Manual Manual de Prá Pr áctica cticass de Labo Laborato ratori o de F ísica I I I
CAMP CA MPO O EL CTR CT R I CO
Opta Optacia ciano no Vásque Vásquezz G.
2010
Universidad nacional “SANTIAGO ANTÚNEZ DE MAYOLO”
FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FÍSICA MANUAL DE DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO LABORATORIO DE FISICA III PRACTICA N° 02
“CAMPO ELÉCTRICO”
AUTOR:
M. Sc. Optaciano L. Vásquez García
HUARAZ - PERÚ 2010 25
Manual de Prácticas de Laboratori o de F ísica I I I
CAMPO EL CTRI CO
UNIVERSIDAD NACIONAL “SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”
CURSO: FISICA III
Optaciano Vásquez G.
2010
FACULTAD DE CIENCIAS DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA
PRACTICA DE LABORATORIO Nº 2. CODIGO: 082. 0904 .333 FECHA: 07/08/2010
APELLIDOS Y NOMBRES: HUANUCO HENOSTROZA Luis Abelardo FACULTAD: ING. CIVIL AÑO LECTIVO: 2010
ESCUELA PROFESIONAL: ING. CIVIL
GRUPO.......................
SEMESTRE ACADEMICO: 2010-I
NOTA..............................
DOCENTE: M. Sc. O taciano L. Vás uez García
FIRMA.....................................
CAMPO ELECTRICO
I.
OBJETIVO(S) 1.1. Determinar el campo eléctrico utilizando métodos experimentales 1.2. Determinar la relación entre el campo eléctrico y la diferencia de potencial en forma experimental. 1.3. Motivar en el alumno la importancia del estudio de la electricidad.
III.
MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL 2.1.
Campo eléctrico Si consideramos una carga o una distribución discreta o continua de carga, éstas originar en el espacio que lo rodea ciertos cambios físicos. Esto es, cada punto del espacio que rodea las cargas adquiere propiedades que no tenía cuando las cargas estaban ausentes, y esta propiedad que adquiere el espacio se manifiesta cuando se coloca cualquier otra carga de prueba q0 debido a la presencia de las otras cargas. Las magnitudes físicas que dependen de las otras cargas y son medibles en cada punto del espacio son: (a) La intensidad de Campo Eléctrico y (b) el potencial electrostático.
2.2.
⃗) Intensidad de campo eléctrico ( Si ubicamos una carga q0 en algún punto próximo a una carga o a un sistema de cargas, sobre ella se ejercerá una fuerza electrostática. La presencia de la carga q0 cambiará generalmente la distribución original de las cargas restantes, particularmente si las cargas están depositadas sobre conductores. Para que su efecto sobre la distribución de carga sea mínima la carga q0 debe ser lo suficiente pequeña. En estas condiciones la fuerza neta ejercida sobre q0 es igual a la suma de las fuerzas ⃗ en un punto del espacio se define como la fuerza individuales ejercidas sobre q0. El campo eléctrico eléctrica por unidad de carga de prueba, esto es
E ( x, y, z )
F ( x, y, z )
(q 0
q0
pequeña)
(1)
El campo eléctrico es un vector que describe la condición en el espacio creado por la distribución de carga. Desplazando la carga de prueba q0 de un punto a otro, podemos determinar el campo eléctrico en todos los puntos del espacio (excepto el ocupado por q). El campo eléctrico es, por lo tanto, una función vectorial de la posición. La fuerza ejercida sobre una carga de prueba positiva y pequeña está relacionada con el campo eléctrico por la ecuación.
F
q0 E
(2)
El campo eléctrico debido a una sola carga puntual q en la posición r se calcula a partir de la ley de Coulomb, obteniéndose
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E
Donde r es la distancia de la carga al punto P y
k
e
r
q r 2
er ˆ
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(3)
es un vector unitario el cual se dirige desde q hacia
q0. Si q es positiva el campo está dirigido radialmente saliendo de la carga mientras que si q es negativa el capo está dirigido entrando hacia la carga. Una descripción gráfica del campo eléctrico puede darse en términos de las líneas de campo, definidas como aquellas curvas para las cuales el vector campo eléctrico es tangente a ellas en todos los puntos. Estas líneas de campo están dirigidas radialmente hacia afuera, prolongándose hacia el infinito para una carga puntual positiva (figura 1a), y están dirigidas radialmente hacia la carga si ésta es negativa (figura 1b). En la figura 2, se muestra las líneas de campo para algunas configuraciones de carga
(a)
(b)
Figura 1. Líneas de fuerza: (a) de una carga puntual positiva, (b) de una carga puntual negativa Para trazar las líneas de campo debemos de considerar que: a) b) c) d)
Son líneas que no pueden cruzarse entre sí Deben partir en las cargas positivas y terminar en las cargas negativas, o bien en el infinito en el caso de cargas aisladas. El número de líneas de campo que se originan en una carga positiva (o negativa) es proporcional a la magnitud del campo eléctrico. La densidad de líneas en una región del espacio es proporcional a la intensidad de campo eléctrico existente allí.
