ESCUELA DE FÍSICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN LABORATORIO DE FÍSICA DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA N° 03
TEMA: POTENCIAL ELÉCTRICO
1. OBJETIVOS ✓ ✓ ✓
Aprender una técnica para medir el potencial eléctrico. Determinar las líneas equipotenciales equipotenc iales para una configuración configuració n de electrodos. electrodos . Comprobar algunas propiedades del potencial: En presencia de materiales conductores. conductores. En una trayectoria cerrada.
2. MATERIALES 2.1. Equipo por Grupo de Trabajo
1 Cubeta. 1 Fuente de voltaje DC (con cable de potencia). 1 Multímetro Multímetr o digital (con dos puntas de prueba). 2 Cables banana – banana (para la fuente). 1 Electrodo paralelepípedo rectangular. 1 Electrodo cilíndrico macizo. 1 Electrodo anular. 1 Paño limpiador. Hoja plastificada de potencial eléctrico Un borrador de lápiz.
2.2. Equipo para todo el Salón
Recipiente dispensador de agua. Recipiente para colectar aguas.
3. FUNDAMENTO TEÓRICO En el contexto de la Mecánica, un sistema físico tiene asociada una energía potencial gravitacional que depende de la distribución de las masas en el sistema y su valor está determinado por una función de la posición que se denomina función potencial gravitacional. De igual forma, un sistema eléctrico tiene asociada una energía potencial eléctrica, la cual se mide con relación a la distribución de cargas dentro del sistema. El valor de esta energía potencial está determinado por la función potencial eléctrico o simplemente potencial, que está dada por: b
V b V a K e
1
r dq a
3.1. Ejemplos A. Cascarón esférico con carga
Q distribuida
uniformemente y de radio
para
r R
V K e
para
r R
V K e
R
:
Q R Q r
Figura 1. Potencial eléctrico de un cascaron cargado
B. Hilo o filamento muy largo de longitud
L
y con una carga
Q distribuida
uniformemente Q :
L
V 2 K e ln r con r perpendicular
al hilo o filamento.
Figura 2. Potencial eléctrico de un hilo o filamento cargado Tanto para el caso gravitacional como para el eléctrico existen regiones del espacio en las cuales el potencial permanece constante; a estas regiones se les conoce como Superficies Equipotenciales y su forma está determinada, para el caso eléctrico, por
la distribución de carga del sistema. En el laboratorio es muy simple medir el potencial eléctrico, pues se realiza con un equipo denominado voltímetro o para el caso de que el equipo permita medir diferentes cantidades eléctricas se le denomina multímetro.
4. PROCEDIMIENTO 1) Coloque sobre la hoja plastificada la cubeta y ubique dentro de la misma los electrodos como lo muestra la hoja plastificada. 2) Trace con un lápiz sobre el fondo de la cubeta el contorno de cada uno de los electrodos, esto último con el objeto de tener una orientación para reubicar los electrodos en el caso de ser movidos. 3) Llenar el vaso metálico con agua y verter el agua en la cubeta. 4) Una con un cable el borne positivo de salida de la fuente con el electrodo en forma de barra y una con otro cable el borne negativo de salida de la fuente con el electrodo en forma de cilindro. 5) .Encienda la fuente, varíe su voltaje de salida hasta un valor igual a 12 V DC. 6) Seleccione en el multímetro el tipo de voltaje y su respectiva escala, enciéndalo y conecte los terminales del mismo como lo indica la pantalla (tenga en cuenta las indicaciones dadas en el primer laboratorio). 7) A modo de verificación de las conexiones, mida el voltaje entre los electrodos. Si este da muy diferente a lo que muestra la fuente, solicita la asesoría del monitor o profesor a cargo antes de continuar. 8) Para esta configuración de electrodos, grafique las líneas equipotenciales realizando el siguiente procedimiento: 8.1)
Ubique el terminal negativo del multímetro en un punto sobre el electrodo cilíndrico, y lo dejaremos allí durante todas las medidas ( Figura 4).
FIGURA 4. Midiendo el voltaje en la cubeta
8.2)
La otra terminal del multímetro ubíquela sobre el punto A de la hoja plastificada y anote el voltaje que mide el multímetro.
NOTA: Debido a la sensibilidad del multímetro haremos caso omiso de las centésimas de voltio, es decir no se tendrán en cuenta. Por lo tanto y a modo de ejemplo, todos los valores que se muestran a continuación se toman como 3,2 V : 3,20 V ≡ 3,21 V ≡ 3,29 V 8.3)
Ubique otro punto cerca al anterior con el terminal positivo del multímetro, tal que el voltaje registrado por el multímetro sea aproximadamente idéntico al anterior (hasta las décimas de voltio). Marque en el fondo de la cubeta la posición del terminal positivo.
8.4)
Repita el procedimiento anterior, cada vez que encuentre un punto donde el voltaje es idéntico al anterior lo marca, hasta llegar al otro lado del electrodo.
