El experimento del cubo de hielo de Faraday es un experimento electrostático simple realizado en 1843 por el científico británico Michael Faraday [1] [2] que demuestra el efecto de la inducción electrostática en un recipiente conductor . Como contenedor, Faraday usó un cubo de metal hecho para contener hielo, lo que le dio su nombre al experimento. [3] El experimento muestra que una carga eléctrica encerrada dentro de un caparazón conductor induce una carga igual en el caparazón, y que en un cuerpo conductor de electricidad, la carga reside completamente en la superficie. [4] [5] También demuestra los principios detrás deblindaje electromagnético como el empleado en la jaula de Faraday . [6] [7] El experimento del cubo de hielo fue el primer experimento cuantitativo preciso sobre la carga electrostática. [8] Todavía se utiliza hoy en día en demostraciones de conferencias y cursos de laboratorio de física para enseñar los principios de la electrostática. [9]
Descripción del experimento
La descripción del experimento de Faraday, de una carta que escribió el 4 de febrero de 1843 a Richard Phillips, editor de Philosophical Journal , y publicada en el número de marzo de 1844: [1] [10]
"Sea A en el diagrama un cubo de hielo de peltre aislado ... conectado por un alambre a un delicado electrómetro de hoja de oro E, y sea C una bola redonda de latón aislada por un hilo seco de seda blanca, de tres o cuatro pies de largo, para quitar la influencia de la mano que lo sostiene del cubo de hielo de abajo. Descargue A perfectamente, y luego cargue C a distancia mediante una máquina [electrostática] o jarra de Leyden, e introduzca en A .. Si C es positivo, E también divergirá positivamente; si C se quita, E colapsará perfectamente ... A medida que C entra en el recipiente A, la divergencia de E aumentará hasta que C esté ... por debajo del borde del recipiente , y permanecerá bastante estable y sin cambios para cualquier depresión mayor. Esto muestra que a esa distancia la acción inductiva de C se ejerce por completo sobre el interior de A, ... Si C se hace tocar el fondo de A, todos sus la carga se comunica a A, ... y C, al ser retirada, ... se encuentra perfectamente descargada ".
A continuación se muestra una descripción moderna detallada del procedimiento experimental: [3] [4] [6] [9] [11]
- El experimento utiliza un contenedor de metal conductor A abierto en la parte superior, aislado del suelo. Faraday empleó un cubo de peltre de 7 pulgadas de diámetro por 10,5 pulgadas de alto en un taburete de madera, (B) [1] pero las demostraciones modernas a menudo usan una esfera de metal hueca con un agujero en la parte superior, [10] o un cilindro de pantalla de metal. , [9] [12] montado sobre un soporte aislante. Su superficie exterior está conectada por un cable a un detector de carga eléctrica sensible. Faraday usó un electroscopio de hoja de oro , pero las demostraciones modernas a menudo usan un electrómetro moderno [9] porque es mucho más sensible que un electroscopio, puede distinguir entre carga positiva y negativa y da una lectura cuantitativa. [13] El contenedor se descarga conectándolo brevemente a un objeto conductor grande, llamado tierra (tierra); esto se puede hacer tocándolo con un dedo, utilizando el cuerpo humano conductor como base. Cualquier carga inicial se escurre al suelo. El detector de carga lee cero, lo que indica que el contenedor no tiene carga.
- Un objeto de metal C (Faraday usó una bola de latón suspendida por un hilo de seda no conductor, [1] pero los experimentos modernos a menudo usan una pequeña bola de metal o un disco montado en un mango aislante [4] ) se carga con electricidad usando una máquina electrostática y se baja en el recipiente A sin tocarlo . A medida que se baja, la lectura del detector de carga aumenta, lo que indica que el exterior del contenedor se está cargando. Una vez que el objeto está bien dentro del borde del contenedor, el detector de carga se nivela y registra una carga constante, incluso si el objeto se baja más. La carga en el exterior del contenedor tiene la misma polaridad que en el objeto. Si el detector de carga toca la superficie interior del contenedor, se encuentra cargado con polaridad opuesta. Por ejemplo, si el objeto C tiene una carga positiva, se encontrará que el exterior del contenedor A tiene una carga positiva, mientras que el interior del contenedor tiene una carga negativa.
- Si el objeto C se mueve dentro del contenedor sin tocar las paredes, la lectura del detector de carga no cambiará, lo que indica que la carga en el exterior del contenedor no se ve afectada por la ubicación del objeto cargado dentro del contenedor.
