Laboratorio de fisica III - Experiencia No2
I. OBJETIVOSGraficar las lneas equipotenciales en la vecindad de
dos configuraciones de carga (electrodos).
Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos.
Calcular la intensidad media del campo elctrico.
Estudiar las caractersticas principales del campo elctrico.
II. MATERIALES
Fuente de voltaje de V.C.D. Juego de electrodos de Cobre.
Voltmetro.
Cubeta de vidrio, agua y sal.
Electrodo mvil explorador.
III. FUNDAMENTO TERICOCAMPO ELCTRICOLas fuerzas ejercidas entre
s por las cargas elctricas se deben a un campo elctrico que rodea a
cada cuerpo sometido a carga y cuya intensidad est dada por la
intensidad de campo E. Si ahora se encuentra una carga q dentro de
un campo elctrico (producido por otra carga), entonces acta sobre
la primera una fuerza F. Para la relacin entre intensidad de campo
y la fuerza es vlida la frmula:
La magnitud de la intensidad de la fuerza elctrica, por lo
tanto, est dada por la ecuacin:
La fuerza sobre una carga elctrica dentro de un campo elctrico
es mayor mientras mayor sea la intensidad del campo elctrico, y
mayor sea la misma carga.
No obstante, el campo elctrico no slo se ve determinado por la
magnitud de la fuerza que acta sobre la carga, sino tambin por su
sentido. Por tanto, los campos elctricos se representan en forma de
lneas de campo, que indican el sentido del campo. La forma de un
campo elctrico est aqu determinada por la forma geomtrica de las
cargas que generan el campo, al igual que por la posicin que
adopten entre ellas. Las lneas de campo indican, en cada punto del
mismo, el sentido de la fuerza elctrica. Al respecto, las
siguientes imgenes muestran el campo elctrico de una carga puntual
positiva (izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha).
Las lneas de campo se desplazan en este caso en forma de rayos que
salen hacia el exterior a partir de la carga. El sentido de las
lneas de campo (indicado por las flechas) seala, de acuerdo a la
convencin establecida, el sentido de la fuerza de una carga
positiva (en cada caso pequeas cargas puntuales en las imgenes);
esto significa que las lneas de campo parten cada vez de una carga
positiva (o del infinito) y terminan en una carga negativa (o en el
infinito). La densidad de las lneas de campo indica
correspondientemente la intensidad del campo elctrico; aqu, sta
decrece al alejarse de la carga puntual.
Si se encuentran cargas positivas y negativas repartidas
uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a frente,
en paralelo, como es el caso del condensador de placas planas
paralelas, entre ambas superficies se generan lneas de campo
elctrico paralelas, como se muestra en la figura siguiente. Estas
lneas de campo parten de la placa con carga positiva y terminan en
la placa con carga negativa. Dado que la densidad de las lneas de
campo, al interior del condensador, es igual en todas partes, la
intensidad de campo elctrico E de las placas es tambin igual en
toda la superficie. Un campo elctrico de esta naturaleza recibe el
nombre de campo elctrico homogneo.Nota: Tambin en el exterior del
condensador circulan lneas de campo entre las placas, las mismas
que, no obstante, se curvan y no se tomarn en cuenta en lo
sucesivo. Por esta razn, se prescindi de su representacin.
Un cuerpo cargado elctricamente causa alrededor de l un campo
electrosttico. Para determinar y medir dicho campo en un punto
cualquiera es necesario introducir en las vecindades de dicho medio
otro cuerpo cargado, que llamaremos carga prueba, y medir la fuerza
que acte sobre l. La carga prueba q0 se considera lo
suficientemente pequea de manera que la distorsin que su presencia
cause en el campo de inters sea despreciable.
La fuerza que acta la carga q0 en reposo en el punto p en un
campo elctrico es.
Para visualizar la intensidad y la direccin de un campo elctrico
se introduce el concepto de lneas de fuerza. stas son lneas
imaginarias que son trazadas tales que su direccin y su sentido en
cualquier punto sern las del campo elctrico en dicho punto. Estas
lneas de fuerza deben dibujarse de tal manera que la densidad de
ellas sea proporcional a la magnitud del campo.
