Descarga la aplicación para disfrutar aún más
Vista previa del material en texto
LABORATORIO 1 – FUERZA ELÉCTRICA Carlos David Vallejo - Código: 101717021328 Claudia Marcela Hurtado Franco - Código: 101718020740 Daniela Garzon Arturo - Código:101719020908 Camilo Sanchez Ferreira 20 de octubre de 2022 1. OBJETIVOS 1.1 OBJETIVO GENERAL: Reconocer una carga eléctrica como una propiedad de la materia que está presente en las partículas subatómicas. 1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS: - Identificar un dispositivo que permite subir y bajar repetidamente la carga de un objeto cargado aprovechando el fenómeno de separación de cargas. - Reconocer procedimientos para cargar un cuerpo eléctricamente. - Identificar los factores que determinan la fuerza eléctrica. 2. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA La carga eléctrica es una propiedad física propia de algunas partículas subatómicas que se exponen mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. La materia cargada eléctricamente es influida por los campos electromagnéticos, siendo, a su vez, generadora de ellos. Las cargas eléctricas no pueden destruirse ni crearse. La cantidad de carga eléctrica en el universo es constante. Los materiales responden de distinto modo a la inducción electromagnética. Algunos son conductores de la electricidad y otros son aislantes, es decir, no la conducen. (Concepto Pág. 1-2) Conforme al Sistema Internacional de Medidas (SI), las cargas eléctricas se miden en una unidad llamada Coulombs (C). Su nombre se estableció en honor al físico francés Charles-Augustin de Coulomb (1736-1806), uno de los mayores estudiosos de este tipo de fenómenos físicos. Una unidad de Coulomb se define como la cantidad de carga que transporta una corriente eléctrica de un amperio por un conductor eléctrico en un segundo. Un amperio corresponde a electrones libres.6, 242 𝑥1018 Entre cargas existe una fuerza eléctrica, como lo describe la ley de Coulomb. Usamos la ley de Coulomb para encontrar las fuerzas generadas por configuraciones de carga. (“La fuerza eléctrica (artículo)Pág 1-2”) 3. MONTAJE EXPERIMENTAL En este laboratorio, se realizaron tres montajes experimentales distintos, para los cuales se utilizaron los siguientes materiales. Montaje 1 y 2: • Un pitillo. • Una balanza analítica. • Un plano inclinado de vidrio con ángulo variable. • Un trozo de tela suave. Montaje 1: Al haber tenido todos los materiales mencionados se procede a dar inicio a nuestra práctica de laboratorio de la siguiente manera: a) Se identificaron los materiales y se llevó el pitillo a la balanza. b) Se limpió el vidrio con un material aislante para poder colocar el pitillo y realizar el montaje de la figura 1. c) Se varió el ángulo de inclinación de la superficie de vidrio, hasta encontrar el ángulo en el cual el pitillo comience a deslizarse, (Se realizó este procedimiento 20 veces). Figura 1. Montaje 2: Con los materiales ya mencionados se procedió a dar inicio a nuestro segundo momento de laboratorio de la siguiente manera: a) Se ubica la superficie de vidrio de manera vertical, formando un ángulo de 90° con la horizontal. b) Se frota el pitillo con el cabello de un integrante del grupo, de tal forma que éste quede cargado. c) Se coloca el pitillo en la superficie de vidrio, como se muestra en la figura 2, y éste por la carga ganada queda adherido al vidrio (después de varios intentos, se logró). Figura 2. Montaje 3 (Electroscopio): • Vaso de vidrio con tapa