- Si el objeto cargado C se saca del contenedor nuevamente, el detector de carga disminuirá a cero nuevamente. Esto muestra que las cargas en el contenedor fueron inducidas por C y que el contenedor no tiene carga neta. Por lo tanto, las cargas opuestas inducidas en el interior y el exterior deben tener el mismo tamaño.
- El objeto C cargado se toca con el interior del recipiente. La lectura del detector de carga no cambia. Sin embargo, si el objeto ahora se retira del contenedor, la lectura permanece igual, lo que indica que el contenedor ahora tiene una carga neta. Si luego se prueba el objeto con el detector de carga, se encuentra que está completamente descargado y el interior del contenedor también se encuentra descargado. Esto indica que toda la carga de C se ha transferido al contenedor y ha neutralizado exactamente la carga opuesta en la superficie interior del contenedor, dejando solo la carga en el exterior. Por lo que la carga en el interior del recipiente era exactamente igual a la carga en C .
Los kits están disponibles en empresas de suministros educativos [13] que contienen todos los aparatos necesarios para que los estudiantes realicen el experimento.
Prevención de errores debidos a cargos extraviados
Desviarse cargas estáticas eléctricas en el cuerpo del experimentador, ropa, o aparato cercano, así como de CA campos eléctricos de red generador de vapor, puede inducir cargas adicionales sobre partes del recipiente o cargado objeto C , dando una lectura falsa. El éxito del experimento a menudo requiere precauciones para eliminar estas cargas extrañas:
- Cualquier carga en el contenedor y los objetos conductores cercanos deben eliminarse antes del experimento mediante conexión a tierra; tocándolos brevemente a algún objeto conductor grande llamado suelo . Cualquier carga sobre el objeto fluirá hacia el suelo debido a su repulsión mutua. Esto se puede lograr tocándolos con un dedo, utilizando el cuerpo humano conductor como base. Sin embargo, el propio cuerpo del experimentador debe conectarse a tierra con frecuencia tocando una buena tierra de metal, como un banco de trabajo de metal, o preferiblemente una tubería de agua o el cable de conexión a tierra del cableado de alimentación principal del edificio . [14] Idealmente, el cuerpo del experimentador debería estar conectado a tierra durante todo el experimento. [13] Algunos kits de demostración incluyen láminas de tierra conductoras que se colocan en el banco de trabajo debajo del aparato y muñequeras antiestáticas que el experimentador usa durante el experimento, que están conectadas a una buena tierra.
- El electrómetro mide la carga con respecto a tierra, por lo que requiere una conexión a tierra durante su uso. [13] Tiene un cable de tierra, generalmente de color negro, que termina en un clip que debe fijarse a una base de metal durante el uso.
- El experimentador debe evitar movimientos excesivos durante el experimento. [13] Caminar o agitar los brazos puede provocar la acumulación de cargas estáticas en la ropa. El experimentador debe sostener el asa del objeto cargado C lo más lejos posible del objeto y del recipiente al bajar el objeto al recipiente.
- En los kits de laboratorio para estudiantes profesionales, el recipiente A suele tener la forma de dos cilindros concéntricos de malla metálica, abiertos en la parte superior. [15] Una pantalla actúa igual que una hoja de metal sólida para la carga electrostática, siempre que sus orificios sean pequeños. El cilindro interior es el propio contenedor de baldes de Faraday, separado del cilindro exterior con soportes aislantes. La pantalla de metal cilíndrica exterior rodea la interior y actúa como una base para protegerla de cargas perdidas. Este diseño elimina en gran medida el problema de las cargas parásitas y permite al experimentador ver el interior del contenedor. El cable de tierra del electrómetro está sujeto a la pantalla de tierra exterior, y el experimentador toca esta pantalla mientras realiza cualquier procedimiento. Para conectar a tierra la pantalla interior, el experimentador puede hacer un puente con el dedo entre las pantallas interior y exterior. Al hacer esto, es importante que levante el dedo primero de la pantalla interior, no del exterior, para evitar dejar carga en la pantalla interior. [dieciséis]
- La carga puede escaparse del objeto C cargado y del recipiente a lo largo de las asas y soportes debido a las capas superficiales de suciedad y aceite de las huellas dactilares. [13] Si se sospecha esto, el equipo debe lavarse con detergente para eliminar los aceites y secarse.
