Laboratorio de Física
Práctica Nº 6
Ley de Coulomb y Campo Eléctrico.
Dr. José Enrique Martínez Asistente: Oswaldo Maita Asistente: Kevin Salazar
1. Competencias:
Diferenciar los signos de las cargas. Comprobar cómo se comportan las cargan en presencia de otras cargas. Verificar las fuerzas que ejercen las cargas eléctricas. Comprobar cómo se genera un campo eléctrico.
2. Conocimiento previo:
ley de Coulomb Utilización de calculadora Despeje de ecuaciones Líneas de fuerzas
3. Fundamentos Teóricos:
Ley de coulomb: La magnitud de cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario. La fuerza de interacción entre dos cargas 1 2 y duplica su magnitud si alguna de las cargas dobla su valor, la triplica si alguna de las cargas aumenta su valor en un factor de tres. Y así sucesivamente
producto de las cargas:
∝
1
2
∝ 1
Entonces tendríamos que el valor de la fuerza era proporcional al en consecuencia, ∝ 1. 2
∝ 2
Asociando ambas relaciones
=
1.
2 2
Finalmente, se introduce una constante de proporcionalidad para transformar la relación anterior en una igualdad:
= 1.
2 2
Donde para el sistema internacional unidades
= 9 ∗ 109 .
2 2
1 2 Son el valor de las cargas en Coulomb (C) Programa de formación en Ingeniería Mecánica
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Es la distancia que separa a las cargas en metros ( m) La fuerza de atracción o repulsión en Newtons ( N) (cargas del mismo signo se repelen, cargas de signo opuesto se atraen)
Campo Eléctrico
Las cargas no precisan de ningún medio material para influir entre ellas y por ello las fuerzas eléctricas son consideradas fuerzas de acción a distancia. En virtud de ello se recurre al concepto de campo electrostático para facilitar la descripción, en términos físicos, de la influencia que una o más cargas ejercen sobre el espacio que les rodea. El campo eléctrico representa, en cada punto del espacio afectado por la carga, una propiedad local asociada al mismo. Una vez conocido el campo en un punto no es necesario saber qué lo srcina para calcular la fuerza sobre una carga u otra propiedad relacionada con él. Así, si se coloca una carga de prueba en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico, se observará la aparición de atracciones o de repulsiones sobre ella. Una forma de describir las propiedades de este campo sería indicar la fuerza que se ejercería sobre una carga determinada si se trasladara de un punto a otro del espacio. Al utilizar la misma carga de prueba es posible comparar la intensidad de las interacciones entre ellas.
La carga de referencia más simple, a efectos de operaciones, es la carga unidad positiva. La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza, la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y sentido.
=
Entonces
0
=
.
2
Un ejemplo típico del punto de vista del campo eléctrico son las antenas emisoras y receptoras de radio y televisión. En el circuito emisor de una estación de radio, por ejemplo y en el circuito detector de los aparatos se encuentra una antena que en su forma más simple consiste en una varilla metálica. Cada estación emisora transmite sus programas con una frecuencia determinada, haciendo que en la antena los electrones se muevan periódicamente de un extremo a otro de la misma. Es decir, si en un instante un extremo de la varilla tiene exceso de electrones (carga negativa), el otro extremo tiene déficit de electrones (carga positiva). Un instante después se invierte la polaridad.
Líneas de fuerzas
Una forma muy útil de esquematizar gráficamente un campo es trazar líneas que vayan en la misma dirección que dicho campo en varios puntos. Esto se realiza a través de las líneas de fuerza, líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas si se las abandonase libremente a la
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Laboratorio de Física influencia de las fuerzas del campo. a) El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado, b)2. La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera da la dirección de E en ese punto. y c) El número de líneas de fuerza por unidad de área de sección transversal es proporcional a la magnitud de E. Cuanto más cercanas estén las líneas mayor será el campo eléctrico. Reglas para trazar líneas de fuerza:
Las líneas deben partir de cargas positivas y terminar en las cargas negativas, o bien en el infinito en el caso de un exceso de carga. El número de líneas que partan de la carga positiva o lleguen a la negativa es proporcional a la magnitud de la carga.
Dos líneas de campo no pueden cruzarse.
Por un punto de un campo eléctrico pasa una línea de campo eléctrico y sólo una.
El número de líneas de campo eléctrico por unidad de área perpendicular a las mismas, en cualquier punto del campo, es proporcional al módulo del vector E en dicho punto.
.Las líneas de campo eléctrico de una carga positiva divergen.
Las líneas de campo eléctrico de una carga negativa convergen.
