Fuerza Electrica

L4-1. EFECTOS DE LA FUERZA EN UN CAMPO ELÉCTRICO (LL409) Laboratorio de Física II1 Escuela de Física UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER INTRODUCCIÓN En un campo eléctrico homogéneo la fuerza F sobre un cuerpo cargado es proporcional a la carga total Q y al campo eléctrico E. La fuerza viene dada por la relación F = QE En la primera parte del experimento se monta una balanza de tensión deKirchhoff para medir la fuerza F entre las placas cargadas de un condensador de placas. La medición se lleva a cabo en función de la distancia d entre placas y de la tensión V para una determinada superficie A de las placas. El objetivo de la evaluación es la verificación de las proporcionalidades F 1/ d!    y F V ! y la determinación de la constante dieléctrica del vacío ϵ! . En el segundo ensayo seestudia experimentalmente el principio de la carga imagen. Con tal finalidad se mide la fuerza de atracción sobre una esfera cargada que está situada delante de una placa metálica. La fuerza corresponde a la fuerza de una carga igual situada a una distancia 2d al otro lado de la placa. En primer lugar se mide la fuerza sobre una determinada carga Q en función de la distancia d. Finalmente se repitela medición con media carga. El objetivo del ensayo es la verificación de las proporcionalidades F d y F Q2. OBJETIVOS • Medir la fuerza F entre las placas cargadas como una función de la tensión V a una distancia d entre las placas. • Determinar la permitividad ε! , del espacio libre • Medir la fuerza F entre las placas cargadas en una relación constante entre la tensión V y la distancia d. •Medir la fuerza F entre una esfera cargada y una placa de metal a tierra como una función de la distancia d entre el centro de la esfera y la placa de metal. • Medir la fuerza F entre una esfera cargada y una placa de metal a tierra como una función de la carga Q en la esfera. FUNDAMENTO TEÓRICO La fuerza eléctrica se define formalmente como: F=K
!! ∗!! !!

 .

1

El campo eléctrico producidopor una carga q!   y medido con una carga de prueba q ! corresponde a; E=K
!! !!

= F q !  ,

2

para un condensador de placas paralelas se tiene que: 1 F = − QE. 2 La carga Q en las placas es Q = ε! A V  , d 4

3

aquí ε! = 8.85×10!!" [As/Vm]: permitividad del espacio libre, A: área de las placas. Así de (1) y (2) se sigue: 1 V ! F = − ε! A    , 2 d 5

donde F, A, d y V soncantidades directamente medibles. La ec. (5), por consiguiente, puede considerarse como la ecuación de la determinación de la permitividad del espacio libre ε! . Este es el principio de la balanza de tensión de Kirchhoff, la configuración de la cual es el objetivo del presente experimento. La proporcionalidad F∝ V !  , d 6

que se indica por la ec. (5), se confirmará experimentalmente. Porinducción electrostática (desplazamiento de cargas), una carga puntual Q a una distancia d de una placa de metal a tierra genera un exceso de carga de signo contrario en la superficie de la placa de metal. Sobre la carga Q, por lo tanto, actúa una fuerza atractiva hacia la placa de metal. Esta fuerza F atractiva es igual a la fuerza que una carga puntal -Q a una distancia 2d ejerce sobre la carga Q, esdecir,


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1


 Esta
 práctica
 fue
 revisada
 por
 el
 profesor
 Abelardo Rueda
 con
 la
 colaboración
 de
 Zayda
 Paola
 Reyes.
 

F=

1 −Q!   4  π  ε! (2d)!

7

Figura 1. Las líneas de campo de una carga Q puntual en frente de una placa de metal en comparación con las líneas de campo de dos cargas Q y-Q. Esta relación se muestra en la Fig. 1: En el caso de equilibrio, las líneas de campo eléctrico que inician en Q llegan a la...