Download práctica número 1 electrización y ley de coulomb

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
SECRETARÍA ACADÉMICA
DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR
CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y
TECNOLÓGICOS
No. 8 “NARCISO BASSOLS”
ACADEMIA DE FÍSICA
LABORATORIO DE FÍSICA III
NOMBRE DEL ALUMNO:___________________________________ GRUPO:____
EQUIPO:____ TURNO:__________ FECHA:___________ CALIFICACIÓN:______
PRÁCTICA NÚMERO 1
ELECTRIZACIÓN Y LEY DE COULOMB
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
A)
B)
C)
D)
Comprobar los métodos de electrización de los cuerpos.
Comprobar la ley fundamental de la electrostática.
Comprobar la existencia de dos cargas eléctricas distintas.
Comprobar experimentalmente y cuantitativamente, la fuerza eléctrica entre dos objetos
electrizados.
MARCO TEÓRICO
Tales de Mileto (hacia 600 a.C.) descubrió la propiedad que presenta el ámbar cuando se frota y
al acercar éste a cuerpos ligeros como trozos pequeños de médula de sauco o corcho, éstos se
atraen. A finales del siglo XVI, Gilbert observó que la misma propiedad se manifiesta en otros
cuerpos, tales como la ebonita, el vidrio, etc. Al interpretar esta propiedad decimos que el ámbar
está electrizado o que posee una carga eléctrica. Estos términos se derivan de la palabra griega
elektron que significa ámbar. La electrización no es una propiedad fundamental de la materia,
ya que en condiciones normales (estado neutro) la materia no está electrizada dado que se
manifiesta, después de que por diferentes causas los cuerpos pueden electrizarse. Se dice que
un cuerpo está electrizado cuando pierde o gana electrones y esta pérdida o ganancia dependerá
de la sustancia o material de que este hecho. Un cuerpo está electrizado positivamente cuando
pierde electrones y negativamente cuando gana electrones. A finales del siglo XVIII, el físico
americano y hombre de estado Benjamín Franklín, llamó positivas a las cargas eléctricas
producidas por materiales vítreos y negativas a las producidas por materiales resinosos. Los
cuerpos se pueden electrizar por varios métodos: frotamiento, contacto e inducción (influencia).
Las partículas subatómicas poseen propiedades y una de ellas es la carga eléctrica. La carga
eléctrica puede ser de dos signos distintos positiva (+) o negativa (-). Esta propiedad es una
cantidad medible que se expresa en coulombs (C), en honor a Charles Agustín Coulomb, general
francés que realizó ciertos estudios sobre el tema de las interacciones eléctricas. Debido al signo
de la carga eléctrica, dos partículas pueden atraerse si sus cargas son de diferente signo o
rechazarse si son del mismo signo, este es el principio fundamental de la electrostática.
En sus estudios experimentales para determinar la intensidad de la fuerza de atracción o de
repulsión entre dos objetos cargados, Coulomb encontró que la intensidad de la fuerza entre los
objetos es directamente proporcional a la magnitud de las cargas de éstos e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia de separación entre ellos. La constante dieléctrica del
medio en el aire o vacío resulta ser k=9X109 Nm2/C2. La relación matemática que describe la
fuerza entre dos partículas con carga eléctrica es:
F k
q1q2
r2
1
Donde:
F : Fuerza de atracción o repulsión en Newtons (N)
k : La constante dieléctrica en el aire o vacío 9X109 Nm2/C2
q1 , q2 : Magnitud de carga eléctrica en Coulombs (C)
r : Distancia de separación entre las cargas en metros (m)
Si se tiene un conjunto de cargas cercanas entre sí, cada carga interactuará con cada una de las
demás, ejerciendo una fuerza de atracción o de repulsión de acuerdo con el signo de sus cargas
correspondientes. Así, la fuerza eléctrica en cada una de ellas será la suma vectorial de las fuerzas
eléctricas que ejercen las demás sobre ella. Este análisis se hará suponiendo que todas las cargas
están inmóviles, a pesar de la fuerza que experimentan.
MATERIAL Y EQUIPO
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1 electroscopio
2 péndulos electrostáticos
1 barra de vidrio
1 barra de acrílico
1 piel de conejo o de gato
1 lienzo poliéster
3 globos
1 lata de aluminio
1 hoja de papel
20 g sal
20 g pimienta
1 tramo de hilo cáñamo de 160 cm
1 regla de un metro
1 transportador
Figura No. 1
DESARROLLO EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO No. 1 MÉTODOS DE ELECTRIZACIÓN
a) Verifica que todo el material se encuentre descargado, tocándolo previamente con la
mano.