Dos puntos A y B en un campo electrosttico tienen una diferencia
de potencial V, si se realiza trabajo para mover una carga de un
punto a otro, este trabajo es independiente de la trayectoria o
recorrido escogido entre estos dos puntos.
Sea un campo elctrico E debido a la carga Q. Otra carga q+ en
cualquier punto A del campo se soportar una fuerza. Por esto ser
necesario realizar un trabajo para mover la carga q+ del punto A a
otro punto B a diferente distancia de la carga Q. La diferencia de
potencial entre los puntos de A y B en un campo elctrico se define
como:
IV. PROCEDIMIENTO
Cabe anotar que no existe instrumento alguno que permita medir
la intensidad del campo elctrico en las vecindades de un sistema de
conductores cargados elctricamente colocados en el espacio libre.
Sin embargo, si los conductores estn en un lquido conductor, el
campo elctrico establecer pequeas corrientes en este medio las que
se pueden usar para tal fin.
1. Arma el circuito del esquema. El voltmetro mide la diferencia
de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se
encuentra en la punta de prueba.
2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de
la cubierta de vidrio, antes de echar la solucin electroltica,
preparada anteriormente en un recipiente comn.
3. Con el voltmetro mida la diferencia de potencial entre un
punto del electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de
prueba.
4. En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un
sistema de coordenadas XY, ubicando el origen en la parte central
de la hoja, dibuje el contorno de cada electrodo en las posiciones
que quedaran definitivamente en la cubeta.
5. Site una de las hojas de papel milimetrado debajo de la
cubeta de vidrio. Esta servir para hacer la lectura de los puntos
de igual potencial que ira anotando en el otro papel.
6. Eche la solucin electroltica en el recipiente fuente de
vidrio.
7. Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de
potencial entre ellos acercando el electrodo de prueba a cada uno
de los otros dos casi por contacto y tomando nota de las lecturas
del voltmetro.
8. Seleccione un nmero de lneas equipotenciales por construir,
no menor de diez.
9. Entonces el salto de potencial entre lnea y lnea ser, en el
caso de seleccionar diez lneas por ejemplo:
, y en general.
N: Nmero de lneas.
10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos
para los cuales la lectura del voltmetro permanece. Anote lo
observado y represente estos puntos en su hoja de papel milimetrado
auxiliar.
11. Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo,
habr ud. Determinado cada uno de las superficies V2,V3,V4,V5
V. CUESTIONARIO
1. Determine la magnitud del campo elctrico entre las lneas
equipotenciales. El campo elctrico es uniforme?Por qu?
Para determinar dichos valores vamos a utilizar la siguiente
ecuacin:
Donde:
E=Intensidad de campo elctrico.
VB-VA: Diferencia de potencial entre los puntos A y B.
d: Distancia promedio entre las lneas equipotenciales.
a) VA=0.05V , VB=0.1V , d=0.01m b) VB=0.1V , VC=0.2V , d=0.02m
c) VC=0.2V , VD=0.3V , d=0.012m
d) VD=0.3V , VE=0.5V , d=0.03m
e) VE=0.5V , VF=0.6V , d=0.015m
f) VF=0.6V , VG=0.7V , d=0.01m
g) VG=0.7V , VH=0.9V , d=0.02m
h) VH=0.9V , VI=1V , d=0.01m
El campo elctrico no es uniforme debido a que la distancia que
separa a las cargas que originan este campo son muy grandes
(infinitamente). Para el caso observado esto no se da ya que los
electrodos estn muy cerca de manera que forma lneas uniformes lo
que quiere decir que se encuentran a una distancia uniforme, lo que
significara que E tendra que tener la misma magnitud para todos sus
puntos lo cual no ha sucedido ya que se observa que E analizado en
distintos puntos no es el mismo y no solamente eso sino que
dependiendo del suministro de voltaje los valores de E se
incrementan pues los mismos nos salen muy altos. Cada electrodo
origina un campo diferente entre sus puntos tambin debido a que los
electrodos tienen distinta forma por lo que el campo resultante
tiene magnitudes distintas en diferentes puntos.2. En su grfica
dibuje algunas lneas equipotenciales para el sistema de electrodos
que utiliz.El grfico se adjunta en la presentacin de este
informe.
