INVESTIGACION 2: LEY DE COULOMB La ley de Coulomb es una

INVESTIGACION 2: LEY DE COULOMB
La ley de Coulomb es una descripción matemática de la naturaleza fundamental de las
fuerzas eléctricas entre objetos cargados de forma esférica o que son pequeños en
comparación con la distancia entre ellos (de modo que funcionan más o menos como
partículas puntuales). Esta ley relaciona la fuerza entre los objetos pequeños cargados
con las cargas de los mismo y la distancia entre ellos. La ley de Coulomb es por lo
general introducida sin ninguna una prueba experimental en la mayoría de los libros de
texto de física introductoria. En lugar de simplemente aceptar lo que dicen los libros de
texto sobre la ley de Coulomb, examine en primer lugar cualitativamente cómo depende
la fuerza entre dos objetos con cargas de su separación. Y luego hará un análisis
cuantitativo de la fuerza.
Para la primera serie de observaciones necesitará:
• 1 Rollo de cinta Scotch ©
• 1 varilla de vidrio y tela de poliéster o seda
Predicción 2.1: ¿Cómo cree que cambiará la magnitud de la fuerza entre dos objetos
cargados a medida que cambie la distancia entre los mismos? ¿Qué pasará con la fuerza
si disminuye la distancia? ¿Qué pasará con la fuerza si aumenta la distancia?
Verifique sus predicciones
Actividad 2.1: Mirada cualitativa a la Ley de Coulomb
1. Pegue 10 cm o menos de longitud de cinta Scotch © a la mesa haciéndole un pequeño
"mango" en un extremo para que pueda ser despegada rápidamente.
2. Cargue la varilla de vidrio frotándola con un paño.
3. Despegue la cinta de la mesa, y observe la fuerza ejercida sobre la cinta cuando el
extremo de la varilla se acerca y se aleja de la cinta. No deje que la cinta toque la barra.
Pregunta 2.1: ¿Qué parece ocurrirle a la fuerza de interacción entre la cinta cargada y
la varilla cargada a medida que la distancia entre ellas disminuye?
Pregunta 2.2: Sobre la base de las observaciones que ya ha hecho, ¿la fuerza entre los
dos objetos cargados parece encontrarse a lo largo de la línea que los une?. Sugerencia:
¿Qué pasaría con la repulsión o atracción mutua si la fuerza no se encontrara a lo largo
de la línea que une los objetos?
Mirada cuantitativa a la Ley de Coulomb
En la última parte del siglo XVIII, Carlos Augustín Coulomb utiliza una balanza de
torsión y una gran dosis de paciencia para comprobar que la fuerza de interacción entre
pequeños objetos esféricos cargados varía como el inverso del cuadrado de la distancia
entre ellos. Para la verificación de esta relación matemática también se puede intentar
utilizar dispositivos más modernos.
Una pequeña esfera conductora se puede colocar en el extremo de una varilla aisladora
y puede ser cargada negativamente con una varilla de plástico que se haya frotado con
pieles. Esta esfera cargada se puede utilizar como un estímulo para provocar que otra
esfera cargada, suspendida de dos hilos, se eleve generando ángulos cada vez más
grandes a medida que la esfera estímulo se le acerca, como puede verse en el diagrama
siguiente
estímulo
más lejos
estímulo
más cerca
Como se ha visto en actividades anteriores, la realización de experimentos de electrostática es difícil, y es difícil obtener resultados cuantitativos pues son muy
dependientes de las condiciones ambientales. Para realizar medidas razonables se
pueden registrar las experiencias realizadas en condiciones de humedad controlada con
una cámara de vídeo y, mediante un software adecuado, realizar medidas a partir de los
fotogramas obtenidos del vídeo. Con el software moderno, esto es relativamente fácil de
hacer. Dado que en nuestro laboratorio no tenemos medios para controlar las
condiciones ambiente vamos a analizar una grabación de una experiencia ya realizada.
A continuación se presenta la guía que debería seguirse para realizar la actividad si se
dispusiera de un laboratorio adecuado para tal fin o sobre el video grabado
Actividad 2: Fuerzas sobre objetos cagados suspendidos --Teoría
El propósito de este experimento es analizar la dependencia funcional con la distancia
de las fuerzas de interacción entre dos pequeñas esferas revestidas de metal, donde
vamos a llamar r a la distancia entre las esferas. Utilizando las leyes de la mecánica, es
posible determinar la relación entre la fuerza de Coulomb sobre la esfera pequeña y el
ángulo que forman los hilos que la sostienen con la vertical. Es decir debemos ser
capaces de medir la fuerza de Coulomb actuando sobre q1 en función de la distancia
entre q1 y q2.
Antes de proceder con el análisis de vídeo, vamos tomar unos minutos para determinar
en forma analítica el ángulo θ esperable si se supone válida la ley de Coulomb. L fuerza
de Coulomb es el resultado de la presencia de otro objeto cargado que se encuentra en el
mismo plano horizontal que la masa suspendida
1. Dibuje un diagrama vectorial (con flechas mostrando la
dirección) de cada una de las fuerzas que actúan sobre la
esfera con cargar q1 y masa m, incluya la fuerza
r
gravitacional, Fg , la tensión de la cuerda, FT , y una
estímulo
fuerza electrostática horizontal
producida por la carga
r
sobre la esfera estímulo, Fe .
2. Demuestre que, si las cargas están en reposo en la dirección
vertical se cumple:
FT =
mag
cosθ
2. Demuestre que, si las cargas están en reposo en la dirección
horizontal se cumple
Fe − FT sin θ = 0
3. Demuestre que: Fe = mag tan θ.
4. Encuentre el ángulo θ como función de x y L. Ayuda:
Comience por hallar y como función de x y L.
Tenido en cuenta estas relaciones emplee el programa Tracker 4.0 (de uso libre) que
puede obtenerse en el siguiente sitio WEB
http://www.cabrillo.edu/~dbrown/tracker/
En la página puede encontrar el manual de uso en formato pdf