L4 LEY DE COULOMB

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER
Escuela de Física
Laboratorio de Física II
L4. LEY DE COULOMB
INTRODUCCIÓN: Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos
cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia
que lassepara. El valor de la constante de proporcionalidad (K) depende de las unidades en las que se exprese F, q, Q y r. En el Sistema Internacional
de Unidades de Medida vale 9 109 Nm2/C2. La ley de Coulomb describe la interacción entre dos cargas eléctricas del mismo o de distinto signo.
OBJETIVOS
1. Determinar la fuerza como función de la distancia entre esferas cargadas.
2. Determinar la fuerza comofunción de la cantidad de carga en las esferas.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Una esfera estable libre cargada por Q1 produce un campo eléctrico simétrico radial
r
r
1 Q1 r
(1)
E=
2
4πε0 r r
donde E: el campo eléctrico de la carga Q1 ; Q1: carga de esfera 1 ; ε0 = 8.85×10-12 As/Vm (permitividad) ; r: distancia al centro de la
esfera; r/r: vector unitario en la dirección radial de Q1.
Una segunda esfera cargadapor Q2 experimenta una fuerza F cuando se coloca en el campo eléctrico E de la carga Q1:
r
r
(2)
F = Q2 ⋅ E
donde: E: campo eléctrico de la carga Q1; Q2: carga de la esfera 2
De la ecuación (1) y (2) se obtiene la ley del Coulomb
r
r
1 Q1 ⋅ Q1 r
(3)
F=
2
4πε 0 r
r
De acuerdo la ecuación (3) la fuerza actúa en la dirección de la línea que une las dos cargas puntuales Q1 y Q2.
El signo de las cargasQ1 y Q2 indica si la fuerza F es atractiva o repulsiva.
La ecuación (3) corresponde en forma exacta para cargas puntuales. La ecuación (3) también puede aplicarse para esferas cargadas si la
distribución de carga en la esfera es uniforme y la distancia r entre los puntos medios de la esfera es significativamente mayor que el
diámetro de la esfera.
En este experimento la fuerza de Coulomb entre dosesferas cargadas son medidas usando la balanza de torsión. La fuerza es medida
como función de la distancia r entre las esferas (parte 1) y como función de las cargas Q1 y Q2 para confirmar la ecuación (3).
ARREGLO EXPERIMENTAL (pedir asesoría al profesor)
- Calibre la balanza de torsión vea parte a) “Desarrollo del experimento”
- Inserte la esfera de metal K1 con mango en el sistema sensible dela
balanza de torsión.
- Monte el láser y la escala en posición. Ajuste el espejo y el láser a una
distancia L de por lo menos 2m (Fig. 1).
- Coloque la varilla con la segunda esfera de metal K2 en la posición
ajustable.
- Coloque la marca en la varilla guía de posición a 3,1cm y mueva la
posición hacia la balanza torsión para que la distancia entre K1 y K2 sea
1mm (Fig. 1.). Los puntos centro delas esferas están separadas 3,1cm (el
diámetro de esfera 3,0cm). Así la marca colocada en la la varilla guía
siempre da la distancia entre los centros de las esferas. (Esto sólo aplica
si las esferas no están cargadas. El error del experimento siguiente
cuando las esferas están cargadas es superior a 2%.)
EQUIPO
Balanza de torsión y accesorios para la ley de Coulomb, incluye: 1 soporte por medirlas distancias, con la escala, 1 mango, 1 esfera con aislador
corto, 2 esferas con aisladores largos, 1 cuchara electrostática (disco con aislador; escala de posición; fuente de alimentación de alto voltaje de 25
kV; cable de alto voltaje de 1m; varilla de posición aislada de 25cm; base cilíndrica; electrómetro amplificador; unidad de conexión;
condensador de 1nF y de 10nF; multímetro; Vaso deFaraday; tapón de sujeción; varilla de conexión; 2 bases en forma de V de 20cm;
láser; varilla de 47cm, mordaza; cronómetro; regla de madera; par de cables de 50cm, rojo/azul; cables de conexión de 25cm, negro;
cables de conexión de 50cm, negro; 2 cables de conexión de 100cm, negro; cable de conexión de 200cm, amarillo-verde
TEMAS PARA CONSULTA
• Carga eléctrica
• Ley de Coulomb
• Campo eléctrico...