Frota la barra de acrílico con la piel de conejo y aproxímala a la esfera del péndulo sin
tocarla. Explica lo sucedido indicando los métodos de electrización empleados. Representa
en un esquema lo observado.
2
b) Repite el procedimiento anterior, pero ahora toca al péndulo con la barra electrizada.
Explica lo sucedido indicando los métodos de electrización que fueron utilizados en este
momento para la barra como para la esfera del péndulo y representa un esquema de lo
observado.
c) ¿Qué tipo de carga adquieren la barra de acrílico y la piel de conejo al electrizarse?
d) Repite el procedimiento anterior utilizando la barra de vidrio y el lienzo poliéster. Explica
lo que sucede, anota el tipo de carga que fue adquirida por la barra de vidrio y el lienzo
poliéster. Representa por medio de un esquema.
e) Con la barra de acrílico frotada con la piel de conejo, toca las esferas de los dos péndulos
a continuación aproxímalas entre sí. Explica lo que sucede con los péndulos y represéntalo
por medio de un esquema.
EXPERIMENTO No.2 ELECTROSCOPIO
a) Verifica que el electroscopio este descargado tocando con la palma de la mano.
b) Toma la barra de acrílico sin frotarla, acerca al electroscopio sin tocarlo. Anota lo sucedido.
c) Frota la barra de acrílico con la piel de conejo y aproxima al electroscopio. Explica lo
sucedido y representa por medio de un esquema.
d) ¿Cuál fue el signo de carga que adquirió el electroscopio al acercar la barra de acrílico
cargada?
e) Verifica que el material se encuentre descargado. Frota la barra de vidrio con la tela de
seda y aproxima al electroscopio. Explica lo que sucede y representa por medio de un
esquema.
3
EXPERIMENTO No. 3 ELECTRIZACIÓN POR INDUCCIÓN
PARTE I
a) Infla el globo, amárralo y electriza por frotamiento.
b) Una vez electrizado, acercar a la lata de aluminio, ver figura No. 2
c) Observa, dibuja y escribe tus observaciones.
Figura No. 2
d) ¿Pasará lo mismo con una lata de hierro que con una botella de plástico?
PARTE II
a) En una caja de papel, vierte un poco de sal de mesa y pimienta; revuelve bien.
b) Acerca un globo inflado electrizado por frotamiento a la mezcla. Escribe tus observaciones
acerca del fenómeno.
EXPERIMENTO No. 4 ESTIMACIÓN DE LA FUERZA ELÉCTRICA
a) Infla dos globos a un volumen similar, amárralos a un hilo de cáñamo 1.60 m y sujétalos
como se muestra en la figura No. 3
b) Electriza los globos por frotamiento en toda su superficie de modo que se separen entre sí.
c) Mide la distancia de separación de los globos, tomando como referencia su centro geométrico.
d) Considera la masa de los globos de 5 g y que el sistema está en equilibrio.
e) Realiza un diagrama de cuerpo libre del arreglo experimental de fuerzas para obtener la
tensión y la fuerza eléctrica de los globos.
f) Calcula la carga eléctrica de los globos.
Diagrama de cuerpo libre
Figura No. 3
4
Análisis y procedimiento:
CUESTIONARIO
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del
tema y en base a los resultados experimentales observados.
1.
¿Cuándo un cuerpo está electrizado?
2.
¿Cuándo un cuerpo es eléctricamente neutro?
3.
¿Cuáles son y en qué consisten los métodos de electrización?
4.
Al acercar un cuerpo conductor a otro cargado positivamente, algunos electrones del
conductor se acumulan dentro de él por el lado más próximo al cuerpo cargado. Explica ¿a
qué se debe este fenómeno?
5.
En electricidad algunos materiales son clasificados como vítreos y resinosos. ¿Qué carga
adquieren cada uno de estos materiales al electrizarse?
6.
Explica el fenómeno de polarización e indica si éste se realiza en los materiales conductores,
en los aislantes o en ambos.
CONCLUSIONES
En base a los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos teóricos,
escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
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TECNOLÓGICOS
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LABORATORIO DE FÍSICA III
NOMBRE DEL ALUMNO:___________________________________ GRUPO:____
EQUIPO:____ TURNO:__________ FECHA:___________ CALIFICACIÓN:______
PRÁCTICA NÚMERO 2
GENERADORES ELECTROSTÁTICOS
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
A)
B)
C)
Explicar el funcionamiento de los generadores electrostáticos
Comprobar la existencia de la de carga eléctrica
Explicar el efecto producido por las cargas eléctricas
MARCO TEÓRICO
Reciben el nombre de máquinas electrostáticas, los aparatos destinados a producir
cargas eléctricas en reposo. Independientemente de la forma y tamaño, todas las
máquinas generadoras de cargas electrostáticas basan su construcción y funcionamiento
en los métodos de electrización de los cuerpos, por frotamiento, contacto e inducción.