- Al medir la carga en la superficie interior o exterior del contenedor, el detector de carga no debe tocar la superficie cercana al borde del contenedor. La carga extra se concentra cerca del borde de la abertura debido a la geometría del metal.
Explicación
Los objetos metálicos conductores contienen cargas eléctricas móviles ( electrones ) que pueden moverse libremente en el metal. [17] En un estado sin carga, cada parte del metal contiene cantidades iguales de cargas positivas y negativas, íntimamente mezcladas, por lo que ninguna parte tiene una carga neta. Si un objeto con carga externa se acerca a una pieza de metal, la fuerza de la carga hace que estas cargas internas se separen. [9] [18] Las cargas de polaridad opuesta a la carga externa son atraídas hacia ella y se mueven hacia la superficie del objeto frente a la carga. Las cargas de la misma polaridad son repelidas y se mueven hacia la superficie del metal lejos de la carga. A esto se le llama inducción electrostática . En el Procedimiento 2 anterior, cuando la carga C se baja al contenedor, las cargas en el metal del contenedor se separan. Si C tiene una carga positiva, las cargas negativas en el metal son atraídas hacia él y se mueven hacia la superficie interna del recipiente, mientras que las cargas positivas son repelidas y se mueven hacia la superficie exterior. Si C tiene una carga negativa, las cargas tienen polaridad opuesta. Dado que el contenedor estaba originalmente descargado, las dos regiones tienen cargas iguales y opuestas. El proceso de inducción es reversible: en el Procedimiento 4, cuando se elimina C , la atracción de las cargas opuestas hace que se entremezclan nuevamente y la carga en las superficies se reduce a cero.
Es el campo electrostático del objeto cargado C el que hace que las cargas móviles se muevan. Como las cargas en el metal se separan, las regiones resultantes de carga inducida sobre las superficies del recipiente metálico crean su propio campo electrostático, que se opone al campo de C . [9] El campo de las cargas inducidas cancela exactamente el campo de C en todo el interior del metal. [18] El campo electrostático dentro de una pieza de metal es siempre cero. Si no fuera así, la fuerza del campo provocaría más movimiento de cargas y más separación de cargas, hasta que el campo eléctrico se volviera cero. Una vez que C está bien dentro del contenedor, casi todas las líneas de campo eléctrico de C golpean la superficie del contenedor. [11] El resultado (demostrado abajo) es que la carga total inducida en el interior del recipiente es igual a la carga en C .
En el Procedimiento 5, cuando C se toca la pared interior del contenedor, toda la carga de C fluye y neutraliza la carga inducida, dejando tanto la pared interior como C sin carga. El contenedor se deja con la carga en su exterior. El efecto neto es que toda la carga que anteriormente estaba en C ahora está en el exterior del contenedor.
Una conclusión importante que se puede extraer de esto es que la carga neta dentro de un contenedor conductor cerrado es siempre cero, incluso si se coloca un objeto cargado. [4] Si la carga en el interior puede encontrar un camino conductor hacia la pared del contenedor, fluirá hacia la superficie exterior del recipiente debido a su repulsión mutua. Si no puede, la carga interior inducirá una carga igual y opuesta en la superficie interior, por lo que la carga neta interior sigue siendo cero. Cualquier carga neta sobre un objeto conductor se ubica en su superficie.
La carga inducida de prueba es igual a la carga del objeto
El resultado encontrado en el Procedimiento 5, que un objeto cargado encerrado en un contenedor de metal induce una carga igual en el contenedor, se puede demostrar usando la ley de Gauss . [7] [9] [19] Suponga que el recipiente A encierra completamente el objeto C , sin una abertura (esta suposición se explica a continuación), y que C tiene una carga de Q culombios. El campo eléctrico de la carga C hará que las cargas en el volumen del metal se separen, creando regiones de carga inducida en las superficies interior y exterior de la carcasa. Ahora imagine una superficie cerrada S dentro del metal del caparazón, entre las superficies interior y exterior. Dado que S está en una región conductora (dentro del volumen de metal) donde el campo eléctrico es cero, el campo eléctrico en todas partes de la superficie S es cero. Por lo tanto, el flujo eléctrico total a través de la superficie S debe ser cero. Por lo tanto, según la ley de Gauss, la carga eléctrica total dentro de la superficie S debe ser cero:
Las únicas cargas dentro de S son la carga Q sobre el objeto C y la carga inducida Q inducida sobre la superficie interior del metal. Como la suma de estas dos cargas es cero, la carga inducida sobre la superficie interior de la cáscara debe tener un valor igual pero opuesta a la carga en C: Q inducida = - Q .