aislante. • Cable de cobre. • Corcho. • Papel aluminio. • Alicate. • Globo. Al haber tenido todos los materiales mencionados se procedió a dar inicio a nuestra última práctica de laboratorio de la siguiente manera: a) Se identifica la utilidad de cada uno de los elementos. b) Se abre un orificio en la tapa, de tal forma que en éste se pudiera introducir el corcho, el cual serviría de aislante entre el exterior e interior del vaso. c) Se atravesó el corcho con el alambre, dejando una parte dentro del vaso y la otra que sobresale en la parte exterior, (la parte inferior del alambre fue deformada en forma de gancho para no tener contacto con el vaso). d) Con el papel aluminio, se formó una esfera de aproximadamente 4 cm de diámetro y dos láminas pequeñas que fueron atravesadas por una de las puntas del alambre, más exactamente para que quedaran suspendidas del gancho. e) Se insertó la bola de aluminio a la parte superior del alambre, como se muestra en la figura 3. f) Se frotó el globo durante un tiempo prolongado con el cabello de un integrante del grupo, logrando que éste adquiera carga. g) Se acercó el globo a la esfera de aluminio y evidenciamos cómo las láminas dentro del vaso se repelen, y cuando alejamos el globo, las láminas se vuelven a juntar. Figura 3. Electroscopio casero 4. RESULTADOS Montaje 1. Al haberse hecho el primer montaje consignamos los datos de los ángulos obtenidos en la siguiente tabla: Tabla 1. Datos de la variación del ángulo de inclinación de la superficie. N° Inclinación (°) N° Inclinación (°) N° Inclinación (°) 1 40.5 8 30.5 15 30 2 34 9 30.5 16 35 3 31 10 36 17 34 4 42 11 43 18 35 5 33 12 33 19 34 6 33 13 33.5 20 30 7 42.5 14 33 Promedio: 34.7° Peso del pitillo: 0.11g Con los datos ya consignados se procedió a realizar un diagrama de cuerpo libre para así pasar a realizar la sumatoria de fuerzas y de esta manera poder encontrar el coeficiente de fricción estática entre el vidrio y el pitillo. Figura 4. D.C.L montaje 1 Se descompone la fuerza de gravedad para que esta quede en el eje X y en el eje Y. Para la fuerza de gravedad de X: 𝑆𝑒𝑛θ = 𝐹𝑔𝑋𝐹𝑔 Despejamos la fuerza de gravedad en X y se obtiene: 𝐹𝑔𝑋 = 𝐹𝑔. 𝑠𝑒𝑛θ Para la fuerza de gravedad en Y: 𝐹𝑔𝑌 = 𝐹𝑔𝑌𝐹𝑔 Despejamos la fuerza de gravedad en Y y se obtiene: 𝐹𝑔𝑌 = 𝐹𝑔. 𝑐𝑜𝑠θ Después de haber determinado la fuerza de gravedad en ambos ejes se procede a realizar el diagrama de cuerpo libre limpio. Figura 5. D.C.L.L montaje 1 Se realizó la sumatoria de fuerzas para ambos ejes. Eje X: Σ𝐹𝑥 = 𝐹𝑔𝑋 − 𝐹𝑟 = 0 Recordemos que y que , por lo tanto𝐹𝑟 = µ * 𝑛 𝐹𝑔𝑋 = 𝐹𝑔. 𝑠𝑒𝑛θ (1)𝐹𝑔. 𝑠𝑒𝑛θ − µ𝑠. 𝑛 = 0 Eje Y: Σ𝐹𝑦 = 𝑛 − 𝐹𝑔𝑌 Sabemos que por lo tanto𝐹𝑔𝑌 = 𝐹𝑔. 𝑐𝑜𝑠θ (2)𝑛 − 𝐹𝑔. 𝑐𝑜𝑠θ = 0 De (1) despejamos µ𝑠 (3)µ = 𝐹𝑔.𝑠𝑒𝑛θ𝑛 Ya que se necesita el valor de la normal para poder determinar el coeficiente de fricción entonces despejamos n de (2) (4)𝑛 = 𝐹𝑔. 𝑐𝑜𝑠θ Para determinar el coeficiente de fricción estática reemplazamos (4) en (3) µ = 𝐹𝑔.𝑠𝑒𝑛θ𝐹𝑔.𝑐𝑜𝑠θ Cancelamos de fuerza de gravedad y nos queda: µ = 𝑇𝑎𝑛θ µ = 𝑇𝑎𝑛 34. 7 (5)µ = 0. 69 Es de esta manera que con la sumatoria de fuerzas se pudo calcular que el coeficiente de fricción entre el pitillo y el vidrio es de 0.69. Montaje 2. Después de haber logrado que el pitillo se adhiera al vidrio como se muestra en la figura 6, lo que se hizo fue realizar el diagrama de cuerpo libre para este momento y con la sumatoria de fuerzas poder determinar el valor de la fuerza eléctrica que se ejerce entre el vidrio y el pitillo para que este quedara adherido. Figura 6. Pitillo adherido al vidrio Figura 7. D.C.L montaje 2 Se realiza la sumatoria de fuerzas en los dos ejes. Eje Y: Σ𝐹𝑦 = 𝐹𝑟 − 𝐹𝑔 = 0 𝐹𝑟 = 𝐹𝑔 𝐹𝑟 = 0. 