LABORATORIO #3

[LABORATORIO #3]2012

CAMPO ELCTRICOI. OBJETIVOS

Graficar las lneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos). Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos. Calcular la intensidad de medida del campo elctrico. Estudiar las caractersticas principales del campo elctrico.

II. EXPERIMENTO A. Modelo FsicoEl Campo Elctrico,E , en un punto P, se define como la fuerza elctrica F, que acta sobre una carga de prueba positiva +q0, situada en dicho punto. Es decir,

y se representa con lneas tangentes a la direccin del campo. La direccin y el sentido de las lneas del campo elctrico en un punto, se obtiene observando el efecto de la carga sobre la carga prueba colocada en ese punto. En las figuras se presentan las lneas de campo elctrico debido a cargas puntuales +q y -q, las cuales se alejan de la carga positiva y se dirigen a la negativa. FIG 1

En la figura se muestra las lneas de una pareja de cargas iguales y opuestas; en la figura se muestran las lneas de campo de una pareja de cargas positivas e iguales.FIG 2

1. Campo de una carga puntual. En las figuras 8.a y 8.b, se ilustran la magnitud y el sentido del campo elctrico de una carga puntual positiva o negativa, en el punto donde se encuentra la carga de prueba +q0. El sentido y direccin del campo quedan bien definidos por el vector unitario

FIG 3

La fuerza ejercida sobre la carga de prueba + qo por una carga q es,

y como el campo elctrico en la posicin de la carga de prueba es,

el campo debido a la carga q en el punto r es

El sentido del campo es radial hacia fuera (si q es +)o hacia adentro (si q es -). Campo debido a un grupo de cargas puntuales. En este caso el campo elctrico en el punto P (Fig. 9) es la suma vectorial de los campos debido a cada una de las cargas, es decir,

FIG 4

LINEAS EQUIPOTENCIALESUna carga elctrica puntual q (carga de prueba) tiene, en presencia de otra carga q1 (carga fuente), una energa potencial electrosttica. De modo semejante a la relacin que se establece entre la fuerza y el campo elctrico, se puede definir una magnitud escalar, potencial elctrico (V) que tenga en cuenta la perturbacin que la carga fuente q1 produce en un punto del espacio, de manera que cuando se sita en ese punto la carga de prueba, el sistema adquiere una energa potencial.El potencial elctrico creado por una carga q1 en un punto a una distancia r se define como:

por lo que una carga de prueba q situada en ese punto tendr una energa potencial U dada por:

El potencial depende slo de la carga fuente y sus unidades en el Sistema Internacional son los voltios (V). El origen para el potencial se toma en el infinito, para mantener el criterio elegido para la energa.Para calcular el potencial en un punto generado por varias cargas fuente se suman los potenciales creados por cada una de ellas, teniendo en cuenta que es una magnitud escalar y que ser positivo o negativo dependiendo del signo de la carga fuente.El trabajo realizado por la fuerza electrosttica para llevar una carga q desde un punto Aa un punto B se puede expresar entonces en funcin de la diferencia de potencial entre A y B:

Bajo la nica accin de la fuerza electrosttica, todas las cargas tienden a moverse de modo que el trabajo de la fuerza sea positivo, es decir, de modo que disminuye su energa potencial. Esto significa que: Las cargas de prueba positivas se mueven hacia donde el potencial elctrico disminuye y las cargas de prueba negativas se mueven hacia donde el potencial aumenta

B. DISEO

FIG 5v

C. MATERIALES 1 Cubeta de vidrio 1 Fuente de Voltaje de corriente continua 1 Voltmetro Hojas de papel milimetrado 1 Juego de electrodos y un punta de prueba Solucin electroltica de Cl Na 4 Conexiones o cables.

D. PROCEDIMIENTOParte 11. Trazar en papel milimetrado un sistema de coordenadas cartesianas y en cada extremo de este a 4 cm del centro ubicar los electrodos.2. Situar la hoja de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio.3. Armar el circuito que se muestra en la figura.Parte 2: Prueba de instrumentosEl voltmetro muestra la diferencia de potencial entre un punto de la solucin electroltica donde encuentra la punta de prueba y el electrodo negativo (V=0) al cual esta conectado el otro terminal del voltmetro. Parte3: Ejecucin1. Desplazarla punta de prueba en la cubeta y determinar como minimo5 puntos para los cuales la lectura del voltmetro permanece invariable, preferiblemente comenzar desde el origen y ubicar los puntos de tal forma que muestre la misma lectura que cuando la punta estuvo en el origen.2. Repetir el paso anterior para otros valores constates en l voltmetro y obtener como mnimo 5 lneas equipotenciales, uniformemente espaciados entre los perfiles de los electrodos.

