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