El experimento del cubo de hielo de Faraday es un simple experimento electrostático realizado en 1843 por el científico británico Michael Faraday que demuestra el efecto de la inducción electrostática en un contenedor conductor. Para un contenedor,Faraday utilizó un cubo de metal hecho para contener hielo, lo que le dio su nombre al experimento El experimento muestra que una carga eléctrica encerrada dentro de una cáscara conductora induce una carga igual en la cáscara, y que en un cuerpo conductor de electricidad, la carga reside enteramente en la superficie. El experimento de la cubeta de hielo fue el primer experimento cuantitativo preciso sobre la carga electrostática. Todavía se utiliza hoy en día en demostraciones de conferencias y cursos de física de laboratorio para enseñar los principios de la electrostática. miniaturadeimagen
Descripción del Experimento
1.El experimento utiliza un recipiente metálico conductor 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 banco de madera, pero las demostraciones modernas a menudo utilizan una esfera de metal hueco con un agujero en la parte superior, o un cilindro de pantalla de metal,montado en un soporte aislante. Su superficie exterior está conectada por un cable a un detector de carga eléctrico sensible. Faraday utilizó un electroscopio de hoja dorada, pero las demostraciones modernas a menudo utilizan un instrumento electrómetrico porque es mucho más sensible que un electroscopio, puede distinguir entre carga positiva y negativa, y da una lectura cuantitativa El contenedor se descarga conectándolo de forma breve al objeto conductor grande, llamado tierra (tierra); esto se puede hacer tocándolo con un dedo, usando el cuerpo humano conductor como tierra. Cualquier carga inicial cae al suelo. El detector de carga lee cero, indicando que el contenedor no tiene carga.
2.Un objeto metálico C (Faraday utilizó una bola de latón suspendida por un hilo de seda no conductor, pero los experimentos modernos a menudo utilizan una pequeña bola de metal o un disco montado en un mango aislante) se carga con electricidad utilizando una máquina electrostática y se baja en el contenedor A sin tocarlo . A medida que baja, la lectura del detector de carga aumenta, indicando que el exterior del contenedor se está cargando. Una vez que el objeto está bien dentro del labio 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 la del objeto. Si el detector de carga es tocado en 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.
3. Si el objeto C se mueve dentro del contenedor sin tocar las paredes, la lectura del detector de carga no cambiará, indicando que la carga en el exterior del contenedor no se ve afectada por el lugar donde se encuentra el objeto cargado dentro del contenedor.
4. Si el objeto cargado C se levanta del contenedor de nuevo, el detector de carga se reducirá a cero de nuevo. Esto muestra que las cargas en el contenedor fueron inducidas por C, y el contenedor no tiene carga neta. Por lo tanto, las cargas opuestas inducidas en el interior y en el exterior deben ser de igual tamaño.
5. El objeto cargado C es tocado al interior del contenedor. La lectura del detector de carga no cambia. Sin embargo, si el objeto se retira ahora del contenedor, la lectura permanece igual, indicando que el contenedor tiene ahora una carga neta. Si el objeto se prueba con el detector de carga, se descubre que está completamente descargado y que el interior del contenedor también está descargado. Esto indica que toda la carga en C ha sido transferida al contenedor, y ha neutralizado exactamente la carga opuesta en la superficie interior del contenedor, dejando sólo la carga en el exterior. Así que la carga en el interior del contenedor era exactamente igual a la carga en C.
Prevención de errores debido a cargas extraviadas
Las cargas eléctricas estáticas extraviadas en el cuerpo del experimentador, la ropa o los aparatos cercanos, así como los campos eléctricos de CA de los equipos alimentados por la red eléctrica, pueden inducir cargas adicionales en partes del contenedor o en el objeto C cargado, dando una lectura falsa. El éxito del experimento requiere a menudo precauciones para eliminar estas cargas extrañas:
Cualquier carga en el contenedor y en los objetos conductores cercanos debe ser removida antes del experimento poniendo a tierra; tocándolos brevemente con algún objeto conductor grande llamado tierra. Cualquier carga sobre el objeto fluirá en el suelo debido a su repulsión mutua. Esto se puede lograr tocándolos con un dedo, usando el cuerpo humano conductor como tierra. Sin embargo, el cuerpo del experimentador debe conectarse a tierra con frecuencia tocando una buena tierra metálica, como un banco de trabajo de metal, o preferiblemente una tubería de agua o el cable de conexión a tierra del cableado de la red de alimentación del edificio, Lo ideal es que el cuerpo del experimentador esté conectado a tierra durante todo el experimento Algunos kits de demostración incluyen placas de tierra conductivas que se colocan en el banco de trabajo debajo del aparato y correas antiestáticas que el experimentador usa durante el experimento, las cuales están conectadas a una buena tierra.