4. Método, materiales y equipos.
Para la realización de esta práctica se utilizara un simulador virtual Ley de Coulomb con el cual podrás ver cómo interactúan las cargas dependiendo de su naturaleza si son positivas o negativas en donde podrás variar las incógnitas ya sea de distancia (r) o carga (Q), de igual manera el simulador te servirá para verificar los cálculos realizados de forma teórica a través de la calculadora. Por otra parte también utilizaras el simulador de Campo Eléctrico donde podrás apreciar el comportamiento de una carga en un espacio. Los equipos y materiales a utilizar son: Una computadora o equipo con acceso a internet donde puedas ejecutar los simuladores
Calculadora científica
Lápiz y papel
5. Procedimiento y actividades.
Siguiendo los siguientes pasos obtendrá datos que le ayudará a cumplir los objetivos de esta práctica. a) Abra la página del simulador virtual ley de coulomb. (haciendo clic en esta
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Laboratorio de Física b) una vez en la página del simulador podrás ver la interacción de las cargas a diferentes distancias, y cómo se comporta si las cargas son positivas o negativas.(imagen 1) c) Podrás cambiar el signo de las cargas para verificar si las fuerzas son de atracción o repulsión.(imagen2) d) Abra la página de la calculadora virtual de fuerzas. (clic en la imagen) e) Una vez en la página elegirás entre las dos opciones, en este caso trabajaremos con cargas usando la ley de coulomb.(imagen 3) f)
En la página insertaras los valores a cada incógnita correspondiente y automáticamente se calculara el resultado de la faltante.(imagen 4)
g) luego de obtener los resultados tendrás la opción de ver el campo eléctrico creado por los datos de las cargas añadidas, o también iniciar nuevos cálculos.(imagen5) h) Abra la página del simulador virtual campo eléctrico. (clic en la imagen) i)
Una vez en la página podrás ver el entorno del simulador y cada una de las opciones que tiene.(pagina6)
j)
en la parte derecha del simulador tendrás una cinta métrica la cual desplegaras para aplicar distancia.(imagen7)
k) en la parte inferior tendrás las cargas las cuales añadirás al entorno para ver cómo se crea el campo eléctrico .(imagen 8)
(Imagen 1) simulador virtual ley de Coulomb
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(Imagen 2) cambio de signos y distancia.
(Imagen 3) calculadora virtual de fuerzas
(imagen 4) Incógnitas para el cálculo de la ley de coulomb.
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(imagen 5) insertar nuevos valores y ver campo eléctrico
(Imagen6) Simulador virtual campo eléctrico
(imagen 7) aplicación de distancia
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(Imagen 8) añadir cargas al simulador para observar cómo se crea el campo eléctrico
6. Presentación de datos, análisis e interpretación de resultados.
Para el logro de los objetivos usaras la teoría antes vista aplicando cada una de las formulas mostradas para el cálculo de los siguiente problemas donde tendrás que encontrar el valor de las incógnitas correspondientes, y deberás despejar las fórmulas si es necesario para encontrar lo que necesitas, mostrando el procedimiento y las fórmulas utilizadas para la solución de los mismos.
Una carga de -9x10−7 C ejerce una fuerza a otra carga de 0.537 N a una distancia de 1.6mtros.¿ cuál es el valor de la segunda carga? Datos: q1= -9x10−7
Ecuaciones y Procedimiento:
Resultados:
F=0,537 N
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Una carga de 510−6 se encuentra separada a 200cm de una carga de -3 10−6.¿ cuál es la magnitud de la fuerza de atracción entre las cargas? Datos:
Ecuaciones y Procedimiento:
Resultados:
q1= 5x10−6 q2=-310−6 d=200cm F?
Dos cargas con 7.110−6 y otra con 6.310−6 se atraen con una fuerza de 16 N ¿ a qué distancia se encuentran separadas.? Datos:
q1=
Ecuaciones y Procedimiento:
Resultados:
7.1x10−6
F=16 N .q2=6.3x10−6 .d?
Campo eléctrico
Hallar la intensidad del campo eléctrico en el aire generado por una carga fuente Q= 2x1 02 a una distancia de 50 cm.? Datos:
Q=2x102 .r = 50 cm
Ecuaciones y Procedimiento: E= K.
Resultados:
. E =?
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En un punto P del espacio se existe un campo eléctrico de 5x104 ⁄ . Si una carga positiva de 1.5⁄ se coloca en el punto P ¿ cual será el valor de la fuerza eléctrica que actúa sobre ella..? Datos: E=5x104 ⁄
Ecuaciones y Procedimiento:
Resultados:
Q=1.5⁄ F?
7. Orientaciones para realizar las conclusiones
Las cargas interactúan con otra generando diversos resultados que varían dependiendo de su distancia y el signo correspondiente a cada carga dando como resultado unidades de coulomb (C) , por lo cual debemos representar cada incógnita de las ecuaciones con sus respectivas unidades haciendo la conversión si es el caso. Un campo eléctrico se crea a partir de líneas de cargas las cuales tienen dirección y sentido dependiendo de su interacción con otras cargas, ya que cumplen unas reglas, por ejemplo un campo eléctrico creado por cargas positivas divergen y si el campo se crea a partir de cargas negativas las línea del campo convergen. 8. Referencias
http://ilovemedia.es/proyectos/calculadora-de-fuerzas/ http://www.educaplus.org/game/ley-de-coulomb
https://phet.colorado.edu/es/simulation/charges-and-fields
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