Balanza De Torsión De Coulumb

Introducción

Este curso tiene como tema central el electromagnetismo y la óptica, por lo que para la comprensión de ello es necesario estudiar los principios básicos de la electricidad los cuales en su mayoría están establecidos por las investigaciones del científico Charles Coulomb.

La ley que Coulomb, al igual que la de la gravitación universal descubierta por Newton (antecesor de Dirac en la Cátedra Lucasiana de Matemáticas en Cambridge) a principios del siglo XVII, ocupa un lugar de privilegio en la ciencia. Es simple y bella, y es de aplicación muy general. Ha resistido hasta el presente los embates de miles de físicos en todo tipo de circunstancias y experimentos. Por ello es una de las leyes fundamentales de la física.

Por lo que este trabajo tiene como propósito principal el estudiar uno de los experimentos más importantes: La balanza de torsión de coulomb, además de otros objetivos, como el establecer completamente la ley de Coulomb, es decir, la ley sobre la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales. Los objetivos parciales que nos llevarán a cumplir tal objetivo son los siguientes: Estudiar fuerza entre dos cargas eléctricas puntuales en función de la distancia que las separa. Estudiar la fuerza en función del valor de la carga eléctrica.

Para cumplir con esos objetivos es necesario una investigación detallada sobre cómo está formada la balanza de torsión, el funcionamiento de esta, como su estudio llevo a postular una de las leyes más importantes del electromagnetismo, todo esto acompañado de imágenes que ayudan a que se pueda comprender de mejor manera el contenido de la información y se le pueda ver el valor práctico de ello.

Funcionamiento

Este aparato permitió establecer y comprobar la ley que rige la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas eléctricas, además de resultar muy útil en otros experimentos de gran importancia científica. Se basa en el principio demostrado por Coulomb que dice: “la fuerza de torsión es proporcional al ángulo de torsión”. El aparato se compone de una base de madera sobre la que se apoya una caja cilíndrica de cristal con una cinta graduada a su alrededor colocada a media altura y cerrada en su parte superior por una cubierta que está atravesada en su centro por un cilindro hueco de cristal que se prolonga hasta el interior de la caja. Este cilindro se cierra en su extremo superior por el micrómetro del aparato: dos tambores metálicos, uno graduado en su borde, con giro suave del uno sobre el otro. Sujeto a este elemento se encuentra un hilo muy fino de plata que pende por el interior de este cilindro hueco y se prolonga hasta el interior de la caja de cristal; en este otro extremo el hilo de plata sostiene una aguja o varilla horizontal de goma laca. Por un orificio en la cubierta se introduce una bolita aislada, con un mango de vidrio, que podrá ser electrizada convenientemente desde el exterior. El proceso consistía en medir los ángulos de torsión que sufría la varilla móvil unida al hilo de plata como resultado de la fuerza de atracción o repulsión con la esferita fija previamente electrizada, a partir de estos se deducían las fuerzas existentes entre ambos elementos debido a la carga eléctrica, quedando establecidas las variables de las que depende dicho valor y en qué medida lo hace concluyendo en la conocida Ley de Coulomb.

Demostración de las leyes

Las acciones mutuas que ejercen los cuerpos electrizados entre sí se hallan sometidas a las dos leyes siguientes:

1. ª Las repulsiones y atracciones entre dos cuerpos electrizados están en razón inversa del cuadrado de la distancia;

2. ª Permaneciendo constante la distancia, estas mismas fuerzas están en razón compuesta de las cantidades de electricidad que poseen los dos cuerpos.

Primera ley. -Estas dos leyes las ha demostrado Coulomb, valiéndose de la balanza de torsión usada ya para poner de manifiesto las leyes de las atracciones y repulsiones magnéticas. La única modificación que debe introducirse en la balanza consiste en que la aguja imantada, suspendida del alambre, se reemplaza por una barra de goma laca que termina en un pequeño disco de oropel n (fig. 420), y en que, la aguja imantada vertical se sustituye por una barrita de vidrio i, terminada por una esfera de cobre m. La figura 4.20 presenta también algunas otras modificaciones relativamente a la 417, pero son arbitrarias: en vez de ser rectangular la caja, es cilíndrica, y en su contorno se encuentra pegada una tira de papel dividida en 360 grados, de suerte que la graduación ofrece inmediatamente el ángulo de separación, siendo así que la figura 417, marca la tangente de este ángulo. Por último, se compone el micrómetro de un pequeño disco graduado e, móvil independientemente del tubo d y de un índice a fijo, que sirve para marcar los grados que gira el disco e: en su centro existe un botón que gira con él, y cuyo pie abraza la extremidad del alambre que sustenta la aguja on.

Para demostrar la primera ley, se seca el aire del aparato para que sea menor la pérdida de electricidad, lo que se obtiene por medio de una cápsula llena de cal viva que se deja muchos días dentro del mismo aparato. Completamente seco el aire, correspondiendo el cero del micrómetro al índice a, se da vuelta al tubo móvil d, hasta que la aguja on marque el cero del círculo graduadoe, que es la posición de la esfera m cuando se halla dentro de la caja. Sacando entonces dicha esfera, y cogiéndola por su tubo aislador i, se la electriza, poniéndola en contacto con un manantial de electricidad, con la máquina eléctrica, por ejemplo, y luego se introduce nuevamente en el aparato por la abertura r del platillo que le cubre. En el acto mismo es atraído el disco n, se electriza luego con el contacto de la esfera y es repelido, y después de algunas oscilaciones se para, cuando la torsión del alambre equilibra la fuerza repulsiva que se ejerce entre el disco y la esfera. Supongamos que la torsión de la aguja sobre el cuadrante c valga 20 grados, como la torsión del alambre es proporcional a la fuerza de torsión (70, 2. º), Podemos considerar este número

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