UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMÉRICA)
CAMPO ELÉCTRICO EXPERIENCIA N° 3
CURSO
:
FÍSICA III LABORATORIO LABORATORIO
PROFESOR
:
RAMOS GUIVAR, Juan Adrián
HORARIO
:
SÁBADO 10:00 a. m. 12 12 m.
INTEGRANTES
:
–
–
CAJAHUARINGA GOMEZ, Alan Alexis PUCHOC YAUYOS, Paul Kevin TUEROS HUAPAYA, Diego Rafael ZEVALLOS NAVARRO, Marysabel Araccelli
15190185 15190205 17200099 17200096
Ciudad Universitaria, 24 de abril de 2018
ÍNDICE CAMPO ELÉCTRICO ..................................................................................................... 3
I.
OBJETIVOS ..................................................................................................... 3
II.
MATERIALES ................................................................................................. 3
III.
FUNDAMENTO TEÓRICO ........................................................................... 4
A.
Campo eléctrico ............................................................................................ 4
B.
Representación de un campo eléctrico: ...................................................... 5
C.
Intensidad de campo eléctrico ..................................................................... 6
IV.
PROCEDIMIENTO ......................................................................................... 8
V.
CUESTIONARIO. .......................................................................................... 11
VI.
SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES ........................................................ 13
VII. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................ 14
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CAMPO ELÉCTRICO I.
OBJETIVOS
II.
Calcular el valor de la diferencia de potencial entre dos puntos. Graficar las líneas equipotenciales de un campo eléctrico de un campo eléctrico entre dos configuraciones de carga vecinas (electrodos). Estudiar e identificar las características principales que pueda tener un campo eléctrico, a través de la experiencia. Calcular la intensidad media de un campo eléctrico.
MATERIALES
01 Cubeta de vidrio
01 Fuente de voltaje de CD
01 Voltímetro
02 Electrodos de cobre
01 Punta de prueba
02 Papeles milimetrados
04 cables de conexión
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III.
FUNDAMENTO TEÓRICO A. Campo eléctrico Un campo eléctrico es un campo de fuerzas creado por la atracción y repulsión de cargas eléctricas, las fuerzas ejercidas entre sí por las cargas eléctricas se deben al campo eléctrico que se genera al rodear a cada cuerpo que se encuentre sometido a alguna carga. El campo eléctrico presente en cualquier punto determinado se puede descubrir colocando una carga de prueba pequeña , en ese lugar, y observando si experimenta alguna fuerza.
Una carga de prueba es solo un sensor, es decir no produce el campo eléctrico que estamos tratando de medir, el campo se debe a otras cargas. La carga de prueba debe estar en reposo, ya que las cargas en movimiento experimentan fuerzas diferentes. El campo eléctrico reconocido por la letra , se puede definir midiendo la magnitud y dirección de la fuerza eléctrica ( ), que actúa sobre la carga de prueba.
Un campo eléctrico queda determinado por:
Intensidad en cada uno de sus puntos Líneas de fuerza o líneas de campo Potencial en cada uno de sus puntos
El cálculo del campo eléctrico lo podemos realizar con la siguiente fórmula:
= La magnitud de la intensidad de la fuerza eléctrica, por lo tanto, está dada por la ecuación:
= . 4
La fuerza de una carga eléctrica dentro de un campo eléctrico es mayor mientras mayor sea la intensidad de campo eléctrico, y mayor sea la misma carga. No obstante, tenemos que tener presente que un campo eléctrico no solo se ve determinado por la magnitud que pueda tener la fuerza que actúa sobre la carga de prueba, sino que también por el sentido que presenta el campo. Por tanto, los campos eléctricos se representan en forma de líneas de campo, que nos indicaran el sentido que presenta el campo.
B. Representación de un campo eléctrico: La representación de un campo eléctrico está representado o determinado por la forma geométrica de las cargas que generan el campo, al igual que por la posición que adoptan entre ellas. Las líneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la fuerza eléctrica. Al respecto, las siguientes imágenes muestran el campo eléctrico de una carga puntual positiva (izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha). Las líneas 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 leneas del campo (representado por las flechas) señala, de acuerdo a la convención establecida, el sentido de la fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeñas cargas puntuales en las imágenes); esto significa que las líneas 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 líneas de campo indica correspondientemente la intensidad del campo eléctrico; aquí esta decrece al alejarse de la carga puntual.
