carga electrica y ley de coulomb td

Laboratorio de Fsica Universitaria 2: Carga Elctrica y Ley de Coulomb otoo 1998 Alicia Vzquez Soto, Gustavo E. Soto de la Vega

OBJETIVO

Descubrir algunas de las propiedades bsicas de las partculas que transportan cargas elctricas.

Entender como la Ley de Coulomb describe las fuerzas entre cargas.

INTRODUCION. Para estudiar el fenmeno elctrico empezaremos explorando la naturaleza de las fuerzas entre objetos que han sido frotados o que entran en contacto con objetos frotados. Estas fuerzas se atribuyen a la propiedad fundamental de los constituyentes de los tomos conocidos como carga. Las fuerzas entre partculas que no se mueven o se mueven relativamente lento se conocen como fuerzas electrostticas. Empezaremos explorando las circunstancias bajo las cuales las fuerzas electrostticas son fuerzas atractivas o fuerzas repulsivas. Esto te permitir determinar cuantos tipos de cargas existen. Luego procederemos a un estudio mas cuantitativo sobre como las fuerzas entre los objetos cargados dependen de la cantidad de carga que llevan y la distancia que hay entre ellos. Esto debe llevar a la formulacin de la Ley de Coulomb la cual expresa la relacin matemtica del vector fuerza entre dos objetos pequeos cargados en trminos tanto de distancia como de cantidad de carga. Actividad 1. EXPLORANDO LA NATURALEZA DE LAS INTERACCIONES ELCTRICAS: Puedes investigar algunas propiedades de las interacciones elctricas con el siguiente material:

2 o 3 esferitas de poliestireno (esferitas de prueba) con uno o de preferencia dos pedazos de hilo amarrado a ellas .

Soporte para suspender las esferitas de prueba. Una varilla de plstico. Una varilla de vidrio.

1998 Fsica. Departamento de Fsica y Matemticas. Universidad Iberoamericana. Mxico D.F.


Un pedazo de peluche o piel, un pedazo de seda y un pedazo de tela poliester. Un pedazo cuadrado de poliestireno.

Aunque la naturaleza de las interacciones elctricas no son evidentes, si experimentamos cuidadosamente y razonamos, podremos verificar estas dos hiptesis en forma convincente. Hiptesis UNO: La interaccin entre objetos que han sido frotados se debe a una propiedad de la materia que llamaremos carga. Hiptesis Dos: Existen dos tipos de carga elctrica que llamaremos, por conveniencia carga positiva y carga negativa. Nota 1 : Hablar de una propiedad de la materia no es lo mismo que hablar de la materia misma. Por ejemplo un globo inflado tiene varias propiedades puede estar hecho de plstico o hule, ser de color amarillo o azul, estar inflado con helio u oxgeno, tener cierto volumen, etc. Por lo tanto no pensamos en la carga de una sustancia sino mas bien en una propiedad que ciertas sustancias pueden tener algunas veces. Es fcil, al hablar o al escribir, referirse a la carga como si fuera una sustancia. Sin embargo esto no debe confundirnos, sobre todo si en las prximas secciones sucede esto. Nota 2 : No est permitido que establezcas resultados que has memorizado con anterioridad. Debes siempre encontrar un conjunto de razones lgicas para tus conclusiones. 1.1 Observaciones de las Fuerzas Electrostticas: Intenta las siguientes actividades. Juega con el material para disear procedimientos cuidadosos y lgicos que nos permitan encontrar si cargas iguales o diferentes se repelen entre si. Cuidadosamente explica tus observaciones y las razones que tienes para cualquier conclusin que tengas. Pista: Qu procedimientos usaras para generar dos objetos que lleven siempre el mismo tipo de carga? a) Varillas y Esferas: Frota las varillas de vidrio y plstico con la seda o con la piel o peluche respectivamente. Frota el pedazo de poliestireno con el peluche o el poliester. Toca las varillas con las esferitas. Cuidadosamente junta las esferas. Frota el pedazo de poliestireno con la piel o poliester y toca las esferas con l. Qu sucede? Describe cuidadosamente tus observaciones. b) Cules observaciones pueden servir para confirmar o descartar la hiptesis uno? c) Cules observaciones pueden servir para confirmar o descartar la hiptesis dos?



Arbitrariamente Benjamn Franklin le asign el trmino "negativo" a la naturaleza de la carga que resulta cuando la varilla de plstico (varilla de hule, en su poca) se frota con una piel de gato o peluche. Contrariamente, la naturaleza de la carga que se encuentra en el vidrio despus de frotarlo con la seda se define como carga "positiva". (El trmino negativo bien pudo haber sido igualmente asignado a la carga en la varilla de vidrio. Por tal motivo los trminos cargas "roja" y "azul" o cargas "tipo A" Y "Tipo B" pudieron haber sido aplicados a estos dos tipos de cargas.) Demostracin de Descargas Electrostticas : Adicionalmente a la exploracin de la naturaleza de conjuntos relativamente pequeos de carga elctrica que resulta de frotar objetos, tambin vamos a examinar otros aparatos que involucran niveles relativamente altos de carga elctrica que se "descarga".

