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Aplicaciones del campo eléctrico
Introducción_______________________________________________________________2
Objetivos_________________________________________________________________2
Generales_____________________________________________________________________2
Específicos_____________________________________________________________________3
Marco Teórico_____________________________________________________________3
Metodología______________________________________________________________6
Resultados________________________________________________________________7
Fundamentos físicos__________________________________________________________7
Tabla 1. Utilización práctica de cargas y campos eléctricos_____________________14
Conclusiones___________________________________________________________19
Trabajos citados__________________________________________________________19
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Introducción
Este informe fue realizado por estudiantes de la universidad centro americana, que
están cursando la asignatura Cálculo y física 2, para sustentar el tiempo, forma y
especificaciones acerca de la realización de este informe se ocupó el laboratorio
de Informática Laboratorio E que se encuentra en el segundo piso del edificio R.
En este laboratorio se realizarán experimentaciones mediante un software para
poder afianzar los conceptos de electrostática, campo eléctrico, carga y ley de
Gauss
La práctica comprendió en la creación de 3 experimentos, El primer experimento
consistía en aplicar el experimento del motor de Franklin cuyo objetivo principal
era reconocer diferentes usos de los fenómenos electrostáticos.
En el segundo experimento se analizó el comportamiento del monitor o tubos de
rayos catódicos mediante la relación entre las variables: carga, campo eléctrico y
velocidad inicial.
En el tercer experimento se utilizó un applet para poder ver los dipolos, tri-polos,
etc. esto con el fin de poder ver las líneas que se formaban y además ver las
cargas y espacios vacíos o huecos entre cada carga y comparar la ley de
Coulomb con la ley de gauss.
Objetivos
Generales1. Estudiar con un programa virtual interactivo las aplicaciones de la
electrostática
2. Comparar la ley de Coulomb con la de Gauss para el cálculo del campo
eléctrico.
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Específicos1. Conocer diferentes usos de los fenómenos electrostáticos: El motor de
Franklin.
2. Conocer diferentes usos de los fenómenos electrostáticos; Monitor de TV (El
Tubo de Rayos catódicos).
3. Comparar los procedimientos de cálculo del campo eléctrico utilizando la ley
de Coulomb con el de la ley de Gauss.
Marco TeóricoElectrostática
Con el estudio de la electrostática se da inicio a la búsqueda del conocimiento que
nos permitirá comprender algunos fenómenos eléctricos. La electrostática es el
punto de partida para el estudio del fenómeno de la electricidad, su control por
parte del hombre y, por cierto, es la base de numerosas aplicaciones científicas y
tecnológicas.
¿Qué es la electrostática?
Podríamos decir que es el área de la física que se encarga de estudiar
Fenómenos asociados a cargas eléctricas en reposo.
¿Qué entenderemos como carga eléctrica?
Ya desde la antigüedad se sabía que al frotar objetos se obtenía como
consecuencia la propiedad que adquirían para atraer pequeñas partículas.
Posteriormente se descubre que dos objetos de la misma naturaleza frotados por
un mismo objeto se repelen entre sí, por ejemplo dos barras de caucho frotadas
con un paño; al acercar entre sí las barras estas se repelen. También se descubrió
que dos materiales distintos al ser frotados por un mismo objeto tiene la propiedad
de atraerse, por ejemplo una barra de caucho y una de vidrio frotadas por un
paño; al acercarse entre sí éstas se atraen. Bueno, entonces se dijo que unos
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tenían carga eléctrica de un tipo y los otros de otro tipo. Posteriormente fue
Benjamín Franklin quien les asignó los nombres de cargas positivas y cargas
negativas.
(Fabiani, 2005)
(Asignaturas de Fisica, 2008)
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MetodologíaMateriales y equipos
Computadora personal con acceso a internet y plataforma java actualizada.
El primer paso fue encender la computadora, entrar a internet y acceder al primer
enlace http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm Curso Interactivo de física
con ordenador y seguir los vínculos necesarios para llegar al motor de Franklin.
Electromagnetismo. Campo Eléctrico. El motor de Franklin. Luego se ejecutó el
applet para obtener los resultados y describir de forma resumida el funcionamiento
del mismo.
Después se buscaron en el explorador web experimentos o aplicaciones donde se
utilizara dicho principio de Franklin.
En el segundo escenario se accedió al siguiente enlace
http://www.ieslaasuncion.org/fisicaquimica/fislets/campo4.html y se introdujeron
deferentes valores tanto de cargas, campo eléctrico y velocidad inicial para ver los
diferentes comportamientos.
En el tercer experimento se accedió mediante el enlace
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/default.htm A la ley de gauss siguiendo los
enlaces correspondientes y se tomaron muestras tanto de dipolos, como tripolos,
etc.
