Laboratorio 1 - Grade: 4.4 PDF

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FUNDACIÓN UNIVERSITARIA AGRARIA DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS www.uniagraria.edu.co

LABORATORIO LEY DE COULOMB González, Luz, Otalora, Edwin, Pedraza, Elizabeth, Rojas,Andres a gonzalez.luz, Pedraza.elizabetj, otalora.edwin, rojas.Andres @uniagraria.edu.co

Murillo.Xiomarab

Resumen— En este laboratorio se pretende explicar de forma física la teoría que nos muestra la ley de Coulomb, la cual plantea las propiedades de la fuerza electrostática generada entre dos o mas cargas matemáticamente. Para demostrarlo se realizó uso de un simulador que permite cambiar las diferentes condiciones del experimento, identificando si el modelo experimental se ajusta a la ley. Palabras Clave—Carga, polarización, partículas.

Fuerza

eléctrica,

Coulomb,

Abstract-. In this laboratory we intend to physically explain the theory that Coulomb's law shows us, which poses the properties of the electrostatic force generated between two or more charges mathematically. To demonstrate this, a simulator was used that allows changing the different conditions of the experiment, identifying if the experimental model conforms to the law. Keywords— Particles.

Charge, Electric Force, Coulomb, Polarization,

I. INTRODUCCIÓN La Ley de Coulomb desarrollada por el físico francés Charles Agustin de Coulumb con la cual quiso determinar la interacción que existe entre dos cargas con polaridades diferentes y su relación del campo magnético generado según la distancia en la que se encuentre. OBJETIVO GENERAL • Desarrollar habilidades de pensamiento lógicomatemático de tal forma que el estudiante pueda usar la ley de Coulomb para calcular fuerza eléctrica entre partículas cargadas. OBJETIVOS ESPECÍFICOS •

a b

Identificar las habilidades requeridas para desarrollar el pensamiento lógico – matemático

Estudiantes de ingeniería Alimentos y Mecatrónica Docente de Física, Departamento Ciencias Básicas.

•

Realizar un laboratorio virtual con ayuda de un simulador web para calcular la fuerza eléctrica para diferentes cargas y distancias, verificando el comportamiento de ésta en relación a cada una de las variables necesarias para calcularla.

•

Evaluar el conocimiento adquirido tras analizar los resultados obtenidos en el laboratorio. II.

ASPECTOS TEÓRICOS

1.

2.

III. METODOLOGIA Ingrese al navegador y digite el siguiente enlace web http://labovirtual.blogspot.com/2012/03/ley-decoulomb.html A partir de las instrucciones dada en el laboratorio virtual tome una carga de prueba, asuma un valor de 90µC a la carga fija. Establezca una distancia de 50 cm

3.

Varié la carga de prueba y completé la tabla 1

4.

Elabore una gráfica con los valores de fuerza vs carga de prueba con los valores de la tabla 1.

5.

Fije la distancia en 50cm y la carga móvil en 90 µC, modifique los valores de la carga fija y completé la tabla 2

6.

Elabore una gráfica con los valores de fuerza vs carga de prueba con los valores de la tabla 2.

7.

Ponga la carga fija y la carga móvil en 90 µC, modifique la distancia y complete la tabla 3

8.

Represente una gráfica de la fuerza vs la distancia con los valores de la tabla 3

IV.

ASPECTOS EXPERIMENTALES qF (µC)

F(N)

10

32

20

64

En el simulador se da un valor a la carga fija de 90µC, con una distancia de 0,5m y se varia la carga de prueba los datos que se observan en la tabla 1 es de los valores que toma la caga de prueba y la Fuerza total obtenida en el simulador.

qP (µC)

F(N)R

10

32

20

64

30

97

40

129

50

161

60

193

70

226

80

258

90

290

30

97

40

129

50

161

60

193

70

226

80

258

90

290

Tabla 2: Valores de fuerza vs carga fija

A partir de los datos obtenidos en la tabla 2, se realiza la gráfica 2 la cual es de tipo lineal y se muestra en esta la ecuación de la recta. Grafica 2: Relación entre fuerza y carga fija

Tabla 1: Valores de fuerza y carga de prueba

RELACION ENTRE FUERZA Y CARGA FIJA

Fuerza Electrica

A partir de los datos obtenidos en la tabla 1, se realiza la gráfica 1 la cual es de tipo lineal y se muestra en esta la ecuación de la recta.

