P1 electrostática y ley de Coulomb PDF

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Cálculos previos de la práctica 1 de Electricidad y Magnetismo....

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS. DEPARTAMENTO FORMACIÓN BÁSICA. LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. NÚMERO DE PRÁCTICA: “1” NOMBRE DE PRÁCTICA: Electroestática y Ley de Coulomb

Objetivos: OBJETIVO GENERAL: El alumno será capaz de analizar e identificar los elementos que influyen en la generación de cargas eléctricas; así como observar y comprender la interacción entre dos cargas electrostáticas. Adicionalmente desarrollará las habilidades necesarias para analizar un sistema de fuerzas estáticas para calcular la carga electrostática puntual aplicando la ley de Coulomb. Objetivo (Competencia): Esta competencia pretende desarrollar el pensamiento científico en los alumnos, a través de la observación, la experimentación, comparación de resultados, el análisis y la argumentación, promoviendo el uso de las habilidades necesarias para llevar acabo la aplicación de los conocimientos, adquiridos teórica y experimentalmente, en situaciones reales. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Identificar los diferentes métodos de electrización de un cuerpo sólido y las variables que afectan la generación de cargas en cada uno de estos métodos. 2. Emplear la serie triboeléctrica para predecir que combinación de materiales al ser frotados entre sí, producen mayor cantidad de cargas eléctricas y comparar estas aproximaciones con los resultados experimentales. 3. Conocer a los personajes relacionados con los conceptos de electrostática y los equipos de generación de carga electrostática. 4. Reconocer diversos equipos generadores de carga electrostática, emplear la Máquina de Wimshurt como ejemplo de uno de ellos y describir el mecanismo de producción de cargas de cada uno. 5. Analizar la relación entre la magnitud de la fuerza electrostática entre dos cargas puntuales y la distancia de separación entre ellas, haciendo uso de la Ley de Coulomb. 6. Deducir los riesgos que se corren con respecto a la generación de cargas dentro de una industria y proponer medidas de prevención.

Diagrama de bloques: Experiencia 1: electrización por frotamiento e inducción. Investigue el valor de la densidad del papel bond blanco empleado ሺ𝜌௦ሻ y apunte en la Tabla 2. Al emplear el papel bond blanco se puede conocer con mayor facilidad su densidad (el dato se especifica en cada empaque en unidades de densidad superficial.

Corte 50 pedacitos de papel bond blanco de tamaño aproximado de 5 mm de lado. (Cuide que el tamaño sea el mismo para todos los papelitos). Registre en la Tabla 2 el valor del área de un papelito

Tome con una mano la barra de vidrio y con la otra la tela de algodón, posteriormente frote entre sí ambos objetos por un lapso de 10 segundos (Ver Fig. 1); este tiempo no se requiere para los cálculos, pero es necesario unificar los experimentos con las diferentes combinaciones de materiales a ser frotados, para que los resultados obtenidos puedan compararse

Acerque la barra electrizada a los pedacitos de papel sin llegar a tocarlos. Cuente cuantos papelitos se adhirieron a la barra como consecuencia de la electrización y registre este dato en la Tabla 3.

Busque en la serie triboeléctrica los pares de materiales mencionados en la Tabla 3, cuente las separaciones existentes entre ellos y apunte en la Tabla 3.

Empleando el concepto de densidad de la ecuación 2, calcule la masa de un pedazo de papel bond blanco y anote en la Tabla 2.

Repita la operación de frotamiento con el resto de las combinaciones de materiales, tratando de efectuar el frotamiento con la misma intensidad y dirección que como se realizó en el paso (5), observe lo que sucede y registre en la Tabla

Sabiendo el número de papeles que levantó cada combinación de papelitos determine la masa total de los papeles levantados, siguiendo la ecuación (3). Registre en la Tabla 3.

Reordene de mayor a menor los valores teóricos y experimentales de la fuerza electrostática de la tabla 3 y registre en la Tabla 4. Realice sus conclusiones al respecto.

De acuerdo al diagrama de cuerpo libre mostrado en la Fig. 1b, calcule la fuerza electrostática experimental que permite levantar los papelitos en cada caso y registre en la Tabla 3.

Experiencia 2: electrización por contacto y aplicación de Ley de Coulomb. Empleando una báscula determine la masa de la esfera de unicel de grande (Emg ) y anote en la Tabla 5.

Amarre el extremo opuesto del hilo que sostiene a las esferas de unicel al aro de cobre que se encuentra en el soporte universal, como se indica en la Fig. 3, de modo que las esferas cuelguen a la misma distancia respecto al aro de cobre. Reporte la longitud de la mitad de la esfera al aro, 𝐿 en la tabla

Conecte la terminal de un cable caimán-caimán a uno de las terminales de los vasos de Lentz y la otra terminal al aro de cobre que sostiene las esferas de

Mida el diámetro de las esferas grandes (Deg) y chicas (Dech) usando un vernier y reporte en la Tabla 5.

Atraviese cada una de las esferitas de unicel chicas con un hilo, dejando al hilo una longitud de 10 a 15 cm. Haga un nudo al final de un extremo del hilo para que no se salgan las

Colóquese frente a la manivela de la máquina de Wimshurst, asegúrese de que el dispositivo se encuentra como se indica en la Fig. 3

Calcule y reporte los valores de Fuerza electromagnética y carga eléctrica en la Tabla.

Elabore sus conclusiones al respecto.

Teoría:

Usando la relación de masas y diámetros de la ecuación (4) determine la masa de una esfera chica (Mech) y apúntelo en la Tabla 5.

Construya un aro de alambre de cobre del diámetro de un dedo, como se muestra en la Fig. 2 y colóquelo en el ojal de la varilla acoplada al soporte universal.

Mida la distancia de separación entre las esferas de unicel (r12), tomando como referencia sus centros de masa y registre en la Tabla 5.

Gire la manivela a favor de las manecillas del reloj, hasta que observe una separación entre las esferas de unicel.

Resuelva el sistema de fuerzas en equilibrio. Debido a que las condiciones experimentales son iguales y parecen estar en espejo para cada una de las esferas, es posible resolver el sistema analizando el diagrama de cuerpo libre de una sola esfera empleando la 1ª Ley de Newton y la ecuación (1) para obtener la carga eléctrica de cada esfera

Tabla 2. Propiedades de un pedazo de papel (tomado como unidad). Propiedad

Magnitud

Área unitaria, Ai (cm2)

0.25 cm2

Densidad, s (g/m2)

75 g/m2

Masa unitaria, mi g)

1.875 X 10-3 g

Tabla 3. Electrización por frotamiento e inducción de diversos elementos frotados. Elementos frotados

Datos No. de papeles, Masa total de Npap (-) papeles, mr (g)

Fuerza electrostática TEÓRICO EXPERIMENTAL CUALITATIVO CUANTITTIVO Separación entre materiales. Serie triboelétrica. Nsep (-)

Vidrio- algodón

12

Vidrio- lana

5

Vidrio- PP

28

PVC- algodón

17

PVC- lana

10

PVC- PP

33

Aluminioalgodón

2

Aluminio- lana

30

Aluminio- PP

18...