LABORATORIOS FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) by natalia.montanez01

PRACTICAS DE LABORATORIO

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Laboratorio N°1 Normas de Seguridad

Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniela Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu. RESUMEN Este informe describe las normas generales en el laboratorio de física para docentes y especialmente para estudiantes, en la manipulación de elementos eléctricos a la hora de desarrollar prácticas pedagógicas en las instalaciones de la universidad, con el fin de prevenir riesgos que afecten la vida y la integridad de los estudiantes; se definen las indicaciones normativas y simbólicas, mínimas y necesarias que se debe tener en cuenta en el laboratorio, como es el uso adecuado de la indumentaria, las normas higiénicas que se deben contemplar, la actuación responsable del estudiantado , los diferentes cuidados con las instalaciones y equipos eléctricos para el desarrollo de prácticas de electricidad y magnetismo, a sí mismo para garantizar el debido crecimiento de competencias científicas en los estudiantes.

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1. INTRODUCCIÓN La física, más que un área del conocimiento teórica, se ha centrado y enfocado en la parte experimental, dando significativos resultados en cuanto a descubrimientos y postulados, que demuestran el verdadero significado de la física para el mundo. De este modo; la importancia de desarrollar y aprender física ha tomado la fuerza necesaria para llegar a implementar prácticas de laboratorio en colegios y universidades, con el fin de realizar un estudio más detallado y profundo de los fenómenos que la física acoge. Igualmente; el mundo de hoy exige que todos los procesos lleven ciertas normas de seguridad, más aún con temas relacionados con la experimentación física, ya que teniendo en cuenta el riesgo al que se está expuesto por manejo de equipos electrónicos y en ocasiones sustancias químicas; se debe acatar de manera estricta, los procesos y prácticas adecuadas para prevenir situaciones que atenten contra la integridad de los dirigentes y practicantes de dicho laboratorio. Las normas de seguridad en el laboratorio de física, se basan principalmente en la indumentaria de los practicantes, la señalización, la conducta de cada persona presente en la práctica y el manejo adecuado de equipos y herramientas que el proceso requiere. 2. MÉTODO EXPERIMENTAL Para esta actividad, los integrantes del grupo se han reunido para asignar a cada uno los temas establecidos, posteriormente adjuntar a un mismo documento la información obtenida en el orden ya establecido, las consultas que cada uno desarrolle se llevarán a cabo en fuentes web, manuales, guías o normatividad que contemple la temática, debe interpretarse y plasmarse como información clara, sencilla y puntual, de manera que sea comprendida por cualquier lector, así mismo debe ser asimilada y estudiada para aplicarla

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de manera acertada en el momento del desarrollo de prácticas de laboratorio de electromagnetismo en un ambiente de laboratorio de estudio. 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS 3.1 Normas De Trabajo En El Laboratorio De Física A continuación, encontramos normas generales para docentes y, particularmente para estudiantes, que garantizan la seguridad durante el trabajo en el laboratorio. En la indumentaria: ● Utilizar una bata (preferentemente de algodón) de mangas largas y el largo hasta la rodilla, siempre bien abrochada, para protección de la ropa y la piel. ● Evitar el uso de accesorios colgantes (aretes, pulseras, collares). ● Guardar las prendas de abrigo y los objetos personales. ● No llevar bufandas, pañuelos largos, ni prendas u objetos que dificulten la movilidad. ● Por seguridad, recoger el cabello si este es largo. Normas higiénicas: ● No se debe comer, ni beber, ya que los alimentos o bebidas pueden contaminarse. ●

Por razones legales, higiénicas y principalmente por seguridad, está prohibido fumar en el laboratorio.

●

Evitar maquillarse cuando se está en el laboratorio.

● Lavado cuidadoso de brazos, manos y uñas, con agua y jabón, después de cualquier manipulación de laboratorio y antes de retirarse del mismo. Si hay alguna herida, se recomienda cubrirla. Actuar responsablemente: ● La norma esencial en el laboratorio es el cuidado de sí mismo y la auto responsabilidad. ●

Mantener informado al profesor de cualquier hecho que ocurra.

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●

Aclarar con el profesor cualquier tipo de duda.

●

Mantenerse en silencio y estar concentrados en el trabajo que están realizando.

●

Trabajar sin prisa, pensando cada momento en lo que se está haciendo.

●

Evitar las bromas en el laboratorio.

●

Correr, jugar, empujar puede causar accidentes.

●

En el laboratorio no se deben realizar trabajos diferentes a los autorizados por el docente responsable.

● Utilizar el equipo de protección personal en forma correcta. Es obligatorio el uso de gafas de seguridad siempre que la práctica lo requiera, o el docente así lo disponga. No se deben usar lentes de contacto durante las prácticas en el laboratorio porque en caso de salpicadura en el ojo la lesión se puede agravar. En caso de ser necesario utilizar gafas de seguridad graduadas. ●

Evitar entrar al almacén de productos químicos sin autorización.

●

Permanecer de pie en el laboratorio, al estar sentado se corre riesgo por derramamiento de sustancias.

Atención a lo desconocido ● Antes de comenzar una práctica se debe conocer y entender los procesos que vas a realizar. ● Abstenerse de utilizar o limpiar frascos de reactivos que hayan perdido su etiqueta. ● Sin autorización del docente encargado, no se debe sustituir una sustancia química por otra en un experimento. ● Evitar el uso de equipo sin haber recibido entrenamiento previo y sin supervisión durante su uso. 3.2 Seguridad Eléctrica en el Laboratorio de Física ● Considerar siempre que los cables conductores llevan corriente eléctrica. ●

Siempre que se cree o manipule un circuito eléctrico se debe tener la posibilidad de interrumpir la corriente.

● Al manipular aparatos eléctricos, se debe estar siempre calzado y seco (incluso sin sudor) y no mojar los aparatos eléctricos.

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Cualquier experimento con electricidad debe ser guiado por el docente responsable.

●

Periódicamente, deben revisarse los cables y enchufes.

●

Si al manipular un aparato eléctrico se percibe paso de corriente, se debe concluir su uso y dar aviso al docente responsable.

●

El monte o desmonte de un circuito se debe hacer sin paso de corriente.

●

Evitar manipular el interior de un aparato si se le está suministrando corriente.

●

Ante la ocurrencia de un cortocircuito, recurrir inmediatamente al docente encargado del laboratorio.

●

Apagar la luz y aparatos eléctricos al finalizar la práctica de laboratorio.

Evitando el riesgo eléctrico ●

Para evitar descargas eléctricas accidentales, seguir exactamente las instrucciones de funcionamiento y manipulación de los equipos.

●

Nunca enchufar un equipo sin toma de tierra o con los cables o conexiones en mal estado.

●

Al manipular en el interior de un aparato, comprobar siempre que se encuentra desconectado de la fuente de alimentación.

3.3 Normas Para El Personal Docente El (la) docente responsable de las prácticas de laboratorio deberá cumplir, por lo menos, las siguientes normas: ● Supervisar el adecuado funcionamiento del laboratorio. ● Coordinar las actividades que se desarrollan al interior del laboratorio. ● Vigilar la administración y buen manejo de equipos, recursos, sustancias, productos químicos, residuos y espacios físicos del mismo. ● Promover y verificar el cumplimiento de normas de seguridad por parte de las y los estudiantes. ● Asegurar y verificar el uso de implementos de protección personal por parte de las y los estudiantes.

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● Velar por el trabajo seguro dentro del laboratorio y supervisar las prácticas que se llevan a cabo en el laboratorio, donde se encuentren mínimo dos personas. ●

Velar por el cumplimiento de normas relacionadas con el uso de equipos, así como el manejo de materiales, uso de instrumental y/o reactivos, así como también de las medidas de seguridad, por parte de las y los estudiantes que desarrollan experiencias de laboratorio.

●

Verificar el estado de las conexiones y cableado eléctrico obsoleto que puedan causar cortos eléctricos o incendios.

●

Evitar la presencia de gases tóxicos en espacios cerrados o sin ventilación, en donde se encuentren estudiantes o cualquier otro personal realizando actividades.

●

Las instalaciones del recinto dedicado para el laboratorio, deben permitir el flujo continuo de aire en una dirección.

●

Limitar el acceso al laboratorio de química a personal ajeno a éste.

●

Dar información a los estudiantes sobre el manejo y comportamiento seguro en torno a las sustancias químicas

●

Aplicar y verificar el cumplimiento de las normas relacionadas con el manejo integral de residuos del laboratorio (químicos, ordinarios, tóxicos).

●

Fomentar la implementación de prácticas para el uso eficiente de agua y energía.

●

Mantener a la mano las hojas de seguridad de los productos químicos y residuos químicos utilizados en cada práctica de laboratorio.

●

Cerciorarse que los envases de las sustancias químicas se encuentran en buen estado y con la etiqueta o rótulo correspondiente (nombre del producto, pictogramas de peligrosidad).

●

Observar las incompatibilidades de cada sustancia química.

●

Al término de cada experiencia de laboratorio se deben apagar las luces, revisar que las llaves de agua estén cerradas, también las ventanas y puertas.

3.4 Cuidados Con las Instalaciones y los Equipos eléctricos El cumplimiento de las siguientes recomendaciones garantiza que las instalaciones y equipos eléctricos se conserven en condiciones adecuadas.

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● Mantener los equipos eléctricos lejos de las piletas y otras superficies húmedas o mojadas, verificar si los cables de los equipos están pelados o dañados. ●

Solicitar que los equipos sean instalados cerca de los enchufes. No se debe permitir que los cables eléctricos sean ensamblados ni se utilicen alargues sin consultar al personal especializado en electricidad.

●

Utilizar un enchufe para cada equipo. Esto, porque el uso simultáneo de varios equipos, en un mismo enchufe, pueden provocar recalentamiento (sobrecarga) y, consecuentemente serios accidentes. Si el laboratorio no posee enchufes suficientes para todos los equipos, se debe solicitar la instalación de otros. No es conveniente utilizar adaptadores del tipo “triple” para conectar varios equipos a un único enchufe.