Existen una gran variedad de máquinas electrostáticas, pero las más conocidas son la
Máquina de Wimshurst y el Generador de Van der Graaff.
Máquina de Wimshurst ver Figura No. 1. Está construida por dos discos aislantes
del mismo diámetro (1), montados en un mismo eje de rotación, que giran en sentidos
opuestos al accionar una manivela (2). Los discos contienen placas metálicas llamadas
sectores (3). Tiene además, dos varillas metálicas (4) que terminan en escobillas de cobre
que se apoyan ligeramente en los sectores.
Las varillas se colocan perpendicularmente entre los sectores, son frotados por las
escobillas, generando carga eléctrica. En las bisectrices de los cuadrantes formados por
las varillas, existen unas piezas metálicas llamadas peines (5) colocados a corta distancia
de los discos que tienen la función de recoger por inducción, las cargas generadas. El
otro extremo de los peines, está conectado por medio de interruptores a los electrodos
metálicos esféricos (6) y a unos dispositivos llamados botellas de Leyden (capacitores),
que sirven para el almacenamiento de la carga eléctrica (7).
Figura No. 1
6
Generador de Van der Graaff (Figura No. 2). Esta máquina consta de una banda de hule (1)
que recibe la carga eléctrica por frotamiento al pasar a través de una polea que se encuentra en
la parte inferior de la máquina (2). La banda transporta la carga eléctrica hacia la esfera metálica
(3). De esta manera se pueden generar grandes cargas eléctricas dependiendo de la superficie
de la esfera y obtener grandes voltajes en ocasiones hasta de millones de volts.
En el generador de Van der Graaff, y en la máquina de Wimshurst las cargas
eléctricas se generan por frotamiento y se transfieren por inducción.
Figura No. 2
MATERIAL Y EQUIPO
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1 Máquina electrostática de Wimshurst ver Figura No. 1
1 Generador de Van der Graaff ver Figura No. 2
1 Base de plástico (3) con soporte aislado ver Figura No. 3
1 Punta de aguja metálica ( 4)
1 Flor de papel (5)
1 Molinete eléctrico (6)
1 Timbre electrostático (7)
1 Cuadro centelleante (8)
2 Cadenas metálicas (9)
1 Caja de cerillos
Figura No. 3
7
DESARROLLO EXPERIMENTAL
EXPERIMENTO No. 1
PUNTA PARA VIENTO ELÉCTRICO
Figura No. 4
Esquema
A) Coloca la punta de la aguja metálica en la parte superior de la varilla de plástico con
metal.
B) Conecta las cadenas a cada uno de los electrodos de la máquina de Wimshurst (Figura
No. 4).
C) Acerca la palma de la mano a la punta de aguja, a la vez haz girar la manivela
de la máquina.
D) Escribe la sensación que se tiene al acercar la mano.
NOTA: No acercar demasiado la palma de la mano a la punta, no tocar puedes
recibir una descarga eléctrica.
E) Repite el inciso (C) y ahora acerca un cerillo encendido a la punta.
F) Escribe tus observaciones.
G) Repite el procedimiento anterior pero ahora acerque una tira de papel a la punta
de la aguja.
H) Escribe tus observaciones.
EXPERIMENTO No. 2 MOLINETE ELÉCTRICO
Figura No. 5
A)
B)
C)
Esquema
Coloca el molinete metálico en la parte superior de la varilla de plástico con metal.
Conecta una cadena a cada uno de los electrodos de la máquina de Wimshurst (Figura
No. 5).
Gira la manivela del generador y observa lo que sucede.
Escribe tus observaciones y realiza un esquema.
8
EXPERIMENTO NO. 3 FLOR DE PAPEL
Figura No. 6
A)
B)
C)
D)
Esquema
Repite el procedimiento anterior pero ahora coloca la flor de papel (Figura No. 6).
Gira la manivela de la máquina de Wimshurst y observa que sucede.
Anota las observaciones.
Realiza un dibujo explica lo que sucedió.
EXPERIMENTO No. 4 CAMPANARIO ELÉCTRICO
Figura No. 7
A) Conecta las cadenas a los bornes del timbre electrostático (Figura No. 7).