El electrómetro mide la carga con respecto a la tierra, por lo que requiere una conexión a tierra durante el uso Tiene un cable de tierra, generalmente de color negro, que termina en un clip que debe ser conectado a una tierra metálica durante el uso. miniaturadeimagen
El experimentador debe evitar el movimiento excesivo durante el experimento Caminar o agitar los brazos puede causar la acumulación de cargas estáticas en la ropa. El experimentador debe sostener el mango del objeto cargado C tan lejos del objeto y del contenedor como sea posible cuando baje el objeto dentro del contenedor.
En los kits de laboratorio para estudiantes profesionales, el contenedor A suele tener la forma de dos cilindros concéntricos de pantalla metálica, abiertos en la parte superior. El cilindro interior es el propio contenedor de cubetas de Faraday, separado del cilindro exterior por soportes aislantes. La pantalla metálica cilíndrica exterior rodea la interior y actúa como tierra para protegerla de las cargas perdidas. Este diseño elimina en gran medida el problema de la carga extraviada, además de permitir que el experimentador vea el interior del contenedor. El cable de tierra del electrómetro se sujeta 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 conectar su dedo entre las pantallas interior y exterior. Al hacer esto es importante que levante el dedo primero de la pantalla interior, no de la exterior, para evitar dejar carga en la pantalla interior.
La carga puede filtrarse del objeto C cargado y del contenedor a lo largo de las asas y los soportes debido a las capas superficiales de suciedad y aceite de las huellas dactilares, 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 adicional 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, 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 cargado externamente se acerca a una pieza de metal, la fuerza de la carga hace que estas cargas internas se separen, Las cargas de polaridad opuesta a la carga externa son atraídas hacia ella y se mueven hacia la superficie del objeto que se enfrenta a la carga. Las cargas de la misma polaridad son repelidas y se mueven a la superficie del metal lejos de la carga. Esto se denomina inducción electrostática. En el procedimiento 2 anterior, a medida que la carga C desciende en el contenedor, las cargas en el metal del contenedor se separan. Si C tiene una carga positiva, las cargas negativas en el metal son atraídas a él y se mueven a la superficie interior del contenedor, mientras que las cargas positivas son repelidas y se mueven a la superficie exterior. Si C tiene una carga negativa, las cargas tienen polaridad opuesta. Dado que el contenedor originalmente no estaba cargado, 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 entremezclen de nuevo, 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 la carga inducida en las superficies del contenedor metálico crean su propio campo electrostático, que se opone al campo de C. El campo de las cargas inducidas cancela exactamente el campo de C en todo el interior del metal. El campo electrostático dentro de un trozo de metal es siempre cero. Si no lo fuera, la fuerza del campo causaría más movimiento de cargas y más separación de cargas, hasta que el campo eléctrico se volviera cero.
miniaturadeimagen 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 la carga inducida en las superficies del contenedor metálico crean su propio campo electrostático, que se opone al campo de C. El campo de las cargas inducidas cancela exactamente el campo de C en todo el interior del metal. El campo electrostático dentro de un trozo de metal es siempre cero. Si no lo fuera, la fuerza del campo causaría 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, El resultado (probado abajo) es que la carga total inducida en el interior del contenedor es igual a la carga en C.
En el Procedimiento 5, cuando C es tocado a la pared interna del contenedor, toda la carga en C fluye hacia afuera y neutraliza la carga inducida, dejando tanto la pared interna como C sin carga. El contenedor se deja con la carga en el exterior. El efecto neto es que toda la carga que antes estaba en C está ahora en el exterior del contenedor.
Una conclusión importante que se puede sacar de esto es que la carga neta dentro de un contenedor conductor cerrado es siempre cero, incluso si se introduce un objeto cargado. Si la carga interior puede encontrar un camino conductor hacia la pared del contenedor, fluirá hacia la superficie exterior del contenedor 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 en el interior sigue siendo cero. Cualquier carga neta sobre un objeto conductor se encuentra en su superficie.
La prueba de carga inducida es igual a la carga del objeto miniaturadeimagen