MEDIDAS DE CARGAS ELECTROESTATICAS

UNIVERSIDAD CATOLICA BOLIVIANA “SAN PABLO”
Laboratorio de Electricidad y Electromagnetismo – Fis-113
Facultad de Ingeniería
Semestre II- 2022
MEDIDA DE CARGAS
ELECTROSTATICAS
Nelson Alejandro Juanes Gamón
Ing. Mauricio Aliaga
Paralelo: 4 jueves 12:4514:15
18 de agosto de 2022
Resumen. - La carga eléctrica es una propiedad física de algunas partículas que se genera mediante
fuerzas tanto de atracción o repulsión entre ellas a través de campos electromagnéticos. En este
laboratorio se considerará analizar y demostrar experimentalmente cada método de proceso de carga
dentro del laboratorio.
Índice de Términos. – Carga, Conducción, Electricidad, Fricción, Inducción, Voltaje, Faraday.
1.
OBJETIVO
1.1.Objetivo General
 Determinar la constante de Coulomb
1.2.Objetivo Especifico




Tomar datos del simulador para
laelaboración del laboratorio.
De los datos obtenidos elaborar
tablas
y
graficas
experimentales.
Realizar
una
analogía
matemática que nos permita
calcular los datos mediante
Excel.
Describir
modelos
para
conceptos
.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
2.1.Cargas Eléctricas
Para el estudio y desarrollo del laboratorio
es necesario conocer que es una carga
eléctrica. La carga eléctrica es aquel
elemento dado por ciertas partículas
subatómicas producidas cuando se
relacionan entre sí. La interacción entre
ellas es dada de forma electromagnética.
Cualquier elemento que es considerado
materia consta de un conjunto de cargas
negativas,
positivas
y
neutras.
Naturalmente, los elementos están en un
estado neutro, indicando que el cuerpo tiene
el mismo número tanto de protones como de
electrones. A su vez, si se dice que el cuerpo
contiene una gran cantidad de electrones es
que el cuerpo está cargado en forma
negativa y si contiene muchos protones,
está cargado en forma positiva. También
está definida en el Sistema Internacional de
Unidades como:
“La cantidad de carga que pasa por la
sección transversal de un determinado
conductor eléctrico durante el lapso de un
segundo y cuando la corriente eléctrica es
de un amperio.”
Es posible decir que las cargas del mismo
tipo (positivas o negativas) se repelen. Y las
que son del mismo valor, se atraen. Véase la
figura 1.
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En consecuencia
2.3.La constante de Coulomb
La Figura 1 nos enseña gráficamente la
manera de interacción entre cargas de
signo similar o signo diferente para
comprenderlas y estudiarlas.
2.2. Ley de coulomb
Charles-Augustin de Coulomb desarrolló
la balanza de torsión con la que determinó
las propiedades de la fuerza electrostática.
Este instrumento consiste en una barra que
cuelga de una fibra capaz de torcerse. Si la
barra gira, la fibra tiende a hacerla regresar
a su posición original, con lo que
conociendo la fuerza de torsión que la fibra
ejerce sobre la barra, se puede determinar la
fuerza ejercida en un punto de la barra. La
ley de Coulomb también conocida como ley
de cargas tiene que ver con las cargas
eléctricas de un material, es decir, depende
de si sus cargas son negativas o positivas.
En la barra de la balanza, Coulomb colocó
una pequeña esfera cargada y a
continuación, a diferentes distancias,
posicionó otra esfera también cargada.
Luego midió la fuerza entre ellas
observando el ángulo que giraba la barra.
Dichas mediciones permitieron determinar
que:
La fuerza de interacción entre cargas y
duplica su magnitud si alguna de las
cargas dobla su valor, la triplica si
alguna de las cargas aumenta su valor
en un factor de tres, y así
sucesivamente. Concluyó entonces
que el valor de la fuerza era
proporcional al producto de las cargas:
La constante de Coulomb, es una constante
de proporcionalidad en las ecuaciones que
relacionan variables eléctricas, y en el vacío
es
exactamente
igual
a
8.9875517873681764×109 N·m2/C2. Su
valor para unidades SI es:
Donde:
𝐾 =1 4∗𝜋∗𝗀 (1)
F12 y F21
cuerpos[N].
