Informe De Laboratorio De Fisica Electrica 2

2 009 Marzo 12, 2009 Departamento de matemáticas y física ©Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

Laboratorio de física Electricidad

Camilo Riveros Manjarrez e-mail: [email protected]

Jorge Ortega De la Rosa e-mail: [email protected]

Julio Vidal Pombo e-mail: [email protected]

Resumen En el presente artículo se encontrara el estudio del campo eléctrico y las líneas equipotenciales. El estudio realizado se basa en los resultados arrojados por el desarrollo de los experimentos o pruebas de laboratorio, las cuales ayudaron, una vez más, a la correcta compresión de los fenómenos físico-eléctricos que presentan entre si las particular y/o cuerpos.

Campo eléctrico y líneas equipotenciales Abstract

In this article you may find the study of the electric field and the equipotential lines. The study is based in the results provided by the development of the experiments o laboratory proofs, which helped, once more, to the correct comprehension of the physic-electric phenomenon that can particle or bodies can experience.

Física Electricidad - Informe de laboratorio Introducción

El campo eléctrico es una característica física que cada cuerpo posee y que provoca en cada instante de la vida todos los cuerpos poseen un campo sin importar que sea nulo o cero. A medida que pasa el tiempo nuestras vidas se ven aun más sumergidas en la tecnología que nosotros, la humanidad, hemos creado, la misma que nos ha permitido darle un sentido y una explicación más certera a cada una de las teorías que han surgido a través del tiempo sobre las características que poseen los cuerpos, aunque para objeto de este informe son únicamente necesarios los medios para estudiar las características eléctricas de las partículas, a continuación nos dispondremos a darle respuesta y explicar de manera fácil y concisa el campo eléctrico y las líneas equipotenciales, a través de la experimentación laboratorio Camilo Riveros Manjarrez Jorge Ortega Deen la un Rosa adecuado para la e-mail: prá[email protected] de la teoría que da sentidoe-mail: y explicación a los fenómenos [email protected] físicos que presenciamos a cada día.

Julio Vidal Pombo e-mail: [email protected]

Objetivos Generales Analizar las líneas de campo eléctrico en una región perturbada por dos electrodos, obtenidas a partir del trazo de las líneas equipotenciales. Especifico -

Trazar líneas equipotenciales en un campo eléctrico generado por dos electrodos constituidos por dos líneas paralelas (placas paralelas).

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Medir el campo eléctrico en el punto medio de la región entre las dos placas paralelas haciendo uso de las líneas equipotenciales.

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Trazar líneas equipotenciales y de campo en una región de un campo eléctrico constituido por dos círculos concéntricos.

Marco teórico Líneas de campo Las líneas de campo eléctrico son una cantidad vectorial e indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas de campo, por ejemplo, una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas radiales, puesto que las fuerzas eléctricas actúan siempre en la dirección de la línea que las une a las cargas interactuantes, dirigidas hacia fuera debido a que las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido, en pocas palabras serian fuerzas repulsivas. En el caso en que hubiese una carga puntual negativa en el mapa de líneas de fuerza, este seria análogo al caso anterior pero las líneas de campo esta vez van dirigidas de la carga positiva a la carga central o negativa.

Campo eléctrico Las cargas eléctricas no necesitan de algún tipo de material para poder ejercer su influencia sobre otras, es por eso que las fuerzas eléctricas son consideradas como fuerzas de acción a distancia, a esta fuerza de acción a distancia recibe el nombre de campo y cuando este campo de fuerzas es aquella región del espacio donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. De este modo el campo eléctrico es aquella región del espacio en donde deja sentir sus efectos producidos por una carga, es decir, si en un punto cualquiera del espacio en donde esta definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba, se observara la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, fuerzas de atracción o repulsión.

Campo eléctrico uniforme Un campo eléctrico es uniforme cuando el modulo de dirección y sentido es constante. Cuando esto ocurre, las líneas de campo son rectas paralelas y las superficies equipotenciales son superficies paralelas entre si y perpendiculares a las líneas de campo como se muestra en el siguiente dibujo:

Donde las superficies equipotenciales son V1, V2, V3 y las lineas de campo son las flehcas perpendiculares a las superficies.