Figura 2. Líneas de fuerza: (a) para un sistema formado por dos carg as del mismo signo, (b) para
un dipolo
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2.3.
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Diferencia de potencial eléctrico y potencial eléctrico. El estudio experimental del campo eléctrico se hace mediante el estudio y conocimiento del potencial eléctrico, para ello se observa que cuando una carga eléctrica q se coloca dentro de una región donde ⃗ (,,), la fuerza eléctrica actúa sobre la carga moviéndola a existe un campo eléctrico estático ⃗ (,,) . través de una trayectoria C que dependerá de la función vectorial
Figura 3. Trabajo realizado por el campo eléctrico de una carga +q sobre una carga q 0 El trabajo → realizado por la fuerza eléctrica sobre la carga q0 conforme ésta se desplaza de a hacia b a lo largo de la trayectoria curva viene expresado por.
Wab
b
a
F .dl
b
a
q0 E.dl
(4)
Debido a que la fuerza eléctrica es conservativa, entonces el trabajo puede expresarse en función d e la energía potencial. Es decir, la variación de energía potencial para este movimiento será
U B U A Wab q0
b
a
E.dl
(5)
La energía potencial por unidad de carga móvil es la diferencia de potencial el cual queda expresado como
V Vb Va
U q0
b
E ( x , y , z ).dl a
(6)
La función V es llamada el potencial eléctri co. Tal como el campo eléctrico, el potencial eléctrico es una función escalar que depende de la posición.
2.4.
V
Cálculo de la intensidad del campo eléctrico a partir de potenciales eléctricos. Si el potencial es conocido, puede utilizarse para calcular el campo eléctrico en un punto
P. Para esto,
⃗ (,,). El cambio en consideremos un pequeño desplazamiento en un campo eléctrico arbitrario el potencial es
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dV
E .d l
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E l dl
(7)
⃗ (,,) paralelo al desplazamiento. Entonces Donde E l es la componente del campo eléctrico E l
dV
dl
(8)
Si no existe cambio en el potencial al pasar de un punto a otro, es decir = 0, el desplazamiento es perpendicular al campo eléctrico. La variación más grande de V se produce cuando el
⃗ . Un vector que señala en la de la máxima variación de desplazamiento está dirigido a lo largo de una función escalar y cuyo módulo es igual a la derivada de la función con respecto a la distancia en ⃗ es opuesto al gradiente del dicha dirección, se denomina gradiente de la función. El campo eléctrico potencial V. Las líneas de campo eléctrico en la dirección de máxima disminución de la función potencial. La Figura 1 muestra lo antes mencionado.
Figura 1.
Obtención del campo eléctrico a partir del potencial
Si el potencial solo depende de x, no habrá cambios en los desplazamientos en las direcciones y o z, y
⃗ debe permanecer en la dirección x. Para un desplazamiento en la dirección x, d l por tanto, y la ecuación (5) se convierte en
dV ( x )
E .d l
E .dxi
E x dx
dxi
(9)
Por tanto E x
dV ( x )
dx
(10)
La ecuación (10) podemos escribirla en magnitud, y utilizando el concepto de diferencia finita, obteniendo una expresión para el campo eléctrico en el punto P, dada por
E x
V X
Esta aproximación puede considerarse cuando ∆ , es pequeño.
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(11)*
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III.
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MATERIALES Y EQUIPOS 3.1. 3.2. 3.3. 3.4. 3.5. 3.6. 3.7.
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Una fuente de tensión variable y de corriente continua CD Un voltímetro digital Una cubeta de vidrio Electrodos puntuales y planos Solución electrolítica de sulfato de cobre CuSO 4 Láminas de papel milimetrado ( debe traer el alumno) Cables de conexión
METODOLOGIA 4.1.
Intensidad de campo eléctrico de electrodos puntuales Q y -Q a) En una hoja de papel milimetrado trace un sistema de coordenadas rectangulares X-Y de tal b) c) d)
forma que resulten cuatro cuadrantes. Coloque la hoja de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio, haciendo coincidir el origen de coordenadas con el centro de la base de la cubeta como se muestra en la figura 02a. Vierta la solución de sulfato de cobre en la cubeta, en una cantidad tal que el nivel del líquido no sea mayor de 1 cm. Instale el circuito mostrado en la figura 02b. La fuente de voltaje deb e estar apagada.