=Fuerzas
entre ambos
G= Constante de gravitatoria universal con
un valor de 6.67*10-11 [Nm2/Kg2].
K= Constante de Coulomb [Nm2/C2].
𝜋 = Constante Pi.
3.
PROCEDIMIENTO
3.1.Procedimiento John
Travoltage
Se ingresa
al
siguiente
enlace:
https://phet.colorado.edu/es/simulatio
n/john- travoltage dicho enlace
empieza a cargar y aparece lo
siguiente:
Figura 2 simulador John travoltage
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dicho enlace empieza a cargar y
aparece lo siguiente:
Figura 5 simulador globos
Figura 3 el cuerpo de John sirve como
conductor eléctrico el cual debe ser
cargado con la alfombra en el suelo y la
perilla de la puerta el lugar de descarga
El simulador consiste en frotar la pierna
izquierda de John con la alfombra para
producir un intercambio de cargas (Por
fricción), John se queda con cargas
negativas y estás son expulsadas cuando
John tiene contacto con la perrilla de la
puerta. Como se observa en la siguiente
imagen:
Figura 6 el sueter y la pared
poseen cargas negativas y
positivas
El simulador consiste en frotar el
globo con el suéter de tal manera
que se produzca una transferencia
eléctrica (por fricción), el globo es
el que se queda cargado con
cargas negativas. Al intentar
colisionar el globo con la pared
vemos que las cargas negativas de
la pared se repelen
Figura 4 John descargando cargas
eléctricas en la perilla de la puerta
3.2. Procedimiento Globos
Se ingresa
al
siguiente
enlace:
http://phet.colorado.edu/sims/html/ba
lloonsand-staticelectricity/latest/balloons-and-staticelectricity_en.html
Figura 7 se logra observar el
sueter descargado de las cargas
negativas y la pared repeliendo
las cargas negativas del globo
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3.3.Procedimiento ley de Coulomb
Se
ingresa al
siguiente
enlace:https://phet.colorado.edu/sims/
html/coulombs- law/latest/coulombslaw_es.html, dicho enlaceempieza a
cargar y aparece lo siguiente:
Figura 12. Se aprecia dos muñecos, cada
uno jalandouna carga (q1 y q2), arriba de ellos
se encuentra el valor de la fuerza
electrostática que cambia según la posición
de los muñecos y abajo se encuentra una
regla de 10 cm que nos ayuda a ver la
posición de los muñecos
4. CUESTIONARIO Y PREGUNTAS
¿Cómo y dónde se generan los electrones?
Figura 8 Simulador ley de Coulomb
Presionamos la ventana y aparece el
simuladoren el cual se basará el
presente laboratorio:
R: Al frotar el pie de John con la alfombra se
generan electrones.
¿Cómo llegan a John?
R: Debido a un proceso de carga eléctrica
(por fricción) entre John y la alfombra.
Cuando los electrones salen de John, los
electrones van al pomo de la puerta. ¿Por
qué?
Figura 9 Simulador de resortes
R: Porque existe carga por inducción, cuando
un cuerpo cargado eléctricamente se acerca a
un cuerpo neutro y conductor se realiza una
redistribución en las cargas del neutro.
¿Cuándo ve el "relámpago" o el “chispazo”?
R: Cuando John está cargado eléctricamente
y su mano colisiona con la perilla de la
puerta.
Figura 10. Se observa la opción para mostrar
el valor de la fuerza
Frote el pie de John (una vez cada 3
segundos). Cuente cuántos roces en el piso se
necesitan para que ocurra un rayo.
