LEY DE COULOMB v2

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CENTRO DE CIENCIA BÁSICA ESCUELA DE INGENIERÍA
FÍSICA II: Fundamentos de Electromagnetismo
PRÁCTICA 1: LEY DE COULOMB
1.1 OBJETIVO GENERAL
- Verificación experimental de la ley de Coulomb
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1.2 Específicos:
Analizar la relación entre la magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales
y la distancia de separación entre ellas manteniendo constante sus cargas.
2. PREINFORME
2.1 Base Teórica
Antes de realizar la práctica se deben tener claros los siguientes conceptos:
• Estructura de la materia, carga eléctrica y procesos de electrización de la materia
• Ley de Coulomb: Fuerza electrostática
• Campo eléctrico y diferencia de potencial eléctrico
• Potencial Eléctrico de una esfera cargada, maciza y conductora
2.2 Ejercicio a realizar antes de la práctica
-Una cierta carga Q se va a dividir en dos partes, q y Q-q. Cual es la relación de Q a q
si las dos partes separadas una cierta distancia dada, deben producir una máxima repulsión
electrostática?
-Una varilla atrae pedacitos de corcho seco los cuales después de tocar la varilla, a menudo se
separan de ella. Explique lo que ocurre.
-Explique si la fuerza electrostática que ejerce una carga sobre otra, cambia si se le acercan
otras cargas.
- Explique la diferencia entre la electrización por contacto y la electrización por inducción
3. MATERIALES Y EQUIPOS:
En esta práctica se utilizará el equipo para la Ley de Coulomb (Leybold)
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Dinamómetro de torsión
Fuente DC de alto voltaje y sus conexiones
Regla 1 y 2 con sus respectivos soportes
Dos mesas de altura graduable
Recipiente pequeño con agua
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Esferas Metálicas
Cables
Laser
Regla
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4. MONTAJE: Explicación y recomendaciones
En este experimento la fuerza electrostática (de Coulomb), es medida usando la balanza de
torsión que tiene su respectivo dinamómetro. El instrumento de medición es extremadamente
sensible. La esfera A queda montada en la mitad de dos alambres de torsión. Cuando a la
esfera A se acerca una esfera B cargada por contacto, la fuerza electrostática produce a la
balanza, una torsión la cual se equilibra rotando el dinamómetro en sentido contrario. Está
rotación en el dinamómetro que lleva nuevamente la balanza al equilibrio, nos proporciona el
valor de la fuerza en mN, (cada milímetro de la escala corresponde con un mN).
Haga el montaje que se muestra en la figura 1. Tomando en cuenta cada una de las siguiente
recomendaciones y tenga especial cuidado con la manipulación de las conexiones de la
fuente. Haga todo el montaje con el equipo desconectado de la red de electricidad. Trabajar
con alto voltaje exige tener cuidados.
Asegúrese de una buena estabilidad del equipo y determine adecuadamente la posición cero
correspondiente al equilibrio del sistema.
Figura 1. Esquema del montaje básico para la Ley de Coulomb
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Verificación de la posición de equilibrio del sistema:
Con la balanza de torsión armada como se muestra en la figura 2a, equilibre el peso de la
aleta, con el contrapeso y asegure la verticalidad del sistema con los tornillos de los alambres
de torsión. Para tener un determinado nivel de amortiguamiento coloque en el recipiente de
vidrio una cantidad de agua de tal modo que quede sumergida, al menos la mitad de la aleta,
(entre mayor sea la columna de agua mayor será el amortiguamiento). Espere hasta que el
sistema deje de oscilar.
Figura 2b. Sistema para la lectura del cero
Figura 2a. Balanza de torsión
Figura 2c. Conexión de la fuente
Verificación del cero
a) Distancia cero entre las esferas: Desplace la parte móvil de la regla 1, (unida a la esfera
B), hasta que indique el cero y suavemente desplace su soporte hasta que las esferas
queden en contacto sin dañar la verticalidad de la balanza de torsión.
b) Para la visualización del cero con el laser. Ubique el espejo cóncavo como se muestra en la
figura 2b. Coloque el laser sobre una mesa graduable, de tal forma que su rayo incida en el
espejo lo más frontal posible y que su reflejo de sobre la regla 2. Esta regla debe quedar a
una distancia de 2 o 3 metros exactos desde el espejo como se ve en la figura 2b.
Conexión de la fuente de alto voltaje:
Realizar las conexiones y cambios en el montaje experimental sólo cuando la fuente esté
desconectada. Utilice sólo los cables que vienen con la fuente para evitar descargas de alta
tensión.
En la figura 2c se observan 3 salidas de la fuente que deben estar conectadas como se observa.
Nunca conecte la salida que tiene la terminal (+) al objeto que se va a cargar, si no esta hecho
previamente el puente entre las 2 primeras salidas con el cable negro. La fuente no se puede
conectar en serie con otras fuentes de alta tensión
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5. PROCEDIMIENTO
Haga las lecturas en forma cuidadosa, recuerde que está trabajando con alto voltaje
La fuerza electrostática entre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al
cuadrado de la distancia que las separa.
De acuerdo con la Ley de Coulomb, la fuerza entre dos cargas puntuales es inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia entre ellas, esto es:
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F∝ 2 ,
r
Representando F la magnitud de la fuerza y r la distancia.
Proceso para hacer las lecturas:
Seleccione en la fuente de alto voltaje un valor de 10 KV. Desplace la regla móvil (1) para
que la esfera B, quede a una distancia de 4 cm. de la esfera A. Asegúrese de que la termina del
fuente de alto voltaje esté en contacto con la esfera B. Como ya ha determinado el cero
entonces encienda la fuente y observe en la regla (2) la visualización de la atracción que sufre
la esfera A. Espere un poco hasta que se amortigüe la oscilación y luego con delicadeza gire
el dinamómetro para llevar de nuevo el sistema al cero (esto lo observa en la regla 2). Cuando
el reflejo del laser llegue de nuevo al cero, lea en la escala del dinamómetro cuantas rayitas lo
desplazo, este número de milímetros será equivalente a la fuerza en mN. Lleve el valor de
fuerza y distancia a la tabla 1.
Ahora apague la fuente y descargue con cuidado las esferas (el profesor le indicará la forma
de hacerlo). Cambie el valor de la distancia a 3,5 cm. y repita el procedimiento anterior
recuerde descargar las esferas con la fuente apagada y verificar el cero en la regla 2. Continué
variando la distancia cada 0,5 cm.
DISTANCIA r (cm)
FUERZA F(mN)
1/r2
εo
Tabla 1. Relación entre fuerza electrostática y el inverso del
cuadrado de la distancia que separa las esferas
6. INFORME
Haga la gráfica de fuerza (F) en función del inverso del cuadrado de la distancia (1/r2).
Realice el análisis de dicha gráfica.
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Encuentre el coeficiente de regresión lineal
Compare la pendiente de la gráfica y el coeficiente de regresión lineal que encontró
Determine el valor de la carga que se transfirió por contacto a la esfera B, primero a partir del
coeficiente de regresión (medición indirecta de la carga) y luego halle el valor de la carga por
modelo teórico.
Determine el porcentaje de discrepancia entre los dos valores hallados para las cargas.
Argumente cuales pueden ser los factores más influyentes en este porcentaje de discrepancia?
Encuentre el valor promedio de la constante de permitividad eléctrica del aire (εε0)?.
Con qué precisión se halló el valor de ε0?
Cuál es la discrepancia con el valor teórico reportado en el texto?
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