Laboratorio de Física III – Campo Eléctrico
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I.
INTRODUCCION
En el presente informe
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II.
Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos). Calcular la diferencial de potencial entre dos puntos. Calcular la intensidad media del campo eléctrico. Estudiar las características principales del campo eléctrico.
III.
OBJETIVOS
MATERIALES
Fuente de voltaje de 6V.C. D Voltímetro Juego de electrodos de cobre Electrodo móvil explorador Cubeta de vidrio Agua(al ras de la superficie) Una cucharadita de sal común Alambres conectores 2 Papeles milimetrados
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IV.
FUNDAMENTO TEORICO
Puede definirse el campo eléctrico en un punto dado del espacio como la fuerza por unidad de carga que actuaría sobre una carga dada situada en dicho punto. Puesto que supone la medida de una fuerza, el campo debe ser una magnitud vectorial, que designaremos con el símbolo E. Consideremos desde este nuevo punto de vista la fuerza que actúa sobre una carga de prueba q situada en un punto dado del espacio, debido a la acción de otras cargas existentes en la región. F
qqi
1 4 0
r
2
r i
i
La fuerza que experimenta la carga q 0 en reposo en el punto P en un campo eléctrico es: F q 0 E
y el campo eléctrico en dicho punto P, es:
E
F qo
En la naturaleza la interacción que se da entre cargas en reposo se da por el medio del campo eléctrico. La presencia de una carga modifica las propiedades del espacio que rodea esas cargas. El campo eléctrico es el campo donde se manifiestan las atracciones o repulsiones sobre una carga eléctrica situada en cualquier punto del mismo. Estas acciones se deben a las fuerzas eléctricas que siguen trayectorias determinadas llamadas líneas de fuerza. Teóricamente el campo eléctrico es infinito, pero su intensidad va disminuyendo con la distancia. Para investigar las propiedades del campo generado por la carga q en cualquier punto arbitrario del espacio procedemos a elegir cargas de ensayo que debe de ser suficientemente pequeña de manera que la distorsión que su presencia cause sea mínima. Luego se investiga la interacción de la carga fuente q de campo, con la carga qn de ensayo respectivamente usando la Ley de Coulomb.
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V. 1.
CUESTIONARIO
Determine la magnitud del campo eléctrico entre las líneas equipotenciales. ¿El campo eléctrico es uniforme? ¿Por qué?. Para resolver esta pregunta utilizaremos la siguiente fórmula: E
Donde: E VA – VB d Línea 1 2 3 4 5
: : : Va(V) 5 4.4 4 3.4 2.8
V A
V B
d
Intensidad del campo eléctrico Potencial de un punto A y B respectivamente distancia entre dos líneas equipotenciales Vb(V) 4.4 4 3.4 2.8 2.2
d(m) 0,26 0,24 0,30 0,30 0,30
E(V/m) 2,3 1,7 2,0 2,0 2,0
El campo eléctrico es uniforme, si porque en cada punto de las líneas equipotenciales a una misma distancia el valor de la intensidad de campo no varía (salvo un par de medidas en las cuales el margen de error es pequeño, lo cual nos permite decir que es uniforme) y teniendo una única dirección en cada punto del campo.
2.
En su gráfica dibuje algunas líneas Equipotenciales para el sistema de electrodos que utilizó. La gráfica está adjunta a este informe.
3.
¿Cómo serían las líneas equipotenciales si los electrodos son de diferentes formas? En líneas generales, tendría la misma lógica que el experimento, primero las líneas equipotenciales adoptan la forma del electrodo positivo y estas mismas se irán deformando hasta conseguir las formas del electrodo negativo según teoría.
4.
¿Por qué nunca se cruzan las líneas Equipotenciales? La línea equipotencial es un conjunto de puntos cuyos potenciales siempre tienen el mismo valor. Consideramos dos líneas equipotenciales distintas V 1 y V2 tales que V1 > V2 supongamos que se cruzan en el punto P cuyo potencial es V0 entonces como P V1, se tiene que V 1 V0, y de igual forma P V2, es decir V2 V0, lo que quiere decir que V 1 V2, esto contradice la superposición inicial de V 1 > V2, por lo tanto las líneas equipotenciales nunca se cruzan. Laboratorio de Física III – Campo Eléctrico
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5.
Si usted imaginariamente coloca una carga de prueba en una corriente electrolítica ¿Cuál será su camino de recorrido? Su recorrido será a lo largo de las líneas transversales que transporta la carga.
6.
¿Por qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con las líneas Equipotenciales cuando las cruzan? Fundamente usted su respuesta. Ninguna de las líneas de fuerzas empieza o termina en el espacio que rodea la carga. Toda línea de fuerza de un campo electrostático es continua y empieza sobre una carga positiva llegando a una carga negativa en el otro. Como la energía potencial de un cuerpo cargado es la misma en todos puntos de la superficie equipotencial dada, se deduce que no es necesario realizar trabajo (eléctrico) para mover un cuerpo cargado sobre tal superficie. De ahí que la superficie equipotencial que pasa por un punto cualquiera ha de ser perpendicular a la dirección del campo en dicho punto. Las líneas de campo y de la superficie equipotencial son, en consecuencia, perpendiculares entre sí.
7.