Frote el pie de John (una vez cada 3
segundos). Cuente cuántos roces en el piso se
necesitan para que ocurra un rayo.
Figura 11. Se observa las barras de
modificación de lascargas eléctricas
Distancia
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Número
de roces
Número
máximo
de
electrones
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2
4
13
10
20
65
Explique el patrón en sus datos.
R: Mientras más alejada este la mano más
carga eléctrica se necesita, esto se puede ver
en la última columna donde necesitamos 13
roces para provocar una descarga eléctrica, a
diferencia de la primera columna donde solo
se necesitó 2 roces.
Describe un experimento e incluye imágenes
de la simulación que apoyan tu respuesta
Se necesita una bolsa Nylon y un tubo para el
experimento, primero carga el tubo con
electrones, esto con ayuda de una tela,
después se necesita acercar el Nylon al tubo
y veremos como este se pega al tubo.
Esto debido a que las cargas de ambos objetos
son diferentes, por lo tanto, se atraen.
6.2.
Globos
Selecciona la opción Reiniciar globos elige
un globo y frótalo con el suéter, aleja el globo
del suéter ¿Qué sucede con el globo? ¿Hay un
intercambio/flujo de cargas? ¿A qué se debe
esto?
R:
El
globo se
encuentra
cargado
eléctricamente, hay un flujo de cargas por
fricción entre el globo y el suéter, esto se debe
a que existió un proceso de intercambio de
cargas entre dos objetos neutros, donde uno
fue cargado eléctricamente y otro descargado
eléctricamente. Selecciona la
opción
Reiniciar
globos, selecciona la
opción Mostrar las diferencias de cargas,
elige un globo y frótalo con el suéter, aleja el
globo del suéter ¿Se podría afirmar que
existen repulsión de cargas? ¿Por qué?
R: Sí (Negativas), porque el globo está
cargado eléctricamente, entonces repele a un
objeto neutro como la pared, ya que la pared
tiene cargas negativas que repelen al globo,
cumpliendo así lo dicho en el punto 2 sobre
que cargas iguales se repelen.
Selecciona la opción Reiniciar globos,
selecciona la opción Mostrar todas las cargas,
elige un globo y frótalo con el suéter, acerca
el globo a la pared ¿Qué crees que ocurrirá
cuando el globo se acerque a la pared?
R: Las cargas negativas se repelen, por que
como el globo está cargado eléctricamente y
la pared es neutro existirá repulsión entre las
cargas negativas de ambos objetos.
Experimenta, determina qué hace que una
fuerza sea atractiva o repulsiva. Describe tus
experimentos y observaciones con algunos
de los platos poli estireno, donde ambos de
repelen. Esto se puede ver en la Fig. 32.
¿Qué evidencia ve que la tercera ley de
Newton se aplica a las fuerzas
electrostáticas?
R: La fuerza electrostática cumple la tercera
ley de Newton, porque la carga q1
experimentará una fuerza de igual módulo y
sentido contrario que la que experimenta q2.
¿Cómo varía el valor de la fuerza
electrostática con el valor de las cargas?
R: Diría que demasiado ya que estas deciden
en que dirección va la fuerza.
¿Cómo varía el valor de la fuerza
electrostática con la distancia entre ellos?
R: Entre más cerca estén las cargas, más
grandes es la fuerza y si están más alejados,
la fuerza disminuye.
Con ayuda de la fórmula 3 responde las
siguientes preguntas:
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a)
Determine la constante K mediante el
método de mínimos cuadrados, puede
realizarlo mediante repulsión o atracción de
cargas, ambas cargas deben ser iguales en
magnitud, pueden ser iguales en polaridad o
diferentes.
R: Ya lo determinamos y tiene un valor de:
𝑁 ∗ 𝑚2
ejemplos.
R: Una fuerza es atractiva cuando las dos
cargas son diferentes, sea el caso en el
experimento de los globos, anteriormente
visto.
¿Qué es una jaula de Faraday? ¿Qué es un
electrómetro?