3.5 Simbología Utilizada Por Norma De Seguridad En El Laboratorio ➢ Colores de la señalización de seguridad. (Tabla 1). ➢ Señales de advertencia o precaución. Advierten sobre peligros a los que se exponen las personas en un espacio particular, se utilizan para prevenir accidentes. Forma triangular. Se representan con Pictograma negro sobre fondo amarillo (el amarillo deberá cubrir como mínimo el 50% de la superficie de la señal), bordes negros. Como excepción, el fondo de la señal sobre “materias nocivas o irritantes” será de color naranja, en lugar de amarillo, para evitar confusiones con otras señales similares utilizadas para la regulación del tráfico por carretera. (Figura 1). ➢ Señales reglamentarias o de prohibición. Tienen como objetivo regular el comportamiento de las personas que se encuentran ocupando un espacio particular, también advierten sobre acciones no deseadas que pueden provocar accidentes o

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incomodar a otros. Con forma redonda. Pictograma negro sobre fondo blanco, bordes y banda (transversal descendente de izquierda a derecha atravesando el pictograma a 45° respecto a la horizontal) rojos (el rojo deberá cubrir como mínimo el 35% de la superficie de la señal). ➢ Señales universales de prohibición exigibles. (Figura 2). ➢ Señales de emergencia o evacuación. Estas señales guían los recorridos de las personas que se encuentran en una situación de emergencia, que exigen la evacuación de una infraestructura en particular, se utilizan para 35 prevenir accidentes y controlar el flujo de las personas hacia las salidas. También existen algunas señales dentro de esta categoría que indican la presencia de algunos servicios necesarios en estas situaciones como la ubicación de las duchas de seguridad, lava ojos y Botiquín. Tienen Forma rectangular o cuadrada. Pictograma blanco sobre fondo verde (el verde deberá cubrir como mínimo el 50 por 100 de la superficie de la señal), (ver Figura 3). ➢ Señales relacionadas con equipos contra incendios. Su fin es indicar la ubicación de los dispositivos contra incendios, mangueras, etc. Forma rectangular o cuadrada. Pictograma blanco sobre fondo rojo (el rojo deberá cubrir como mínimo el 50 por 100 de la superficie de la señal) 25. (Ver Figura 4). 3.6 Equipos de laboratorio para electricidad y magnetismo. Instrumentos analógicos: Son aquellos que utilizan el sistema de aguja y escala en la medición. Instrumentos digitales: Son aquellos hechos con una pantalla de cuarzo líquido u otro material. Son instrumentos de alta precisión.

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Los instrumentos analógicos pueden clasificarse según el sistema motor de la aguja en: 

Instrumentos Electrodinámicos.



Instrumentos de Inducción.



Instrumentos Electrostáticos.



Instrumentos Electro térmicos.



Instrumentos Magnetoeléctricos.



Instrumentos Electromagnéticos.

Los instrumentos analógicos tienen unos símbolos de información general que vienen grabados en el cuadrante. Estos son: 3.6.1. Símbolos de Información General: Marca de fábrica, año de fabricación, número de fabricación, unidad de medición. 3.7 TABLAS

Tabla 1. Colores de la señalización de seguridad. Fuente: INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Higiene y Seguridad. Colores y Señales de Seguridad. (NTC 1461). Primera actualización

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3.8 GRÁFICOS E ILUSTRACIONES 3.8.1 Simbología utilizada por la norma en laboratorio

Ilustración 1.Señales de advertencia o precaución que deben exigirse Fuente: Pérez Soriano Javier. Prevenciondocente.com.

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Ilustración 2.Señales universales de prohibición exigibles Fuente: Pérez Soriano Javier.Prevenciondocente.com

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Ilustración 3.Señales de emergencia exigibles Fuente: Pérez Soriano Javier.Prevenciondocente.com

Ilustración 4.Señales sobre incendios exigibles Fuente: Pérez Soriano Javier.Prevenciondocente.com

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3.8.2 Simbología de equipos de laboratorio para electricidad y magnetismo.

3.8.2.1 Símbolos correspondientes al uso: 

Símbolos del sistema motor:

Ilustración 5.Símbolos del sistema motor. Fuente: Laboratorio de física II Electricidad y Magnetismo On Line.

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

Símbolos del sistema de corriente:

Ilustración 6.Simbolos del sistema de corriente. Fuente: Laboratorio de física II Electricidad y Magnetismo On Line.



Símbolos de posición de trabajo:

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Ilustración 7.Simbolos de Posición de trabajo/ Fuente: Lb de física II Electricidad y Magnetismo.



Símbolos de tensión de prueba de aislamiento:

Ilustración 8.Simbolos de tensión de prueba de aislamiento Fuente: Laboratorio de física II Electricidad y Magnetismo On Line.

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Símbolos especiales:

Ilustración 9.Simbolos especiales Fuente: Simbologia-electrica.com

3.8.3 Simbología para instrumentación eléctrica y electrónica:

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Ilustración 10.Simbologia para instrumentación eléctrica y electrónica Fuente: Simbologia-electrica.com

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Ilustración 11.Simbologia para instrumentación eléctrica y electrónica Fuente: Simbologia-electrica.com

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4. Análisis A través de esta investigación se dio a conocer las normas con algunas simbologías con el fin de evitar accidentes, ya sean lesiones graves o leves, o identificar fichas técnicas en un laboratorio (específicamente el laboratorio de física), en el cual se debe conocer bien el uso de cada norma y cómo emplearlas, incluido el adecuado uso de los equipos para no causar daño en ellos, así mismo con las personas que están dentro de él. También ayuda a identificar peligros o en llegado caso saber llevar a cabo el manejo de los instrumentos de primeros auxilios cuando se presente un accidente. 5. Conclusiones ● Se debe hacer adecuado uso de las normas, para evitar accidentes graves en dicho laboratorio. ● A través de la consulta fue posible identificar simbología que puede hallarse en equipos del laboratorio de electricidad y magnetismo, de manera que pueda llevarse a cabo un correcto uso de estos elementos y puedan obtenerse datos confiables. ● Para la buena relación entre los participantes de las prácticas de laboratorio, y el uso adecuado de implementos y herramientas, es vital conocer las normas de seguridad. ● Tener clara la finalidad de las normas de seguridad; para comprender que estas, buscan el cuidado de todos, bajo un protocolo de orden y responsabilidad.

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Bibliografía INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TÉCNICAS Y CERTIFICACIÓN. Higiene y Seguridad. Colores y Señales de Seguridad. (NTC 1461). Primera actualización Bogotá. (PP) PérezJavier.Prevenciondocente.com.http://www.prevenciondocente.com/senales. http://www1.udistrital.edu.co:8080/documents/138568/ec72818b-1d12-444d-bc96badd38da23d2. Dr. Edie Debel, & Lcdo Alejandro Sánchez. (2018, 8 junio). LABORATORIO DE FÍSICA II Y ELECTRICIDAD - MAGNETISMO. Tomado de: https://alfredocaguao.files.wordpress.com/2011/05/plfs-fiip2-i09.pdf. https://alfredo. Consultado: 19/06/2020 Simbología de Instrumentación Eléctrica & Electrónica. (2016, Julio). SEE, Símbolos eléctricos y electrónicos. Tomado de: https://www.simbologia-electronica.com. Consultado: 19/06/2020.

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Laboratorio N°2 Electrostática Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniel Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu.co

Resumen La electrostática es una rama de la física que estudia los efectos producidos en los cuerpos como consecuencia de sus cargas eléctricas, dicha carga eléctrica es la responsable de los efectos electrostáticos (de atracción o de repulsión) que se generan entre los cuerpos que la poseen. De este modo; mediante la experimentación se comprueban y demuestran postulados teóricos referentes a la electrostática, que resaltan los procesos de electrificación y la manera en que se comportan ciertos materiales al someterlos a fricción, inducción y contacto. A través de herramientas y materiales posibles de encontrar en casa, se realiza la experiencia cuyo fin es reconocer los procesos de electrización, y entender mediante métodos sencillos los procesos de repulsión y atracción que existen con distintos cuerpos.

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1. Introducción Para entender el comportamiento de diversos cuerpos y materiales se hace necesario el estudio de las cargas que posee un cuerpo, por medio de las diversas formas en la que pueden ser cargados o ser capaces de transmitir su energía o ser incapaces de ello y de esta forma comprender mejor sus usos y aplicaciones en el medio, el estudio de estos fenómenos será abordado a través de la electrostática. La electrización es uno de los fenómenos que estudia la electrostática, la cual trata sobre los fenómenos relacionados con cargas eléctricas en reposo. Un átomo en condiciones normales es eléctricamente neutro, ya que posee la misma cantidad de cargas positivas y negativas. Cuando se provoca un desequilibrio en las cargas de un átomo se produce un ion, si el átomo pierde una o algunas de sus cargas positivas adquiere carga negativa, si contrariamente el átomo pierde electrones quedar con un número mayor de cargas positivas, por lo que formar un ion positivo. Por otro lado; la electrización por contacto consiste en cargar los cuerpos poniéndolo en contacto con otro previamente electrizado. En este caso, ambos quedarán cargados con carga del mismo signo (+ o -). Esto se debe a que habrá transferencia de electrones libres desde el cuerpo que los posea en mayor cantidad hacia el que los contenga en menor proporción y manteniéndose este flujo hasta que la magnitud de la carga sea la misma en ambos cuerpos. De otra manera, la electrización por fricción o frotamiento se caracteriza por producir cuerpos electrizados con cargas opuestas. Esto ocurre debido a que los materiales frotados

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tienen diferente capacidad para -retener y entregar- electrones y cada vez que se tocan algunos electrones saltan de una superficie a otra. A diferencia de la electrización por fricción; la electrización por inducción es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo. Un cuerpo cargado eléctricamente puede atraer a otro cuerpo que está neutro. Esto es justamente lo que pasa cuando atraemos pequeños trozos de papel mediante un objeto cargado por frotamiento. Cuando se acerca un cuerpo electrizado a un cuerpo neutro, se establece una interacción eléctrica entre las cargas del primero y las del cuerpo neutro como resultado de esta interacción, la distribución inicial se altera: el cuerpo electrizado provoca el desplazamiento de los electrones libres del cuerpo neutro. En este proceso de redistribución de cargas, la carga neta inicial no ha variado en el cuerpo neutro, pero en algunas zonas se carga positivamente y en otras negativamente se dice que aparecen cargas eléctricas inducidas. De este modo; a continuación se muestran datos relevantes acerca de los materiales y su conductividad eléctrica: Tabla 1 Conductores, aislantes y semiconductores

Conductores

Aislantes

Semiconductores

Definición

Materiales que permiten el movimiento de cargas eléctricas.

Materiales que impiden el paso de cargas eléctricas.

Materiales que pueden permitir e impedir el paso de la energía eléctrica

Funciones

Conducir la electricidad de un punto a otro.

Proteger las corrientes eléctricas del contacto con las

Conducir electricidad, solo bajo condiciones

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Materiales

Oro, plata, cobre, metales, hierro, mercurio, plomo, polímeros entre otros.

personas y con otras corrientes

específicas y en un sentido

Goma, cerámica, plástico, madera, entre otros.