Fuerza Electrica

RELACION ENTRE FUERZA Y CARGA DE PRUEBA 350 300 250 200 150 100 50 0

290 258

y = 3,2267x - 0,2222

400 200

32

64

290 226 258 193 161 97 129

0 0

20

226 193 161

32

y = 3,2267x - 0,2222 40

80

100

En el simulador se da un valor a la carga de prueba de 90µC, y de carga fija de 90µC y se varia la distancia, los datos obtenidos se observan en la tabla 3

97 64

20

60

Coulomb

129

0

40

60

80

100

Coulomb

Grafica 1: Relación entre fuerza y carga de prueba

En el simulador se da un valor a la carga de prueba de 90µC, con una distancia de 0,5m y se varia la carga fija los datos que se observan en la tabla 2 es de los valores que toma la caga de fija y la Fuerza total obtenida en el simulador.

d(m)

F(N)

0,4

465

0,6

202

0,8

115

1

73

1,2

51

1,4

37

1,6

29

1,8

23

2

18

Tabla 3: Relación entre distancia y fuerza

A partir de los datos obtenidos en la tabla 3, se realiza la gráfica 3 la cual es de tipo exponencial y se muestra la ecuación en el grafico

400

Fuerza Electrica

Fuerza Electrica

RELACION ENTRE DISTANCIA Y FUERZA 465

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Inverso del cuadrado de la distancia y fuerza 465 500

300

y=

202

200

73,402x-2,005

115 73 3751 29 23 18

100

202

0 0

115 73

0

y = 74,307x - 0,9209

0,5

1

51 37 29 23 18 1,5

2

2,5

Grafica 3: Relación entre fuerza y carga fija

Se toman los valores de la fuerza frente al inverso del cuadrado de la distancia entre las cargas, los valores obtenidos se pueden observar en la tabla 4

I2D

F(N) 465

2,77

202

1,56

115

1

73

0,69

51

0,51

37

0,39

29

0,30

23

0,25

18

8

Grafica 4: Inverso del cuadrado de la distancia vs fuerza eléctrica

Distancia

6,25

2 4 6 Inverso del cuadro de la distancia

Tabla 4: Inverso de la distancia vs fuerza

A partir de los datos se grafica el inverso de la distancia vs la fuerza de forma lineal.

A continuación, se calcula el error porcentual con el fin de identificar si las medidas arrojadas por el simulador son exactas, precisas y el modelo se ajusta. •

Calculo Error porcentual, pendiente grafica 1 y 2

𝐹𝑒 = 𝐾 × 𝑞1 × 𝑞2/𝑟2 donde m𝑇 = 𝐾 × 𝑞1/𝑟2 Entonces (9,0 × 109 ) × (90 × 10−6 ) = 3.240.000 𝑚𝑇 = 0,52 −6 𝑚𝑇 = 3.240.000 × 10 𝑚𝑇 =3,2400 𝑚𝐸 =3,2267

mT: Pendiente teórico mE: Pendiente experimental |𝑉𝑇 − 𝑉𝐸| × 100% 𝑉𝑇 |3,2400 − 3,2267| × 100% 𝐸% = 3,2400 𝐸% = 0,41% 𝐸% =

•

Calculo error porcentual de a grafica 3

𝐹𝑒 = 𝐾 × 𝑞1 × 𝑞2/𝑟2 donde 𝑎𝑇 = 𝐾 × 𝑞1 × 𝑞2 y 𝑏𝑇 = 𝑟−2 Entonces 𝑎𝑇 = (9,0 × 109 ) × (90 × 10−6 )2 𝑎𝑇 = 72,900 𝑎𝐸 = 73,402 |𝑉𝑇 − 𝑉𝐸| × 100% 𝐸% = 𝑉𝑇 |72,900 − 73,402| × 100% 𝐸% = 72,900 𝐸% = 0,68%

V. ANÁLISIS Cuando se habla de fuerza entre cargas eléctricas, se está suponiendo qué estás se encuentran en reposo de ahí la denominación de electroestática. De igual forma la fuerza eléctrica es una cantidad vectorial que posee una magnitud, dirección y sentido. Al tener en cuenta esto sobre la ley de coulomb la fuerza electroestática generada entre 2 cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene dirección de la línea que las une. En la gráfica 1 y 2 se puede evidenciar la relación entre la fuerza eléctrica y la carga, en la gráfica 1 la carga de prueba varia y en la gráfica 2 la carga fija es la que varía, y la distancia es constante. En ambas graficas se puede evidenciar que si el valor de la carga aumenta, la fuerza también aumentara de forma exponencial. Por lo tanto, la fuerza es directamente proporcional a la carga de prueba, esto sujeto a que la distancia entre las dos cargas es constante. Se puede observar que las graficas 1 y 2 son semejantes, y la ecuación de la recta obtenida es la misma, esto basado en la formula de la ley de Coulomb: 𝐹𝑒 = 𝐾 × 𝑞1 × 𝑞2/𝑟2 Se utiliza esta fórmula para obtener la fuerza ejercida entre las dos cargas. Al tomar los datos para desarrollar la gráfica 1 “q1” era 90 y “q2” varia en su valor, para la grafica 2 se realiza el proceso inverso “q1” varia y “q2” es 90, evidenciando así la ley conmutativa la cual nos indica que el orden de los factores no altera el producto. ¿En la gráfica 3 se puede observar que existe una relación inversamente proporcional entre las distancias y la fuerza eléctrica, ya que para este caso las cargas tienen un valor fijo y la distancia varia generándose una pendiente negativa identificando que a mayor distancia la fuerza eléctrica disminuye. En la grafica 4 se puede observar la fuerza frente a la inversa al cuadrado de la distancia, en donde a medida que el inverso de la distancia aumenta, la fuerza también aumenta. Esto ya que se realiza un ajuste de tipo lineal el cual muestra el comportamiento general de todos los puntos pasando a ser 1/r2 una constante, para trazar esta línea de regresión se halla la línea recta que resume la relación entre ambas variables cuantitativas (X y Y), hallando así la ecuación de regresión donde b toma un valor el cual es el coeficiente de x por lo tanto si x cambia en 1 unidad, esto va a provocar un efecto en Y, en este caso la relación es negativa. Por medio del error porcentual se puede identificar que el modelo experimental se ajusta a la ley de Coulomb ya que el porcentaje de error es menor del 1% por lo tanto los datos tomados se acercan a los valores reales, lo que nos indica que el simulador arroja unos datos muy cercanos a la realidad y que el experimento se llevó a cabo de manera adecuada

