Informe de Fuerza Eléctrica

 

FÍSICA ELECTROMAGNÉTICA Moisés colón, Daniel Clavijo, Fabián De Ávila, Alexis Torrado, Mario Zapata. J. Álvarez.

RESUMEN Esta Esta prácti práctica ca de la labo borat ratori orio o fue rea realiz lizad ada a en base base a las Fuerz Fuerzas as Eléct Eléctric ricas as y Electr Electrost ostát ática icas, s, implementado y analizado a través del simulador de la página Phet colorado, la cual nos ayuda a estudiar cómo estas fuerzas dependen dependen de su carga y de su distancia de separación separación entre los objetos conta con tamin minad ados os por por el elect ectric ricida idad, d, a escal escala a macro macro y atómic atómica, a, y ta tamb mbién ién no nos s pe permi rmitió tió ap aplic licar ar los conocimientos adquiridos, entender y calcular la constante de Coulomb.

PALABRAS CLAVES: Fuerza eléctrica, electrostática, ley de Coulomb. 1. INTRODUCCIÓN En esta esta experi experien encia cia se estu estudia diará rá me media diante nte experime expe rimentos ntos simulado simulados s si las tres variabl variables, es, que son: carga 1, 1, carga 2 y distancia cumplen con los requisitos que son los mecanismos de electriza elec trización ción para formar formar la fuerza fuerza eléctrica eléctrica,, también se realizarán un hallazgo de pregunta de desarrollo.

2. FU FUNDA NDAMEN MENTAC TACIÓN IÓN TEÓR TEÓRICA ICA

Electrostática: La fuerza fuerza el elect ectro romag magné nétic tica a es la fuerza fuerza de interacción que ocurre entre objetos cargados eléc eléctr tric icam amen ente te.. Esta Esta es un una a de las las cuat cuatro ro fuerzas básicas de la naturaleza. Cuando las cargas están en reposo, la fuerza entre ellas se llama llama fuerza fuerza electros electrostáti tática. ca. Dependi Dependiendo endo del del si sign gno o de la ca carg rga a apli aplica cada da,, la fuer fuerza za electr ele ctrost ostáti ática ca pued puede e ser de atrac atracció ción n o de repu repuls lsió ión. n. La in inte tera racc cció ión n en entr tre e carg cargas as en movimiento crea un campo magnético.

  Fuerza eléctrica:

La magnitud de la atracción y repulsión entre carg cargas as está está de dete term rmin inad ada a po porr el pr prin inci cipi pio o funda fun dame menta ntall de la electr electros ostá tátic tica, a, ta tamb mbién ién conocido como ley de Coulomb. Si tenemos dos cargas del mismo signo, se repelen o se alejan. Sin embargo, si las dos cargas tienen signos diferentes, se acercarán o se atraerán. Esta Esta at atrac racció ción n o repul repulsió sión n de depe pend nde e de las cargas y de la distancia entre ellas. En 1875, el francés Charles Coulomb fue el prim primer ero o en de dete term rmin inar ar es esta ta ca cant ntid idad ad de electricidad. A partir de sus resultados, explicó la ley que lleva su nombre, que es el principio fundamental de la electrostática.

Carga eléctrica: Una de las Una las inte intera racc ccio ione nes s fu fund ndam amen enta tale les s descritas en física es la electricidad.

 

 Al hablar de la carga eléctrica o de la masa, nos referimos a propiedades de la materia y la ca caus usa a de lo los s fe fenó nóme meno nos s asoc asocia iado dos s a la electricidad. Para definir, en una palabra, toda

3. DISEÑO EXPERIMENTAL Para llevar a cabo esta experiencia utilizamos el simulador virtual de Phet Colorado de La Ley de Coulomb. Con este simulador pudimos realiz rea lizar ar cu cuatr atro o experi experime mento ntos s sugeri sugerido dos s de manera exitosa.

materia tiene una carga eléctrica.

El sim imu ulador cuenta con con dos sist siste emas diferentes, diferente s, para los dos primeros experimentos experimentos se utilizó el primer sistema que fue la escala base, la escala macro del simulador y para los dos siguientes siguientes la segu segunda nda escala, escala, la escala escala atómica.