Explicación usando líneas de campo eléctrico
Otra forma de ver que la carga encerrada induce una carga igual en el contenedor es usar el dispositivo de visualización de líneas de campo eléctrico . [11] Las líneas de campo eléctrico terminan con cargas iguales; es decir, cada línea comienza en una cantidad específica de carga positiva y termina en una cantidad igual de carga negativa. [7] Un hecho adicional necesario es que las líneas de campo eléctrico no pueden penetrar los conductores; si una línea de campo eléctrico penetrara en un volumen de metal, los electrones en el metal fluirían a lo largo de la línea de campo, redistribuyendo la carga en el conductor hasta que no quedara ningún campo eléctrico. Solo cuando el campo eléctrico en el conductor es cero, las cargas en el conductor pueden estar en equilibrio electrostático.
Cuando el objeto cargado C está encerrado dentro del contenedor conductor A . todas las líneas de campo que se extienden desde el objeto deben terminar en la superficie interior del contenedor; no hay ningún otro lugar al que puedan ir. [11] [20] Dado que cada unidad de carga en el objeto origina una línea de campo, que termina en una carga inducida igual en el contenedor, la carga total en el objeto y la carga inducida en el interior del contenedor deben ser iguales.
Un objeto cargado fuera de cualquier contenedor también induce una carga igual en su entorno. [12] [21] Las líneas de campo que se extienden desde él terminan en cargas inducidas en las paredes u otros objetos de la habitación. Esto ilustra el principio general de que por cada carga positiva, debe haber una carga negativa correspondiente en algún lugar del universo.
El efecto del agujero
Estrictamente hablando, para que la carga inducida en el contenedor sea exactamente igual a la carga en el objeto, el contenedor de metal debe encerrar completamente el objeto cargado, sin un agujero. [12] Si hay una abertura, algunas de las líneas de campo eléctrico de C pasarán a través de la abertura y, por lo tanto, no inducirán una carga opuesta en el contenedor, por lo que la carga en las superficies del contenedor será menor que la carga en C . Pero es necesaria una abertura para que el objeto cargado entre y salga. En su experimento, Faraday cerró la abertura uniendo la tapa de metal del balde al hilo que suspende la bola, de modo que cuando la bola se bajó al centro del recipiente, la tapa cubrió la abertura. [1] [3] Sin embargo, esto no es necesario. El experimento funciona muy bien incluso para contenedores con grandes aberturas descubiertas, como el cubo de Faraday. Mientras que es lo suficientemente profunda, y la profundidad de C en el interior del recipiente es mayor que el diámetro de la abertura, [12] la carga inducida estará muy cerca en valor a la carga en C . Como muestra el dibujo de arriba, una vez que el objeto cargado está bien adentro, la mayoría de las líneas de campo eléctrico que se originan en la carga C terminan en las paredes del contenedor, por lo que muy pocas de ellas pasan a través de la abertura para terminar con cargas negativas que no están ubicadas en El contenedor. John Ambrose Fleming , un destacado investigador eléctrico temprano, escribió en 1911: [3]
. . . Es curioso observar cuán grande se puede hacer una abertura en un recipiente que, a todos los efectos eléctricos, sigue siendo un "conductor cerrado".
Pero el experimento se explica a menudo, como en las secciones anteriores, asumiendo que el contenedor no tiene agujero.
Blindaje electrostático
Dado que no hay campo eléctrico en el volumen intermedio del metal, la distribución de carga en la superficie exterior del contenedor y su campo eléctrico no se ven afectados por las cargas dentro del contenedor. [9] [11] Si el objeto cargado dentro del contenedor se mueve como en el Procedimiento 3, la distribución de carga inducida en la superficie interior se redistribuirá, manteniendo la cancelación de los campos eléctricos fuera de la superficie interior. Por lo tanto, las cargas en la superficie exterior no se verán afectadas por completo, junto con las cargas en el mundo exterior. Desde el exterior, el contenedor de metal actúa exactamente como si tuviera una carga superficial + Q, sin cargas en el interior. De manera similar, si una carga externa se acerca al contenedor desde el exterior, la distribución de carga inducida en la superficie exterior se redistribuirá para cancelar su campo eléctrico dentro del contenedor. Por lo tanto, las cargas dentro del contenedor no "sentirán" ningún campo eléctrico y no cambiarán. En resumen, las regiones dentro y fuera del contenedor están eléctricamente aisladas entre sí, los campos eléctricos de una región no pueden penetrar ni afectar a la otra. Este es el principio de blindaje electrostático utilizado en la jaula de Faraday .