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Observemos ahora la representación de un campo eléctrico generado por dos cargas, observaremos el campo generado por dos cargas de igual signo y por dos cargas de diferente signo.
OBSERVACIÓN: Como veremos a continuación lo que sucede en un condensador de placas paralelas, entonces si se encontraran cargas positivas y negativas repartidas uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a frente, en paralelo, como lo es un condensador de placas paralelas, entre ambas superficies se generan líneas de campo eléctrico paralelo, como se muestra en la figura siguiente. Estas líneas de campo, al interior del condensador, son igual en todas partes, la intensidad de campo eléctrico de las placas es también igual en toda la superficie. Un campo eléctrico de esta naturaleza recibe el nombre de Campo Eléctrico Homogéneo .
C. Intensidad de campo eléctrico La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga eléctrica de prueba, se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza. Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico. La intensidad de campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que actúa sobre la unidad
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de carga situada en él. Si es la intensidad de campo, sobre una carga actuará una fuerza.
̅ = × 2 Para poder visualizar la intensidad y la dirección de un campo eléctrico se debe introducir o tener presente el concepto de líneas de fuerzas. Estas son líneas imaginarias que son trazadas tales que la dirección que tengan y su sentido en cualquier punto serán las del campo eléctrico en dicho punto. Estas líneas de fuerza deben dibujarse de tal manera que la intensidad de ellas sea proporcional a la magnitud del campo.
Sean dos puntos A y B en un campo electrostático tiene una diferencia de potencial , 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 eléctrico E debido a la carga . Otra carga + en cualquier punto del campo se soportara una fuerza. Por esto será necesario realizar trabajo para mover la carga + del punto a otro punto a diferente distancia de la carga . La diferencia de potencial entre los puntos de y en un eléctrico se define como:
= = + … (∝)
Donde:
: Diferencia de potencial entre los puntos y : Trabajo realizado por el agente externo +: Carga que se mueve entre y 7
Sabemos que:
+ + ̅ ̅ = ∫ . = ∫ . = ∫ ̅..cos(180°) = +.. De (
… ()
∝) y ():
= IV.
PROCEDIMIENTO Podemos decir que no existe instrumento alguno que permita medir la intensidad del campo eléctrico en las vecindades de un sistema de conductores cargados eléctricamente colocados en el espacio libre. Sin embargo, los conductores están en un líquido conductor, el campo eléctrico establecerá pequeñas corrientes en este medio, las que se pueden usar para tal fin. 1. Arma el circuito del esquema. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en la prueba.
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2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de echar la solución electrolítica, preparada anteriormente en un recipiente común. 3. Con el voltímetro, 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 quedarán definitivamente en la cubeta. 5. Situé una de las hojas de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio. Esta servirá para hacer las lecturas de los puntos de igual potencial que irá anotando en el otro papel.
6. Eche la solución electrolítica 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 voltímetro.
= 9
8. Seleccione un número de líneas equipotenciales por construir, no menor de diez. 9. Entonces el salto de potencial entre y línea será, en el caso de seleccionar diez líneas, por ejemplo:
∆ = ∆ 10 Y en general:
∆ = ∆ : el número de líneas En el caso de tener un número incómodo, redondee por el exceso o por defecto a un valor cercano cómodo. 10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos para los cuales la lectura del voltímetro 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, habrá Ud. determinado cada una de las superficies 2, 3, 4, 5
…
10
V.
CUESTIONARIO 1. Determine la magnitud del campo eléctrico entre las líneas equipotenciales. ¿El campo eléctrico es uniforme? ¿Por qué? Como sabemos, el campo eléctrico se puede determinar mediante la siguiente ecuación.
= Donde:
: Intensidad de campo eléctrico : Variación del potencial entre un punto A y un punto B, respectivamente, de una línea potencial.