NOTA: Para definir correctamente la línea equipotencial se debe hallar puntos a ambos lados del punto inicial A, rodeando con puntos casi totalmente el electrodo en forma de cilindro. 9) Utilizando la anterior metodología encuentre otras cinco (5) líneas equipotenciales partiendo de los puntos: B, C, D, E y F. 10) Una vez terminado: retire las conexiones de la fuente, retire los electrodos, vaciar el agua de la cubeta en el lugar que se le indique y seque la misma teniendo el cuidado de no borrar los puntos marcados. 11) Con un lápiz una todos los puntos correspondientes a una misma equipotencial e identifíquela con el respectivo valor de su potencial. 12) Tome una foto del mapa de las líneas equipotenciales obtenido, descárguela al computador adjúntela al archivo HOJA DE RESPUESTAS. 13) Describa la forma geométrica de las equipotenciales cerca de cada uno de los electrodos. ¿Qué se puede concluir? 14) Describa la forma geométrica de las equipotenciales en la parte intermedia de la cubeta. ¿Qué se puede concluir? 15) ¿La forma geométrica de los electrodos influyen en la forma geométrica de las líneas equipotenciales? ¿Hasta dónde llega esa influencia? 16) Limpie completamente el fondo de la cubeta con un borrador de lápiz, pero antes asegúrese que la foto ya se encuentra adjunta a la hoja de respuesta. 17) Restaure todo el montaje inicial (colocar la hoja plastificada, verter agua a la cubeta, reubique los electrodos, coloque la fuente). Identifique unas cruces dibujadas en la hoja plastificada y márquelas en el fondo de la cubeta enumerándolas de izquierda a derecha comenzado con el número 1.
Mida la diferencia de potencial entre las cruces 1 y 2, luego entre la 2 y 3 y continúe en orden hasta cerrar la trayectoria llegando nuevamente a la 1. Tenga el cuidado que el borne positivo de la medida V 12 corresponde al borne negativo de la medida de V 23 e ídem para el resto de medidas. Sume todas las diferencias de potencial medidas. ¿Qué se puede concluir del resultado su suma? 18) Mida la diferencia de potencial entre diferentes puntos de dos (2) líneas equipotenciales. ¿Qué se puede concluir de este resultado? 19) Ahora adicione un electrodo con forma de aro entre los electrodos principales. 20) Con el multímetro mida la diferencia de potencial entre uno de los electrodos y el aro (utilizando varios puntos del mismo), Figura 5. ¿Qué puede afirmar del potencial electrostático sobre la superficie del conductor?
FIGURA 5. Midiendo el voltaje en la superficie de un conductor. 21) Repita el procedimiento con el otro electrodo. ¿Qué puede afirmar del potencial electrostático sobre la superficie del conductor? 22) Con el multímetro mida el potencial en la superficie del aro conductor ubicando la punta de referencia del multímetro sobre éste y tomando medidas respecto a otros puntos de su superficie. ¿Qué puede afirmar del potencial electrostático sobre la superficie del conductor? 23) Ahora, mida la diferencia de potencial entre varios puntos al interior del aro. ¿Qué puede afirmar del potencial electrostático al interior de un conductor?
NOTA: Al finalizar, apague la fuente y desconéctela. Retire las conexiones de la fuente, retire los electrodos, vaciar el agua de la cubeta en el lugar que se le indique, seque la misma y haga entrega de todo el material utilizado al monitor o profesor a cargo.
Antes de abandonar el laboratorio LLENAR LA HOJA DE RESPUESTA Y ENVIELA POR MOODLE USANDO EL RESPECTIVO ENLACE. Si sus respuestas están acordes con lo encontrado en el laboratorio y debidamente justificadas espere un buen resultado.
Documento elaborado por:
Esteban González Valencia Luis Ignacio Londoño Ramírez Tatiana Cristina Muñoz Hernández Universidad Nacional de Colombia Sede Medellín Última revisión: Julio/2015
ESCUELA DE FÍSICA UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA SEDE MEDELLÍN LABORATORIO DE FÍSICA DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA N° 03
TEMA: POTENCIAL ELÉCTRICO
GRUPO N° DOCENTE: MONITOR:
DÍA:
INTEGRANTES
HORA:
EQUIPO N°
1. 2.
NUMERAL 12. La foto de las líneas equipotenciales obtenidas, adjúntela en el siguiente recuadro.
NUMERALES 13, 14 y 15. Describa las líneas equipotenciales cerca del electrodo cilíndrico.
Describa las líneas equipotenciales cerca del electrodo paralelepípedo rectangular.
Teniendo en cuenta las dos anteriores descripciones, ¿cómo deberían ser las líneas equipotenciales cerca de un electrodo de forma triangular?
Generalice el anterior resultado.
NUMERAL 16. Trascriba los valores obtenidos en el numeral 16: V 12 = V 23 = V 34 = V 41 = _____________ ____________ ________
V Total =
¿Qué se puede concluir de este resultado? (No olvide despreciar las centésimas de voltios).
NUMERALES 20, 21, 22 y 23. Que se puede afirmar del potencial sobre la superficie de un conductor