R: Una jaula de Faraday es una caja metálica
que protege de los campos eléctricos
estáticos. Debe su nombre al físico Michael
Faraday, que construyó una en 1836. Se
emplean para proteger de descargas
eléctricas, ya que en su interior el campo
eléctrico es nulo. El funcionamiento de la
jaula de Faraday se basa en las propiedades
de un conductor en equilibrio electrostático.
Cuando la caja metálica se coloca en
presencia de un campo eléctrico externo, las
cargas positivas se quedan en las posiciones
de la red; los electrones, sin embargo, que en
un metal son libres.
Un electrómetro es un electroscopio dotado
de una escala. Los electrómetros, al igual que
los electroscopios, han caído en desuso
debido al desarrollo de instrumentos
electrónicos de precisión.
Investigar los siguientes
procesos
para
cargar
eléctricamente:
ejemplos de
un
cuerpo
-Fotoeléctrico, El efecto fotoeléctrico
consiste en la emisión de electrones por un
material al incidir sobre él una radiación
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electromagnética (luz visible o ultravioleta,
en general). A veces se incluyen en el término
otros tipos de interacción entre la luz y la
materia:
Fotoconductividad: Es el aumento de la
conductividad eléctrica de la materia o en
diodos provocada por la luz. Descubierta por
Willoughby Smith en el selenio hacia la
mitad del siglo XIX.
Efecto fotovoltaico: Transformación parcial
de la energía lumínica en energía eléctrica. La
primera célula solar fue fabricada por Charles
Fritts en 1884. Estaba formada por selenio
recubierto de una fina capa de oro.
-Electrolisis, es el proceso que separa los
elementos de un compuesto por medio de la
electricidad. En ella ocurre la liberación de
electrones por los aniones en el ánodo (una
oxidación) y la captura de electrones por los
cationes en el cátodo (una reducción).
-Termoeléctrico, El efecto termoeléctrico es
la conversión directa de la diferencia de
temperatura a voltaje eléctrico y viceversa.
Un dispositivo termoeléctrico crea un voltaje
cuando hay una diferencia de temperatura a
cada lado. Por el contrario, cuando se le
aplica un voltaje, crea una diferencia de
temperatura (conocido como efecto Peltier).
A escala atómica (en especial, portadores de
carga), un gradiente de temperatura aplicado
provoca portadores cargados en el material, si
hay electrones o huecos, para difundir desde
el lado caliente al lado frío, similar a un gas
clásico que se expande cuando se calienta;
por consiguiente, la corriente inducida
termalmente.
-Piezoeléctrico, es un fenómeno que ocurre
en determinados cristales que, al ser
sometidos a tensiones mecánicas, en su masa
adquiere una polarización eléctrica y aparece
una diferencia de potencial y cargas eléctricas
en su superficie. Este fenómeno también
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ocurre a la inversa: se deforman bajo la
acción de fuerzas internas al ser sometidas
5.
CONCLUSIONES
RECOMENDACIONES
Después de haber realizado el experimento
el día “12 de agosto del año 2021” se tomó
en cuenta cada tipo de medición de carga, al
haber obtenido diversos resultados y
también haberlos analizados, es posible
concluir que:
Se demostró exitosamente cada tipo de
medición de carga planteada para su análisis
dentro del laboratorio, donde los resultados
obtenidos fueron claramente verificados en
su aspecto causal logrando comprender de
manera prospera los tipos existentes de
medidas de carga al igual del porque se
originan.
6. REFERENCIAS
BIBLIOGRÁFICAS
[1]
[2]
[3]
[4]
Universidad Católica Boliviana "San
Pablo". (2017). Guía de Laboratorio. La Paz
- Bolivia: UCB - La Paz.
Goñi Galarza, J. (marzo del 1998). Física
General. Oruro - Bolivia: Ingeniería
E.I.R.L.
EcuRed. (2011). Electrómetro. 01 de
Febrero del 2018, de EcuRed Sitio web:
https://www.ecured.cu/Electrometro
J.