Silicio, germanio, azufre, entre otros.

Tabla 2 Conductividad y resistividad de los materiales

Elementos o materiales Plata Cobre Oro aluminio Latón Cinc Cobalto Níquel hierro Acero Platino Estaño plomo

Conductividad

resistividad

0,6305 0,5958 0,4464 03.767 0,1789 O,1690 0,1693 0,1462 O,1030 0,1000 00.943 0,0839 0,0484

0,0164 0,0172 0,0230 00.278 0,0590 0,0610 0,0602 0,0870 0,0970 O,1000 O,1050 O,1200 0,2815

2. Método Experimental Luego de establecer en mutuo acuerdo la asignación a cada uno de los integrantes los temas ya establecidos, cada uno se encargó del desarrollo de las experiencias que se explican a continuación.

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2.1 Electrización por fricción

Figura 1 Montaje experimento del esfero con los trozos de papel.

Para realizar el experimento se requiere un peine o esfero, trozos pequeños de papel o confeti, y cabello. Es importante que la persona que presta su cabello para la realización del experimento tenga el cabello totalmente limpio, para el óptimo desarrollo de la actividad. Por consiguiente, ponemos los trozos de papel (o confeti) sobre una mesa totalmente seca. De este modo; se procede a frotar intensamente el esfero (o peine) en la cabellera durante varios segundos, para luego aproximar el esfero (o peine) a los trozos de papel a una distancia inferior a 0.5 cm.

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2.2 Electrización por Contacto

Figura 2 Montaje experimento de los globos.

Para esta experiencia se requieren de 2 globos, nylon, 2 trozos de tela y dos trozos de lana en cualquier presentación. Luego de tener todos los materiales se procede a inflar dos globos en el tamaño que se prefiera, sujetando cada globo al nylon y de manera que queden suspendidos a la misma altura, después se frotan los globos con el trozo de tela, posteriormente se sueltan, y se introduce la mano en el espacio que queda entre los globos. Finalmente se observa, analiza y registra lo sucedido.

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2.3 Inducción por Electroscopio.

Figura 3 Montaje experimento del electroscopio.

Para el desarrollo de la experiencia del electroscopio, se requiere un recipiente de vidrio con tapa de plástico, 30 cm de alambre de cobre, tiras de papel aluminio, pinzas, tijeras y silicona, tubo de pvc y tela de lana. De este modo; primero se toma el recipiente de vidrio con tapa plástica, se cortan los 30 cm de alambre de cobre, se hace un orificio en la tapa del recipiente y se atraviesa por la tapa, para luego ajustar con silicona, y finalmente se arreglan las puntas del cobre, y se agregan las dos tiritas de láminas. Una vez listo el electroscopio se toma el tubo de pvc junto con la tela de lana y se empieza a frotar, hasta que el tubo empiece a electrizarse, esto se nota porque tiende a calentarse y hacer ruido de chispas. Cuando está listo el tubo se acerca lentamente a la cabeza del electroscopio hasta notar que las tiras comienzan a moverse. Es necesario aclarar; que para mejores resultados es aconsejable repetir varias veces el procedimiento para notar bien lo que estaba ocurriendo allí dentro.

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2.4 Electrización por Frotación e Inducción, Método Péndulo Electrostático

Figura 4 Montaje experimento péndulo electrostático

Para realizar el experimento se necesita una bolita de icopor recubierta de papel aluminio, hilo, funda plástica, tela de poliéster, un pedazo de acrílico (Regla) y una estructura para diseñar un péndulo, en este caso el diseño es en cartón. De esta manera; se ata un trozo de hilo a la bola de papel aluminio y se sujeta el otro extremo del hilo a un soporte de cartón. Luego se procede; a electrificar la regla con la funda elástica por frotamiento o fricción, se acerca la regla a la bola de papel aluminio (péndulo electrostático) y se observa lo que sucede. Luego de realizar el experimento con la funda plástica, se utiliza la tela poliéster, igualmente, se procede a electrificar la regla con la tela por frotamiento o fricción y se acerca la regla al péndulo electroestático.

3. Resultado y análisis. 3.2 Electrización por fricción. Es preciso afirmar que en el momento que el esfero (o peine) se frota en la cabellera, se carga negativamente (Ver fig. 1), Por otro lado, al acercar el esfero (o peine) a los trozos de papel, se identifica una atracción de cargas (Ver fig. 2), pues el esfero luego de presentar

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fricción con el cabello contrajo carga negativa, mientras que los trozos de papel se encuentran cargados positivamente, razón por la cual se ocasiona una atracción entre los dos materiales (Ver fig. 3).

Figura 5 Frotamiento del esfero en el cabello Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 6.Aproximación del esfero con los trozos de papel. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 7. Atracción entre el esfero y los trozos de papel. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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3.2 Electrización por contacto

Durante el desarrollo de la experiencia se evidencia el comportamiento de dos globos cargados siendo frotados, en la primera sección cada globo recibe una trasferencia de electrones por parte de la lana (Ver Fig. 5).

Figura 8.Sección inicial, globo en reposo. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 9. .Sección inicial, transferencia de carga a cada globo. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Al ser suspendidos uno frente al otro la distancia que los separa se marca como ondas que cada uno envía en su ataque (Ver Fig.7), esto es lo que ocurre cuando dos cuerpos son cargados eléctricamente bajo el mismo signo y para este apartado es la consecuencia del flujo de cargas negativas creando un campo eléctrico entre ellas.

Figura 10.Interaccion de los globos luego de ser cargado. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 11. Repulsión, estado final de los globos. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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Para la segunda sección se ha cambiado el material con que son frotados los globos, en este caso un trozo de Paño, el cual generó el mismo efecto y la misma interacción entre los globos, pero con un menor grado de intensidad, dado que la distancia que los separo fue menor que en el momento en que su trasferencia de carga se llevó a cabo con lana, lo cual radica en la composición y propiedades que distingues a estos dos materiales. (Ver fig.8).

Figura 12.Repulsion de globos frotados con paño. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

3.3 Electroscopio A partir del experimento y luego de haberlo realizado varias veces se pudo observar en primer lugar al frotar (Ver fig. 9) el tubo PVC (plástico) con la tela de lana (aislante), obtenemos un efecto de frotamiento, lo que ocurre aquí es que la tela de lana le sede electrones al tubo de PVC por lo tanto el tubo de plástico queda eléctricamente cargado. Teniendo esto en cuenta las cargas son llevadas a través del cobre (Tabla N° 2. El mejor conductor) que las conduce hasta llegar al campo eléctrico (Ver fig. 10), así se puede llamar el recipiente, por él transmite cargas negativas a las láminas (metal) estas estaban inicialmente en un estado neutro, cuando el cobre transmitió las cargas los electrones libres

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en las láminas son repelidos por los electrones excedentes, lo que hacían ellas era separarse. El campo eléctrico reacciona de alguna u otra manera, ya que como se pudo observar algunas láminas tocaron el vidrio y quedaron adheridas a las paredes del recipiente (Ver fig. 11), causando un efecto de atracción, por lo cual se puede decir que estas paredes también son alteradas, con cargas contrarias a la de las láminas (metales). Finalmente al tocarlo con la mano, automáticamente se descargaban y el sistema quedaba nuevamente neutro. Lo que se comprobó y observó este método es de inducción (es un proceso de carga de un objeto sin contacto directo), ya que cuando el cuerpo con carga eléctrica se aproxima a otro neutro causando un desequilibrio en las cargas de este último debido a la repulsión generada por las cargas del material cargado, produce este fenómeno, comprobado por el experimento.

Figura 13. Flotamiento de la tela sobre el tubo. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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Figura 14. Contacto del tubo con el cobre. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 15.Separación de las láminas. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

3.4 Péndulo Electroestático Al momento de frotar la regla con la funda plástica, se va a producir un desequilibrio eléctrico en los dos materiales, uno va a perder electrones y el otro va a ganar electrones. Cuando se acerca la regla cargada negativamente al péndulo electrostático (ver fig. 12), este es inicialmente atraído por la regla, en pocas palabras, la funda le cedió electrones a la regla y la bola de aluminio como está cargada positivamente se atraerán por ser cargas opuestas (ver fig. 12) , pero después de un determinado tiempo se pierde la atracción debido a que la

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regla va perdiendo la carga y esta le cede electrones a la bola de aluminio y se va estabilizando la carga. Ahora tenemos los dos materiales cargados con la misma polaridad negativa; cuando se acerca la regla de nuevo al péndulo electroestático se repelará (ver fig. 13), ya que los dos cuerpos tienen igual carga. Luego de tener el péndulo electrostático cargado con energía negativa acercamos la funda plástica (ver figura 14), la cual queda cargada positivamente por la pérdida de electrones, la cual quedará con carga positiva y al ser positiva atraerá la bola de aluminio tratando de recuperar las cargas que perdió para volver a su equilibrio eléctrico. ¿Por qué sucede que una cede y la otra toma electrones?, porque son materiales de diferente naturaleza, ambos son polímeros, pero tienen diferentes características.

Figura 16. Atracción del acrílico con el péndulo electrostático al ser frotado con la funda plástica. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc

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Figura 17. Repulsión de los dos materiales al tener la misma carga negativa. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Figura 18. Atracción de la funda plástica con el péndulo electroestático. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Luego se utiliza la tela poliéster, igualmente se procede a electrificar la regla con la tela por frotamiento o fricción (ver fig. 15), pero sucederá lo contrario con la funda plástica, es decir la tela de poliéster le quitará electrones a la regla. Que sucede; que al acercar la regla a la bola de aluminio se van atraer (ver fig. 16), porque la bola de aluminio está cargada negativamente y la regla positivamente; pero inmediatamente el péndulo electroestático va

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a adquirir carga positiva y se va a repelar con la regla (ver fig. 17) porque también tiene carga positiva. Ahora la tela de poliéster que gano electrones, es decir que tiene “carga negativa” se aproximara a la bola de aluminio que tiene carga positiva y se atraerán. Con esto se evidencia que las cargas eléctricas iguales se repelan y las cargas eléctricas diferentes se atraen, es lo que se conoce como la ley de columna.

Figura 19. Electrificación del acrílico con tela poliéster Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

Figura 20. Atracción del acrílico con el péndulo electrostático al ser frotado con la tela poliéster Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc.

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Figura 21. Atracción de la tela poliéster con el péndulo electroestático Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) ingeniería de minas Uptc

4. Conclusiones 

Un cuerpo que se encuentre sin carga eléctrica, este puede ser cargado por inducción al acercarse a otro cuerpo cargado, sin tocarse.