ACTIVIDAD 2 : Para esta actividad vamos a estudiar la Mquina de Whimshurt que es una mquina de induccin electrosttica. El principio fundamental de este instrumento, es que "produce" una carga elctrica a partir de trabajo mecnico. Para que este tipo de mquinas funcione debe tener inductores (electrostticos) que son los que proporcionan la carga inicial, la cual puede provenir de los siguientes factores:

1. El inductor, al estar en contracto con el aire ionizado por rayos csmicos y radiactividad, toma estos iones; este es un efecto pequeo comparado con el siguiente.

2.La mquina consta de dos discos de acrlico los cuales se lijan, manipulan y cortan de tal forma que se provoca una carga inicial. Este es el efecto principal, y se puede comprobar ya que si dicha carga inicial se pierde, la mquina se podr recargar frotndola con una bolsa de plstico.

Material:

1 Mquina de Whirnhurst. 1. Observa cuidadosamente como funciona la mquina. 2. Qu sucede cuando giran los discos de acrlico? Cul es la funcin de las barritas de papel?



3. Porqu es necesario el disco posterior? 4. Qu sucede cuando se produce una chispa entre las esferas o electrodos? 2.1 FUERZAS ENTRE PARTCULAS CARGADAS - LEY DE COULOMB:

La Ley de Coulomb es un descripcin matemtica de la ley fundamental de las fuerza elctricas entre objetos cargados, ya sea que tengan forma esfrica o que sean muy pequeos comparados con la distancia entre ellos de tal forma que actan mas o menos como partculas puntuales. Esta ley se establece sin prueba experimental en la mayora de los textos introductorios de fisica. Nosotros, en lugar de solo aceptar la ley como se da en los textos, vamos a determinar cualitativamente como la carga en dos objetos y la separacin entre ellos afecta la a la fuerza mutua que existe entre ellos. Material:

. El material de la actividad 1

. esferitas de poliestireno (2 o 3) cubiertas de papel aluminio con hilo para colgarse. NOTA : Es importante mencionar un truco muy ingenioso desarrollado por Coulomb durante sus experimentos, para determinar la influencia de q (carga electrica) a medida que esta se reduca por una fraccin conoida. El truco de Coulomb consiste en cargar un objeto conductor con na carga desconocida y despus tocar un objeto idntico que est escargado. Los dos objetos intercambiaran carga rpidamente hasta que ambos tengan q/2. Despus de observar los efectos con q/2, Coulomb tocaba una de las esferas para descargarla, y segua el procedimiento para obtener q/4, etc.



2.2 Dependencia de la Fuerza sobre la carga. Distancia ~ Direccin - Observaciones Cualitativas: 1. Predice que le suceder a la fuerza entre dos cargas cuando estas incrementan su magnitud. 2. Predice que le suceder a la fuerza entre dos cargas cuando la distancia entre ellas se incrementa. 3. Con las esferas cubiertas de aluminio y la varilla de plstico encuentra una manera de mostrar por observacin directa si la fuerza entre dos objetos aumenta o disminuye cuando la cantidad de carga en uno o en ambos objetos aumenta. Explica lo que hiciste y haz un diagrama. 4. Con el mismo material encuentra una manera de mostrar por observacin directa si la fuerza entre dos objetos aumenta o disminuye a medida que la distancia entre ellos aumenta. Explica que hiciste y haz un diagrama. 5. Explica en base a tus observaciones porque la fuerza entre dos objetos cargados parece encontrarse a lo largo de una lnea entre ellos. Pista: Qu le pasara a la repulsin o atraccin mutua si la fuerza no se encontrara en una lnea entre los dos objetos cargados?



6. Experimenta con tres objetos cargados (ejemplo dos esferas cubiertas con aluminio y una varilla) y describe que le sucede a la magnitud y a la direccin de la fuerza en un objeto cargado como resultado de su interaccin con dos o mas objetos cargados. Describe el resultado de tus observaciones. APENDICE.

FORMULACIN MATEMTICA DE LA LEY DE COULOMB: La Ley de Coulomb asegura que la magnitud de la fuerza entre dos objetos esfricos cargados elctricamente es directamente proporcional al producto de la cantidad de carga en cada objeto e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre los centro de los objetos esfricos. La direccin de la fuerza es a lo largo de la lnea entre los dos objetos y es de atraccin si las partculas tienen signos opuestos y de repulsin si las partculas tienen signos iguales. Toda esta explicacin puede expresarse con la siguiente ecuacin en la cual F12 representa la fuerza electrosttica ejercida en ql debida a q2 ;

12221

12 r rqqk F

= 12r es el vector unitario con direccin de q1 a q2, r

2 es el cuadrado de la

distancia entre las dos cargas en metros, y k es una constante igual a 9.0 X 109 N m2 / C

2, y

q representa la carga en Coulombs.


Empezaremos explorando las circunstancias bajo las cuale

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