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UNIVERSIDAD NACIONAL DE PIURA
Facultad de Ciencias
Departamento Académico de Física
PRÁCTICA N° 01: ELECTROSTÁTICA
1. OBJETIVO
Estudiar el comportamiento de las cargas eléctricas. Estudiar el comportamiento de campo eléctrico.
2. FUNDAMENTO TEÓRICO
Cuando frota sus zapatos en una alfombra y luego toca la perilla metálica de la puerta, Ud. recibe una descarga eléctrica estática. ¿Por qué sucede esto y porqué es más probable que ello ocurra en un día seco que en un día húmedo? Por otro lado, los átomos en un cuerpo se mantienen unidos y no se rompen, aunque las partículas fundamentales que la constituyen pueden estar moviéndose a altas velocidades ¿Por qué? ¿Qué sucede realmente en un circuito eléctrico?. ¿Cómo funcionan los motores y los generadores eléctricos? La respuesta a todas estas preguntas la proporciona una parte fundamental de la física denominada electromagnetismo , que no es más sino el estudio de las interacciones electromagnéticas las que son muy intensas y sólo son superadas por las interacciones nucleares fuertes. Las interacciones eléctricas implican la presencia de partículas las que poseen una propiedad llamada carga eléctrica , un atributo de la materia que es fundamental como lo es la masa. El estudio de los fenómenos electromagnéticos centrará nuestra atención en la mayor parte de éste curso. Si bien las ideas básicas del electromagnetismo son conceptualmente simples, su aplicación tecnológica actual al igual que la ciencia pura, ha permitido comprender el comportamiento de los átomos y las moléculas, comprender los procesos de radiación, estudiar las propiedades eléctricas de un conjunto de sustancias. Al mismo tiempo el electromagnetismo se ha utilizado en el desarrollo de redes eléctricas, sistemas de transporte de energía y potencia, sistemas de comunicación electrónica y digital así mismo el conocimiento del electromagnetismo ha permitido diseñas equipos eléctricos y electrónicos que en la actualidad han revolucionada la ciencia y la tecnología una de ellos es por ejemplo el microscopio de fuerza atómica MFA. CARGA ELÉCTRICA. Los fenómenos eléctricos se conocen desde tiempos inmemoriales. Existen evidencias tan antiguas como las observadas por los griegos en los años 600 A.C que muestran como ciertas sustancias al ser frotadas entre sí atraían pequeños objetos. Antes de la edad moderna el ámbar era la mejor sustancia para demostrar éste fenómeno. Actualmente decimos que el ámbar ha adquirido una carga eléctrica neta o que se ha cargado. La palabra “ eléctrica ” se deriva de la palabra griega elektron que significa ámbar.
Representación de un átomo en donde se observa los protones, neutrones y electrones.
Masa y carga de partículas fundamentales del átomo
LEY DE COULOMB
Aún cuando los fenómenos electrostáticos fundamentales eran ya conocidos en la época de
Charles A Coulomb (1736-1806), no se conocía aún la función en la que esas fuerzas de
atracción y de repulsión variaban. Fue este físico francés quien utilizando una balanza de torsión
(Figura 1.16a y 1.16c) y utilizando un método de medida de fuerzas sensible a pequeñas
magnitudes lo aplicó al estudio de las interacciones entre pequeñas esferas dotadas de carga
eléctrica. El resultado final de esta investigación experimental fue la formulación de la ley que
lleva su nombre y que describe las características de las fuerzas de interacción entre cuerpos
cargados y en reposo (o con movimiento muy pequeño)
(a) Diagrama de la balanza de torsión; (b) Fotografía de Charles A. Coulomb; (c) Fotografía de la balanza de torsión
Enunciado de la ley de Coulomb
En el experimento de Coulomb, las esferas cargadas tenían dimensiones mucho menores que la distancia entre ellas de modo que podían considerase como cargas puntuales. Los resultados de sus experimentos muestran que la fuerza eléctrica entre cargas puntuales tiene las siguientes propiedades. a. La magnitud de la fuerza eléctrica es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia de separación r entre las dos partículas cargadas, medida a lo largo de la línea que las une. b. La magnitud de la fuerza eléctrica entre las cargas puntuales q 1 y q 2 es proporcional al producto de las cargas, c. La magnitud de la fuerza eléctrica entre las partículas cargadas no depende de la masa ni del volumen d. La fuerza eléctrica es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y es atractiva si tienen signos opuestos. e. La fuerza eléctrica depende del medio que rodea a las cargas.