3. Cmo seran las lneas equipotenciales si los electrodos son de
diferentes formas?
Las lneas equipotenciales tendran la forma de los electrodos que
las generasen. Por ejemplo, si un electrodo tuviera forma ondulada,
las lneas equipotenciales que genera tendrn tambin forma ondulada.
Por eso, las lneas de la experiencia adoptan, por un lado, la forma
triangular del primer electrodo, y la forma plana del segundo
electrodo.
Segn Faraday, la intensidad del campo elctrico se visualiza a
travs del acercamiento relativo entre las lneas de fuerza: a mayor
densidad de lneas, mayor intensidad de campo elctrico. Las lneas de
fuerza, o lneas de campo, muestran la trayectoria que seguira una
pequea carga (q) uniforme positiva, sin masa, si se colocara en el
seno de un campo elctrico..4. Por qu nunca se cruzan las lneas
equipotenciales?Se define la lnea equipotencial como aquella lnea
imaginaria que est conformada por puntos de igual potencial
elctrico, como ambas son lneas diferentes por la definicin de
potencial entonces sabremos que ambas tendrn distinto potencial
elctrico por lo que se dira que un punto no podra estar en ambas
lneas ya que el punto tendra que tener un valor y sera el de uno u
otra mas no el de las dos.
5. Si UD imaginariamente coloca una carga de prueba en una
corriente electroltica. Cul ser su camino de recorrido?
El camino que hara sera el que se encuentra en direccin del
campo elctrico y adems de forma perpendicular a las lneas
equipotenciales.
6. Por qu las lneas de fuerza deben formar un ngulo recto con
lneas equipotenciales cuando las cruzan?
Las superficies equipotenciales forman un ngulo recto con las
lneas de fuerza ya que las lneas equipotenciales son paralelas a la
superficie del cuerpo y las lneas de fuerza son salientes o
entrantes pero perpendiculares a la superficie.
Como la energa potencial de un cuerpo cargado es la misma en
todos los puntos de la superficie equipotencial dada, se deduce que
no es necesario realizar trabajo (elctrico) para mover un cuerpo
cargado sobre tal superficie.
De ah que la superficie equipotencial que pasa por un punto
cualquiera ha de ser perpendicular a la direccin del campo en dicho
punto. Si no fuera as, el campo tendra una componente sobre la
superficie y habra que realizar trabajo adicional contra las
fuerzas elctricas para desplazar una carga en direccin de esta
componente. Las lneas de campo y de la superficie equipotencial
son, en consecuencia, perpendiculares entre s.
7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de
un electrodo a otro es:
El trabajo que realiza el campo elctrico sobre una carga q
cuando se mueve desde una posicin en el que el potencial es VA a
otro lugar en el que el potencial es VB es:
8. Siendo , el error absoluto es:
Para encontrara el error absoluto primero vamos a utilizar las
formulas para las mediciones directas en indirectas y las
relaciones que con ellas se establecen.
Entonces:
Donde: VB, VA: Potenciales elctricos
n: Nmero de mediciones Entonces:
Para este caso particular el E0=ELM=1/2(0.25V)=0.125V
Entonces:
Luego:
Entonces:
Luego:
La variacin de Potenciales ser: Para hallar B realizamos el
mismo proceso:
Entonces:
Para este caso al medirse con regla ya se tiene el error
instrumental:
Luego:
Entonces:
Luego:
La distancia ser: El valor de E estar dado de la siguiente
manera:
Entonces:
Luego:
Finalmente:
El error absoluto ser: 454,546.251V/m9. El error relativo de la
medida de E es:
10. Que semejanza y diferencia existe entre un campo elctrico y
un campo gravitatorio.
Semejanza:
-Ambos campos ejercen interaccin con otros cuerpos sin
manifestar contacto directo con ellos.
-Ambos presentan un relacin directa con los cuerpos con los que
interactan el campo gravitatorio con la masa y el campo elctrico
con la carga elctrica.
-Su magnitud se incrementa cuando se acercan a los cuerpos
generadores de estos campos la misma que disminuye al alejarse.
