Jaula de Faraday

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

Funcionamiento

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 cargas positivas se quedan en las posiciones de la red; los electrones, sin embargo, que en un metal son libres, se mueven en sentido contrario al campo eléctrico y, aunque la carga total del conductor es cero, uno de los lados de la caja (en el que se acumulan los electrones) se queda con un exceso de carga negativa, mientras que el otro lado se queda sin electrones (carga positiva).

Se puede construir con materiales de bajo costo utilizando un tejido mosquitero de alambre dándole forma de caja. Luego dentro de ella colocamos algún objeto que haga interferencia

Máquina de Wimshurst

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). Tiene un aspecto distintivo con dos grandes discos a contra-rotació

n (giran en sentidos opuestos) montados en un plano vertical, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Se basa en el efecto triboeléctrico, en el que s

e acumulan cargas cuando dos materiales distintos se frotan entre sí.

Descripción

Estas máquinas pertenecen

a una clase de grupos de generadores, que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. En un principio las máquinas de esta categoría fueron desarrolladas por Wilhelm Holtz (1865 y 1867), Agosto Toepler (1865), y J. Robert Voss (1880). Las máquinas más antiguas son menos eficientes y exhiben una tendencia imprevisible a cambiar de polaridad. La máquina de Wimshurst no tiene este defecto.

En una máquina Wimshurst, los dos discos de aislamiento y sus sectores de metal giran en direcciones opuestas que pasan por las barras neutralizadoras cruzadas de metal y por sus pinceles. Un desequilibrio de cargas es in

ducido, amplificado y almacenado por dos pares de peines de metal con los puntos situados cerca de la superficie de cada disco. Estos colectores se montan sobre un soporte aislante y conectado a una salida terminal. La retroalimentación positiva, aumenta la acumulación de cargas en forma exponencial hasta que la tensión de ruptura dieléctrica del aire alcanza una chispa.

La máquina está lista para comenzar, lo que significa que la energía eléctrica externa no es necesaria para crear una carga inicial. Sin embargo, se requiere energía mecánica para tornar los discos en contra el campo eléctrico, y es esta energía que la máquina convierte en energía eléctrica. La salida de la máquina de Wimshurst es esencialmente una corriente cons

tante ya que es proporcional al área cubierta por el metal y los sectores a la velocidad de rotación. El aislamiento y el tamaño de la máquina determinan la salida de voltaje maxima que se puede alcanzar. La chispa de energía acumulada se puede aumentar mediante la adición de un par de frascos Leyden, un tipo de condensador adecuado para la alta tensión, con los frascos en el interior de las placas conectados en forma independiente a cada una de las terminales de salida y conectados con las placas exteriores entre sí. Una máquina Wimshurst puede producir rayos que son aproximadamente un tercio del diámetro del disco de longitud y varias decenas de microamperes.

Actividad de Laboratorio: Cuerpos cargados

Marco Teórico

La electrostática es la parte de la física que estudia los fenómenos que se presentan cuando las cargas de un cuerpo están en reposo y adquieren energía de otro, ya sea por frotamiento, contacto o inducción.

Al frotar un cuerpo con otro, este adquiere una carga eléctrica que produce atracción o repulsión. Por ejemplo, cuando una persona se peina, frota el peine contra el cabello y lo atrae.

Esa atracción o repulsión entre los cuerpos se debe a la ganancia o pérdida de electrones, los cuales presentan gran movilidad y tienden a "salir" del cuerpo.

Cuando un cuerpo tiene el mismo número de protones (+) que de electrones (-), se le considera eléctricamente neutro. Si presenta exceso de electrones, se trata de un cuerpo cargado negativamente pero si tiene deficiencia de ellos, está cargado positivamente.

Los cuerpos de cargas contrarias se atraen, en cambio, los de cargas iguales tienden a rechazarse.

Una forma de quitar la carga eléctrica a un cuerpo es ponerlo en contacto con el suelo ("hacer tierra"), por medio de un cable o simplemente al ser tocado el objeto por una persona.

Algunos fenómenos electrostáticos se pueden observar con ayuda del péndulo eléctrico y el electroscopio.

Objetivo: determinar si todos los cuerpos pueden se cargados por frotamiento. Observar la influencia de los cuerpos cargados sobre otros.

Primera instancia de la actividad: construir un péndulo eléctrico. Este sencillo equipo nos permitirá determinar si un cuerpo se encuentra cargado o no.

Materiales: Hilo de coser, bolita o trozo de telgopor o corcho, botella con tapón de corcho, alambre de aproximadamente 30 cm, aguja de coser, papel metalizado.

Procedimiento:

a) Dobla el extremo del alambre en forma de rulo, a 6 cm del mismo, dobla el alambre en ángulo recto y clava el otro extremo en el corcho de la botella como muestra la figura.

b) Corta un trozo de telgopor o de corcho con forma de bolita, de aproximadamente ½ cm de diámetro y atraviésalo con el hilo anudado en el extremo. Envuelve la bolita con papel metalizado.

c) Ata en el extremo del alambre el hilo que sostiene el trozo de telgopor o corcho.