Potencial eléctrico y diferencia de potencial El potencial eléctrico esta dado cuando el campo eléctrico es conservativo porque el trabajo realizado por las fuerzas del campo cuando una carga se traslada de un punto a otro, no depende del camino. El potencial eléctrico en un punto dado, se puede definir como el trabajo que realizan las fuerzas del campo eléctrico cuando la unidad de carga se traslada desde ese punto hasta el infinito. La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de un campo, representa el trabajo requerido para mover una unidad positiva de carga, desde un punto al otro contra la dirección del campo, fuerza o el trabajo realizado por la unidad de carga, que se mueve desde un punto al otro en la dirección de campo. Las cargas positivas se mueven de un punto potencial mayor a un punto de potencial menor.

Líneas equipotenciales Las líneas equipotenciales son intersecciones (perpendicularmente) de las superficies equipotenciales con el plano del dibujo. Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de un campo escalar donde el potencial de campo o valor numérico de la función que representa el campo, es constante, es decir, que son aquellas en las que todos sus puntos tienen el mismo potencial. Las líneas potenciales no pueden cortarse entre si, por tanto, las líneas de campo eléctrico tampoco. Además no tienen ninguna dirección definida, es decir, que

una carga de prueba situada sobre una línea equipotencial, esta no tiende a seguirla, sino a avanzar hacia otras de menor potencial. Al contrario de las líneas de campo, las líneas equipotenciales son siempre continuas. No tienen ni principio ni final.

Procedimiento En esta experiencia se usa papel conductor cuadriculado en centímetros con cuatro diferentes configuraciones de electrodos dibujados con un bolígrafo de tinta conductora. Se busca medir el campo eléctrico a partir de dos líneas equipotenciales muy cercanas, y en segundo lugar, trazar líneas equipotenciales a partir del trazado de líneas de campo eléctrico.

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Configuración del ordenador 1) Se conecta el interfaz Science Workshop ordenador, luego se enciende el interfaz y después el ordenador. 2) Se conecta la lavija DIN del sensor de voltaje al canal analógico B del interfaz. 3) Se conecta la clavija DIN del amplificador de potencia en el canal analógico A del interfaz. Luego, se enchufa el cable de alimentación en la parte posterior del amplificador de potencia. Posteriormente se conecta el otro extremo del cable de alimentación a una toma de corriente. 4) Se da inicio al Data Studio 5) Luego se realiza el montaje

Toma de datos

1) Se introduce un valor de 8 voltios DC en la fuente de poder (power Amplifier). 2) Se fija el electrodo negativo al terminal negativo de la fuente y se toma como referencia en el sensor de voltaje para determinar el potencial en cualquier otro punto. 3) Se traza en la hoja auxiliar un par de líneas con las mismas medidas que las de la hoja conductora la cual será utilizada para marcar las coordenadas obtenidas en la medición

4) Se toma el terminal positivo del voltímetro y se desplaza sobre el papel conductor hasta que el voltímetro registre 3 voltios y se anotan los resultados en una hoja similar (fotocopia) a la que se están tomando los datos. No apoyarse en la hoja conductora. 5) Se repite el procedimiento anterior hasta encontrar sobre la hoja conductora otro punto que también registre 3 voltios y así hasta completar un total de 6 puntos. Hay que tratar que los puntos no queden muy unidos, para obtener una distribución adecuada. 6) Obtenidos todos los puntos anteriores en la hoja auxiliar suministrada, los unimos con una línea continua. Estas líneas son llamadas líneas equipotenciales. La marcamos como línea de 3 voltios 7) Se repiten los pasos anteriores para potenciales de 5 y 7 voltios

8) Se selecciona el punto central entre los electrodos y se coloca en ese mismo punto en las puntas de medición. Las colocamos de tal manera que una de las puntas de medición quede fija y la otra se pueda mover. Luego variamos la posición de la punta móvil hasta que se registre la mayor diferencia potencial y por ultimo anotamos el resultado. 9) Con una regla medimos la distancia entre los puntos marcados por las puntas. 10)Se calcula el campo eléctrico aproximado en ese punto, sabiendo que el campo eléctrico apunta en la dirección donde el potencial decrece con mayor proporción.