Cuando el acrílico es frotado por la tela poliéster o la funda plástica, se va a producir un desequilibrio eléctrico en los dos materiales; uno va a perder electrones y el otro va a ganar electrones.



Se estudió el comportamiento de dos cuerpos cargados igual eléctricamente, que dio como resultado el fenómeno de repulsión entre ellos, producto de la interacción de sus cargas los objetos se separaron a la vista, a esta conducta de las cargas se le conoce como electrización por contacto.



Se aprendió que gracias al desarrollo de las investigaciones basadas en el estudio de las partículas que hay en los átomos, fue posible clasificar materiales conductores, semiconductores y aislantes de corriente eléctrica que hoy en día permite que funcionen muchos de los procesos vinculados a nuestra vida cotidiana.

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

Se comprobó que el cobre es uno de los materiales con la mejor eficacia de conductividad.



El campo magnético donde se trabaje también tiene cargas que van a alterar los materiales cargados de alguna u otra manera.



Las tiras de aluminio por estar cargadas atraen las paredes del recipiente que esta neutro, por gravedad las tiras por ser más livianas van a ellas.

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Bibliografía ANONIMO. Electrización. (2014, Otoño). ELECTROTECNIA. www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/cargaycampoelectricos/conten idos/01d56993080930f36.html .27/06/2020. SEARS-ZEMANSKY. Física universitaria. Vol. 2. Undécima edición. Pearson Educación.2004. https://concepto.de/electrostatica/#ixzz6QjAZnY7Y Anexos /Video En el siguiente link se puede visualizar un video con la evidencia experimental desarrollada en cada experimento de electroestática. https://youtu.be/aS7fxFhEP7s

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Laboratorio N° 3 Ley de Coulomb Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniel Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu.co Resumen

Coulomb estudió con mucho detalle las fuerzas de atracción de partículas cargadas y determino que: “La magnitud de la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas, e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa.” Cuando las cargas q1 y q2 tienen el mismo signo, positivo o negativo, las fuerzas son de repulsión; cuando las cargas tienen signos opuestos, las fuerzas son de atracción. Las dos fuerzas obedecen la tercera ley de Newton; siempre tienen la misma magnitud y dirección opuesta, aun cuando las cargas no tengan igual magnitud. A partir de estos criterios y los explicados a lo largo del informe, junto con los simuladores se obtuvieron unos datos que se ordenaron y graficaron para realizarles sus respectivos análisis, y así poder comprobar lo que estableció Coulomb hace siglos.

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1. Introducción En las próximas páginas es posible relacionar los conceptos teóricos estudiados en clase con base a las prácticas en los simuladores y de este modo afianzar los conocimientos adquiridos, usando nociones como la de fuerza eléctrica, la interacción de cargas con los cambios de valor en ellas y la relación de la distancia en todo este aspecto. Ahora bien, ya hemos establecido que existen dos clases de carga eléctrica y que las cargas ejercen fuerza una sobre otra. Ahora el objetivo es entender la naturaleza de esta fuerza. Los primeros experimentos cuantitativos exitosos con que se estudió la fuerza entre cargas eléctricas fueron realizados por Charles Augustin Coulomb (1736-1806), quien midió las atracciones y repulsiones eléctricas deduciendo la ley que las rige. Los experimentos de Coulomb y de sus contemporáneos demostraron que la fuerza eléctrica ejercida por un cuerpo cargado sobre otro depende directamente del producto de sus magnitudes e inversamente del cuadrado de su separación. En otras palabras, 𝐹𝛼

|𝑞1||𝑞2| 𝑟2

(1)

Aquí, es la magnitud de la fuerza mutua que opera sobre las dos cargas q1 y q2, r la distancia entre sus centros. La fuerza en una carga debido a la otra actúa en la línea que las conecta. Tal como lo establece la tercera ley de Newton, la fuerza ejercida por q1 sobre q2 tiene la misma magnitud pero dirección opuesta a la fuerza ejercida por q0 sobre q1, a pesar de que la magnitud de las cargas puede ser distinta. Ahora, para convertir la proporcionalidad anterior en una ecuación, se introduce una constante de proporcionalidad K, que llamaremos constante de Coulomb. Para la fuerza entre las cargas, obtenemos así: (2)

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) đ??š=đ??ž

|đ?&#x2018;&#x17E;1||đ?&#x2018;&#x17E;2| đ?&#x2018;&#x;2

La ecuaciĂłn (2) Conocida como la ley de Coulomb generalmente se cumple exclusivamente con objetos cargados cuyo tamaĂąo es mucho menor que la distancia entre ellos. A menudo se dice que esta ecuaciĂłn se aplica sĂłlo a cargas puntuales. En el Sistema Internacional de Unidades, la constate K se expresa de la siguiente manera: đ??ž=

1 4đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x153;&#x20AC;0

(3)

Aunque la selecciĂłn de esta forma de la constante K parece hacer innecesariamente compleja la ley de Coulomb, pero termina por simplificar las fĂłrmulas del electromagnetismo que se emplean mĂĄs que la ley. La constante đ?&#x153;&#x20AC;0 , que se conoce como constante elĂŠctrica (o permitividad), tiene un valor que depende del valor de la velocidad de la luz. Su valor exacto es: đ?&#x153;şđ?&#x;&#x17D; = 8.85418781762 x 10â&#x2C6;&#x2019;12 đ??ś 2 /N â&#x20AC;˘ đ?&#x2018;&#x161;2 La constante de Coulomb K tiene el valor correspondiente (hasta tres cifras significativas) đ??ž=

1 = 8,99đ?&#x2018;Ľ109 đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x161;2 /đ??ś 2 4đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x153;&#x20AC;0

Con esta selecciĂłn de la constante K, la ley de Coulomb puede escribirse asĂ: đ??š=

1 |đ?&#x2018;&#x17E;1||đ?&#x2018;&#x17E;2| 4đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x153;&#x20AC;0 đ?&#x2018;&#x; 2

(4)

Cuando K tiene el valor anterior, la fuerza en newton se obtiene expresando q en coulombs y r en metros. La importancia de la ley de Coulomb trasciende la mera descripciĂłn de las fuerzas ejercidas por las esferas cargadas una sobre otra. Esta ley, cuando la incorporamos a la estructura de la fĂsica cuĂĄntica, describe correctamente 1) las fuerzas elĂŠctricas que unen los electrones de un ĂĄtomo a su

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núcleo, 2) las fuerzas que enlazan los átomos para que formen moléculas y 3) las fuerzas que ligan átomos y moléculas para que formen sólidos o líquidos. Así pues, la mayor parte de las fuerzas en la experiencia cotidiana que no es gravitacionales son eléctricas. (1)

2. Método Experimental Para esta actividad, los integrantes del grupo se han reunido para asignar a cada uno los ítems en que esta dada la experiencia, llevando a cabo el siguiente orden, para luego adjuntar a un mismo archivo los respectivos análisis e información obtenida. Para la primera parte del desarrollo de esta experiencia ingresamos al link correspondiente simulador ley de Coulomb. Posteriormente se fijaron la distancia entre las cargas y seleccionamos un valor fijo para la carga q1, modificando los valores de la carga q2, luego se consignaron los datos en una tabla y se realizó el respectivo análisis. En el segundo apartado, fijamos nuevamente la distancia entre las cargas y seleccionamos un valor fijo para la carga q2, modificando los valores de la carga q1 y consignamos en la tabla correspondiente. En el último ejercicio se fijó el valor de las cargas nuevamente y modificamos la distancia, se organizaron los datos en tabla, dichos datos también serán la fuente para la comprensión entre la relación de la fuerza y el inverso del cuadrado de la distancia que deberán ser analizados.

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3. Resultados y anĂĄlisis A continuaciĂłn, se muestran las tablas de los resultados obtenidos, grĂĄficos y respectivos anĂĄlisis. Tabla NÂ° 1.Variacion de la q2, cuando q1 y r son fijas. đ?&#x2019;&#x2019;đ?&#x;? (đ?&#x2018;Ş)

đ?&#x;? Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x2018; Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x2019; Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x201C; Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x201D; Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x2022;Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x;&#x2013;Ă&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; C

đ?&#x2018;(đ?&#x2018;ľ)

8,426 N

16,852 N

25,277 N

33,703 N

42,129 N

50,555 N

58,981N

67,407N

Grafica NÂ°1 Carga dos (q2) C vs Fuerza (F) N. 80 70 60

Fuerza

50 40 y = 8,4259x - 0,0001

30 20 10 0 0

Carga q2 Lineal (F(N))

La ecuaciĂłn obtenida de los datos (Ver, Tabla NÂ° 1) propuestos es y = 8,4259x â&#x20AC;&#x201C; 0,001 (Ver, GrĂĄfico NÂ° 1) la pendiente obtenida es 8,4259, en la grĂĄfica de Fuerza vs cargas me representa el campo elĂŠctrico, debido a que la pendiente es la divisiĂłn de dos puntos y esto me da en unidades de N/C. por deducciĂłn se puede decir que representa campo elĂŠctrico. DespuĂŠs de haber fijado la carga q1 = â&#x2C6;&#x2019;6 Ă&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;6

y con una distancia đ?&#x2018;&#x; = 0,08 đ?&#x2018;&#x161;

A partir de la grĂĄfica se puede analizar que la fuerza es directamente proporcional a las cargas,

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esto significa que si las cargas aumentan, así mismo la fuerza, ya sean positivas o negativas. Se hicieron las pruebas con las dos cargas (positivas y negativas), y daban directamente proporcional, lo que cambiaba aquí era su dirección, pero su fuerza y magnitud es la misma. Tabla N°2. Fuerza eléctrica entre cargas, con q2 fija y variabilidad de la q1. Fuerza Eléctrica Entre Cargas q2 =3μc

3,E-06 C

q1 (C) 1,E-05 9,E-06 8,E-06 6,E-06 5,E-06 4,E-06 3,E-06 1,E-06 -2,E-06 -3,E-06 -5,E-06 -7,E-06 -8,E-06 -9,E-06 -1,E-05 Pendiente

r=0,06m F(N) 74,90 67,41 59,92 44,94 37,45 29,96 22,47 7,49 14,97 22,47 37,45 52,43 59,92 67,41 74,90 7E+06

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Grafica N°2 Fuerza eléctrica entre cargas, Fuerza (N) vs carga 1(μC) Fuerza Eléctrica Entre Cargas, Fuerza (N) v carga 1(μC)) 80 y = 7E+06x + 0,0004

Fuerza (N)

60 50

40 30 20 10 0 0,E+00

2,E-06

4,E-06

6,E-06

8,E-06

1,E-05

Carga de q1 (μc)