Para el de Para desa sarr rrol ollo lo de dell pr prim imer er expe experi rime ment nto o se utilizaron las cargas q1=2μ y q2=-1μ, se fueron se sepa paran rando do consta constante ntemen mente te es estas tas ca carga rgas s y los valores de fuerza hallados en cada uno de los puntos fueron registrados en la tabla Figura

1:

Interacción

entre

cargas

eléctr elé ctrica icas. s. Tomad Tomada a de: guía guía fenóme fenómeno nos s eléctricos de la materia. Fue en 1909 cuando Robert Milikan determinó la ca carga rga eléctr eléctrica ica del del electr electrón ón,, a través través del del experi exp erimen mento to de la gota gota de aceite aceite asimis asimismo mo deter determin minaro aron n el valor valor de su masa masa y así, así, de esta est a fo forma rma se dete determi rminó nó que el valor valor de la carga eléctrica para el electrón se determina en coulomb.

Tabla 4.1. Fuerza eléctrica separación entre las cargas

versus

 

 Ensayos

r / cm

1 2 3 4

1.5 2.0 2.3 2.7

320 N 180N 136.1N 98.76N

5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

3.2 3.8 4.0 4.2 4.5 5.0 5.5 6.0 6.7 7.0 7.5 8.2 8.5 9.2 9.7 10.0

70.3N 49.86N 45N 40.81N 35.5N 28.8N 23.8N 20N 16N 14.69N 12.8N 10.7N 9.96N 8.5N 7.65N 7.2N

  | F  |/ N  12

 

5,1 8 5,0 0 4,9 3 4,7 7 4,6 7 4,6 1

Con los datos de la Tabla 4.1 y la Tabla 4.3, gr graf afiq ique ue en Exce Excell la magn magnit itud ud de la Fuer Fuerza za eléctrica eléc trica  F 12  en función de la separación entre la las s carg cargas as ( r )  y realice el mejor ajuste a sus datos. Interprete los gráficos. Ln(r  2 ) 8,4 0 7,8 2 7,5 4

Ln( F) 5,7 7

7,2 2 6,8 8 6,5 4 6,4 4 6,3 4 6,2 0 5,9 9 5,8 0 5,6 3

4,5 9

7.00

4,2 5

5.00

5,4 1 5,3 2

2,7 7

5,1 9 4,9 1

3,9 1 3,8 1 3,7 1 3,5 7 3,3 6 3,1 7 3,0 0

2,6 9

2,5 5 2,3 7 2,3 0 2,1 4 2,0 3 1,9 7

6.00

4.00          )         f          (       n         L

3.00 2.00 1.00 0.00

   0    8    0    0    1    8    3    7   4    5  4    8   4  4    2    8   4    1    9    6  .  .    8 .    7 .    6 .    6 .    6 .    5 .    5 .    5 .                   -  4   -  4

ln(r2)

 

2

Tabla 4.2. Fuerza eléctrica versus magnitud del producto entre las cargas.

#

  |Q

1 Q 2|/ μC 

2

la

12

0 3 6 9 12 15 26 36 49 56 64

0 22,010 44,021 66,031 88,041 110,052 190,757 264,124 359,502 410,859 469,554

12 13 14

72 81 90

528,248 594,279 660,310

Con Co n la Tabl Tabla a 4. 4.2, 2, re real alic ice e un gráf gráfic ico o de | F 12|

|Q

1

Q2|   y cal calcule cule la const sta ante de

Coulomb y encuentr Coulomb encuentre e su porcenta porcentaje je de error. error. Explique las causas de este posible error.

700.000 600.000 500.000 400.000 300.000 200.000 100.000 0.000

k =¿ ¿

| F  |/ N 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

versus

  f ∗r k = Q 1 ¿ Q2

   0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0    0 .    3 .    6 .    9 .    1    2 .    1    5 .    2    6 .    3    6 .   4    9 .    5    6 .    6  4 .    7    2 .    8    1 .    9    0 .

k =8987552778 Porcentaje de error:

%Error =

Teorico − Experi  Experimental mental Teorico 9

¿

 9 x  9  x 10 − 8,987552778 8,987552778 x  x 10 9 x 10

9

9

0,14 14 % Error ¿ 0,

El error del valor de la constante fue de 0,14% esto pudo haberse dado debido a que el valor teórico dado en el informe fue de 9 x 10 9 (valor el cual esta apro rox xim ima ado a com compara rac ción ión del que usa el simulador) a la hora de realizar las actividades y arrojar los resultados. Esto se puede ver reflejado al momento de realizar el despeje de la constante y usan usando do como como princi principa pall factor factor la fuerza fuerza eléctr eléctrica ica calculada por el simulador. No obstante, podemos categorizar como mínimo este error por lo que podemos confiarnos de los resultados arrojados por el simulador Phet.

