Laboratorio Ii

Septiembre 07, 2009 Departamento de física Código: FIS-1033-04 básicas

Ciencias

Laboratorio de física eléctrica Universidad del Norte

Líneas de campo eléctrico y superficies equipotenciales

Carlos Alberto Riascos Rodgers

Garlin Movilla Suarez

Email: [email protected]

Email: [email protected] Ingenieria Industrial

Ingenieria Civil

Abstract

This article purify some general aspects concerning the study of electric fields in addition will raise and discuss in detail some of the factors that influence the formation of the field lines. We will begin working with point charges of opposite sign and then distributed with opposite charges in both cases will be analyzed and studied the behavior of the field lines based on the equipotential lines. The analysis of results in these experiences advocating for change in the way in which we see the power teaches us that all forces of nature are important and electricity is the engine of many of the activities of our daily lives.

Resumen

En este artículo purificaremos algunos aspectos generales concernientes al estudio de los campos eléctricos; además plantearemos y analizaremos detalladamente algunos de los factores que influyen en la formación de las líneas de campo. Empezaremos trabajando con cargas puntuales de signo opuesto y luego con cargas distribuidas de signo opuesto, en ambos casos se analizará y estudiará el comportamiento de las líneas de campo basándonos en las líneas equipotenciales. El análisis de los resultados en estas experiencias propicia el cambio de la manera en la cual vemos la electricidad; nos enseña que todas las fuerzas de la naturaleza son importantes y la electricidad es el motor de muchas de las actividades de nuestra vida diaria.

1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS: Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción en términos físicos de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. En esta experiencia se quiere alcanzar los siguientes objetivos:

•

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

•

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

•

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

•

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

2. MARCO TEORICO:

Campo Electrico: El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella.

Lineas de Campo Electrico: Es posible conseguir una representación gráfica de un campo de fuerzas empleando las llamadas líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado.

Campo Electrico Uniforme: Para una partícula muy pequeña con carga eléctrica el campo que la rodea cambia tanto de dirección como de magnitud, pero entre dos placas metálicas cargadas con una carga opuesta (es decir una positiva y otra negativa) el campo eléctrico siempre tiene la misma magnitud y la misma dirección, eso es campo eléctrico uniforme.

Potencial Electrico: También llamada tensión eléctrica, es el trabajo necesario para desplazar una carga positiva unidad de un punto a otro en el interior de un campo eléctrico; en realidad se habla de diferencia de potencial entre ambos puntos (VA - VB). La unidad de diferencia de potencial es el voltio (V). Un generador de corriente eléctrica permite mantener una diferencia de potencial constante y, en consecuencia, una corriente eléctrica permanente entre los extremos de un conductor. Sin embargo, para una determinada diferencia de potencial, los distintos conductores difieren entre sí en el valor de la intensidad de corriente obtenida, aunque el campo eléctrico sea el mismo.

Superficies Equipotenciales: lugar geométrico de los puntos de un campo de fuerza que tienen el mismo potencial. Los campos de fuerza se pueden representar gráficamente por las superficies equipotenciales o por las líneas de fuerza. Las superficies equipotenciales en un campo creado por una única masa o una única carga eléctrica son superficies esféricas concéntricas con la masa o la carga, respectivamente. Estas superficies se suelen representar a intervalos fijos de diferencia de potencial, de modo que su mayor o menor proximidad indicará una mayor o menor intensidad de campo.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Para esta experiencia se utilizo papel conductor en escala de centímetros, con electrodos pintados con tinta conductora y los procedimientos se hacen a través de dipolos. Estos son los pasos para seguir en la experiencia, consta de los siguientes cuatro ítems expuestos a continuación:

Configuración del ordenador:

• Conectamos el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encendimos el interfaz y luego el ordenador.

• Conectamos la clavija DIN del sensor de voltaje al Canal Analógico B del interfaz.

• Conectamos la clavija DIN del amplificador de potencia en el Canal Analógico A del interfaz. Enchufamos el cable de alimentación en la parte posterior del Amplificador de Potencia. Conectamos el otro extremo del cable de alimentación a una toma de corriente.

• Iniciamos Data Studio. Calibración del sensor y montaje del equipo.

• Tomamos dos cargas puntuales y a una la conectamos al terminal negativo del amplificador y a la otra al terminal positivo, creando así un dipolo eléctrico en el papel conductor. Toma de datos

• Introducimos un valor de 10 voltios DC en la fuente de poder (Power Amplifier).