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Resultados1. Applet I: Ingrese al curso interactivo de física con ordenador y siga los
vínculos necesarios para llegar al motor de Franklin. Electromagnetismo.
Campo Eléctrico. El motor de Franklin.
a. Estudie los fundamentos teóricos de este motor
Fundamentos físicos
Nuestro motor está formado por 12 radios de 20 cm de longitud, de modo que el
ángulo entre los radios es de 30º.
En el extremo de cada radio hay una carga puntual de valor q. Los terminales de
las dos botellas de Leyden los representamos por dos cargas iguales y opuestas
de valor Q.
Al girar el motor, el dedal de carga +q, roza el terminal de la botella de Leyden de
carga –Q, el dedal adquiere la misma cantidad de carga pero de signo opuesto.
Un proceso análogo ocurre cuando un dedal de carga –q roza el terminal de la
botella de Leyden de carga +Q.
El resultado, es un cambio en el sentido de la interacción entre ambas cargas, la
fuerza pasa de ser atractiva a repulsiva, lo que contribuye al momento neto
respecto del eje del motor.
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Cuando los radios del motor electrostático de Franklin han girado un ángulo ,
respecto de la posición de mínima separación con los terminales de las botellas de
Leyden. La fuerza repulsiva entre la carga +Q y la carga +q vale
siendo x2+y2 el cuadrado de la distancia entre las dos cargas q y Q.
y=r·sen
x=r+d-r·cos
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b. Observe virtualmente y describa de forma resumida el comportamiento del
motor de Franklin.
Este tipo de motor funciona de la siguiente forma :cada una de las puntas se
cargan con la carga que este mas cercana, en el diagrama se puede observar que
las fuerza de repulsion entre las cargas producen el movimiento de las varillas. En
el plano esta el momento y el angulo cuando el momento es menor el angulo
aumenta pr comnsdiguiente la velocidad angular aumenta considerablemente a
medida que pasa el tiempo.
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Momento 2
c. Utilice el explorador Web y busque al menos dos ejemplos de motores que se
basen en este principio de funcionamiento.
1. Un propulsor iónico o motor iónico es uno de los distintos tipos
de propulsión espacial, específicamente del tipo eléctrica. Se utiliza un
haz de iones(moléculas o átomos con carga eléctrica) para la
propulsión. El método preciso para acelerar los iones puede variar, pero
todos los diseños usan la ventaja de la relación carga-masa de los iones
para acelerarlos a velocidades muy altas utilizando un campo eléctrico.
Gracias a esto, los propulsores iónicos pueden alcanzar un impulso
específico alto, reduciendo la cantidad de masa necesaria, pero
incrementando la cantidad de potencia necesaria comparada con
loscohetes convencionales. Los motores iónicos pueden desarrollar
un orden de magnitud mayor de eficacia de combustible que los motores
de cohete de combustible líquido, pero restringidos a aceleraciones muy
bajas por la relación potencia-masa de los sistemas disponibles.
2. i Xerografía:
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El proceso xerográfico fue inventado en 1937 por Chester Carlson. El
término xerografía, literalmente (escritura en seco), fue realmente adoptado un
poco después para resaltar la diferencia respecto a los procesos químicos
húmedos. El concepto innovador de Carlson no encontró una aceptación inicial y
sólo se obtuvo una realización práctica de su idea después de una pequeña
compañía arriesgase su futuro en sus intensos esfuerzos para desarrollar el
proceso.
3. El Motor de Magneto plasma de Impulso Específico Variable conocido
como VASIMR por las siglas de su nombre en inglés (Variable Specific
Impulse Magnetoplasma Rocket) es un motor para propulsión de
vehículos espaciales a base de plasma. Este motor ha sido creado por
la compañía Ad Astra Rocket Company dirigida por el ex-astronauta
Franklin Chang-Díaz.
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El motor VASIMR fue ideado por el costarricense y ex-astronauta de la NASA
Franking Chang Díaz en 1979, donde comenzó a trabajar en el laboratorio de
diseño Charles Stark Draper, en Cambridge, Massachusetts. Avanzando en el
proyecto se trasladó al centro de fusión de plasma en el MIT. En 1994 se trasladó
al Centro Espacial Johnson de la NASA hasta el año 2005, donde se retiró de la
NASA para dedicar su tiempo al proyecto del motor; ahí fue cuando se asoció con
la empresa Ad Astra Rocket, que trabaja con la colaboración de la NASA, la
universidad de Houston y otras empresas gubernamentales y privadas, nacionales
y extranjeras
La NASA junto con Díaz y sus colaboradores planean establecer un laboratorio en
la Luna que, aparte de otras funciones científicas, sea utilizado para probar los
cohetes que irán a Marte, Esto supone crear una estación en nuestro satélite
compuesta por astronautas que vivirían allí por temporadas de seis meses. Este
laboratorio lunar debería estar listo para el 2020.para la realización del proyecto
con un presupuesto de 150 millones de dólares.