Soler
Lozano.
(2015).
ELECTROSTATICA CARGA POR
FRICCION Y POR CONTACTO. 01 de
Febrero del 2018, de Academia.edu Sitio
web:
http://www.academia.edu/6079199/ELEC
TROSTATICA_CARGA_POR_FRICCI
ON_Y_POR_CONTACTO
AUTOEVALUACION
Y
Resumen
Objetivo
Fundamento Teórico
Procedimiento
Datos
Análisis de Datos
Analogía Matemática
Grafica Experimental
Resultados de la
regresión
Interpretación de los
resultados de la
regresión
Conclusiones y
recomendaciones
final
7
7
8
8
7
5
6
7
5
7
8
75
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ASDASD SADASD
Ley
Formula
Número
Másico
Cuantizacion
de la carga
Ley de
Coulomb
A=Z+N
q=N*e
F=k*((Q*Q)/R2)
Significado
Para calcular la cantidad
de neutrones que posee
un átomo debe hacerse:
"A - Z", (Número másico
menos número atómico)
consultando antes en la
tabla periódica las
cantidades
correspondientes
Unidades Constantes
Sin
Unidad
De todos los
elementos es
diferente
La ley de cuantización de
la carga eléctrica, la carga
eléctrica que adquiere un
Carga elctrica del
cuerpo es un múltiplo de
la carga del electrón.
Coulombs electron
El valor de dicha fuerza es
proporcional al producto
del valor de sus cargas. La
fuerza es de atracción si
las cargas son de signo
opuesto y de repulsión si
son del mismo signo. La
fuerza es inversamente
proporcional al cuadrado
Constante de
de la distancia que los
separa.
Newtons Coulomb
Descubridor
Curiosidad
En 1913, Johannes H. van
den Broek, analizando toda la
información conocida,
descubrió que el número de
cargas elementales del núcleo
atómico era igual al número
atómico. Más adelante, Niels
Bohr adoptó este
descubrimiento para
desarrollar su teoría cuántica
sobre la estructura de los
átomos y el origen de los
espectros.
Todos los
elementos de
la tabla
periodica tiene
Química
uno
Isaac Newton fue un
físico, teólogo, inventor,
alquimista y matemático
inglés. Es autor de los
Philosophiæ naturalis
principia mathematica,
más conocidos como los
Principia, donde describe
la ley de la gravitación
universal y estableció las
bases de la mecánica
clásica mediante las leyes
que llevan su nombre
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
realizados sobre cuerpos
cargados
Aplicación
Todo cuerpo
tiene una carga Fisica y
electrica
Quimica
Es semejante a
la ley de
gravitacion
Universal de
Newton
Fisica
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Aspectos
cuantitativos
de la ley de
coulomb
Aspectos cuantitativos de
la ley de Coulomb, en base
al
experimento
de
Coulomb se llegó a la
siguiente
ley:
“La
magnitud de cada una de
las fuerzas eléctricas con
que interactúan dos
cargas
puntuales
es
directamente
proporcional al producto
de
las
cargas
e
inversamente
proporcional al cuadrado
de la distancia que las
F𝖺k*((|Q|*|Q|)/R2) separa”.
Newtons
Expresión
vectorial de la
fuerza electrica F ⃗=K*(Q*q)/r^2 *r ̂
Expresión vectorial de la
fuerza eléctrica, la fuerza
eléctrica descrita en la ley
de Coulomb no deja de ser
una fuerza y como tal, es
una magnitud vectorial
que en el Sistema
Internacional de Unidades
se mide en Newtons (N).
