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Description

Fundamentos de Electricidad y Magnetismo Guía de Laboratorio

Ley de Coulomb Descripción Con las actividades relacionadas a continuación se pretende “visualizar” la fuerza electrostática que dos cargas ejercen una sobre la otra y cómo el cambio de signo, la magnitud de las cargas y la distancia entre ellas tiene un efecto sobre la fuerza. Objetivos Identificar cómo se relaciona la magnitud de la fuerza electrostática con las cargas eléctricas y la distancia entre éstas. Determinar la constante de Coulomb a partir de los datos numéricos obtenidos a partir del uso de un applet.

Aspecto teórico Charles Coulomb (1736- 1806) midió las magnitudes de las fuerzas electrostáticas entre dos objetos cargados mediante el uso de un dispositivo conocido como balanza de torsión. Los experimentos de Coulomb permitieron generalizar las propiedades de la fuerza eléctrica entre dos partículas cargadas que se encuentran en reposo. La ecuación para la fuerza electrostática actuando sobre las partículas cargadas se conoce como Ley de Coulomb (1785) y fue el resultado de sus experimentos. Si las dos partículas se acercan, estás ejercen una fuerza electrostática una sobre la otra y la dirección de los vectores fuerza depende de los signos de las cargas. En el SI la unidad de carga eléctrica es el coulomb (C). Hay dos observaciones importantes a considerar respecto a la ley de Coulomb: La ley de Coulomb solo aplica a cargas puntuales. Las fuerzas eléctricas, similar a otras fuerzas, obedece al principio de superposición. Procedimiento En esta práctica de laboratorio se trabajará con una simulación (applet) PhET Interactive simulations (University of Colorado Boulder). Para ingresar a la simulación siga el enlace que se muestra a continuación y seleccione la opción Escala Macro. En la figura 1 se observa la presentación del applet y se indican sus partes principales. https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombs-law/latest/coulombs-law_es.html

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Figura 1: Presentación del applet y partes principales. Exploración inicial: Cambie el valor de las cargas con los controles de magnitud de carga (ver figura 1) y varíe la distancia entre estas haciendo click, mientras se mantiene pulsado el botón izquierdo del mouse y se mueve hacia los lados. Fije la esfera de la izquierda en el origen de la regla, para esto puede deslizar la esfera o trasladar la regla; ubique la otra esfera en diferentes posiciones. Observe el valor de la fuerza y su dirección visualizando los vectores. Si desea regresar a la configuración inicial, pulse el botón reiniciar. Actividad 1: Separe las esferas y mantenga fija esta distancia. Asigne a una de las esferas un valor positivo de carga, mientras varía la carga de la otra. 1. ¿Cómo son las direcciones de las fuerzas sobre cada una de las cargas si: ambas cargas son positivas? una carga es positiva y la otra negativa? las dos cargas son negativas? 2. Compare las magnitudes de la fuerza electrostática sobre cada una de las cargas si: las dos esferas tienen cargas de igual magnitud. una esfera tiene una carga de mayor magnitud respecto a la otra.

Actividad 2: Separe las esferas y mantenga fija esta distancia. 1. En cada caso, asigne el mismo valor de carga a las dos esferas. Registre en la tabla 1 los valores de las cargas (q1 , q2 ) y la magnitud de la fuerza electrostática (F21) que ejerce la carga q1 sobre la carga q2 .

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Carga q1 (×10−6 C)

Carga q2 (×10−6 C)

Fuerza F21(N)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabla 1: Registro de las cargas (q1 , q2 ) y magnitud de la fuerza electrostática F21 sobre la carga q2 .

2. Grafique la fuerza electrostática sobre alguna de las cargas en función del producto q1 q2 . 3. ¿Qué puede decir de la relación entre la magnitud de la fuerza electrostática y el producto de las cargas q1 q2 ?

Actividad 3: Fije para cada una de las esferas un valor de carga. Ubique la carga de la izquierda en el origen de la regla. 1. Cambie la posición de la carga q2 (de la derecha) respecto a la carga q1 (esta posición se podría denotar r21) y registre el valor de la fuerza (F21) en la tabla 2. Posición r21 (m)

Fuerza F21 (N)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Tabla 2: Registro de la posición (r21) y de la magnitud de la fuerza electrostática (F21).

2. Grafique la fuerza (F21 ) sobre la carga q2 en función de la posción r21 3. ¿Qué puede decir de la relación entre la magnitud de la fuerza (F21 ) y la distancia entre q1 y q2 ? 4. Suponiendo que la magnitud de la fuerza sobre la carga q2 debido a la carga q1 se puede escribir como F21 = k(q1 q2 )(r21 )n 3

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donde k se denomina constante de Coulomb y n es el exponente de r12. Aplicando logaritmo natural a ambos lados de la ec. (1), se obtiene: ln(F21 ) = ln (kq1 q2 (r21 )n ) ln(F21 ) = ln(r21 )n + ln(kq1 q2 ) ln(F21 ) = n ln(r21 ) + ln(kq1 q2 ) Grafique ln(F21 ) en función ln(r21 ) y determine el exponente n de r21 y la constante de Coulomb k.

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