B) Gira la manivela y observa que sucede.
C) Escribe tus observaciones.
EXPERIMENTO No. 5 CUADRO CENTELLEANTE
Figura No. 8
A) Conecta las cadenas a los bornes del cuadro centelleante a como se ve en la figura
No. 8.
B) Gira la manivela de la máquina de Wimshurst.
C) Explica y escribe tus observaciones.
9
CUESTIONARIO
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales al
tema y en base a los resultados experimentales observados.
1.
¿Cuál es el uso de las máquinas electrostáticas?
2.
¿Cuál es el principio de funcionamiento de las máquinas electrostáticas?
3.
¿Qué es el viento eléctrico?
4.
En el experimento No. 1, ¿por qué se apaga el cerillo? y ¿Por qué se levanta la tira de
papel?
5.
¿Por qué razón gira el molinete eléctrico?
6.
¿Por qué se separan los pétalos de la flor de papel?
7.
Explica el fenómeno ocurrido en el campanario eléctrico
8.
En el experimento número 5 ¿por qué los leds se enciendan y apagan frecuentemente?
CONCLUSIONES
En base a los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos teóricos,
escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
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DIRECCIÓN DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR
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TECNOLÓGICOS
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LABORATORIO DE FÍSICA III
NOMBRE DEL ALUMNO:__________________________________ GRUPO:_______
EQUIPO:____ TURNO:__________ FECHA:___________ CALIFICACIÓN:_________
PRÁCTICA NÚMERO TRES
CAMPO ELÉCTRICO
OBJETIVOS ESPECÍFICOS:
A.
B.
C.
Demostrar la existencia del campo eléctrico.
Representar el campo eléctrico por medio de líneas de fuerza.
Comprobar las diferentes formas que adquiere el campo eléctrico de acuerdo a
los electrodos empleados.
MARCO TEÓRICO
Las cargas eléctricas ejercen una influencia en la región que las rodea. Dicha región de
influencia se llama campo eléctrico. Por esta razón las cargas de diferente signo se atraen y
del mismo signo se rechazan, aun cuando se encuentren separadas. Esto quiere decir que las
cargas eléctricas influyen sobre la región que está a su alrededor debido a su propio campo
eléctrico.
Como el campo eléctrico no se puede ver, el físico inglés Michael Faraday introdujo en
1823, el concepto de líneas de fuerza. Las líneas de fuerza se dibujan de la siguiente manera:
si la carga eléctrica es positiva éstas salen radialmente de la
carga (figura 1a). Si la carga eléctrica es negativa, las líneas de fuerza llegan de una forma
radial a la carga (figura 1b). Si se tiene un dipolo eléctrico (una carga negativa y otra positiva el
campo eléctrico se dibuja saliendo de la carga positiva y entrando a la
carga negativa (figura 2a). Si se tienen dos cargas del mismo signo, por ejemplo dos cargas
positivas, estas se dibujan saliendo de las cargas y separándose debido a la repulsión (figura
2b). Las líneas de fuerza pueden dibujarse de tal manera, que señalen, además de su
dirección y sentido, el punto más intenso del campo eléctrico.
Mientras más cerca se encuentre de una carga eléctrica el campo eléctrico será más intenso
y mientras más alejado será menos intenso.
En la Figura 1, las
líneas de campo
eléctrico para una
carga puntual. a)
En el caso de una
carga puntual
positiva, las líneas
son radiales hacia
afuera. b) Para
una carga puntual
negativa, las
líneas son radiales
hacia adentro.
Figura No. 1
a)
Carga positiva
b)
Carga Negativa
11
a)
Dipolo eléctrico
b) Cargas con signo positivo
Figura No. 2
En la figura 2, a) Líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales de igual magnitud y de signo
opuesto (un dipolo eléctrico). El número de líneas que salen de la carga positiva es igual al número
que termina en la carga negativa. b) Líneas de campo eléctrico para dos cargas puntuales positivas.
