INTERFERENCIA DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO POR LA JAULA DE FARADAY

Transcripción

1 INTERFERENCIA DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO POR LA JAULA DE FARADAY RONAL ANDRES CEBALLO MEDINA MAIROM JOSE MARENCO CONTRERAS OSCAR GUILLERMO PAVA RAMOS UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y DE EDUCACIÓN LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA VALLEDUPAR, CESAR 2016

2 INTERFERENCIA DEL CAMPO ELECTROSTÁTICO POR LA JAULA DE FARADAY RONAL ANDRES CEBALLO MEDINA MAIROM JOSE MARENCO CONTRERAS OSCAR GUILLERMO PAVA RAMOS Infrme presentad cm requisit de evaluación parcial en la asignatura de electrmagnetism grup 15, al prfesr Lic. Juan Pachec Fernández UNIVERSIDAD POPULAR DEL CESAR FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS Y DE EDUCACIÓN LICENCIATURA EN MATEMÁTICAS Y FÍSICA VALLEDUPAR, CESAR 2016

3 PRESENTACIÓN DE LA SITUACIÓN En muchas casines ns hems preguntad qué pasaría si a un avión cmercial le cayera un ray? tras veces ns han sugerid que si vams transitand en un aut, y ns encntrams dentr de una trmenta eléctrica l más recmendable es quedarse dentr del aut ya que este ns prtegerá en cas de una descarga eléctrica. En esta casión, se intentara recrear una situación que ns pueda precisar las raznes y respnder a varis interrgantes relacinads cn fenómens electrstátics en nuestra vida ctidiana. El fenómen de interferencia electrstática es prducid pr la jaula de Faraday, aplicand ls principis electrstátics y pr medi de la experimentación es psible cncer un cmprtamient el cual es necesari para la cmpresión de dich fenómen. OBJETIVO GENERAL Aplicar ls principis electrstátics en el experiment de la jaula de Faraday en situacines de la vida ctidiana. OBJETIVO ESPECIFICOS Recrear el experiment de la jaula de Faraday en situacines ctidiana. Precisar las raznes pr las cuales el camp eléctric es nul dentr de la jaula de Faraday. Prbar la funcinalidad del experiment. PROBLEMA Al cnectar una diferencia de ptencial cn un recint cerrad frmad pr cubiertas metálicas un enrejad de mallas este se electrifica tant que cmienza a salir cargas eléctricas hacia el exterir de la superficie, siempre y cuand el recint n esté haciend cntact cn un pl a tierra. Cóm explicar desde ls principis electrstátics el fenómen de anulidad del camp eléctric en el interir de la jaula? TEORIA Jaula de Faraday: Es un recint cerrad de material cnductr que prtege de ls camps electrstátics. Debe su nmbre al físic Michael Faraday, que cnstruy

4 una en Se emplean para prteger de cargas eléctricas, ya que en su interir el camp eléctric es nul. Material cnductr: Sn materiales en dnde ls electrnes se mueven cn bastante libertad sbre la superficie del material. Electrón: Partícula subatómica que se encuentra alrededr del núcle del átm y que tiene carga eléctrica negativa. Prtón: Partícula subatómica que se encuentra en el núcle del átm y que tiene carga eléctrica psitiva. Carga eléctrica: La carga eléctrica es una prpiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas. Equilibri electrstátic: requiere que las cargas se encuentren en reps en el material cnductr. Est es, n se mueven, pese a que pdrían hacerl. Camp eléctric: Es un camp físic que perturba el espaci mediante un mdel que describe la interacción entre cuerps y sistemas cn prpiedades de naturaleza eléctrica. Se describe cm un camp vectrial. Fuerza electrstática: Cuand las cargas están en reps, la interacción entre ellas se denmina fuerza electrstática. Dependiend del sign de las cargas que interaccinan, la fuerza electrstática puede ser atractiva repulsiva. Densidad de carga superficial: cantidad ttal de carga (Q) distribuida de manera unifrme sbre una superficie de área A, la densidad de carga superficial σ (sigma letra griega minúscula) expresa la cantidad de carga pr unidad de superficie. Fluj eléctric: Es una cantidad escalar que expresa una medida del camp eléctric que atraviesa una determinada superficie, expresad de tra frma, es la medida del númer de líneas de camp eléctric que penetran una superficie. Diferencia de ptencial: es el impuls que necesita una carga eléctrica para que pueda fluir pr el cnductr de un circuit eléctric.