11𝑔 . 9. 8𝑚/𝑠 (6)𝐹𝑟 = 1. 08𝑁 Eje X: Σ𝐹𝑥 = 𝑛 − 𝐹𝑒 = 0 (7)𝑛 = 𝐹𝑒 Sabemos que , y de (5) sabemos que el coeficiente de fricción entre el pitillo y el vidrio es𝐹𝑟 = µ * 𝑛 , entonces lo que haremos será despejar n de la fórmula de fuerza de fricción ya que en (7)µ = 0. 69 tenemos que , por lo tanto:𝑛 = 𝐹𝑒 (8)𝑛 = 𝐹𝑟µ Reemplazamos (5) y (6) en (8) 𝑛 = 1.08𝑁0.69 𝑛 = 1. 57𝑁 De (7) tenemos que razón por la cual𝑛 = 𝐹𝑒 𝐹𝑒 = 1. 57𝑁 Es así como se determinó que la fuerza eléctrica para que el pitillo se adhiere al vidrio en nuestro laboratorio fue de 1.57N Montaje 3. Dada la práctica de laboratorio evidenciamos el funcionamiento de un electroscopio casero, el cual consistía en cargar un objeto dejándolo electrificado y observar que, alacercarlo a la esfera, el alambre de cobre se electriza y las láminas de aluminio cargadas con igual signo se repelen, separándose. La fuerza de repulsión electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el globo de la esfera, las láminas, al perder la polarización, vuelven a su posición normal, es decir, notamos que se juntan. Un electroscopio pierde gradualmente su carga debido a la conductividad eléctrica del aire producida por su contenido en iones. Por ello la velocidad con la que se carga un electroscopio en presencia de un campo eléctrico o se descarga puede ser utilizada para medir la densidad de iones en el aire ambiente. Por este motivo, el electroscopio se puede utilizar para medir la radiación de fondo en presencia de materiales radiactivos. Un objeto puede adquirir cargas al frotarlo con otro, de tal forma que el primero se electrifica y el segundo pierde carga, razón por la cual, el objeto electrificado logra atraer objetos pequeños con una carga opuesta. El generador de Van de Graaff utiliza una cinta móvil para acumular grandes cantidades de carga eléctrica en el interior de una esfera metálica hueca, razón por la cual, en el momento en que se acercó el electroscopio, también se evidenció que las láminas de aluminio se separaron 5. CONCLUSIONES ● La carga eléctrica es la unión de átomos, protones y electrones que están cambiando su energía de positiva a negativa o viceversa, permitiendo que exista el comportamiento de atracción y repulsión y así poder determinar su electromagnetismo. ● El pitillo al ser frotado con el cabello pierde parte de los electrones que posee, razón por la cual queda electrizado y cargado positivamente, una vez el pitillo queda cargado positivamente, este es atraído por los electrones de los átomos del vidrio y es por esto que el pitillo se adhiere al vidrio ubicado de forma vertical. ● Todo material puede ser capaz de recibir o dar electrones por más pequeño que sea este, como sabemos la interacción entre cuerpos hace que donen o reciban electrones para quedar estables entre esos dos cuerpos, por lo tanto, la carga eléctrica está presente en nuestra vida cotidiana y es importante saber cómo se da la interacción entre estas. 6. WEBGRAFÍA ● Concepto, editor. “Carga eléctrica.” Enciclopedia concepto, 2013-2022, p. 2 https://concepto.de/carga-electrica/#ixzz7iDc2OPId. Accessed 19 10 2022. ● “La fuerza eléctrica (artículo).” Khan Academy, https://es.khanacademy.org/science/electrical-engineering/ee-electrostatics/ee-electric-force-an d-electric-field/a/ee-electric-force. Accessed 19 October 2022.
Compartir