Segunda instancia de la actividad: formen grupos de cuatro o cinco integrantes.

Materiales: para esta actividad es necesario contar con una mesada con lavadero, bolígrafo de plástico, varilla de vidrio, trozo de telgopor, papel, papel metalizado, paño de lana, algodón, varilla de metal o alambre de cobre, cinta aisladora, clavos de metal, goma de borrar.

Procedimiento:

1_ Tomen el bolígrafo y la varilla de vidrio, discutan con sus compañeros con qué elementos frotarlos para poder cargarlos y confeccione una lista con los materiales que decidieron frotar entre sí.

Froten los elementos y acérquenlos a la bolita del péndulo construido anteriormente. Observen lo que sucede, ¿Podemos determinar si el material se ha cargado con electricidad estática? Anoten en la lista si consiguieron cargar el material y utilizando la secuencia triboeléctrica indiquen qué carga (positiva o negativa) adquirió cada material.

¿En qué caso consiguieron una mayor carga?

2_ Tomen la varilla de metal, frótenla con distintos elementos y acerquen cada vez al péndulo eléctrico. ¿Qué lograron observar, consiguieron cargar la varilla metálica? Expliquen por qué sucede lo observado.

Ahora cubran con cinta aisladora uno de los extremos de la varilla metálica y tomándola por el extremo aislado repitan la experiencia. ¿Qué logran observar, han conseguido cargar la varilla? Expliquen y den sus conclusiones.

3_ Tomen el bolígrafo y frótenlo contra el trozo de telgopor. Discutan cuáles de los siguientes elementos (trocitos de papel, trocitos de telgopor, clavos, goma de borrar, trocitos de papel metalizado, chorro finito de agua) podrán atraer con el bolígrafo cargado y expliquen por qué:

Una vez que tienen decidido que materiales podrán atraer y cuáles no corroboren sus decisiones acercando el bolígrafo cargado a los distintos elementos.

Para el caso del chorro de agua deben regular la válvula de la canilla hasta conseguir un chorro continuo lo mas finito posibles.

Nota: para poder realizar estas experiencias con éxito deben hacerse en un día seco, ya que la humedad del aire provoca que las cargas se dispersen en las moléculas de agua que se encuentran suspendidas en el aire.

El Electroscopio

El electroscopio es un aparato que permite detectar la presencia de carga eléctrica en un cuerpo e identificar el signo de la misma. Cuando un electroscopio se carga con un signo conocido, puede determinarse el tipo de carga eléctrica de un objeto aproximándolo o entrando en contacto con la esfera superior.En un electroscopio de hojuelas, si las laminillas se separan significa que el objeto está cargado con el mismo tipo de carga que el electroscopio. De lo contrario, si se juntan, el objeto y el electroscopio tienen signos opuestos.

Si acercamos un cuerpo cargado, por ejemplo una lapicera que ha sido previamente frotada por nuestro cabello o por una ropa de lana, y luego aproximamos (por inducción) o hacemos entrar en contacto la lapicera cargada con el electroscopio, la carga se distribuirá entre las dos hojas del electroscopio.

Si se aleja la lapicera, las cargas positivas y negativas del electroscopio vuelven a redistribuirse, la fuerza de repulsión entre las hojas desaparece y se juntan nuevamente.

Un electroscopio cargado pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica (capacidad de un cuerpo para conducir la corriente eléctrica) del aire producida por su contenido en iones.

El gran físico inglés William Gilbert (1544 – 1603) fue el que ideó el primer electroscopio además de clasificar los materiales en conductores y aislantes, entre muchísimos otros aportes a la física.

Generador de Van de Graaff

El generador de Van de Graaff es un generador de corriente constante que fue inventado justamente por el físico Robert J. Van de Graaff alrededor de 1929. Es una máquina electrostática que utiliza una cinta móvil, de material aislante, para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca. La carga es depositada en la cinta por inducción, ya que la varilla metálica o peine, esta muy próxima a la cinta pero no en contacto. La carga, transportada por la cinta, pasa al terminal esférico por medio de otro peine o varilla metálica que se encarga de producir energía.

El generador fue construido con el propósito de producir una diferencia de potencial de alrededor de 1 megavoltio.

En la figura, se muestra un esquema del generador de Van de Graaff. Un conductor metálico hueco A de forma esférica, está sostenido por soportes aislantes de plástico, atornillados en un pié metálico C conectado a tierra. Una correa o cinta (de material no conductor) D se mueve entre dos poleas E y F. La polea F se acciona mediante movimientos circulares de una manivela.

Los dos peines G y H están hechos de hilos conductores muy finos, están situados a la altura del eje de las poleas. Las puntas de los peines están muy próximas pero no tocan a la cinta.

La rama izquierda de la cinta transportadora se mueve hacia arriba y transporta un flujo continuo de carga positiva hacia el conductor hueco A. Al llegar a G y debido a la propiedad de las puntas se crea un campo lo suficientemente intenso para ionizar el aire situado entre la punta G y la cinta. El aire ionizado proporciona el medio para que la carga pase de la cinta a la punta G por inducción, y a continuación, al conductor hueco A.