5 PROCEDIMIENTO Una jaula de Faraday es una caja metálica que prtege de ls camps electrstátics para prteger de descargas eléctricas, ya que en su interir el camp eléctric es nul. La cnstrucción de la jaula de Faraday requiere: Malla metálica Fig. 1 Tijera para crtar metal Silicna Fig. 2 Fig. 3

6 Se debe recrtar un rectángul de malla metálica para pder frmar un cilindr rectangular rect. Fig. 4 Para dar frma al cilindr se debe pegar ls lads del rectángul cn silicna, lueg se recrta la malla restante en frma de una circunferencia (el diámetr de la circunferencia deben ser mayr que el diámetr del cilindr).se clca el cilindr sbre el recrte y se pega cn silicna y ya tenems nuestra jaula cm se ve en la Fig. 5, despues l pndrems en presencia de una difernecian de ptencial cm se ve en la Fig. 6, y al estar en cnctat cn la diferencia de ptencial se electrifica cm se ve en la Fig. 7. Fig. 5 Fig. 6 Fig. 7 El funcinamient de la jaula de Faraday se basa en prpiedades de un cnductr en equilibri electrstátic. Cuand la jaula metálica se clca en presencia de un camp eléctric extern, las cargas psitivas se quedan en las psicines de la red; ls Electrnes sin embarg, empiezan a mverse puest que sbre ells actúa una fuerza dada pr: F= ee Dnde e es la carga del electrón. Cm la carga del electrón es negativa, ls Electrnes se mueven en sentid cntrari al camp eléctric y, aunque la carga neta del material cnductr es cer, un de ls lads de la caja (en el que se

7 acumulan ls Electrnes), se queda cn exces de carga negativa, mientras que el tr lad queda cn una deficiencia de Electrnes (carga psitiva). Este desplazamient de las cargas hace que en el interir de la caja se cree un camp eléctric en sentid cntrari al camp extern. El camp eléctric resultante en el interir del cnductr es pr l tant nul. Cm en el interir de la caja n hay camp eléctric, ninguna carga puede atravesarla. MODELACIÓN Cuand la jaula se smete a una diferencia de ptencial se genera un camp eléctric en el exterir de esta. Para calcular ese camp eléctric pdems hacer us de una superficie gaussiana cm la que se muestra en la Fig.8 debid a la simetría de la jaula y la necesidad de precisar las raznes pr la que el camp eléctric dentr de la jaula en nul. Fig.8 Para nuestr prblema cnsiderams que la jaula queda cargada unifrmemente y l trabajarems en un instante de tiemp determinad, para que el camp permanesca cnstante. Nuestra superficie gaussiana debe tener una Altura menr a la de nuestra jaula para despreciar el efect brde, dad que en el brde de la jaula las lienas de camp cambia de dirección. En la fig. 9 tenems: L: altura de la jaula. l : altura de la superfiecie gaussiana. a: radi de la jaula. r: radi de la superficie gaussiana. da: diferencial de superficie. de: diferencial de camp eléctric. Fig.9

8 Las lineas de camp sn perpendicular a la superficie gaussiana cm se ve el la Fig. 10 Fig.10 El fluj eléctric a través de la superficie está dad pr: = = Dnde Q es la carga en el interir de la superficie gaussiana y ε es la permitibidad del vací = θ El ángul frmad entre E y da es cer = 0 = Dad que el camp es cnstante entnces: = = = (1) Dnde A es el área de la superficie gaussiana que está dada pr: A=2πrl (2πrl )= Q = σa y A es el área de superficial de la jaula y está dad pr: A =2πal (2πrl )=

9 Entnces: (2πrl )= = El camp prducid será directamente prprcinal al radi de la jaula e inversamente prprcinal al radi de la superficie gaussiana. De (1) pdems ver que cm en el interir de la jaula n hay carga entnces el camp eléctric es cer. Pr esta razón aunque parezca paradójica la manera más segura de prtegerse durante una trmenta eléctrica es estar en el interir de un aut de un avión ya que ests están cnstruids de material cnductr y sn recints cerrads.

10 BIBLIOGRAFIA SERWAY, Raymnd A. JEWETT, Jhn W. Física Para Ciencia e Ingeniería Vl.2. Sexta Edición. Califrnia State Plytechnic University Pmna. p [Citad el 9 de Septiembre de 2016] Dispnible en < [Citad el 9 de Septiembre de 2016] Dispnible en < [Cnsultad el 18 de Septiembre de 2016] Dispnible en < [Cnsultad el 18 de Septiembre de 2016] Dispnible en <