En la gráfica 2 se observa un comportamiento lineal con pendiente ascendente positiva donde la fuerza ejercida en la q1 por la q2 (μC) a una distancia de 0,06 hace que a medida que aumente la q1 influya en el aumento de la fuerza (N) ejercida hacia la q2 (μC), de modo que cuanto más cercanas se encuentran las cargas el módulo de la fuerza eléctrica de atracción o repulsión es mayor. Su ecuación particular es y = 7*106X+ 0,0004, es función lineal “una recta” y pose una pendiente 7,*106. La relación entre sus magnitudes es la ley de coulomb, la cual establece que la fuerza eléctrica es directamente proporcional al producto de las cargas eléctricas e inversamente proporcionales al cuadrado de la distancia de separación de dichas cargas eléctricas. Tabla N° 3.Variabilidad de distancia entre cargas (r), q1 y q2 fija, fuerza eléctrica producida. FUERZA VS DISTANCIA r(m)

F(N)

0,015 0,02 0,03

1,40,E+03 7,86,E+02 3,50,E+02

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0,04 1,97,E+02 0,05 1,26,E+02 0,055 1,04,E+02 0,066 8,74,E+01 0,065 7,45,E+01 0,07 6,42,E+01 0,075 5,59,E+01 0,08 4,92,E+01 0,085 4,35,E+01 0,09 3,88,E+01 0,095 3,49,E+01 0,1 3,15,E+01 Pendiente: -24,2392176

Grafico NÂ° 3.Fuerza vs distancia, con cargas elĂŠctricas fijas. Fuerza electrica vs Distancia 1,80,E+03 1,60,E+03 1,40,E+03

F(N)

1,20,E+03 1,00,E+03

y = 1588,2x-1,46 RÂ˛ = 0,9902

8,00,E+02 6,00,E+02 4,00,E+02 2,00,E+02 0,00,E+00

r(m)

Linealizacion del grĂĄfico de la funciĂłn en formato logarĂtmico, con lĂnea de tendencia exponencial đ?&#x2019;&#x2019;đ?&#x;?=â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201C;â&#x2C6;&#x2014;đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2018;Ş đ?&#x2019;&#x2019;đ?&#x;?=đ?&#x;&#x2022;â&#x2C6;&#x2014;đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;&#x201D; đ?&#x2018;Ş

Grafico NÂ° 4. Variabilidad de la distancia entre cargas vs fuerza elĂŠctrica producida, formato logarĂtmico.

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GrĂĄfica LogarĂtmica FUERZA (N) vs DISTANCIA (r) 1,00,E+04

y = 1588,2x-1,46 RÂ˛ = 0,9902

F(N)

1,00,E+03

1,00,E+02

1,00,E+01

1,00,E+00

r(m)

Para el caso de la grĂĄfica logarĂtmica Fuerza electrica vs Distancia (Ver, grafico NÂ°4), establece una relaciĂłn inversamente proporcional entre las distancias tomadas, y las fuerzas obtenidas; ya que al aumentar la distancia, es posible observar que la fuerza disminuye, sabiendo que las cargas elĂŠctricas son fijas, una de ellas positiva y la otra negativa (đ?&#x2018;&#x17E;1=â&#x2C6;&#x2019;5â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6 đ??ś; đ?&#x2018;&#x17E;2=7â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6 đ??ś ). Por otro lado; se identifica la ecuaciĂłn particular 1588.2đ?&#x2018;Ľ â&#x2C6;&#x2019;1,46 de la grĂĄfica, que posee una pendiente negativa de -24.2392176, manifestando la correlaciĂłn negativa existente entre la fuerza y la distancia. Del mismo modo, la identificaciĂłn del coeficiente de determinaciĂłn (đ?&#x2018;&#x2026;2 = 0.9902), muestra un eficaz ajuste en cuanto a la relaciĂłn Fuerza elĂŠctrica vs Distancia, debido a que es un valor aproximado a 1; y manifiesta que el comportamiento mayor distancia, menor fuerza, con cargas fijas (đ?&#x2018;&#x17E;1=â&#x2C6;&#x2019;5â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6 đ??ś; đ?&#x2018;&#x17E;2=7â&#x2C6;&#x2014;10â&#x2C6;&#x2019;6 đ??ś ), es una estimaciĂłn positiva para los resultados conseguidos. Para finalizar, el coeficiente de determinaciĂłn (đ?&#x2018;&#x2026;2 ), para la dependencia Fuerza vs Distancia es igual a: 99,02%.

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 10 Tabla NÂ° 4.Valores de la fuerza frente al inverso de la distancia entre cargas. 1/r(m)

r (m) 0,015 0,02 0,03 0,04 0,05 0,055 0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1

66,7 50,0 33,3 25,0 20,0 18,2 16,7 15,4 14,3 13,3 12,5 11,8 11,1 10,5 10,0

F(N)

1,40,E+03 7,86,E+02 3,50,E+02 1,97,E+02 1,26,E+02 1,04,E+02 8,74,E+01 7,45,E+01 6,42,E+01 5,59,E+01 4,92,E+01 4,35,E+01 3,88,E+01 3,49,E+01 3,15,E+01

GrĂĄfico NÂ° 5.Fuerza elĂŠctrica en funciĂłn del inverso cuadrado de la distancia.

1/r2 Inverso cuadrado de la distancia

Inverso cuadrado de la distancia Vs Fuerza electrica 1600 1400 1200 1000 800

y = 0,3149x - 0,0536 RÂ˛ = 1

600 400 200 0 0

1000

2000

3000

4000

5000

Fuerza electrica (N)

La curva de la grĂĄfica, infiere que el comportamiento que relaciona la variable Fuerza elĂŠctrica con el inverso de r (1/đ?&#x2018;&#x; 2 ) es de tipo: đ?&#x2018;Ś = đ?&#x2018;&#x161;đ?&#x2018;Ľ + đ?&#x2018;?

(5)

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 11 1

Donde: đ?&#x2018;&#x; 2 = đ?&#x2018;Ś

đ?&#x2018;? = â&#x2C6;&#x2019;0,0536

đ?&#x2018;Ľ=đ??š

đ?&#x2018;&#x161; = 0,3149 (đ?&#x2018;&#x192;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;&#x2122; đ?&#x2018;&#x201D;đ?&#x2018;&#x;đ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x201C;đ?&#x2018;&#x2013;đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;) (6)

1 = 0,3149đ??š â&#x2C6;&#x2019; 0,0536 đ?&#x2018;&#x;2 De donde r se presenta en metros y Fe en Newton.

La ley de coulomb indica que la fuerza elĂŠctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas y se evidencia mediante la ecuaciĂłn (5) del comportamiento del conjunto de datos obtenido en prĂĄctica dicha proporcionalidad. La regresiĂłn para la lĂnea arrojada indica que hay un coeficiente de correlaciĂłn đ?&#x2018;&#x2026;2 = 1 Lo cual indica una asociaciĂłn lineal de las variables de un 100% y que gracias a ello es posible explicar el comportamiento y la relaciĂłn entre Fe (1/r2) ya sustentado en el apartado anterior, de la misma forma una pendiente de grafico ascendente positiva 0,3149. Como parte final, es hallado el valor de đ?&#x153;ş : Sabiendo que:

đ??š=đ??ž đ??ž=

|đ?&#x2018;&#x17E;1â&#x2C6;&#x2014;đ?&#x2018;&#x17E;2|

(7)

đ?&#x2018;&#x;2 1

(8)

4đ?&#x153;&#x2039;â&#x2C6;&#x2014;đ?&#x153;&#x20AC;0

Ahora con los valores de la experiencia NÂ°2 la fuerza en funciĂłn de la carga corresponde a: đ??š = 7đ?&#x2018;Ľ106 đ?&#x2018;&#x17E;1 + 0,0004 Donde: 7đ?&#x2018;Ľ106 đ??ś =

đ??žđ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;&#x;2

đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x2019; đ?&#x2018;&#x17E; đ?&#x2018;Ś đ?&#x2018;&#x; đ?&#x2018; đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A; đ?&#x2018;?đ?&#x2018;&#x153;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018; đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x17D;đ?&#x2018;&#x203A;đ?&#x2018;Ąđ?&#x2018;&#x2019;đ?&#x2018;

Pero K tambiĂŠn es:

1 4đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x; 2 đ?&#x153;&#x20AC;

(9) (10)

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 12 AsĂ pues reemplazando variables en la ecuaciĂłn 9 đ?&#x2018;&#x17E; 4đ?&#x153;&#x2039;(đ?&#x2018;&#x; 2 )đ??š

đ?&#x153;&#x20AC;=

Asignando valores se tiene: 3đ?&#x2018;Ľ10â&#x2C6;&#x2019;6 đ?&#x153;&#x20AC;= 4đ?&#x153;&#x2039;(0,06đ?&#x2018;&#x161;)2 (7đ?&#x2018;Ľ106 đ??ś) đ?&#x153;&#x20AC;=

3đ?&#x2018;Ľ10â&#x2C6;&#x2019;6 đ??ś 108000đ?&#x153;&#x2039;

đ?&#x153;&#x20AC;0 = 8,84đ?&#x2018;Ľ10â&#x2C6;&#x2019;12 đ?&#x153;şđ?&#x;&#x17D; = đ?&#x;&#x2013;, đ?&#x;&#x2013;đ?&#x;&#x2019; â&#x2C6;&#x2014; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x;?đ?&#x;? đ?&#x2018;Şđ?&#x;? /đ?&#x2018;ľđ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;? (Valor experimental). Comparando la respuesta gracias a la teorĂa cuyo valor para ĂŠpsilon es 8.85418781762 x 10â&#x2C6;&#x2019;12 đ??ś 2 /N â&#x20AC;˘ đ?&#x2018;&#x161;2 es posible comprobar dicha constante elĂŠctrica o de permitividad, aunque hay una diferencia bastante corta pudo darse en la toma de datos o errores de aproximaciĂłn en las ecuaciones. 4. Conclusiones ď&#x201A;ˇ

Cuanto mĂĄs cercanas se encuentran las cargas el mĂłdulo de la fuerza elĂŠctrica de atracciĂłn o repulsiĂłn es mayor.

ď&#x201A;ˇ

Cuando q1 y q2 tienen el mismo signo ejercen una fuerza de repulsiĂłn, cuando tienen diferente signo se atraen, lo que no cambia es la fuerza, si tienen la misma magnitud para los dos casos, siempre va a ser la misma fuerza, esta fuerza va a ser positiva por e l valor absoluto de la ecuaciĂłn de la Ley de Coulomb.