 

Con la Tabla 4.4, realice un gráfico de | F 12| versus

|Q

1

Q2|  y calcule la permitividad des espacio libre y

encu encuen entre tre su po porce rcent ntaje aje de er error ror.. Expli Expliqu que e las causas de este posible error.

| _12 |V |VS S |󽠵_1 󽠵_2 | 1.40E-03 1.20E-03 1.00E-03 8.00E-04 6.00E-04 4.00E-04 2.00E-04 0.00E+00

Parte 2.2: Para esta parte estudiaremos estudiaremos el valor  de la fuerza eléctrica en función del valor del produ pro ducto cto de las ca carga rgas. s. Aquí Aquí manten mantendre dremos mos durante todo el tiempo la separación entre las cargas de 4 × 10−12 m. Llene la Tabla 4.4 con los valores dados de la magnitud del producto entre las cargas Q 1 y Q2. Estos valores se indican en la Tabla 4.4. Los valores dados deben colocarse en el simulador.

Tabla 4.4. Fuerza eléctrica versus la magnitud del producto entre las cargas. # 1

3

4,33E-05

2

6

8,65E-05

3

9

1,30E-04

4

12

1,73E-04

5

15

2,16E-04

6

27

3,89E-04

7

36

5,19E-04

8

49

7,07E-04

9

56

8,07E-04

10

64

9,23E-04

11

72

1,04E-03

12 13

81 90

1,17E-03 1,30E-03

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1. Tres partículas cargadas se encuentran a lo largo de un una a sola sola líne línea. a. ¿Es ¿Es po posi sibl ble e qu que e un una a de la las s carg rga as en cad cada extr tre emo tenga una fu fue erza rza elec electr tros ostá táti tica ca ne neta ta cero cero ej ejer erci cida da sobr sobre e el ella la? ? Explique claramente su respuesta. R// Sería posible que una carga que se encuentre en el extremo experimente una carga neta cero ejercida sobre ella, siempre y cuando esta se encuentre con una carga neutra. 2.   Un extremo de un resorte ligero con constante de fuerz fuerza a k =125 N / m  está está un unido ido a una una pare pared d y el otro otro extr extrem emo o a un bloq bloque ue de meta metall con con carg carga a q A= 4.00 μC   sobre una una mesa horizontal horizontal sin fricción fricción (Ver (Ver figu figura ra). ). Un se segu gund ndo o bloq bloque ue co con n ca carg rga a q B =−3.60 μC   se ace acerc rca a al prim primer er bloq bloque ue.. El reso resort rte e se esti estira ra a medi medida da qu que e los los bloq bloque ues s se atraen entre sí, de modo que, en el equilibrio, los bloq bloque ues s es está tán n se sepa para rado dos s po porr un una a dist distan anci cia a 12.0

¿Cuáll es el de desp spla laza zami mien ento to  x   del d cm. ¿Cuá = resorte?

 

La esfera A le cederá electrones a la barra de metal que se encuentra con carga neutra, por lo cual la esfera A quedará con carga positiva, y la esfera B debido a que esta con carga positiva, la barra le cederá los electrones de A, terminando con carga negativa.

R//

4. Las cargas A y B en la siguiente Figura son iguales. Cada Ca da ca carga rga ejerce ejerce un una a fuerza fuerza sobre la ot otra ra de magnitud F. Suponga que la carga de B se reduce en un factor de 5, pero todo lo demás no cambia. En términos de F, (a) ¿cuál es la magnitud de la fuerza sobre A y (b) cuál es la magnitud de la fuerza sobre B?

 F = K 

q A q B 2

=

r 2 ¿¿− −6 C )(− )(−3.60∗10−6 C ) 9  N ∗m ( 4∗10 ¿¿ 9∗10   =−9 2 2 C  0.12 m  F    − 9 N   X =  = =0.072 m  K  125 N / m 3.

Las dos esferas de metal con carga opuesta se muestran en la siguiente Figura tienen cantidades iguales de carga. Se ponen en contacto con una barra de metal neutral. ¿Cuál es el estado de carga final de cada esfera y de la barra? Justifica claramente tú respuesta.

La magnitud de la fuerza sobre A quedará igual y la magnitud de la sobre B será igual a

5

 F 

Conclusión Por medi Por medio o de este este info inform rme e de labo labora rato tori rio o pudimos poner en práctica nuestros cono conoci cimi mien ento tos s sobr sobre e la ley ley de Coul Coulom omb, b, la fuerza eléctrica y cómo depende esta ante las cargas. Así también a responder las preguntas anterio ant eriormen rmente te establec establecidas idas.. También También se logró logró comp compro roba barr qu que e line lineal aliz izan ando do la las s gr gráf áfic icas as la vemos que la fuerza es inversamente prop propor orci cion onal al a la dist distan anci cia a y dire direct ctam amen ente te proporcional a las cargas.

R//

1