Diferencias:
-El campo elctrico ejerce influencia sobre los cuerpos solo con
una cantidad pequea de carga a diferencia del campo gravitatorio el
cual adquiere influencia sobre masas considerables.
-El campo elctrico posee la facultad de ejercer fuerzas de
atraccin y de repulsin a diferencia de el campo gravitatorio que
solo ejerce atraccin sobre los cuerpos interactuando en l.
-La constante elctrica K viene a ser (10exp20) veces mayor que
la constante gravitatoria G. Lo que indica que el campo
gravitatorio es muy dbil comparado con el campo elctrico.
Analogas y diferencias entre el campo elctrico y magntico:
El campo elctrico es conservativo, pero el magntico no lo
es.
Los fenmenos magnticos son estticos y los elctricos
dinmicos.
Pueden aislarse cargas elctricas positivas, pero nunca aparecen
por separado polos norte y
sur.
Las cargas en reposo solo originan campos elctricos. Las cargas
en movimiento originan
campos elctricos y magnticos..
Los circuitos magnticos, a diferencia de los elctricos, suelen
ser no lineales (saturacin
magntica)
Ambos campos son inversamente proporcionales al cuadrado de la
distancia, pero el campo
elctrico es radial y el magntico es perpendicular
Las lneas de campo elctrico poseen la direccin de la fuerza
elctrica sobre la carga
positiva, mientras que las lneas de campo magntico son
perpendiculares a la fuerza
magntica sobre una carga mvil.
Las lneas de campo elctrico comienzan en las cargas positivas y
terminan en las cargas
negativas; las lneas de campo magntico forman circuitos
cerrados.
Una corriente elctrica circula enteramente por los conductores,
el flujo magntico puede
presentar derivaciones en el aire
Hay analogas entre las magnitudes elctricas y magnticas ,
intensidad de corriente y flujo
magntico, fuerza electromotriz y fuerza magnetomotriz,
resistencia elctrica y reluctancia
11. Si el potencial elctrico es constante a travs de una
determinada regin del espacio Qu puede decirse acerca del campo
elctrico en la misma? Explique.
En este segundo laboratorio hemos definido que la intensidad de
campo elctrico (E) representa la interaccin del campo elctrico de
forma vectorial y que el potencial Elctrico es una caracterstica
escalar que est asociada a cada punto de una regin donde se
establece el campo elctrico.
Entonces en el caso de la pregunta Si el potencial elctrico es
constante a travs de una determinada regin del espacio. Qu puede
decirse acerca del campo elctrico en la misma? Si el potencial
elctrico es constante, entonces no necesariamente el campo
elctricopuede ser tambin constante ya que el potencial es una
magnitud escalar y el campo es un vector, es decir, una magnitud
vectorial, pudiendo tener este campo infinitas direcciones, por lo
tanto no es asociable la constancia del valor del potencial al
campo elctrico.
VI. CONCLUSIONES
La intensidad del campo es una propiedad que se asocia al
espacio que rodea a un cuerpo cargado (fuente de campo) sin
afectarle el hecho de poner una carga o no en dicho campo.
De esta experiencia podemos verificar las propiedades de las
lneas de fuerza las cuales salen de cargas positivas hacia cargas
negativas, que adems nunca se cruzan y que las lneas
equipotenciales son perpendiculares a las lneas de campo, que la
direccin del campo es tangente a la lnea de campo.
Observamos tambin gracias a la grfica en papel milimetrado que
las lneas equipotenciales son las unin de hay puntos de igual
diferencia de potencial elctrico.
Las lneas equipotenciales y las lneas de campo varan su magnitud
y direccin de acuerdo a la forma del cuerpo cargado a la
distribucin de cargaUNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
CURSO: FISICA 3
TEMA: CAMPO ELECTRICO
PROF. :JULIO FABIAN SALVADOR
E.A.P. :ING. ELECTRONICA
HORARIO: 2-4PM
INTEGRANTES:
ADVINCULA HERRERA LUCERO14190001
GAMEZ HUERTA ALESSANDRA1419
SOTO CHANG RAISA14190105
MACHACA ACHALMA ANGELA1419
RIVERA CCACCACHAHUA YENNY1419
2014
24-09-14