VI.

CONCLUSIONES

1. Explique las similitudes y diferencias entre la ley de Coulomb y la de la ley gravitacional de Newton. La ley de Coulomb, es familiar ya que son muy similares estructuralmente hablando con la ley gravitacional de Newton, ya que en ambas se evidencia que la magnitud de la fuerza aumenta con las cargas; dichas fuerzas se mueven en una línea recta imaginaria que une los objetos. También se evidencia que ambas fuerzas son inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia entre los objetos. La diferencia representativa entre ambas fuerzas es que la fuerza encontradas en la ley de Coulomb, puede ser atractiva o repulsivas y la fuerza gravitacional solo es atractiva. 2. Un globo es cargado negativamente al frotarlo, después se adhiere a la pared. ¿Significa que la pared tiene una carga positiva? ¿Porque el globo termina por caer? La pared es neutra, lo que significa que tiene igual número de protones y electrones (cargas positivas y negativas), lo que sucede es que como el globo tienen una alta carga negativa, al acercarse a la pared, repele las cargas negativas hacia los extremos del globo y atrae las cargas pasivitas hacia él, lo que genera que se adhiera a la pared. El globo termina por caer, porque las cargas también tienen contacto con las cargas presentes en el aire, las cuales, al circular cerca al globo poco a poco va retirando cargas negativas del mismo hasta el punto en que la polarización negativa del globo se vuelve neutra y por eso al pasar cierto tiempo se cae. 3. Explique la influencia de la fuerza eléctrica en el cuerpo humano según la lectura que se plantea en la introducción. La información del exterior es recibida por el cuerpo humano atravesó de diferentes sensores naturales, más conocidos como sentidos; estos sensores, transforman las magnitudes físicas en pulsos eléctricos que son recibidos y procesados por el cerebro, el cual, dependiendo de la información transportada en dichos pulsos eléctricos, toma decisiones y envía señales eléctricas a los actuadores o músculos, los cuales, transforman esos impulsos en acciones mecánicas físicas. VII. EJERCICO

DE PROFUNDIZACIÓN

Dos pequeñas esferas conductoras idénticas se colocan de forma que sus centros se encuentren separados 0.300 m. A una se le da una carga de 12.0 nC y a la otra una carga de 18.0 nC. Determine la fuerza eléctrica que ejerce cada esfera sobre la otra.

𝐹𝑒 = 𝐾 × 𝑞1 × 𝑞2/𝑟 2 𝐹𝑒 =

9 × 109 𝑁 × (12 × 10−9) × (18 × 10−9 ) 0,3002

𝐹𝑒 =

9 × 109 𝑁 × (12 × 10−9) × (18 × 10−9 ) 0,3002 𝐹𝑒 = 2,16 × 10−5 𝑁

VIII. BIBLIOGRAFÍA Flores, E. R. (Junio de 2019). Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo . Obtenido de https://www.uaeh.edu.mx/docencia/P_Presentacion es/prepa_ixtlahuaco/2019/4/Ley-de-Coulomb.pdf Giancoli, D. C. (2009). VOLUMEN II FÍSICA PARA CIENCIAS E INGIENIERIA . Monterrey: Prentice Hall. Khan Academy. (s.f.). Khan Academy. Obtenido de https://es.khanacademy.org/science/fisica-pe-preu/x4594717deeb98bd3:electrostatica/x4594717dee b98bd3:ley-de-coulomb/a/coulombs-law-andelectric-force-ap-physics-1

Para la elaboración de esta guía, se tuvo en cuenta: 1. Normas IEEE y formatos descargados de http://www.ieee.org/conferences_events/conferences/publishing/templates.html 2. Artículo como Informe de Investigación modelo IEEE descargados de http://www.usc.edu.co/ingenieria/files/MODELO_PAPER_IEEE_INGENIUM_1.pdf http://www.itsa.edu.co/ciit2010/Formato_Articulos_IEEE.pdf http://www.docentes.unal.edu.co/mfromerol/docs/Laboratorio_Circuitos/FormatoIEE...