: distancia entre las dos líneas equipotenciales. Líneas Equipotenciales
()
()
()
= ( ) (⁄)
1-2
4.00
4.40
0.020
20.0
2-3
3.63
4.00
0.020
18.5
3-4
3.40
3.63
0.015
15.3
4-5
3.15
3.40
0.015
16.7
5-6
2.78
3.15
0.020
18.5
6-7
1.96
2.78
0.060
15.0
7.8
1.56
1.96
0.024
16.6
8-9
1.40
1.56
0.012
13.3
9-10
0.58
1.40
0.030
27.3
Un campo eléctrico uniforme tiene la misma magnitud, dirección y sentido en todos los puntos del espacio, independientemente de la distancia, un ejemplo de ello ocurre con un par de placas planas y paralelas.
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Con los datos que se obtuvieron en la experiencia, podemos ver que el campo eléctrico es relativamente uniforme debido a las líneas paralelas generadas por el electrodo rectangular; sin embargo, cada electrodo origina un campo diferente entre sus puntos puesto que estos tienen formas diferentes. Podemos notar, entonces, que a medida que nos acercamos al cilindro, las líneas equipotenciales formadas por la placa empiezan a tomar una forma curva, lo cual generará esa variación de campo en los puntos que están en la zona media de nuestro plano. 2. En su gráfica, dibuje algunas líneas equipotenciales para el sistema de electrodos que utilizó. 3. ¿Cómo serían las líneas equipotenciales si los electrodos fueran de diferentes formas? Las líneas equipotenciales tendrían la forma de los electrodos que las generasen, ya que estos, al estar cargados, tienen mayor intensidad de campo eléctrico mientras más cerca se esté de ellos, lo que conlleva al seguimiento de la figura de los mismos. Por ejemplo, si un electrodo tuviera forma ondulada, las líneas equipotenciales que generaría tendrían, también, forma ondulada. Por eso, las líneas de la experiencia adoptan, por un lado, la forma semicircular del primer electrodo, y la forma plana del segundo electrodo. 4. ¿Por qué nunca se cruzan las líneas equipotenciales? Una línea equipotencial es aquella que está conformada por puntos cuyos potenciales siempre tienen el mismo valor. Observamos, en el papel milimetrado, que las líneas equipotenciales generadas por el electrodo rectangular son perpendiculares a las líneas del campo eléctrico, entonces paralelas entre sí. Por tanto, nunca se cruzarán. 5. Si Ud. imaginariamente coloca una carga de prueba en una corriente electrolítica ¿Cuál será su camino de recorrido? 6. ¿Por qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con las líneas equipotenciales cuando las cruzan? 12
7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrodo a otro es: 8. Siendo:
= − , el error absoluto de es:
9. El error relativo de la medida de E es: 10. ¿Qué semejanza y diferencia existe entre un campo eléctrico y un campo gravitatorio? 11. Si el potencial eléctrico es constante a través de una determinada región del espacio. ¿Qué puede decirse acerca del campo eléctrico en la misma? Explique.
VI.
SUGERENCIAS Y 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 Angulo 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. El campo eléctrico, su distribución y dirección se puede visualizar teniendo en cuenta la conformación de las líneas de fuerza. Las superficies equipotenciales son variables y esta se muestra de forma particular a medida que se avanza o desplaza el potencial o disminuye según la posición de las placas. El campo eléctrico está representado por las líneas de fuerza y va disminuyendo a medida que se acerca a la carga negativa. Se recomienda usar otros fluidos con mayor conductividad eléctrica para que el experimento tenga un mejor desarrollo.
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VII. BIBLIOGRAFÍA
LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. (2017). Lima, pp.18-22. Disponible en: https://unmsmmailmy.sharepoint.com/personal/jisidroj_unmsm_edu_pe/Documents/UN MSM/DAFI/GUIA%20de%20LAB%20FIII-2017-------2017nuevo.pdf?slrid=65a0619e-c08f-5000-8146-7ba5a0ca9932 [Acceso 25 de abril de 2018]. Laboratorio, C. (2018). Campo eléctrico Física Laboratorio. [online] Laboratoriosanmarcos.blogspot.pe. Disponible en: http://laboratoriosanmarcos.blogspot.pe/p/campo-electrico-fisicalaboratorio.html [Acceso 25 de abril de 2018]. Es.wikipedia.org. (2018). Campo eléctrico. [online] Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico [Acceso 27 de abril de 2018]. Hyperphysics.phy-astr.gsu.edu. (2018). Electric field. [online] Disponible en: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/electric/elefie.html [Acceso 27 de abril de 2018].
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