Datos obtenidos En el laboratorio estuvimos probando con distintos aparatos electrónicos y con la ayuda del programa Data Studio, gracias a estos logramos identificar en dos sistemas diferentes (el primero dos partículas puntuales y el segundo dos placas paralelas) varias líneas equipotenciales y la dirección del campo eléctrico para cada caso. A continuación presentamos los resultados obtenidos en la experiencia.

Para el primer caso donde teníamos dos partículas puntuales obtuvimos tres líneas equipotenciales de 3, 5 y 7 voltios que son las líneas más grandes en el grafico. Las líneas de campo que hallamos fueron dos y estas son las que se encuentran de una carga a otra en la grafica D.O.1.

D.O.1

Para el segundo caso donde teníamos dos placas paralelas hallamos también tres líneas equipotenciales de 3, 5 y 7 voltios, estas son las líneas que pasan de un lado a otro la grafica, y por ultimo dos líneas de campo que se encuentran en el centro, estas líneas son perpendiculares a las placas y a las líneas equipotenciales. D.O.2.

Analisis de datos 1) En la configuración de placas paralelas, ¿en qué dirección, con respecto a las líneas equipotenciales, se midió la mayor diferencia de potencial?, ¿en qué dirección apunta el campo eléctrico?

R/ A medida que nos acercamos a la placa cargada positivamente las diferencias de potencial son mayores, en este caso la de 7 voltios está más lejos de la placa negativa que las demás. Cuando hay líneas equipotenciales paralelas producidas por campos, la dirección del campo eléctrico es perpendicular a estas como vemos en la figura D.O.2.

2) Para ambas configuraciones, dibuje las líneas de campo a partir de las líneas equipotenciales. Describa cualitativamente como están dispuestas estas líneas. R/ Para el primer caso donde son dos cargas puntuales las líneas de campo están en forma de parábolas como se ve en la figura D.O.1. y para el segundo

donde hay dos placas las líneas de campo están sobre el eje de las Y. Para ambos casos las líneas de campo van de la carga positiva a la negativa.

3) ¿Cómo esta distribuido el potencial eléctrico en la región entre los círculos concéntricos?

R/ El potencial eléctrico en el entre los círculos es el mismo en todos los puntos que tienen igual radio, es decir que una circunferencia concéntrica a las otras y que esté en el medio de estas, deberá tener el mismo potencial en todos sus puntos.

4) ¿Qué significado físico tiene el hecho que las líneas equipotenciales estén igualmente espaciadas?

R/La Igualdad de separación que hay entre cada línea equipotencial quiere decir que entre una línea y la otra, la diferencia de potencial es la misma, lo que quiere decir que las líneas equipotenciales tienen una separación uniforme, de lo que se puede inferir que el campo eléctrico es constante. La separación de estas líneas, indican la intensidad del campo eléctrico, entonces, entre menor sea la separación, el modulo de campo es mayor.

5) Compare la información recogida por los demás grupos sobre el valor del campo eléctrico en el centro de las placas y establezca la relación entre la separación de las líneas paralelas y la magnitud del campo eléctrico, en el centro de las placas

R/ A medida que la separación de las placas sea menor, el campo que actuará sobre cualquier punto situado en el centro de estas será mayor. Matemáticamente E = KQ/r2, si r (distancia de un punto en la placa al centro) disminuye el campo aumenta ya que estas variables son inversas.

Conclusión

En conclusión, por medio de cada uno de los experimentos desarrollados podemos hemos sido capaces de comprender de una forma aún más clara la “dinámica” de las líneas equipotenciales y del campo en si, gracias a la experimentación conocemos claramente cuál es el sentido de cada una de las leyes y definiciones referentes a los temas en especifico y logramos responder 5 preguntas básicas conforme al análisis de los datos obtenidos, y así decir con certeza que el campo eléctrico de un cuerpo es aquella región del espacio en donde deja sentir sus efectos producidos por una carga y que las líneas equipotenciales no pueden cortarse entre si, por tanto, las líneas de campo eléctrico tampoco, además no tienen ninguna dirección definida, es decir, que una carga de prueba situada sobre una línea equipotencial, esta no tiende a seguirla, sino a avanzar hacia otras de menor potencial.

Referencias bibliográficas

 Libro de laboratorio de física eléctrica. Ediciones uninorte.  Física de Sears. Tomo 1  http://es.wikipedia.org  www.fisicacreativa.com  http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Fra nco/elecmagnet/electrico/cElectrico.html