LÍNEAS DE CAMPO ELÉCTRICO Y SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

E. GOMEZ, J.S. FORERO, J.J. FRANCO

Ingeniería Mecánica

Facultad de Ingeniería, Universidad Libre-Bosque Popular Bogotá

RESUMEN

En la anterior practica se realizó una experimentación de cargas eléctricas, con el fin de identificar la diferencia y relación entre campo eléctrico y líneas equipotenciales.

Y que el estudiante logre comprender mediante la práctica los conceptos de potencial eléctrico y campo eléctrico, visualizando el efecto producido por los conductores sometidos a una diferencia de potencial usando el programa Quickfield y dibujando su datos en la hoja milimetrada y familiarizarse con las gráficas y las representaciones.

ABSTRACT

In the previous experiment the Practiced was conducted electrical loads in order to identify the difference and ratio between electric field equipotential lines.

And the student to understand through the practice, the concepts of electric potential and electric field, showing the effect of drivers subjected to a potential difference using the drawing program and its data QuickField on graph paper and become familiar with the graphs and representations.

INTRODUCCIÓN

El tema principal de este laboratorio fue analizar las líneas de campo eléctrico en una región perturbada por dos electrodos, obtenidas a partir del trazo de las líneas equipotenciales.

Para comprender mas el objetivo general citamos a -William Gilbert quien hizo en 1600 uno de los primeros intentos para explicar como un cuerpo cargado podía “alcanzar” y afectar a otro-“Todo objeto que se encuentre cargado eléctricamente, genera un campo eléctrico alrededor de él, este último está asociado a cierta región del espacio en donde se “sienten los efectos de los objetos cargados”.

Así, todos los objetos cargados generan un campo eléctrico alrededor de ellos el cual podemos visualizar mediante líneas imaginarias que nos indican la intensidad del campo eléctrico en el espacio que rodea al objeto cargado. (Líneas equipotenciales).

REFERENTES TEORICOS

CAMPO ELECTRICO

El campo eléctrico existe cuando existe una carga y representa el vínculo entre ésta y otra carga al momento de determinar la interacción entre ambas y las fuerzas ejercidas. Tiene carácter vectorial (campo vectorial) y se representa por medio de líneas de campo. Si la carga es positiva, el campo eléctrico es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante. (1)

Campo eléctrico

La unidad con la que se mide es:

Newton / Coulomb

LÍNEAS DE CAMPO

El concepto de líneas de campo (o líneas de fuerza) fue introducido por Michael Faraday (1791-1867). Son líneas imaginarias que ayudan a visualizar cómo va variando la dirección del campo eléctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguiría la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las líneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas:

Las líneas de campo creadas por una carga positiva están dirigidas hacia afuera; coincide con el sentido que tendría la fuerza electrostática sobre otra carga positiva.

(2):

DIPOLO ELECTRICO [3]:

Es una configuración de dos cargas eléctricas puntuales iguales y opuestas muy próximas una a otra. La carga total del dipolo es cero, a pesar de lo cual genera un campo eléctrico. La intensidad de ese campo está determinada por el momento dipolar, que viene dado por el producto del valor de las cargas por la distancia entre ambas. Los momentos dipolares pueden ser generados o “inducidos” por la influencia de campos externos, y emitir ondas electromagnéticas (radiación del dipolo) si el campo externo varía en el tiempo.

POTENCIAL ELECTRICO [4]:

El potencial eléctrico en un punto es el trabajo que debe realizar una fuerza eléctrica para mover una carga positiva q desde la referencia hasta ese punto, dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria q desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica, dividido por esa carga. Matemáticamente se expresa por:

Considérese una carga de prueba positiva, la cual se puede utilizar para hacer el mapa de un campo eléctrico. Para tal carga de prueba  localizada a una distancia r de una carga q, la energía potencial electrostática mutua es:

De manera equivalente, el potencial eléctrico es 

 = 

Ahora considérese una carga de prueba positiva   en presencia de un campo eléctrico y que se traslada desde el punto A al punto B conservándose siempre en equilibrio. Si se mide el trabajo que debe hacer el agente que mueve la carga, la diferencia de potencial eléctrico se define como:

El trabajo   puede ser positivo, negativo o nulo. En estos casos el potencial eléctrico en B será respectivamente mayor, menor o igual que el potencial eléctrico en A. La unidad en el SI para la diferencia de potencial que se deduce de la ecuación anterior es Joule/Coulomb y se representa mediante una nueva unidad, el voltio, esto es: 1 voltio = 1 joule/coulomb.

LINEAS EQUIPOTENCIALES

Una superficie equipotencial es el lugar geométrico de los puntos de un campo escalar en los cuales el "potencial de campo" o valor numérico de la función que representa el campo, es constante. Las superficies equipotenciales pueden calcularse empleando la ecuación de Poisson.

Por su parte las líneas equipotenciales son la intersección de las superficies equipotenciales en un campo, sobre estas líneas el potencial del campo es el mismo y las hallamos mediante ensayos de laboratorio.