Para poder interpretar como es la intensidad el campo eléctrico producido por una carga
eléctrica, se emplea una carga positiva (por convención) de valor muy pequeño llamada
carga de prueba, de esta manera sus efectos, debido a su propio campo eléctrico,
se puede despreciar. Esa pequeña carga de prueba q se coloca en un punto del espacio
a investigar. Si la carga de prueba recibe una fuerza de origen eléctrico, diremos que
en ese punto del espacio existe un campo eléctrico cuya intensidad E es igual a la
relación dada entre la fuerza F y el valor de dicha carga de prueba q por tanto:
E
F
q
N 
en  
C 
Como se observa, la intensidad del campo E es una magnitud vectorial, toda vez que la
fuerza F también lo es. Por ello, los campos eléctricos se suman vectorialmente. Así pues,
la dirección y sentido del vector representativo de la intensidad del campo eléctrico en
un punto será igual a la fuerza que actúa en ese punto sobre la carga de prueba, la cual
como se señaló es positiva por convención. El valor de la intensidad de campo eléctrico
E no es constante, sino que disminuye a medida que aumenta la distancia. Sin
embargo, el valor de E será el mismo para todos los puntos con igual distancia del
centro de una carga.
MATERIAL Y EQUIPO












Una máquina de Wimshurst (1)
Una cuba de vidrio (2)
Aceite (3)
Cascarillas de alpiste (4)
Dos porta electrodos (5)
Dos barras de acrílico (6)
Dos electrodos metálicos puntuales(7)
Un electrodo circular (8)
Dos electrodos rectos en forma de “L” (9)
Un electrodo en forma de “V” (10)
Un electrodo en forma de triángulo 11)
Dos cadenas metálicas (12)
Figura No. 3
12
DESARROLLO EXPERIMENTAL
Experimento No. 1. Carga puntual
a)
b)
c)
d)
e)
Monta el dispositivo de la figura No. 4 colocando dentro de
la cuba un electrodo puntual.
En la cuba vierte el aceite y en él distribuye las cascarillas
uniformemente.
Conecta una de las cadenas al electrodo puntual.
Acciona la manivela de la máquina generadora.
Explica lo que sucede con las semillas y realiza un esquema
de lo observado.
Esquema
Figura No. 4
Experimento No. 2 Dipolo eléctrico
a)
Monta el dispositivo de la figura No. 5, colocando las
cadenas a cada uno de los bornes del generador los dos
electrodos puntuales en los porta electrodos.
b)
Distribuye uniformemente las cascarillas de alpiste, si es
necesario agrega más en la cuba, procura no saturar.
Conecta cada cadena a cada uno de los electrodos.
c)
d)
e)
Acciona la manivela de la máquina generadora.
Explica lo que sucede con las cascarillas de alpiste y
realiza un esquema de lo observado.
Esquema
Figura No. 5
Experimento No. 3 Repulsión de cargas
a)
b)
Esquema
Repite el procedimiento anterior pero ahora
conecta las dos cadenas a un solo borne del
generador.
Explica lo que sucede con las cascarillas en los
electrodos y realiza un esquema de lo observado.
13
Experimento No. 4
a)
b)
P rincipio del capacitor
Repite el procedimiento anterior pero ahora
coloca paralelamente dos electrodos rectos y
conecta sus extremos a cada uno de los bornes
del generador.
Explica lo que sucede y realiza un esquema de lo
observado.
Experimento No. 5. Principio de la ley de Gauss
a)
b)
c)
b)
Esquema
Coloca un electrodo circular dentro de la cuba y
conéctalo a uno de los bornes del generador.
Esparce el alpiste de manera que quede
distribuido uniformemente dentro y fuera del
arillo.
Explica lo que sucede y realiza un esquema de lo
observado.
Experimento no. 6. Efecto punta
a)
Esquema
Esquema
Coloca un electrodo en forma de “Y” dentro de
la cuba con el aceite y conéctalo a uno de los
bornes del generador.
Explica lo que sucede y realiza un esquema
de lo observado.
NOTA: Todos los esquemas deben ser dibujados por medio de líneas de fuerza.
CUESTIONARIO
Contesta las siguientes preguntas de acuerdo a los conceptos y principios fundamentales del tema
y en base a los resultados experimentales observados.
1.
¿Qué es el campo eléctrico? y ¿cómo se representa gráficamente?
2.
¿Qué es el dipolo eléctrico? y ¿cómo se representa?
3.
¿Existe campo eléctrico dentro del electrodo circular en el experimento No. 5? Si ó No y ¿por
qué?
14
4.
¿Cómo es el arreglo de las cáscaras de alpiste entre los electrodos paralelos del capacitor?
5.
¿Cómo se distribuye la carga en los conductores en forma de “V” y “triangular”? ¿Por qué se
produce éste fenómeno?
6.
¿Cómo se distribuirá la carga en una superficie de máxima curvatura?
CONCLUSIONES
En base a los objetivos de la práctica, en los experimentos realizados y los fundamentos
teóricos, escribe tus conclusiones haciendo las comparaciones necesarias en cada experimento.
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