La forma
Expresion escalar de la
escalar de la
|F ⃗ |=K*(|q1 |*|q2 fuerza electrica, en
ley de coulomb |)/r^2
unidades de Newton
Newtons
Newtons
Constante de
Coulomb
Constante de
Coulomb
Constante de
Coulomb
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
realizados sobre cuerpos
carga
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
realizados sobre cuerpos
carga
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
Es semejante a
la ley de
gravitacion
Universal de
Newton
fisica
Es semejante a
la ley de
gravitacion
Universal de
Newton
fisica
Es semejante a
la ley de
gravitacion
Universal de
Newton
fisica
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realizados sobre cuerpos
carga
Constante de
Coulomb
K=1/(4*π*ϵ)
La constante de Coulomb,
es una constante de
proporcionalidad en las
ecuaciones que relacionan
variables eléctricas, y en el
vacío es exactamente
igual
a
8.9875517873681764×109
N·m2/C2. Su valor para
unidades SI es:
Newtons
La constante deielectrica
viene dado por la
multiplicacion
de
la
permitividad mayor y la
permitividad del vacio
Constante
dielectrica
ϵ=ϵr*ϵ0
C2/Nm2
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
Constante
realizados sobre cuerpos
dielectrica
carga
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
Permitividad del
de Ciencias de París, una
medio en el vacío memoria en la que se
igual a
recogían sus experimentos
8,8541878128*10- realizados sobre cuerpos
12 [C2/Nm2].
carga
sin esto la ley
de coulomb no
tendria sentido fisica
Es lo que hace
posible la
constante de
coulomb y por
ende la ley de
coulomb
fisica
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Ley de
gravitacion
universal
|F ⃗12 |=|F ⃗21
|=G*(M1*M2)/r^2
Ley de la gravitación
universal, las fuerzas
con que se atraen dos
masas son directamente
proporcionales al
producto de dichas
masas e inversamente
proporcional al
cuadrado de la distancia
que las separa.
Newtons
Constante de
gravitatoria
universal con un
valor de 6.67*1011
[Nm2/Kg2].
fuerzas actúan en la
dirección de la recta que
une ambas cargas y
cumplen el principio de
acción y reacción de
Newton.
Tercera ley de
Newton
Ley de
Coulomb
F ⃗AB=-F ⃗BA
F=K*q1*q2 *r^(-2)
Newtons
Reacomodando la
expresión de la ley de
coulomb obtenemos la
igualdad
Newtons
Ninguna
Constante de
Coulomb
Isaac Newton fue un
físico, teólogo, inventor,
alquimista y matemático
inglés. Es autor de los
Philosophiæ naturalis
principia mathematica,
más conocidos como los
Principia, donde describe
la ley de la gravitación
universal y estableció las
bases de la me
Isaac Newton fue un
físico, teólogo, inventor,
alquimista y matemático
inglés. Es autor de los
Philosophiæ naturalis
principia mathematica,
más conocidos como los
Principia, donde describe
la ley de la gravitación
universal y estableció las
bases de la me
En 1785, Charles Augustin
de Coulomb (1736-1806),
físico e ingeniero francés
que también enunció las
leyes sobre el rozamiento,
presentó en la Academia
de Ciencias de París, una
memoria en la que se
recogían sus experimentos
realizados sobre cuerpos
carga
tiene cierta
semejanza con
la ley de
coulomb
fisica
es la tercera
ley de newton
fisica
solo
reacomodamos
la ley de
coulomb
fisica
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equivalencia
entre 'A' y el
conglomerado
A=K*q1*q2
Reacomodando
la equivalencia
entre 'A' y el
conglomerado K=A/(q1*q2)
Porcentaje de
error
%error=|(ValmaxValmin)/Valmax
|*100
‘A’ es el conglomerado
de variables (K*q1*q2),
donde, despejando, se
obtiene la constante
N/m2
Coulomb
Constante de
Coulomb
Se obtiene con
analogia mate
tipo potencial
Solo reacomodamos la
expresion 12 para hallar
la constante de coulomb
Valor de 'A' se
de forma experimental N·m2/C2 obtiene en excel
se obtiene rea
la expresión 12
Sirver para hallar el
porcentaje de error entre Sin
dos cantidades
Unidad
sin datos
Ninguna