(a)
(b)
Fig.ura 2. (a) I nstalación del papel milimetrado y los electrodos en la cubeta, (b) instalación del
equipo para determinar el campo eléctrico de un par de electrodos puntuales
e) Coloque los electrodos puntuales ubicados simétricamente sobre el eje X de tal manera que equidisten 10 cm uno del otro, quedando el origen en el centro de ambos electrodos.
Solicite la autori zación al docente o al auxiliar para hacer la conexión a la fuente de alimentación f) g) h)
Encienda la fuente de tensión estableciendo una diferencia de potencial ∆ de 5 V aproximadamente. Verifique este valor con el voltímetro. Utilice el par de punteros conectados al voltímetro para determinar la diferencia de potencial entre los puntos a y b separados una distancia d = 1 cm, con una altura “y” en el eje Y (figura 2).Tome la lectura del voltímetro Proceda a determinar las lecturas para cada uno de los valores de Y indicados en la Tabla I. Registrando las mediciones en la misma tabla.
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Datos experimentales para dos cargas puntuales
Tabla I. Y(cm) V(volts) E(v/m) 4.2.
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-8 0.11 11
-6 0.13 13
-4 0.16 16
-2 0.18 18
0 0.20 20
2 0.18 18
4 0.15 15
6 0.14 14
8 0.11 11
Intensidad de campo eléctrico de dos placas paralelas con +Q y -Q a) En una hoja de papel milimetrado trace un sistema de coordenadas rectangulares X-Y de tal forma que resulten cuatro cuadrantes.
b) Coloque la hoja de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio, haciendo coincidir el origen c) d) e)
de coordenadas con el centro de la base de la cubeta. Vierta la solución de sulfato de cobre en la cubeta, en una cantidad tal que el nivel del líquido no sea mayor de 1 cm. Coloque los electrodos planos ubicados simétricamente sobre el eje X de tal manera que equidisten 12 cm uno del otro, quedando el origen en el centro de ambos electrodos. Instale el circuito mostrado en la figura 3. La fuente de voltaje debe estar apagada.
Solicite la autori zación al docente o al auxiliar para hacer la conexión a la fuente de alimentación f)
g) h)
Encienda la fuente de tensión estableciendo una diferencia de potencial ∆ por ejemplo de 5 V aproximadamente. Verifique este valor con el voltímetro Utilice el par de punteros conectados al voltímetro para determinar la diferencia de potencial entre los puntos a y b separados una distancia d = 1 cm, correspondientes a la posición (, 0).Tome la lectura del voltímetro Proceda a determinar las lecturas para cada uno de los valores de “X” indicados en la Tabla II. Registrando las mediciones en la misma tabla.
Fig.ura 03. I nstalación del equipo para determinar el campo eléctrico de un par de electrodos
planos
Tabla II. X(cm) V(volts) E(V/m)
Datos experimentales para dos electrodos planos . -4 0.47 47
-3 0.48 48
-2 0.46 46
31
-1 0.46 46
0 0.48 48
1 0.47 47
2 0.47 47
3 0.47 47
4 0.48 48
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V.
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CALCULOS Y RESULTADOS. 5.1 Con los datos de las Tablas I y II y utilizando la ecuación (10)* proceda a obtener la intensidad de campo eléctrico en los puntos del eje coordenado correspondiente. E x
dV ( x )
E x
dx V X
El campo eléctrico en N/C será:
Para la tabla I:
Y= -8 cm se tiene:
E− =
0.11 = 11 (1). 10−
E− =
0.13 = 13 (1). 10−
E− =
0.16 = 16 (1). 10−
E− =
0.18 = 18 (1). 10−
E =
0.20 = 20 (1). 10−
E =
0.18 = 18 (1). 10−
E =
0.15 = 15 (1). 10−
E =
0.14 = 14 (1). 10−
E =
0.11 = 11 (1). 10−
Y= -6 cm se tiene:
Y= -4 se tiene:
Y= -2 cm se tiene:
Y= 0 cm se tiene:
Y= 2 cm se tiene:
Y= 4 cm se tiene:
Y= 6 cm se tiene:
Y= 8 cm se tiene:
Para la tabla II:
X= -4 cm se tiene:
E− =
0.47 = 47 (3.5 (4.5)). 10−
E− =
0.48 = 48 (2.5 (3.5)). 10−
E− =
0.46 = 46 (1.5 (2.5)). 10−
X= -3 cm se tiene:
X= -2 cm se tiene:
X= -1 cm se tiene:
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E− =
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0.46 = 48 (0.5 (1.5)). 10−
X= 0 cm se tiene:
E =
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0.48 = 48 (1.5 (0.5)). 10−
X= 1 cm se tiene:
E =
0.47 = 47 (1.5 (0.5)). 10−
E =
0.47 = 47 (2.5 (1.5)). 10−
E =
0.47 = 47 (3.5 (2.5)). 10−
E =
0.48 = 48 (4.5 (3.5)). 10−
X= 2 cm se tiene:
X= 3 cm se tiene:
X= 4 cm se tiene:
5.2 Graficar el campo eléctrico en función de Y o X para cada una de las configuraciones de electrodos utilizados.
Para la tabla I E(v/m) Y(cm)
11 -8
13 -6
16 -4
18 -2
20 0
18 2
15 4
14 6
11 8
CAMPO(E) vs Y 25
CAMPO(E)
20 18
18
16
15
15
14
13 11
11
10
5
EJE Y
0 -10
-8
-6
-4
-2
0
33
2
4
6
8
10
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Para la tabla II E(V/m) X(cm)
47 -4
48 -3
46 -2
46 -1
48 0
47 1
47 2
47 3
48 4
E vs X
CAMPO E
48.5
48
48
48
47.5 47
47
47
47
47
46.5 E= 0.066x + 47.11 46
46
46
45.5 -5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
EJE X
5
5.3 ¿Cómo es la variación del campo eléctrico a lo largo de una línea paralela al electrodo? El campo eléctrico es más intenso en la parte central, mientras más nos alejamos hacia el eje y en sentido negativo o positivo el campo va disminuyendo progresivamente. 5.4 ¿Cómo es la variación del campo eléctrico a lo largo de una línea perpendicular al electrodo? El campo eléctrico permanece casi constante en todo el eje x, esto se debe a que los electrodos planos hacen que haiga un campo constante. 5.5 Deducir teóricamente una expresión para el campo eléctrico en el eje Y de dos cargas puntuales Q y – Q ubicadas simétricamente en el eje X en los puntos (-a, 0) y (a, 0). De esta expresión y de los datos de la Tabla I, calcule aproximadamente el valor de Q que le corresponde a los electrodos puntuales. Como sabemos el campo está definido por:
E
k
q r 2
er ˆ
Luego el campo producido por la carga – Q será:
⃗ = (
( + + )
)
Y el campo producido por la carga +Q será:
⃗ = (
+
( + )
Luego el campo total será:
⃗ =
2 (
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+
)
)
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Luego aproximando Q para en valor absoluto:
Y= -8cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
1 1 = 9 ∗ 1 0
((10 ∗ 10−) + ( 8 ∗ 1 0−) ) Q = 1.28347E-11 C
Y=- 6cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
1 3 = 9 ∗ 1 0
((10 ∗ 10−) + ( 6 ∗ 1 0−) ) Q=1.14546E-11 C
Y= -4cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
1 6 = 9 ∗ 1 0
((10 ∗ 10−) + ( 4 ∗ 1 0−) ) Q=1.11054E-11
C
Y= -2cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
1 8 = 9 ∗ 1 0
((10 ∗ 10− ) + ( 2 ∗ 1 0−)) Q= 1.0606E-11 C
Y= 0cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
2 0 = 9 ∗ 1 0
((10 ∗ 10−) + ( 0 ∗ 1 0−)) Q=1.11111E-11
C
Y=2cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
18=9∗10
((10 ∗ 10−) + ( 2 ∗ 1 0−)) Q=1.0606E-11 C
Y= 4cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
15=9∗10
((1 0 ∗ 1 0−) + (4 ∗ 1 0−)) Q=1.04113E-11
C
Y= 6cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
14=9∗10
((10 ∗ 10−) + ( 6 ∗ 1 0−)) Q=1.23357E-11C
Y= 8cm
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0−
11=9∗10
((10 ∗ 10−) + ( 8 ∗ 1 0−)) Q=1.28347E-11
C
Luego el promedio o el valor más próximo de la carga Q será: Q=1.14777E-11
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C
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5.6 ¿Cuáles cree son las principales causas de fracaso en las experiencias que realizaste?