• Tomamos el terminal positivo del voltímetro y lo desplazamos sobre el papel conductor hasta que el voltímetro registre tres (3) voltios. Indicamos la coordenada obtenida, con la precaución de no apoyarnos con las manos en la hoja conductora.

• Repetimos el procedimiento anterior hasta encontrar sobre la hoja conductora otro punto que también registre tres (3) voltios.

• Identificamos sobre la hoja conductora otros puntos con el mismo potencial indicado en el numeral tres hasta completar un total de 6 puntos.

• Obtenidos todos los puntos anteriores en la hoja auxiliar suministrada, los unimos con una línea continua. (líneas equipotenciales). Y la marcamos con 3 voltios. •

Repetimos los pasos anteriores para potenciales de 5 y 7 voltios.

Medida aproximada del campo eléctrico en el interior de la región entre las placas

• Seleccionamos el punto central entre los electrodos, colocamos en ese mismo punto las puntas de medición que nos entregaron. Las colocamos de tal manera que una de las puntas de medición quedo fija y la otra se pudiera mover. Variamos la posición de la punta móvil hasta encontrar la mayor diferencia de potencial. Anotamos este resultado. •

Repetimos todo el proceso desde el paso 1 hasta el 7 para el caso de una circunferencia negativa concéntrica con una carga puntual positiva.

DATOS OBTENIDOS

A continuación daremos a conocer los datos obtenidos de las dos experiencias realizadas en el laboratorio, que gracias a herramientas interactivas como Data Studio en conjunto con el análisis personal nos obsequio lo siguiente:

En este grafico se observa en la parte izquierda la carga puntual positiva y en la derecha la negativa, las líneas equipotenciales van decreciendo de izquierda a derecha, es decir 7v, 5v y finalmente 3v. Las líneas de campo son las que según la flecha van saliendo de la carga puntual positiva y finalizan en la carga puntual negativa.

En este grafico se observa la placa con carga positiva en la parte inferior y en la parte posteriorla carga negativa; las líneas equipotenciales decrecen de abajo hacia arriba 7v, 5v y finalmente 3v. Respecto a las líneas de campo sucede lo mismo que en el caso de las cargas puntuales, salen de la carga positiva y entran a la carga negativa.

4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Pregunta 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 entonces el campo eléctrico? R/ La mayor diferencia de potencial se midió en 7V y continuo disminuyendo a medida que se alejaba de la línea con carga positiva, es decir, el campo apunta en dirección a la carga negativa. Pregunta 2: Para ambas configuraciones, dibuje las líneas de campo a partir de las líneas equipotenciales. Describa cualitativamente como están dispuestas estas líneas

R/ En el caso de las cargas puntuales, las líneas equipotenciales tienen forma de elipse, excepto en la mitad (5V) donde los campos generados por la carga puntual positiva y la negativa se equilibran, denotando así una línea recta. En el caso de las cargas lineales, las líneas de campo viajaban en línea recta y eran perpendiculares a las líneas de carga, esto ocurría únicamente en la región encerrada por las líneas de carga, ya que al extremo de estas, las líneas de campo se curvaban formando una especie de semicircunferencia. Pregunta 3:¿Cómo está distribuido el potencial eléctrico en la región entre los círculos concéntricos? R/ El máximo potencial eléctrico se encuentra en el centro de la circunferencia.

5. CONCLUSIONES

Finalmente, tras analizar los fenómenos físicos que causan las líneas de campo eléctrico, nos queda fácil determinar: Observar que las líneas equipotenciales y las líneas de campo eléctrico varían su magnitud y dirección de acuerdo a la forma del cuerpo cargado a la distribución de su carga. Como por ejemplo, en las placas paralelas las líneas equipotenciales son paralelas a dichas placas y las líneas de campo eléctrico van de la placa positiva a la placa negativa y en un círculo concéntrico las líneas equipotenciales van de forma circular y las de campo van de forma radial disminuyendo a medida que se aleja del polo cargado. Podemos decir que el campo generado por diferentes cargas, como son los dipolos, líneas y círculos concéntricos son simétricos debido a que las cargas que se encuentran en cada uno de estos esta ubicadas de una manera uniforme, lo que conlleva a la aparición de líneas de campos con una simetría especifica, la cual depende de la disposición y ubicación de las cargas.

6. BIBLIOGRAFIA

• MENDOZA PÉREZ, Aníbal., RIPOLL MORALES, Luís., MIRANDA CRESPO, Juan. Física Experimental Electricidad y Magnetismo. 2 ED. Barranquilla: Ediciones Uninorte, 2005. 132 p.