E. RANGO DE TRABAJO: Fuente de Voltaje: 1.5 V Escala del Voltmetro: 3VF. VARIABLES INDEPENDIENTESLa diferencia de Potencial entre la punta de prueba y el electrodo negativo es la variable independiente, es decir el voltaje continuo y se obtiene a travs de la fuente de corriente continua.G. VARIABLES DEPENDIENTESEl instrumento que nos da la variable dependiente es el voltmetro. La variable dependiente vendra a ser el voltaje que se obtiene al colocar el puntero en diferentes partes de la cubeta.

H. DATOS DIRECTOS E INDIRECTOS

Mediciones Directas

TABLA N10.00 V0.85 V0.95 V1.00 V1.05 V 1.15 V1.20 V 1.25 V1.4 V

(-5,1.5)(-3,2.4)(-2.2,2.4)(-1.2,2.6)(0,3.7)(1.2,2.4)(1.8,2.8)(3.1,3)(3.9,3.2)

(-4.3,1.2)(-2.9,1.9)(-2,2.3)(-0.7,2.1)(0,9)(1,8)(2,1.9)(3.1,1.7)(4.4,4.2)

(-4,0.7)(-3,1.2)(-2,1.1)(-0.8,1.2)(0,1)(1,1)(2,1.1)(3,0.8)(4.1,0.4)

(-4,0)(-3,0)(-2,0)(-1,0)(0,0)(1,0)(2,0)(3,0)(4,0)

(-4.3,-1.2)(-3,-0.4)(-2.1,-2.4)(-1,-1)(0.1,-0.6)(1.4,-1.8)(1.8,-1.9)(3,-0.5)(4,3.5)

(-4.5,-1.5)(-3.2,-1.8)(-2.0,-2.2)(-0.2,-3.5)(0.1,-1.6)(1.3,-2.7)(1.9,-3)(3,-1.5)(4.1,3.5)

(-5,-1.5)(-3.1,-2.2)(-2.1,-2.6)(-1.1,-4.2)(0.516.5)(1.2,-3.8)(2.1,-4.3)(2.9,-2.9)(4.2,-7.2)

Mediciones IndirectasTABLA N2Va(V)Vb(V)Punto inicialPunto finald(cm)E=(Vb-Va)/d

0.000.85(-4,0)(-3,0)10.85

0.000.95(-4,0)(-2,0)20.48

0.001.00(-4,0)(-1,0)30.33

0.001.05(-4,0)(0,0)40.26

0.001.15(-4,0)(1,0)50.23

0.001.20(-4,0)(2,0)60.20

0.001.35(-4,0)(3,0)70.19

0.001.40(-4,0)(4,0)80.18

Es el campo elctrico uniforme?No, para que el campo elctrico sea uniforme siempre debe tener la misma magnitud y la misma direccin. Como vemos en la tabla 2 el campo vara su magnitud porque depende del voltaje y la distancia.I. ANLISIS DE DATOSa. Grficas.Graficar en la hoja de papel milimetrado las lneas equipotenciales y a partir de stas, graficar algunas lnea de campo elctrico.

La hoja de papel milimetrado se adjuntara al informe

J. CUESTIONARIO 1. Se puede medir directamente el campo elctrico?El campo elctrico se puede medir cuando son cargas puntuales pero cuando nos referimos a distribuciones homogneas es complicado medir directamente el campo por eso es que usamos este mtodo de las lneas equipotenciales para resolver.

2. Demostrar analticamente que las lneas de fuerza y las superficies equipotenciales son perpendiculares entre s.Como sabemos las lneas de fuerza en un campo son radiales estas atraviesan perpendicularmente a las superficies esfricas equipotenciales, pero generalizando matemticamente la interseccin de esta lneas se obtienen de celular el potencial elctrico en un punto del campo e igualndolas derivadas parciales.

3. Calcular el trabajo realizado en llevar una unidad electrosttica de carga y 1 V de un electrodo a otro.

W= V*qW=E(q/d)W=KRemplazando.W= 1.543

4. En qu direccin debe moverse una carga respecto a un campo elctrico de modo que el potencial no vari?porque?

La carga debe moverse en forma tangente a las lneas de campo, debido a la presencia de lneas equipotenciales.