ď&#x201A;ˇ

A partir de la grĂĄfica de F vs Carga, se puede obtener el campo elĂŠctrico en ese instante.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 13 

Es importante conocer los distintos métodos de linealización de gráficas, como el método logarítmico con el que se obtiene mejor interpretación de resultados a partir de un análisis más completo y detallado.

Referencias

(1) Resnick, R., Halliday, D., & Krane, K. S. (Eds.). (2007). FÍSICA (4 Edición, Vol. 2). Grupo Editorial Patria. Documento en PDF.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Laboratorio N°4 Ley de Coulomb y Campo Eléctrico Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniela Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu.co Resumen Este informe describe la experiencia desarrollada en los diferentes simuladores (Phet y Laboratorio virtual), para estudiar la ley de coulomb y campo eléctrico, identificando a si la relación que hay entre la fuerza eléctrica, la carga de prueba, la distancia de las cargas y la generación del campo eléctrico que esta conlleva. Se observa en la experiencia las líneas de campo entre dos cargas una fija (Q) y una carga móvil (q0), a si mismo se puede visualizar los vectores campo, donde es importante para determinar la dirección y magnitud del campo eléctrico.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

1. Introducción El campo eléctrico es el espacio que está bajo la influencia de una carga eléctrica. Es decir, es la fuerza que una partícula cargada sentiría si se coloca cerca de otra partícula cargada. En física de electricidad y magnetismo, es de vital importancia el estudio de los campos eléctricos y el comportamiento del espacio al ser sometido a distintas fuerzas eléctricas; por esta razón, la aplicación, práctica y análisis de la interacción de cuerpos eléctricamente cargados, es primordial en el estudio de ingeniería. Así mismo; el conocer con claridad las conductas que sufren las cargas eléctricas en un campo separadas por cierta distancia y generadoras de fuerzas eléctricas, obligan al estudiante a profundizar y analizar de manera más detallada los principales causantes y principios que intervienen en dicho fenómeno físico.

Se ingresó al siguiente simulados, este es el link: http://labovirtual.blogspot.com/2012/03/ley-de-coulomb.html



Se fijó un valor para la carga fija y una distancia entre las cargas, donde se modificaron los valores de la carga móvil, se calculó el valor del campo eléctrico y completo su respectiva tabla.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)



Se fijó un valor para la carga móvil y una distancia entre las cargas, se modificaron los valores de la carga fija, finalmente se calculó el valor del campo eléctrico y completo la tabla establecida.



Se fijó un valor para la carga fija y móvil, en el cual se modificaron los valores de la distancia, se calculó el valor del campo eléctrico y llevaron los datos a una tabla de valores.

2.2 Procedimiento en Simulador 2. 

Se ingresó al siguiente simulados, este es el link: https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombs-law/latest/coulombs-law_es.html



Se fijó la distancia entre las cargas y seleccione un valor fijo para la carga q1, donde se modificaron los valores de la carga q2 (negativo), se calculó el valor del campo eléctrico y completo su respectiva tabla.



Se fijó la distancia entre las cargas y seleccione un valor fijo para la carga q2 (negativo), se modificaron los valores de la carga q1, finalmente se calculó el valor del campo eléctrico y completo la tabla establecida.

Finalizada la etapa de recopilación de datos, se realiza diagrama de cuerpo libre con ubicación de cargas, vectores fuerza y campo eléctrico para cada situación y finalmente se presenta un análisis sobre las diferentes condiciones encontradas.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

3. Resultados y análisis

3. Tablas y figuras.

A continuación, se muestran las tablas de los resultados obtenidos por los simuladores, para el cálculo del campo eléctrico. Tabla N°1. Campo Eléctrico, generado por una carga fija y una distancia entre las cargas, con variabilidad de la carga móvil. Carga Fija: Q = 60x10-6C Carga móvil Fuerza (N) q(C) 10 x10-6 10 -6 20 x10 20 -6 30 x10 30 -6 40 x10 40 -6 50 x10 50 -6 60 x10 60 -6 70 x10 70 -6 80 x10 80 -6 90 x10 90

Distancia: r = 0,74m Campo Eléctrico Representación E(N/C) Gráfica 6 1 x10 Ver fig. 1 6 1 x10 Ver fig. 2 6 1 x10 Ver fig. 3 6 1 x10 Ver fig. 4 6 1 x10 Ver fig. 5 6 1 x10 Ver fig. 6 6 1 x10 Ver fig. 7 6 1 x10 Ver fig. 8 6 1 x10 Ver fig. 9

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

A continuación, se muestra los diferentes esquemas del campo eléctrico obtenidos en la Tabla N°1.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Tabla N°2. Campo Eléctrico, generado por una carga móvil y una distancia entre las cargas, con variabilidad de la carga fija. Carga Móvil: q = 90x10-6C Carga fija Fuerza (N) Q(C) 10 x10-6 7 -6 20 x10 13 -6 30 x10 20 -6 40 x10 27 -6 50 x10 33 -6 60 x10 40 -6 70 x10 47 -6 80 x10 53 -6 90 x10 60

Distancia: r = 1,1m Campo Eléctrico Representación E(N/C) Gráfica 7,00 x105 Ver fig. 10 6,50 x105 Ver fig. 11 5 6,66 x10 Ver fig. 12 5 6,75 x10 Ver fig. 13 5 6,60 x10 Ver fig. 14 5 6,66 x10 Ver fig. 15 5 6,71 x10 Ver fig. 16 5 6,62 x10 Ver fig. 17 5 6,66 x10 Ver fig. 18

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

A continuación, se muestra los diferentes esquemas del campo eléctrico generado por una carga móvil y una distancia entre las cargas, con variabilidad de la carga fija(Tabla N°2 ).

Figura 10. Campo Eléctrico generado por una Q=10 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 11.. Campo Eléctrico generado por una Q=20 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 1 Campo Eléctrico generado por una Q=30 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 13 Campo Eléctrico generado por una Q=40 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 14 Campo Eléctrico generado por una Q=50 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 15 Campo Eléctrico generado por una Q=60 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Figura 16 Campo Eléctrico generado por una Q=70 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

Figura 18 Campo Eléctrico generado por una Q=90 x10-6C Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Tabla N°3. Campo Eléctrico, generado por una carga fija y una carga móvil fijas, con variabilidad de la distancia.

Q = 60 r(m) 0,24 0,29 0,33 0,45 0,51 0,57 0,65 0,78 0,8 0,85

q = 20 F(N) 186 124 99 53 41 33 25 18 17 15

E(N/C)

A continuación, se muestra los diferentes esquemas del campo eléctrico, generado por una carga fija y una carga móvil fijas, con variabilidad de la distancia (Tabla N°3) .

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 10

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 11

Tabla N°4. Tabla de datos para la gráfica campo eléctrico (E) vs distancia (r). r(m) 0,24 0,29 0,33 0,45 0,51 0,57 0,65 0,78 0,8 0,85

E(N/C)

Tabla N°5. Campo Eléctrico, generado por una carga (q1) fija y distancia r fija, con una (q) carga de prueba variable negativa. Carga Fija: q1 = -7x10-6C Carga de Fuerza (N) Prueba q(C) -6 -1x10 39,321 -6 -2x10 78,641 -6 -3x10 117,962

Distancia: r = 0,04m Campo Eléctrico Representación E(N/C) Gráfica 39320500 Ver fig. 29 39320666 Ver fig. 30 39320500 Ver fig. 31

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 12

-4x10-6 -5x10-6 -6x10-6 -7x10-6 -8x10-6 -9x10-6 -10x10-6

157,282 196,603 235,923 275,244 314,564 353,885 393,205

39320500 39320600 39320500 39320500 39320500 39320500 39320500

Ver fig. 32 Ver fig. 33 Ver fig. 34 Ver fig. 35 Ver fig. 36 Ver fig. 37 Ver fig.38

A continuación, se muestra los diferentes esquemas del campo eléctrico, generado por una carga fija (q2) negativa y una distancia (r) fija, entre las cargas con variabilidad de la carga móvil positiva para este apartado (Tabla N°5).

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 13

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 14

Tabla N°6. Campo Eléctrico, generado por una carga fija (q2) negativa y una distancia (r) fija, entre las cargas con variabilidad de la carga móvil positiva para este apartado. Carga Fija: q2 = -9x10-6C Carga de Prueba q(C) 1x10-6

Distancia: r = 0,04m

50,555

Campo Eléctrico E(N/C) 50,555x106

-6

101,110

50,555x106

Ver fig. 40

3x10-6

151,665

50,555x106

Ver fig. 41

202,220

Ver fig. 42

Ver fig. 43

Ver fig. 44

2x10

Fuerza (N)

Representación Gráfica Ver fig. 39

4x10

-6

5x10

-6

6x10

-6

7x10

-6

353,885

50,555x10

Ver fig. 45

8x10-6

404,440

50,555x106

Ver fig. 46

454,995

Ver fig. 47

Ver fig. 48

9x10

-6

10x10

-6

252,775 303,330

505,550

50,555x10 50,555x10 50,555x10

50,555x10 50,555x10

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 15

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 16 3.3 Gráficas A continuación se presenta la gráfica de Campo eléctrico (E) vs distancia (r).

CAMPO ELÉCTRICO VS DISTANCIA 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0

E(N/C) Potencial (E(N/C))

y = 49881x-1,978 0

100

Gráfica 1. Campo eléctrico (E) vs distancia (r) TABLA N°4. Fuente: Grupo de física II (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de Minas UPTC.

A continuación se presenta la gráfica de Campo eléctrico (E) vs distancia (r) linealizada y con línea de tendencia exponencial.

LINEALIZACIÓN DE LA GRÁFICA CAMPO ELÉCTRICO VS DISTANCIA 100

E(N/C) Exponencial (E(N/C))

Exponencial (E(N/C)) Exponencial (E(N/C))

y = 187,26e-0,04x

1 0

100

Gráfica 2. Campo eléctrico (E) vs distancia(r), gráfica linealizada. Fuente: Grupo de física II (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de Minas UPTC.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 17

De la experiencia 4 desarrollada a través del simulador escala macro, donde se estudia el campo eléctrico generado entre una carga fija (q1) y una carga variable (q2) eléctricamente iguales (-) con una distancia (r) que se mantiene es posible inferir que el cambio de magnitud de la carga de prueba no influye en la magnitud obtenida del campo eléctrico el cual fue constante durante todo el laboratorio y como ya es sabido al ubicar dos cargas del mismo signo la repulsión, será el fenómeno presentado y a medida que aumenta el valor para alguna de las cargas su efecto se verá reflejado en la fuerza eléctrica producida. En cuanto a la relación de fuerza y campo eléctrico su proporcionalidad es directa y no solo indica como es la variación en cuanto a sus magnitudes si no el sentido y dirección del campo , ya que estas últimas características dependerán siempre de la influencia generada por la fuerza eléctrica. La experiencia 5 nos da una perspectiva del campo a través de dos cargas (q2) y (q) eléctricamente distintas (+) y (-) respectivamente, dado que las partículas son atraídas y la distancia durante el ejercicio no vario, el vector del campo eléctrico obtiene una magnitud constate y una dirección hacia la carga negativa debido a que las líneas de la carga positiva son atraídas en esta dirección.