MONTAJE EXPERIMENTAL

PROCEDIMIENTO GENERAL

1. Conecte las dos fuentes de poder en serie, y el multímetro tal y como se muestra en la figura 4... Asegúrese también que el voltímetro se encuentra en una escalade Voltaje DC (>40V)Fig. 4. Conexión en serie de las fuentes de poder para la experiencia.Verifique el voltaje que le llega a loselectrodos con el multímetro en la escala de voltaje.2. Conecte el cable negro (negativo) del multímetro interceptando el cable de conexión en serie de las dosfuentes de poder (estos dos cables permanecerán fijos durante esta primeraparte del experimento).3. Con el cable rojo (positivo) del multímetro, busque sobre el papel conductivo, un punto para el cual ladiferencia de potencial respecto al electrodo negativo sea un valor menor al voltaje aplicado (~20 voltios),por ejemplo 4 voltios; marque las coordenadas de este punto sobre la hoja de papel a escala 4. Busque otro punto cuya diferencia de potencial respecto al electrodo negativo sea aproximadamente lamisma (~4±0.2 voltios) y marque sus coordenadas en la hoja de papel a escala. Repita este paso, ubicandoal menos 8 puntos en la hoja de papel a escala.5. Ubicados los puntos sobre el papel, únalos trazando una línea continua, el resultado será nuestra primerasuperficie equipotencial.6. Teniendo en cuenta que las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales, dibujeen su hoja de papel a escala (utilizando otro calor) las correspondientes líneas de campo eléctrico.

1

2

RESULTADOS Y ANALISIS

Pregunta 1:De acuerdo a su sistema, ¿Dónde comienzan las líneas de campo y donde terminan?Respuesta: Las líneas de campo empiezan del electrodo positivo, cargado en 7.4v al negativo de la derecha con 0v ¿Si ellas están igualmente espaciadas en el comienzo, están igualmente espaciadas en el final?

Respuesta: Depende de la forma de los electrodos.. en la primera hoja se logra observar que si están espaciadas y cual aunque con signos contrario. En la hoja No.2 se logra visualizar que no son iguales. , ¿Qué hay del espaciamiento a lo largo del camino que separa al dipolo? Explique sus respuestas.Respuesta: Entre el dipolo se observan las líneas equipotenciales y las líneas del campo eléctrico que van perpendiculares a las líneas equipotenciales.Pregunta 2:¿Cuál es el potencial eléctrico aproximadamente en el punto medio entre los dos conductores? 3.0VPregunta 3:Midiendo el potencial eléctrico en varios puntos cercanos al punto medio entre los dos conductoresresponda: ¿Cuál es el valor aproximado del campo eléctrico en el punto medio entre los dos conductores?3.0V…HOJA1

CARGA INICIAL 7.4V

PUNTO 1 (2.62V) PUNTO 3 (3.32V) PUNTO 5 (4.823V)

-(23;17) -(15;14) -(13;7)-(23;18) -(15;14) -(13;8)-(23;19) -(15;14) -(13;9)

PUNTO2 (3.92V) PUNTO 4 (2.4V)

-(10;13) -(22; 6)-(10;14) -(22; 7)-(10;15) -(22; 8)-(10;12)HOJA2

CARGA INICIAL 7.4V

PUNTO 1 (5.02V) PUNTO 3 (3.6V)

-(5;12) -(22;14)-(4;18) -(21.5;17)-(2.6;14) -(21;16)-(2;14.5) -(21;15)

-(20;13.5)-(19.5;12.5)-(19;11)-(19;10)

PUNTO2 (3.9V) PUNTO 4 LOCALIZADO EN EL MEDIO DE LAS DOS CARGAS (3.0 V)

-(10;16) -(14; 10)-(10;17) -(14; 9)-(9;18.5) -(14; 8)-(9;19) -(14;7)-(10.5;14)-(10.5;12)-(10.5;10)

APLICACIONES

Desarrollo de prácticas para implementación de fuerzas en motores donde a partir del campo generado se aplica en turbinas, controles, generadores, circuitos eléctricos y electrónicos de sistemas operativos y de mantenimiento para elaboración y funcionamiento en aviones y demás aplicaciones de orden mecánico inducido.

Además para cálculos de diferencias en estructuras y mecanismos ocasionados por cambios externos o de medio ambiente que inciden en el desempeño óptimo mecánico eléctrico de partes fundamentales en diseño e ingeniería aeronáutica entre otras. (5)

REFERENCIAS

(1) FISICA PRACTICA, WEB DE INFORMACIÓN.

http://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php

(2) FISICA PRACTICA, WEB DE INFORMACIÓN.

http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/campo_electr.html

(3)WIKISPACES ENCICLOPEDIA

www.lafisicaparatodos.wikispaces.com/Potencial+Electrico

(4) WIKIPEDIA, la enciclopedia libre http://es.wikipedia.org/wiki/Potencial_eléctrico.

(5) Eisberg R. y Lerner L. “Física: Fundamentos y Aplicaciones” Vol I y II Ed.McGraw -Hill