5. Si el potencial elctrico es constante a travs de una determinada regin del espacio, el campo elctrico ser tambin constante en esta misma regin? Explicar

Este caso solo ocurre cuando se dice que dicho potencial esta sobre lneas equipotenciales, es aqu donde el campo elctrico ser constante en caso contrario no se cumple.

6. Si una carga se traslada una pequea distancia en la direccin de un campo elctrico, aumenta o disminuye el potencial elctrico? Explicar detalladamente

Aumenta el potencial elctrico, debido a que la intensidad de las lneas de campo se hace ms notoria, en cambio al alejarse se disminuye el potencial elctrico, debido a que baja la intensidad de lneas.

7. La direccin y sentido de la fuerza que acta sobre una carga positiva en un campo elctrico es, por definicin, la direccin y sentido de la lnea del campo que pasa por la posicin de la carga. Debe tener la misma direccin y sentido la aceleracin y la velocidad de la carga? Explicar analticamente.

Sabemos por la segunda Ley de newton que la aceleracin de un cuerpo tiene la misma direccin que la de la fuerza resultante que es el de la fuerza elctrica. Ahora vemos que la fuerza resultante no se opone al movimiento de la carga entonces podemos deducir que la velocidad tiene la misma direccin que la de la de la fuerza. Segunda ley de newton

8. Si el convenio de signos cambiase de modo que la carga electrnica fuese positiva y la del protn negativa; debera escribrsela ley de coulomb igual o diferente?

Debe escribirse igual porque la ley de coulomb no incluye la carga del electrn ni del protn. Adems si las cargas en cuestin fueran las del electrn y del protn,Pues sera el mismo resultado, ya que ambos tendran signos opuestos.

9. Si la fuerza elctrica entre dos cargas puntuales variase proporcionalmente a 1/,podra usarse el mismo sistema de lneas de fuerza para indicar el valor del campo elctrico Por qu?S, porque solo habra una variacin en cuanto a su mdulo, pero su vector unitario seria el mismo, mantiene su direccin.

10. Si q es negativa, el potencial en un punto P determinado es negativo.Cmo puede interpretarse el potencial negativo en funcin del trabajo realizado por una fuerza aplicada al llevar una carga positiva desde el infinito hasta dicho punto de campo?

El potencial es negativo porque la carga es negativa y entonces se acerca al campo, y el trabajo sale negativo porque la carga trada desde el infinito necesita perder su energa para dejarse atrapar por el campo con centro negativo.

11. Establecer como mnimo tres semejanzas y tres diferencias entre las propiedades de la carga elctrica y la masa gravitatoria.

Semejanzas:

Atraccin hacia un solo punto. Constantes para calcular la fuerza de atraccin. Dependen de la distancia entre los cuerpos. Ambas dependen de la distancia.

Diferencias:

La gravitacin depende de las masas. La fuerza elctrica depende de la carga. La fuerza elctrica es ms fuerte que la gravedad. La masa cambia a la velocidad de la luz lo cambiara la fuerza gravitatoria.

III. CONCLUSIONES El potencial elctrico aumenta a medida que se acerca al electrodo cargado positivamente y va disminuyendo en direccin al electrodo con carga negativa. El potencial en la superficie de un slido siempre es lo mismo, sea la superficie de un slido es equipotencial. Dos lneas equipotenciales nunca se cruzan, ya que no puede haber un punto que posea a la vez dos potenciales distintos. Las lneas equipotenciales tienden a curvarse segn la forma del electrodo que se encuentra ms cerca. El potencial elctrico al interior de un anillo uniformemente cargado es constante y el campo elctrico nulo, sin importar si est cargado positiva o negativamente. Para medir el campo elctrico que nos proporciona dos solidos no hay instrumentos que nos midan directamente la intensidad de campo elctrico, Por eso es que nos apoyamos del concepto de lnea equipotencial para que de una manera indirecta podamos medir la intensidad de campo elctrico.

IV. BIBLIOGRAFIA Lic. Humberto Leyva Naveros. Fsica III. Editorial Moshera. Tercera Edicin. Impreso en 2003. Impreso en el Per. Pginas consultadas 54, 55, 56 y 57. Halliday-Resnick-Walker. Fundamentos de la Fsica-Vol.2. Grupo Editorial Patria. Octava Edicin. Impreso 2010. Impreso en Mxico. Pginas Consultadas 581 y 582. V. ENLACES http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/potencial.html http://energytel.info/portal_telecom/articulos-tecnicos/37-sistemas-de-proteccion/66-curvas-equipotenciales http://tuspreguntas.misrespuestas.com/preg.php?idPregunta=9284

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