Tanto como los electrodos puntuales y los planos, no se colocaron precisamente a la distancia indicada en el manual de laboratorio, sino hubo un margen de error. Al momento de la instalación no haya coincidido exactamente el centro de origen de coordenadas del papel milimetrado con el centro de la base de la cubeta. Los electrodos puntuales y los planos no estaban fijo en el punto ubicado, sino que tendían a moverse y estar fuera de su lugar. No se utilizo correctamente los punteros que estaban conectados al voltímetro, puesto que debería de haber estado perpendicular a los puntos indicados; sin embargo no sucedió eso en algún instante.
5.7 Para el caso de dos cargas puntuales Q y – Q calcule el campo eléctrico en los puntos P (0,0) y Q (0,3)
De la pregunta 5.5 se tiene:
⃗ =
2 (
+
)
Para: (0,0):
= 9 ∗ 10
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0− ∗ 1.14777E 11
((10 ∗ 10− ) + ( 0 ∗ 1 0− ) ) E=20.65986 N/m
Para:(0,3):
= 9 ∗ 10
2 ∗ 1 0 ∗ 1 0− ∗ 1.14777E 11
((10 ∗ 10− ) + ( 3 ∗ 1 0− ) ) E=18.1546394 N/m 5.8 Para el caso de dos electrodos planos que llevan cargas Q y – Q calcule la fuerza eléctrica sobre una carga puntual q = 5 μC ubicada en el origen de coordenadas.
De la pregunta 5.7 se tiene que para (0,0) E=20.65986 N/m Luego la fuerza eléctrica será: FE= Q*E FE= 5 μ*20.65986 N FE= 0.000103299 N
5.9 Explique el significado de E V Si V=V(x, y, z) entonces E es un vector que indica la dirección de máximo crecimiento de V(x, y, z) ya que el negativo de ∇ V indica la dirección me máximo decrecimiento.
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CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS 6.1. CONCLUSIONES
1. Se pudo determinar que el campo eléctrico existe comprobándolo experimentalmente. 2. Se logro comprobar que el campo eléctrico es el negativo de la gradiente del potencial eléctrico.
----------------------------------------- ---------------------------------------- ------------------------------ ------------------------
La práctica se ha desarrollado satisfactoriamente.
Nos da un conocimiento más amplio del comportamiento del campo eléctrico presente en nuestra vida cotidiana.
El campo eléctrico se da en forma simétrica y equipotencial.
tener cuidado con lo cables que salen de la fuente voltaje evitando que estos cables hagan contacto porque pueden producir corto circuito y la fuente se puede malograr.
cuando coloque los electrodos, estos deben mantenerse la coordenadas fijas.
tener cuidado con los instrumentos de medida
tener cuidado con el galvanómetro evitando desviaciones bruscas de las agujas.
controle que el multimetro esté conectado como voltímetro y en el alcance adecuado
la profundidad de la punta exploradora debe ser la misma en todos los casos.
preste atención a las indicaciones y comentarios de los auxiliares de laboratorio para no dañar equipamiento.
I. CONCLUSIONES o
Se determino y estudio el campo eléctrico producido por algunas configuraciones de fuerzas y concluyendo que un campo eléctrico viene a ser aquella región del espacio en donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia.
II. SUGERENCIAS o
Tener mucha precaución al momento de manipular los equipos y materiales.
o
Verificar antes de iniciar el ensayo que los materiales y equipos estén en buen estado y calibrados para su correcto funcionamiento.
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o
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Es imprescindible seguir el procedimiento de la guía como se indica puesto que trabajar con cargas eléctricas puede resultar peligroso para el ensayador si no se toma las precauciones debidas.
o
Estar atentos a lo que sucede en la práctica porque un pequeño descuido llevaría al alumno a equivocarse.
III. BIBLIOGRAFÍA MEINERS, H, EPPENSTEIN:
“EXPERIMENTOS DE FÍSICA” Edit. Limusa, México 1970.
TIPLER, P
:
“FÍSICA GENERAL Y EXPERIMENTAL” Edit Reverte, España 1993.
SERWAY, R
:
“FÍSICA” Tomo I. Edit. Mc Graw Hill. México 1993.
G. L. SQUIRES
" FÍSICA PRACTICA" Edit. Mc Graw-Hill
VII.
BIBLIOGRAFÍA. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5.
GOLDEMBERG, J. Física General y Experimental . Vol. II. Edit. Interamericana. México 1972. MEINERS, H. W, EPPENSTEIN. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 1980 SERWAY, R . Física Para Ciencias e Ingeniería . Vol. II Edit. Thomson. México 2005, TIPLER, p. Física Para la Ciencia y la Tecnología. Vol. II. Edit. Reverte. España 2000. SEARS, E. ZEMANSKY, M. YOUNG,H. Física Universitaria, Vol. II. Edit. Pearson. México 205.
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