Experimentos adicionales
Procedimiento alternativo
Una forma alternativa de realizar el experimento: [3] [21] después de que el objeto C cargado se baja al contenedor en el Procedimiento 2, la superficie exterior del contenedor se conecta a tierra momentáneamente. La carga en la parte exterior del contenedor de todos drena a tierra, y el detector de carga disminuye a cero, dejando la carga en el interior del recipiente, igual pero opuesta a la de C . Luego, el objeto C se saca del contenedor. Dado que C ya no está presente para retener la carga inducida en la superficie interior del contenedor, migra hacia el exterior del contenedor. por lo que el detector de carga registra una carga igual pero opuesta a su lectura anterior. Se puede probar que esta nueva carga es igual y opuesta a la carga en C tocando C en la superficie exterior del contenedor. Las dos cargas se neutralizan exactamente entre sí, por lo que tanto el exterior del contenedor como C están descargados.
Medición de carga sin contacto
Bajar un objeto a un contenedor de Faraday ofrece una forma de medir la carga en él sin tocarlo o alterar su carga. La carga inducida en el exterior del contenedor por cargas en su interior depende únicamente de la carga total en el interior. [12] [22] Si se introducen varios objetos cargados en el contenedor, la carga en el exterior será igual a su suma.
Adición de carga
Si varios objetos cargados conductores se bajan uno tras otro en el contenedor y se tocan hacia el interior, toda la carga de cada objeto se transferirá al exterior del contenedor, independientemente de la cantidad de carga que ya haya en el contenedor. [7] [22] Si dos objetos cargados conductores simplemente se tocan juntos en sus superficies exteriores, la carga en ambos simplemente se compartirá entre los dos objetos. [4]
Así es como se transfiere la carga al terminal superior de un generador Van de Graaff . [4] [7] La terminal es una carcasa metálica hueca y funciona como un cubo de Faraday. La carga se transporta dentro de ella en una correa móvil, luego se retira de la correa mediante un cable conectado al interior del terminal. Dado que el interior de la terminal tiene un potencial constante, la carga de la correa fluye hacia la superficie exterior y se suma a la carga allí, independientemente de la cantidad de carga que ya haya en la terminal.
La electrificación por contacto produce cargas iguales
La propiedad de "suma de cargas" del cubo de Faraday se puede utilizar para demostrar que la electrificación por contacto ( triboelectricidad ), cargando objetos frotándolos o tocándolos, produce cargas iguales y opuestas. Primero se descargan un trozo de piel y un trozo de goma o plástico para que no tengan carga, luego ambos se bajan juntos al contenedor sujeto a asas no conductoras. El detector de carga no registra carga. Luego se frotan juntos dentro del recipiente. El roce hará que la piel se cargue positivamente y la goma se cargue negativamente debido al efecto triboeléctrico . Sin embargo, dado que esto se debe a una separación de cargas iguales, las dos cargas son iguales y opuestas, por lo que la suma de la carga en ambos objetos sigue siendo cero. Esto lo prueba el detector de carga, que continúa leyendo cero después de la operación. Las cargas de los objetos individuales se pueden demostrar sacando una a la vez del contenedor. El detector de carga registrará cargas opuestas para cada objeto restante.
Múltiples contenedores concéntricos
En su artículo original de 1844, Faraday también investigó el efecto de usar varios contenedores conductores uno dentro del otro. [1] Descubrió que el efecto de inducción funciona a través de múltiples contenedores de la misma manera que lo hace a través de un contenedor. Usó cuatro cubos, cada uno apoyado en una almohadilla no conductora dentro del siguiente. Si se baja una carga al balde más interno, aparecerá una carga inducida exactamente igual en el exterior del balde exterior. La carga en el exterior de cada cubo induce una carga igual en el siguiente. Si uno de los cubos está conectado a tierra, la carga en todos los cubos fuera de él se reduce a cero.
Referencias
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