El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrodo a otro es: Solución: El trabajo realizado por el agente externo sobre una carga entre los electrodos en cualquier trayectoria y misma dirección sera la misma magnitud. Por definición de trabajo, tenemos: V AB V A V B
W AB q
Como el E = campo eléctrico uniforme. Es que se cumple la formula anterior. Dato: q 1,6 10 19 C
Reemplazando datos: V 4.65-0.15=4.5V De aquí:
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W total q V 1,6 10
19
(4,5)
W total 7,2 10 j 19
8.
Siendo E
V B
V A
d
; el error absoluto de E es:
Es² Elm Es 0.005
1.04
3
E A
E A
2.16
n 1
E E A E S E 2.165
9. El error relativo de la medida E es: El error relativo es: E Error Re lativo E
E E
0.71
10. ¿Qué semejanza y diferencia existe entre un campo eléctrico y un campo gravitatorio? Semejanzas: Campo Eléctrico: El campo eléctrico es conservativo, el trabajo realizado por un agente externo para trasladar una carga de prueba de un punto a otro no depende de la trayectoria recorrida, sino solamente de las posiciones inicial y final. Si colocamos una carga de prueba dentro del campo eléctrico, esta experimenta una fuerza (de atracción o repulsión). El campo eléctrico puede representarse mediante líneas de fuerza saliendo de la fuente que lo genera (si tiene carga positiva); o entrando (si la carga es negativa) Campo Gravitatorio: También es conservativo. El W para mover una masa de prueba solo depende de las posiciones inicial y final. Si colocamos una masa de prueba dentro del campo gravitatorio (en un punto donde el campo no es nulo), esta también experimenta una fuerza, pero en este caso siempre es de atracción. El campo gravitatorio puede representarse mediante líneas de fuerza. Laboratorio de Física III – Campo Eléctrico
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Diferencias: Campo Eléctrico: se presenta sólo en cuerpos cargados eléctricamente, si un cuerpo no tiene carga, este no genera campo eléctrico. Campo Gravitatorio: Un cuerpo cualquiera necesariamente genera campo gravitatorio, aunque este no se pueda percibir en cuerpos de masa pequeña. 11. si el potencial eléctrico es constante a través de una determinada región del espacio.¿que puede decirse acerca del campo eléctrico en la misma ?explique Partamos de nuevo de un capacitor sin dieléctrico, pero ahora conectado en todo momento a una fuente que mantiene constante la diferencia de potencial V 0 entre las placas. La energía almacenada en esta situación es: U0
C0 V02 2
.
Cuando el dieléctrico ocupa el espacio entre las placas la carga en las placas se incrementa debido al trabajo realizado por la fuente para mantener la diferencia de potencial constante, de tal manera que la energía almacenada también se incrementa, UF EU0 .
Esto indica que si la lámina de dieléctrico está insertada parcialmente en el capacitor una distancia x, el trabajo para desplazarla una distancia dx estará asociada con el trabajo de la fuerza eléctrica debido a la interacción eléctrica entre las placas y el dieléctrico -dU, y el trabajo realizado por la fuente para mantener la diferencia de potencial constante entre las placas dWf , dW Fdx dWf dU.
El trabajo realizado por la fuente para desplazar un elemento de carga eléctrica dq cuando la diferencia de potencial es V 0, resulta: dWf V0 dq.
Por otra parte, el incremento en la energía asociado con el incremento en la carga en las placas, con el potencial eléctrico constante, es: dU
V0 dq 2
1 2
dWf .
Entonces el trabajo total resulta: dW Fdx 2dU dU
dW Fdx dU;
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por lo que la fuerza es: dU , dx V
Fx
en donde el subíndice V 0 indica que el potencial eléctrico permanece constante. 0
Cuando el dieléctrico se encuentra insertado parcialmente la energía almacenada es: Ux 1 E 1x / aU0 ,
y la fuerza sobre el dieléctrico es: Fx
d dx
1 E 1x / aU0 ,
Fx E 1
U0 a
,
en la dirección en que crece x. Esto significa que si se desea sacar al dieléctrico del interior del capacitor se debe contrarrestar a esta fuerza que trata de mantener al dieléctrico en el interior del capacitor.
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VI.
CONCLUSIONES:
Las líneas de fuerza que salen del campo eléctrico nunca se cruzan entre sí, debido a que para cada punto de la carga positiva de donde salen, le corresponde otro punto único y diferente de la carga negativa a la que llega. Las líneas de fuerza forman un ángulo recto con las líneas equipotenciales, ya que al ser las primeras paralelas a la superficie del cuerpo, es decir, salen tangencialmente a este, mientras que las líneas equipotenciales son perpendiculares al plano de la superficie, con lo que ambas líneas al cruzarse forman un ángulo recto. En un campo eléctrico uniforme, la magnitud de esta es constante a lo largo de todo punto del recorrido de la partícula, ya que el campo eléctrico es independiente de la trayectoria descrita. Para un cuerpo que se encuentra a una distancia infinitamente larga de una carga puntual, entonces el trabajo realizado para atraer dicho cuerpo hasta la carga puntual se denomina Potencial Absoluto. El campo eléctrico es una magnitud vectorial, ya que se encuentra en el ámbito de una campo vectorial, que se manifiesta en líneas de fuerza que tienen una dirección, magnitud y sentido. El potencial eléctrico relaciona en proporción directa la magnitud de campo eléctrico electrostático generado por cada carga con respecto a una carga puntual de referencia e inversamente proporcional a la distancia que separa dichas cargas.
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