La hielera de Faraday

Objetivos

• Investigar la naturaleza del proceso de cargar eléctricamente un cuerpo por fricción y por contacto.
• Comparar los fenómenos físicos de carga de un objeto por contacto y por inducción.

Fundamentación

En el siglo XIX, el científico inglés Michael Faraday, realizó un experimento histórico cuyo resultado confirmó la validez de la ley de Gauss y, por tanto, de la ley de Coulomb (Benjamín Franklin en Norteamérica y Joseph Priestley llevaron a cabo experimentos similares en el siglo XVIII, aunque con mucha menos precisión). En su experimento, Faraday usó un recipiente metálico para hielo con tapa, por lo que se conoce como el experimento de la hielera de Faraday.

En nuestro caso, la hielera será una canastilla hecha con malla metálica, para facilitar el ver qué es lo que ocurre en su interior. Además, el dispositivo tendrá una malla exterior que funcionará como blindaje electrostático, o jaula de Faraday.

La Electrostática es el estudio de las cargas eléctricas y sus características. Para investigar experimentalmente la electrostática, se necesita un dispositivo de detección y medición de carga. El instrumento más común es el electroscopio, un dispositivo con dos láminas de oro suspendidas verticalmente de un punto común. Cuando se lleva un objeto cerca al electroscopio, las hojas de oro se separan, indicando con el grado de elevación la magnitud de la carga.

Aunque hay muchas versiones diferentes del electroscopio, todos dependen de la repulsión de cargas del mismo signo para producir una lectura de salida. Desafortunadamente, dichos dispositivos tienen una baja sensibilidad (se precisa de grandes cantidades de carga para hacer que las láminas de oro se separen), y el instrumento no brinda una lectura cuantitativa.

El sensor de carga es algo así como un electroscopio electrónico. Además de dar una medición cuantitativa, el sensor de carga es más sensible e indica la polaridad directamente.

En esta práctica usará un sensor de carga para determinar la polaridad de los productores de carga. Medirá la cantidad de carga transferida a la hielera de Faraday, al ponerla en contacto con cada productor de carga. Finalmente, usará el sensor de carga para medir la carga por inducción del recipiente, y comparará la carga por contacto con la carga por inducción.

Equipo requerido

• Interfaz Science Workshop* Cables de conexión
• Sensor de carga con conectores de caimán
• Productores de carga blanco y azul
• Hielera de Faraday

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz Science Workshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de carga directamente al canal analógico A de la interfaz.

3. Conecte el cable al puerto BNC del sensor.

4. El sensor de carga tiene ganancias de 1x, 5x y 20x. Escoja una de estas dependiendo del valor de carga que vaya a medir (en este caso 1x será una selección adecuada).

5. Ejecute el programa DataStudio e instale el sensor de carga.

6. Configure la velocidad de muestreo en 10 Hz y seleccione la medida de Carga 1x (o la ganancia seleccionada en el sensor).

7. Cree un gráfico carga vs. tiempo. Para mayor claridad en el análisis de los datos de la práctica, se recomienda crear un gráfico para cada parte del procedimiento. También es conveniente reemplazar los nombres de las gráficas y ensayos por unos que hagan referencia a la parte del procedimiento registrada en ellos.

Parte II. Configuración del equipo

1. Conecte los caimanes del cable del sensor a la hielera de Faraday (canastilla interna) y a la malla externa.

2. Antes de empezar cualquier experimento usando la hielera de Faraday, debe aterrizarla (es decir, descargarla) momentáneamente. Para hacerlo, toque al tiempo la canastilla interior y la malla exterior con un dedo.

3. Se sugiere que todos los integrantes del grupo se descarguen tocando la malla exterior antes de hacer la práctica.

Parte IIIa. Determinación de la polaridad de las cargas

1. Aterrice la hielera y presione el botón ZERO del sensor de carga para descargarla.

2. Inicie la toma de datos.

3. Frote entre sí varias veces las superficies blanca y azul de los productores de carga.

Es prudente tomar los productores de carga lo más cerca posible del extremo donde están ubicadas las superficies que se deben cargar para no llegar a partirlos con el esfuerzo. Tenga la precaución de no tocar con sus manos ni las superficies ni el cuello blanco de los productores de carga, pues pueden descargarse a través de su cuerpo.

4. Introduzca el productor de carga blanco en de la hielera sin tocarla. Observe la gráfica.

5. Extraiga el productor de carga blanco e introduzca ahora el azul.

6. Retire el productor de carga azul, espere unos segundos y detenga el registro de datos.

Parte IIIb. Carga por contacto

1. Aterrice la hielera y presione el botón ZERO del sensor de carga para descargarlo.

2. Inicie la toma de datos.

3. Frote entre sí varias veces las superficies blanca y azul de los productores de carga.

4. Introduzca el productor de carga blanco dentro de la hielera. Frote la superficie del productor de carga blanco contra la canastilla interior y luego retire el productor de carga. Observe la gráfica.

5. Detenga el registro de datos.

6. Para verificar la carga de la hielera, sin introducir ninguno de los productores de carga, espere un minuto y reinicie la toma de datos. Espere diez segundos y detenga el registro.

7. Realice los pasos anteriores introduciendo ahora el productor de carga azul.

Parte IIIc. Carga por inducción

1. Aterrice la hielera y presione el botón ZERO del sensor de carga para descargarlo.

2. Inicie la toma de datos.

3. Frote entre sí varias veces las superficies blanca y azul de los productores de carga.

4. Sin tocar la hielera con el productor de carga, introduzca el productor de carga blanco dentro de la hielera.

5. Con el productor de carga aun en el interior de la hielera, aterrícela momentáneamente con un dedo.

6. Retire el productor de carga y, después de unos segundos, detenga el registro de datos.

7. Repita el procedimiento anterior usando el productor de carga azul.

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

Parte IIIa. Determinación de la polaridad de las cargas

1. ¿Cuál es la polaridad del productor de carga blanco? ¿Cuál es la polaridad del productor de carga azul? Explique cómo obtuvo cada productor esa carga.

2. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando introduce el productor de carga blanco sin tocar la canastilla y luego retira el productor de carga?

3. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando introduce el productor de carga azul sin tocar la canastilla y luego retira el productor de carga?

Parte IIIb. Carga por contacto

1. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando frota la canastilla con el productor de carga blanco y luego retira el productor de carga?

2. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando frota la canastilla con el productor de carga azul y luego retira el productor de carga?

Parte IIIc. Carga por inducción

1. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando la aterriza mientras el productor de carga se encuentra aun en su interior?

2. ¿Qué le ocurre a la carga en la hielera cuando retira el productor de carga?

3. ¿En qué difieren los resultados de la carga por contacto de aquellos obtenidos para la carga por inducción?

Bibliografía

Aníbal Mendoza Pérez, Luis Ripoll Morales, Juan Miranda Crespo. Física Experimental – Electricidad y Magnetismo. 2ª edición, revisada y aumentada. Ediciones Uninorte, Barranquilla, 2005.
Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.
PASCO. Activity P29: Electrostatic Charge (Charge Sensor).
P29 Electrostatic Charge.doc