Por otro lado; en el momento de modificar la carga fija (Q) ascendentemente, y mantener constante la carga movil (q), el simulador ( Laboratorio virtual), arroja fuerzas que aumentan de entre 6 a 7 Newtons al mantener una distancia de 1,1m; así mismo, el analisis en cuanto al campo eléctrico deja en evidencia que cada Q= los valores restantes manejan un promedio de

C se presenta un valor de ⃗

para una carga fija que va en aumento

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 18 cada Q=

C; de esta manera, es posible asegurar que el campo eléctrico tiene un

comportamiento de oscilación aproximado de ⃗⃗

a ⃗

. (ver Tabla

N°2). De los datos obtenidos (Tabla 3) se puede concluir que la fuerza ejercida por Q es ejercida por el campo eléctrico que la carga q origina, como se observa a mayor distancia que se encuentren las cargas menor es el campo eléctrico, esto quiere decir que su relación es inversamente proporcional. La relación de la fuerza con el campo eléctrico es directamente proporcional a medida que las cargas se juntan ejercen más fuerza y el campo eléctrico así mismo aumenta. De la gráfica (Grafica N° 1) Campo eléctrico vs distancia establece una relación inversamente proporcional entre las distancias tomadas, y el campo eléctrico obtenido; como se muestra en su ecuación la pendiente negativa, ya que al aumentar la distancia, es posible observar que el campo eléctrico disminuye, sabiendo que las cargas eléctricas son fijas, y las dos son del mismo signo (+), en la cual su repulsión va a ser mayor (Q = 60

, q = 20

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO) 19 ya que estas últimas características dependerán siempre de la influencia generada por la fuerza eléctrica. La experiencia 5 nos da una perspectiva del campo a través de dos cargas (q2) y (q) eléctricamente distintas (+) y (-) respectivamente, dado que las partículas son atraídas y la distancia durante el ejercicio no vario, el vector del campo eléctrico obtiene una magnitud constate y una dirección hacia la carga negativa debido a que las líneas de la carga positiva son atraídas en esta dirección.

4. Conclusiones 

la magnitud del campo eléctrico generado por (Q) y (q0) sólo dependerá de la distancia (r) y de la carga generadora del mismo.



Se comprobó que la fuerza eléctrica determina el sentido y dirección del campo eléctrico y que aunque sus magnitudes son directamente proporcionales en condiciones ya mencionadas el campo eléctrico se mantiene constante.



La fuerza ejercida en una carga positiva, afecta la dirección de los campos eléctricos. Bibliografía

SEARS-ZEMANSKY. Física universitaria. Vol. 2. Undécima edición. Pearson Educación.2004 https://phet.colorado.edu/sims/html/coulombslaw/latest/coulombs-law_es.html http://labovirtual.blogspot.com/2012/03/ley-decoulomb.html https://www.todamateria.com/campo-electrico/

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Laboratorio N°5 Líneas de Campo Eléctrico

Jonatan Armando Chaparro Romero

Cod.201820772

Pablo Andrés Mesa Acevedo

Cod.201820642

Paula Daniela Paredes Rodríguez

Cod.201821812

Natalia Maritza Montañez Niño

Cod.201821720

Universidad Pedagógica y Tecnológica de Colombia Facultad Sede Seccional Sogamoso Escuela Ingeniería De Minas Área De Física III (Electricidad y Magnetismo) Jonatan.Chaparro@uptc.edu.co Resumen Las líneas de campo eléctrico son líneas imaginarias que sirven para representar el campo eléctrico. Fue una idea presentada por el científico inglés Michael Faraday (1791-1867) para mostrar la noción de la intensidad y de la orientación del campo eléctrico. A lo largo del siguiente laboratorio se va a llevar a cabo la explicación y el desarrollo, como muestra de prueba de lo dicho por Faraday, comprobando a través del simulador la existencia de estas líneas de campo eléctrico imaginarias que emanan de cualquier cuerpo cargado, utilizando varias situaciones, cuando hay solo una carga ya sea positiva o negativa, aumentado su magnitud. Y por otro lado cuando hay más de dos cargas en un campo, con una distancia considerada, ya sea mayor o menos, y así mismo sus con cargas.

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

1. IntroducciĂłn El concepto propuesto por Michael Faraday, define a los campos elĂŠctricos como el comportamiento que presentan determinados objetos cargados elĂŠctricamente, cuando se relacionan con el entorno exterior. De esta manera, el estudio de los campos elĂŠctricos es significativo para la comprensiĂłn y anĂĄlisis detallado de la fĂsica de electricidad y magnetismo; basada en la identificaciĂłn de fuerzas, distancias y cargas elĂŠctricas que proponen un sistema de atracciĂłn o repulsiĂłn entre cuerpos. Las lĂneas de campo elĂŠctrico son de gran contribuciĂłn, las cuales se representan como una recta o curva imaginaria, representada en una regiĂłn del espacio, llamadas a si lĂneas de fuerza o â&#x20AC;&#x153;lĂneas de campoâ&#x20AC;?. Estas lĂneas de campo elĂŠctrico muestran la direcciĂłn de la magnitud del ( â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;Ź ) en cada punto; el campo elĂŠctrico tiene una sola direcciĂłn, por lo tanto, solo una lĂnea de campo puede pasar por un solo punto del campo elĂŠctrico generado, por ende, las lĂneas del campo elĂŠctrico nunca se cruzarĂĄn y estas siempre apuntarĂĄn hacia afuera de la carga alejĂĄndose de las cargas positivas (+) y se acercan hacia las cargas negativas (-). 2. MĂŠtodo Experimental Para realizar el experimento de lĂneas de campo elĂŠctrico se requiere de un simulador, en este caso (Phet interactive simulations): Ingresa al link correspondiente al simulador, en el cual se encontrarĂĄ con la siguiente plataforma del simulador (Ver fig. 1). https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_es.html En el simulador se encontrara en la parte inferior central dos cargas puntuales una con carga puntual positiva (+Q), otra con carga puntual negativa (-Q), ambas en unidades de micro Columbios (ÎźC), las cuales se pueden desplegar en la plataforma para insertar una carga y generar un campo elĂŠctrico con sus respectiva configuraciĂłn de lĂneas de campo ( se puede

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

insertar varias cargas arrastrĂĄndolas a la plataforma, bien sea (+Q) o (-Q)), tambiĂŠn se contempla un sensor de prueba con carga positiva (q0), el cual nos ayudara a representar la fuerza del campo â&#x192;&#x2014; ), por ultimo el simulador posee un metro, el cual se utilizara para medir la distancia elĂŠctrico (đ?&#x2018; desde la carga puntual al sensor de prueba (ver fig.2).

Figura 1. RepresentaciĂłn del simulador a trabajar Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

Figura 2. Procedimiento para medir con el metro en el simulador Phet. Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Se procede a realizar la primera simulación, el cual consiste en insertar una carga positiva (+Q) de 1μC en la plataforma de trabajo, inmediatamente se generan líneas de campo eléctrico (se analiza lo que sucede en la plataforma), luego se inserta cuatro sensores en diferentes puntos y a diferentes distancias, el cual se mide con el metro del simulador (Ver fig. 2), se realiza el esquema de las líneas de campo eléctrico en hojas mili mitradas evidenciado en el simulador; se repite el mismo procedimiento duplicando y triplicando el valor de la carga dada inicial, igualmente se realiza el esquema de las líneas de campo eléctrico en la hoja mili mitrada. Para realizar la segunda simulación se realiza el mismo procedimiento, solo que esta vez con una carga puntual negativa (-Q). Para la tercera simulación se ingresan dos cargas puntuales del mismo signo, en este caso positivas (+Q) a diferentes distancias entre cargas con una carga inicial, cada una con una carga inicial de 1μC, inmediatamente se generan líneas de campo eléctrico (se analiza lo que sucede en la plataforma), luego se inserta cuatro sensores en diferentes puntos y a diferentes distancias, el cual se mide con el metro del simulador (Ver fig. 2), se realiza el esquema de las líneas de campo eléctrico en hojas mili mitradas evidenciado en el simulador; se repite el mismo procedimiento duplicando y triplicando el valor de la carga dada inicial, igualmente se realiza el esquema de las líneas de campo eléctrico en la hoja mili mitrada. Para realizar la cuarta simulación se realiza el mismo procedimiento, solo que esta vez con dos cargas puntuales de diferente signo una carga (+Q) y una carga (-Q). En la quinta y última simulación se ingresan dos cargas puntuales negativas(-Q) tres cargas puntuales positivas (+Q) a diferentes distancias entre cargas con una carga inicial cada una de 1μC, inmediatamente se generan líneas de campo eléctrico (se analiza lo que sucede en la plataforma), luego se inserta cuatro sensores en diferentes puntos y a diferentes distancias, el

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

cual se mide con el metro del simulador (Ver fig. 2), se realiza el esquema de las lĂneas de campo elĂŠctrico en hojas mili mitradas evidenciado en el simulador; se repite el mismo procedimiento duplicando y triplicando el valor de la carga dada inicial, igualmente se realiza el esquema de las lĂneas de campo elĂŠctrico en la hoja mili mitrada. 3. Resultados y anĂĄlisis En la experiencia con el simulador (Phet interactive simulations), se logra obtener una representaciĂłn grĂĄfica de un campo de elĂŠctrico, donde se visualiza las lĂneas de campo elĂŠctrico de una carga puntual positiva (Q), el cual representa los cambios de direcciĂłn, en este caso hacia afuera (fuente) y las magnitudes de las fuerzas a medida que se va aumentando la carga positiva en el punto (Q); en este caso las lĂneas de fuerza indican la trayectoria que seguirĂĄn las partĂculas positivas, como se puede apreciar en el esquema ( ver fig. 3) , de tal manera que si ponemos una carga (q0) puntual positiva ( en este caso serĂĄ nuestro sensor) hay dos vectores, un â&#x192;&#x2014; ) de repulsiĂłn y un vector campo elĂŠctrico ( â&#x192;&#x2014;đ?&#x2018;Ź ) de acuerdo con la ley vector fuerza elĂŠctrica (đ?&#x2018; de coulomb.

