. Material electrostático e. Cable con banana y caimán, para aterramiento f. Cable de conexiones para electrómetro
4.- Fundamentos Teóricos
4.1 La Jaula de Faraday Como su nombre lo indica fue diseñada por Michael Faraday, ya mencionado anteriormente en la experiencia del electroscopio. Una foto de la Jaula de Faraday puede verse al lado. Consta básicamente de dos cilindros de malla, uno dentro del otro, el exterior conectado a tierra y el interior aislado sobre unos soportes de plástico. Ambos cilindros se encuentran montados sobre una base común y son construidos de malla para brindar una buena visión del conjunto...
4.2 El Electrómetro El electrómetro es básicamente un voltímetro que se utiliza para hacer mediciones directas de voltaje e indirectas de corriente y de carga. En nuestro caso se usará para mediciones indirectas de cargas. Una fotografía del mismo puede verse a continuación.
Su sensibilidad es grande, alrededor de 1000 veces más sensible que un electroscopio y esto lo hace especialmente útil para la medición de pequeñas cargas como pueden ser las que se logran mediante frotación (triboelectricidad). El electrómetro es alimentado por cuatro baterías. 4.2 Generadores y transportadores de carga Los generadores de carga y los transportadores tienen una misma construcción: una forma de pala, con un mango aislante. La pala es circular, en forma de disco, y se encuentra unida al mango por un cuello de material aislante (alta resistencia eléctrica). Ver figura de abajo
Generadores y transportador de carga Los generadores de carga tienen un material adherido a la superficie conductora del disco; este material es un caso de color azul y en el otro de color blanco. Cuando se frotan fuertemente el del material blanco adquiere una carga positiva y el azul una carga negativa. El transportador de carga es idéntico solo que la superficie del disco es metálica. Los transportadores de carga también se denominan planos de prueba y su función básica es muestrear superficies para determinar su carga. Si se frota uno de los generadores de carga contra el transportador también se cargan: si se usó el generador blanco este se carga positivamente y el transportador negativamente; si se usó el azul este se carga negativamente y el transportador positivamente. Durante el manejo de los generadores y transportadores de carga se debe procurar no tocar el cuello de los mismos ya que la grasa de la piel reduce sus características aislantes y provoca escape de las cargas. Igualmente debe tenerse cuidado con los mangos, fabricados en plástico, que no poseen alta resistencia mecánica y pueden partirse con relativa facilidad.
5. Conexiones A continuación se muestra el esquema de conexiones que se usará durante la realización de esta práctica.
Electrometro
Caiman negro
Caiman rojo Generador de carga
El electrómetro estará conectado a tierra en una toma especial en la mesa de ensayos. Adicionalmente el cable de conexiones del electrómetro se conectará por un extremo al Electrómetro y por el otro que tiene dos salidas, una roja y otra blanca, la roja irá a la jaula interior y la otra a la jaula exterior. El conductor negro sirve para aterrar la jaula exterior.Como medida de precaución se colocará el selector de rangos del electrómetro en su valor máximo; esto para evitar que una carga muy alta pueda dañarlo por estar en un rango muy bajo.
6.- Procedimiento experimental Una vez hechas las conexiones mostradas en el esquema anterior la apariencia de la instalación es como se ve en la figura que sigue:
En cada uno de los pasos del procedimiento que se describe a continuación se debe presionar el botón de aterramiento para asegurarse de que el conjunto está descargado y por lo tanto no contiene cargas que distorsionen los resultados. Procederemos enseguida como sigue: 6.1 – Frotar los productores de carga (azul y blanco) con los materiales de lana, seda o piel; introducir uno de ellos dentro de la jaula interna, sin tocarla y anotar la lectura del electrómetro. Retirar el generador de carga y anotar nuevamente la lectura. Explicar. Introducir el otro generador y observar el comportamiento del electrómetro. Explicar. 6.2 – Frotar nuevamente los generadores de carga con lana, seda o piel; introducir uno de ellos dentro de la jaula interna y tocar con él la pared de la malla. Retirar el generador de carga. Anotar la lectura del electrómetro. Explicar el fenómeno. 6.3 – Repetir el punto 6.2 utilizando el otro generador de carga. 6.4 – Descargar los generadores de carga tocando con ellos la jaula exterior. Frotarlos el uno contra el otro; introducir primero uno de ellos dentro de la jaula interna sin tocarla y tomar la lectura del electrómetro, retirarlo luego; hacer lo mismo con el otro generador. 6.5 – Frotar nuevamente los generadores de carga, y manteniéndolos cerca, sin que se toquen, introducirlos en la jaula, sin tocarla. 7. 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 product or
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 está 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 está cargado por el método de inducción está 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 ll evados a cabo pudimos dar respuesta a los diferentes fenómenos planteados y explicar por qué suceden, teniendo un mejor concepto y claridad de lo que llamamos “Electroestática”.
8. Resultados Insertando el objeto dentro de la jaula sin toparla. Producción de Carga -22 Azul -24 Blanco -7,1 PVC
Lectura
Removiendo el objeto y de nuevo medimos Producción de Carga -18 Azul -7,6 Blanco -7,1 PVC
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Poniendo el objeto y sacándolo rápidamente Producción de Carga -27 Azul -30 Blanco -16 PVC
Lectura
Frotando el objeto nuevamente Producción de Carga -4,3 Azul -3,2 Blanco -2,7 PVC
Lectura
8. Referencias
VALLEJO & AYALA laboratorio de física
FÍSICA GENERALIng. Juan Goñi GalarzaLIMA - PERU
FÍSICA GENERALAdisson Wesley Longman Boulevard DF.
FÍSICA GENERAL Sears Zemansky Young Freedman Volumen II.
Fundamentos de Electromagnetismo Cheng Finne y Volumen.