En términos matemáticos, la magnitud de la fuerza que cada una de las dos cargas puntuales q1 y q2 , separadas una distancia r , se ejercen está dada por
Campo eléctrico generado por cargas puntuales: a) positiva, b) negativa
LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO
Las líneas de fuerza o también conocidas como líneas de campo, son líneas imaginarias que nos permiten visualizar las interacciones eléctricas que experimentan las cargas cuando se encuentran en el
interior de un campo eléctrico, permitiendo de este modo una representación gráfica del campo eléctrico en el espacio. Michael Faraday (1791-1867) fue uno de los primeros en introducir una forma de
visualizar los campos eléctricos en función de lo que llamó líneas de campo o líneas de fuerza, líneas que están relacionadas con el campo de la manera siguiente.
1. Las líneas de campo eléctrico se trazan de tal manera que la tangente a la línea de campo, en cada
punto, especifique la dirección del campo eléctrico ܧሬ⃗^ en ese punto.
2. La densidad espacial de las líneas del campo eléctrico en determinado punto es proporcional a la
intensidad de campo eléctrico en ese punto. En consecuencia ܧሬ⃗^ , es grande cuando las líneas están muy próximas entre sí y es pequeña cuando están separadas
El patrón de líneas de campo eléctrico puede ser obtenido mediante las consideraciones siguientes.
1. Simetría. Por cada punto sobre la línea de unión de las dos cargas existe un punto equivalente debajo
de este. Por tanto, el patrón puede ser simétrico cerca de la línea de unión de las dos cargas.
2. Campo cerca a la carga. Muy cerca de la carga eléctrica, predomina el campo debido a la carga: Entonces, las líneas son radiales y de simetría esférica. 3. Campo lejos de la carga. El patrón de líneas de campo para puntos alejados del sistema de cargas podría ser semejante al de una carga puntual de valor ܳ =Σ݅ܳ. Así, las líneas podrían ser radialmente
hacia afuera, al menos que Q = 0.
4. Punto nulo. Este es un punto en el cual ܧሬ⃗^ =0, es decir no podrán pasar líneas a través de dicho punto.
a) Líneas de campo eléctrico de una carga puntual positiva, b) líneas de campo eléctrico de una carga individual negativa.
En la figura se muestra las líneas de fuerza para dos cargas puntuales positivas que llevan igual carga q y están separadas por una distancia pequeña. El gráfico indica que en puntos cercanos a las cargas el campo se debe únicamente a la carga sola. Estas líneas también muestran la repulsión.
3. MATERIALES
Computadora Simuladores
4. PROCEDIMIENTO
Proceso 01: Utilizar la siguiente dirección para poder observar la fuerza y la cagas eléctricas
Luego tomar el sensor y colocarlo en cualquier posición alrededor de la carga, el sensor te indicará el valor del campo que se está generando en esa posición anótalo en la tabla, luego medir la distancia que hay entre la carga generadora de campo y la posición donde se colocó el sensor, con este dato calcular teóricamente el campo eléctrico y compararlo
6. CUESTIONARIO
- El campo eléctrico creado por una placa infinita cargada uniformemente no depende de la
distancia a la misma.
- Las líneas de campo eléctrico son siempre paralelas a las superficies equipotenciales.
- Bajo la única acción de la fuerza electrostática las cargas eléctricas negativas se mueven hacia donde aumenta su energía potencial electrostática
- El trabajo de la fuerza electrostática para llevar una carga de un punto a otro depende de la variación de potencial eléctrico entre esos dos puntos.
- Cuando en una región del espacio el campo eléctrico es nulo, también lo es el potencial eléctrico.
- En el interior de un conductor en equilibrio el campo eléctrico siempre es nulo.
- Las líneas de campo eléctrico salen de las cargas negativas y llegan a las positivas.
- Todas las cargas eléctricas tienden a moverse hacia donde disminuye el potencial eléctrico.
En la siguiente figura se han representado dos superficies gaussianas. En el interior de la figura de la izquierda (en verde) están encerradas varias cargas puntuales de distinta magnitud, y en la figura de la derecha están representadas las líneas del campo eléctrico que crea una carga puntual positiva.
Contesta a las siguientes preguntas:
- Para la figura de la izquierda, el flujo del campo eléctrico a través de la superficie es:
- Las líneas del campo eléctrico resultante en la figura de la izquierda salen de la
superficie S
- El módulo del campo eléctrico en todos los puntos de la superficie de la izquierda es el mismo
- Si en la figura de la izquierda se sustituye la superficie S por una esfera, el flujo del campo
eléctrico a través de ella
- Si en la figura de la izquierda el signo de todas las cargas fuera positivo, el flujo del
campo eléctrico a través de S:
- En la figura de la derecha, el flujo del campo eléctrico a través de S es nulo 15. En la figura
de la derecha, el campo eléctrico en la superficie de S es nulo 16. En la figura de la derecha, para calcular correctamente el campo creado por la carga puntual habría que calcular el flujo a
través de una superficie que contuviera a la carga
7. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
ANEXOS