Figura 3. LĂneas de Campo ElĂŠctrico generado por una carga puntual +Q y una carga de prueba q0 Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

FĂ?SICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

En el esquema se aprecia que las lĂneas de campo permanecen igual con su misma distancia de la carga al sensor , pero la magnitud del sensor varia y se vuelve mĂĄs amplio a medida que se aumenta la carga en el simulador (Ver fig. 3), de manera que hay mayor fuerza de repulsiĂłn, en este caso iniciamos con una carga de 1x10-9C, luego de 2 x10-9C y por ultimo con una carga de 6x10-9C (Ver fig. 3), lo cual nos indica que entre mayor carga coloquemos, mayor serĂĄ la fuerza que en este generara a nuestro campo elĂŠctrico . Ahora bien, como se muestra en la figura, si nuestro sensor de prueba estĂĄ mĂĄs cerca de la carga elĂŠctrica (una distancia mĂĄs corta) este va generar una mayor magnitud de repulsiĂłn en su vector y si estĂĄ mĂĄs lejos (una distancia mĂĄs larga) pues va tener un vector de repulsiĂłn de menor magnitud, independientemente de que se aumente la carga. A continuaciĂłn, se muestran las representaciones grĂĄficas de los campos elĂŠctricos generados por cargas de đ?&#x2018;&#x17E;1 = â&#x2C6;&#x2019;1 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś ; đ?&#x2018;&#x17E;2 = â&#x2C6;&#x2019;2 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś y đ?&#x2018;&#x17E;3 = â&#x2C6;&#x2019;3 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś.

Figura 4. RepresentaciĂłn grĂĄfica del campo elĂŠctrico con carga q1= -1*10^-9 C Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC.

FÍSICA III (ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO)

Por otra parte; cuando se tiene una carga negativa, las líneas de campo ingresan a la carga eléctrica (Ver fig. 4). Así mismo, al hacer la prueba en el simulador (Phet interactive simulations) introduciendo una carga eléctrica de q1=-1*10^(-9) C , se observa que al aumentar la distancia desde cierto punto hasta la carga, la línea de campo eléctrico se hace más pequeña, mientras que al disminuir la distancia, la línea campo eléctrico aumenta de tamaño; de este modo cuando se utilizan cargas de q2=-2*10^(-9) C y q3=-3*10^(-9) C (Ver fig. 5 y 6) causan un notable crecimiento en la línea de campo eléctrico utilizando las mismas distancias que para la carga q1.

Figura 5. Representación gráfica del campo eléctrico con carga q2= -2*10^-9 C. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

Ahora bien; la relación presente entre carga eléctrica, y línea de campo eléctrico es inversamente proporcional, ya que entre más negativa es la carga (se aleja de cero o punto neutro), la línea de campo aumenta de manera notable (Ver fig.7). De la misma manera, la

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dependencia entre distancia y línea de campo eléctrico es inversamente proporcional para cargas negativas, pues al crecer la distancia, la línea de campo se hace más pequeña.

Figura 6. Representación gráfica del campo eléctrico con carga q3= -3*10^-9 C. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

Figura 7. Líneas de campo ingresando a la carga negativa. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

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En la línea de campo eléctrico obtenidas del simulador se puede observar cómo se prolongan, estas se describen como asintóticas (Ver Fig. 8), debido a que por ser cargas del mismo signo tiende a tener una dirección con un centro común solo que nunca se van a tocar, cuando las cargas son mayores el campo se hace más intenso, sus fuerzas se combaten, pero nunca se van a tocar. Cuando se alejan demasiado disminuye la intensidad y las líneas del campo se van haciendo más suaves, tendiendo a desvanecerse. En la (Ver Fig. 9), se observa, a partir de los sensores puestos, como esta línea se prolonga, pero no de una manera exagerada, se puede decir que se mantiene en equilibrio.

Figura 8. Ejemplo de líneas de campo de dos cargas positivas. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

Figura 9. Representación gráfica del campo eléctrico con Q= 1nC, q=1nC y r=166,8 cm. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

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En la (Ver Fig. 10) se muestra algo un poco diferente, aquí Q es mayor que q, por lo tanto, las líneas se prologan más en un lado que el otro, debido a que su campo eléctrico hace un choque más fuerte de un solo lado. Finalmente, en la (Ver Fig. 11) se obtuvo que, con cargas mayores, su distancia empieza a jugar un punto un poco más importante, ya que es una distancia considerada la que se le aplico, casi un metro, aun así, las líneas del campo son fuertes, pero tampoco de una manera exagerada.

Figura10. Representación gráfica del campo eléctrico con Q=2nC, q= 1nC y r=125,9 cm. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC.

Figura 11. Representación gráfica del campo eléctrico con Q= 4nC, q= 2nC y r= 263,6 cm. Fuente: Grupo de física III (Electricidad y Magnetismo) Ingeniería de minas UPTC

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Tabla 1. Datos de Magnitud campo elĂŠctrico calculados, generado por dos o mĂĄs cargas de diferentes signos.

2 3

q(C )

d1 (m)

1 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

1,244

1â&#x2C6;&#x2014;

10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

d2 (m)

5.815 N/C

E2 5.88 N/C

d3(m) 0,688

E3 19,01 N/C

1,237

Figura 12. RepresentaciĂłn grĂĄfica del campo elĂŠctrico con 3 cargas positivas y dos negativas de magnitud 1*10 -9C. Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

SegĂşn lo que se observa a travĂŠs de la figura 12, en un esquema de 3 cargas positivas y dos negativas como el que se presenta independiente de la situaciĂłn en que se ubiquen las cargas, las lĂneas de campo positivas se dirigen hacia el exterior de la carga generadora, atraĂdas como se registra hacia las cargas negativas, las magnitudes de los campos elĂŠctricos 1 y 3 aunque tienen ĂĄngulos e intensidades muy cercanas de 5,84 V/m y 5,43V/m respectivamente, resultados tomados por el sensor dados en voltios por metro tambiĂŠn nos indica la fuerza por unidad de carga estacionaria situada en dicho punto, no obstante al determinar la magnitud del campo en N/C es posible inferir que E3 con respecto al E1 es mucho mayor ya que la distancia del primero es mucho

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mĂĄs corta a la carga negativa que genera el campo mientras en el segundo esta distancia es casi el doble, esto explica dicho contraste, con respecto al campo 2 dicha magnitud es similar a la del campo 1 con la diferencia en que al estar influenciado por dos cargas del mismo signo que envĂan sus ondas hacia afuera, en este mismo sentido va el campo su intensidad es mĂĄs alta que los campos anteriores siendo de 7,38 V/m. Tabla 2. Comportamiento del campo elĂŠctrico con dos o mĂĄs cargas de distinto signo, aumentado la magnitud de la carga al doble.

2 3

q(C )

d1 (m)

2 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

1,244

2 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

d2 (m)

11.63 N/C

E2 11.76 N/C

d3(m) 0,688

E3 38,02 N/C

1,237

Figura 13. RepresentaciĂłn grĂĄfica del campo elĂŠctrico con 3 cargas positivas y dos negativas de magnitud 2*10 -9C Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

Luego de aumentar el valor de la carga a 2*10-9 C con respecto a la configuraciĂłn anterior, es visible en la figura 13 un aumento en la intensidad de las lĂneas de campo estas sigue los sentidos de la naturaleza de sus cargas y se mantiene el patrĂłn en el que las lĂneas que entran son igual a las que salen, las magnitudes de los campos aumentaron al doble de lo que se trabajĂł

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en la primera parte, cabe aclarar que no se realizĂł variaciĂłn de las distancias con respecto a la figura 12. Tabla 3.Datos sobre comportamiento de campo elĂŠctrico con dos o mĂĄs cargas de distinto signo.

2 3

q(C )

d1 (m)

3 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

1,329

3 â&#x2C6;&#x2014; 10â&#x2C6;&#x2019;9 đ??ś

d2 (m)

15.2 N/C

E2 38.3N/C

d3(m) 0,935

E3 30.88N/C

0,84

Figura 13. RepresentaciĂłn grĂĄfica del campo elĂŠctrico con 3 cargas positivas y dos negativas de magnitud 3*10 -9C Fuente: Grupo de fĂsica III (Electricidad y Magnetismo) IngenierĂa de minas UPTC

En la situaciĂłn de la figura 14, variamos tanto la magnitud de cargas como su ubicaciĂłn y se determinaron otros campos debido a esta configuraciĂłn, el campo mĂĄs alto fue el E3 como puede observarse en la tabla 3, quien en medio de dos cargas se ve atraĂdo por aquella a la que se encuentra a menor distancia, tambiĂŠn puede observarse otra caracterĂstica como en el campo

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eléctrico 2 quien es tangente a las líneas generadas por el campo de la carga positiva quien dirige su sentido, por otra parte ya que en este ejercicio la carga es mayor que en los anteriores es posible ver como el número de líneas fuerza aumento proporcionalmente al aumentar q.

4. Conclusiones •

Si la carga puntual es positiva (+Q) y colocamos una carga de prueba (q0), la configuración de las líneas del campo eléctrico va en dirección de adentro hacia afuera, llamada a si fuente.

•

Todo cuerpo cargado, siempre va a contener un sistema de líneas ejercidas por el campo eléctrico, todo depende de su carga, que sea alterada por algún otro tipo carga que este en su medio, sino el sistema en el que se encuentra se va a mantener en equilibrio.

•

Se comprobó que la variación de la magnitud del campo eléctrico en la interacción de dos o más partículas es directamente proporcional a la magnitud de sus cargas.

•

Se observó que en los campos generados entre cuerpos cargados con el mismo valor el número de líneas que salen de las cargas positivas es igual al número de líneas que llegan a la carga negativa.

•

Fue posible comprobar como el campo eléctrico es inversamente proporcional a la distancia entre o desde la carga, ya que en la experiencia cuando aumentaba uno de estos el otro disminuía, es decir, ejemplo: El campo eléctrico es mayor cuando la distancia a la carga generadora ha sido menor en comparación con otro campo datado a mayor distancia.

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Bibliografía SEARS-ZEMANSKY. Física universitaria. Vol. 2. Undécima edición. Pearson Educación.2004 • BUECHE, F. Física para estudiantes de Ciencias e ingeniería. México. Mc. Graw-Hill. 1988 https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_es.html https://www.todamateria.com/campo-electrico/ https://www.i-de.es/socdis/gc/prod/es_ES/contenidos/docs/6-Campos_electricos_UNESA.pdf