2. Applet II. Visite la siguiente dirección;
http://www.ieslaasuncion.org/fisicaquimica/fislets/campo4.html
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- Analice el comportamiento del monitor o tubo de rayos catódicos.
Relacione las variables principales que allí se presenta: Carga, Campo
Eléctrico y Velocidad Inicial. Puede visitar adicionalmente este enlace;
Son tubos de vacío de vidrio dentro de los cuales un cañón de electrones emite
una corriente de electrones guiada por un campo eléctrico hacia una pantalla
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cubierta de pequeños elementos fosforescentes. En el tubo de rayos catódicos, un
cañón electrónico produce y confina un haz de electrones que envía hacia una
pantalla recubierta de material luminiscente, de forma que cuando los electrones
chocan contra ella emite luz cuya intensidad o brillo, es proporcional a la cantidad
y velocidad de los electrones incidentes. En otras palabras, la energía cinética del
haz electrónico se transfiere al material de la pantalla convirtiéndose en energía
luminosa. Entre el cañón electrónico y la pantalla se tiene un sistema deflector
constituido por bobinas colocadas en el exterior del tubo, para desviar el haz
electrónico horizontal y verticalmente. A diferencia del sistema de deflexión
magnética usado en televisión, los osciloscopios emplean deflexión electrostática,
desviando el haz electrónico mediante plazas horizontales y verticales colocadas
en el interior del tubo. El brillo puede variarse, si se varía la densidad del haz
electrónico mediante una rejilla de control, cuya acción es similar a la que se tiene
en un tríodo u otras válvulas como el tetrodo o el pentodo.
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/movimiento/osciloscopio/
osciloscopio.htm)
a. Ingrese los datos de las dos variables dadas en la tabla 1 y complete la tercera
de manera que se haga colisionar la partícula en el objetivo marcado en verde
en el la pantalla del applet. Analice los resultados obtenidos.
Tabla 1. Utilización práctica de cargas y campos eléctricos
Variable Carga
(10-8 C)
Campo
eléctrico
( 104 N/C)
Velocidad
Inicial
(cm/s)
Simulación 1 3 -1 38
Simulación 2 3 -2 55
Simulación 3 6 -2 78
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Simulación 4 6.5 -2 80
Simulación 5 4 -3.3 80
se puede observar que la carga colisiona en un menor tiempo debido a que el
campo es pequeño y que la carga logra penetrar facilmente en el campo,
logrando de esta forma colisionar mas rapido.
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Aquí lo tenemos en el momento de la colision si observa la colision se produce
casi dos segundos despues que cuando la carga iba a la mitad del camino.
Acercandose al rojo y colsionando con el verde.
Aquí esta cuando la carga vale 6 y el campo -2
Aquí esta cuando se tiene la velocidad y el ampo
Cuando se tiene la carga y la velocidad
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3. Applet III Siga los enlaces correspondientes para la Ley de Gauss.
Electromagnetismo. Campo Eléctrico. (Líneas de cargas). Ley de Gauss.
a. Estudie el concepto de flujo de campo eléctrico y estudie la ley de Gauss
(resuma el contenido)
La ley de Gauss plantea que el flujo del campo eléctrico através de cualquier
superficie cerrada es igual a la carga q contenida dentro de la superficie dividida
por la constante ε0.
La superficie cerrada empleada para calcular el flujo de campo eléctrico se denomina superficie Gaussiana.
b. Aplique la ley de Coulomb para calcular el campo eléctrico de un conductor
rectilíneo cargado.
=
c. Aplique la ley de Gauss para realizar el mismo cálculo y compararlo con el
anterior.
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=
Experimento tres
Podemos observar, que a medida que aumenta el número de cargas la dirección
del campo eléctrico se hace perpendicular a la línea de cargas. Las
equipotenciales (en color azul claro) se aproximan a líneas rectas paralelas a línea
cargada.
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Conclusiones
Se elaboró este informe correctamente, no hubo problemas para realizarlo. El
aprendizaje fue enriquecedor porque el tema es muy importante, además se pudo
ver que las diferentes aplicaciones del principio de Franklin, así como conocer el
funcionamiento de los rayos catódicos.
Los gráficos obtenidos mostraron los resultados esperados.
Trabajos citadosAsignaturas de Fisica. (30 de Septiembre de 2008). Recuperado el 04 de Noviembre de 2013, de
Asignaturas de Fisica: http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/gauss.html
Fabiani, H. V. (21 de Agosto de 2005). Conceptos Electrostáticas. Recuperado el 04 de Noviembre de 2013, de Conceptos Electrostáticas: http://www.hverdugo.cl/conceptos/conceptos/electrostatica.pdf
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