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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 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) • 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

• 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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rF ∝ ,

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 (εεεε0)?. Con qué precisión se halló el valor de εεεε0? Cuál es la discrepancia con el valor teórico reportado en el texto?

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