Laboratorio de Física Universitaria 2 otoño 1998 Alicia M. Vázquez Soto. Campo Eléctrico

Transcripción

1 OBJETIVOS: Campo Eléctrico Entender el concepto de campo eléctrico Aprender como calcular el campo eléctrico asociado con las cargas que se distribuyen a través de un objeto Entender como las líneas de campo eléctrico pueden usarse para describir la magnitud y dirección del campo eléctrico en una pequeña región del espacio. INTRODUCCION: En esta práctica vamos a definir una cantidad llamada campo eléctrico que puede utilizarse para determinar la fuerza en una pequeña carga de prueba como resultado neto de la presencia de otras cargas. También vamos a definir las líneas de campo eléctrico, y la densidad de carga. Aprenderás a graficar líneas de campo eléctrico tomando en cuenta la dirección de las mismas. CAMPO ELÉCTRICO: Hasta ahora las fuerzas que hemos estudiado son el resultado de la acción directa o contacto de una pieza de materia con otra. A partir de tus observaciones directas de las esferas de prueba cargadas, es evidente que los objetos cargados pueden ejercer fuerzas eléctricas unas con otras a una cierta distancia. Por qué sucede esto? La acción a una cierta distancia que caracteriza las fuerzas eléctricas, o en su caso las fuerzas gravitacionales, es de alguna manera inconcebible para nosotros. Cómo puede una carga sentir la presencia de otra y detectar su movimiento con solo espacio vacío entre ellas? Aunque para la mayoría de la gente el hecho de que existan fuerzas que actúan a distancia sea inconcebible, los físicos creen que todas las fuerzas actúan a distancia.. En realidad los fisicos explican todas las fuerzas entre partículas, incluyendo las fuerzas de contacto, en términos de transmisión de ondas electromagnéticas. Por el momento vamos a considerar los intentos que Michael Faraday y otros hicieron en el siglo pasado para explicar como es que actúan las "fuerzas a distancia", ya que al entender estas primeras aproximaciones podremos desarrollas algunos modelos útiles para describir las fuerzas entre cargas en determinadas situaciones.

2 Para describir las acción a distancia, Michael Faraday introdujo la noción de un campo eléctrico que brotaba de un serie de cargas y se extendía hacia el espacio. En términos más formales sería: el campo eléctrico debido a un conjunto conocido de cargas se representa por un vector de campo eléctrico en cada punto en el espacio. Por lo tanto, el vector de campo eléctrico, E, se define como la fuerza, F, que experimenta una pequeña carga positiva que se encuentra en un punto en el espacio, dividido entre la magnitud de la carga q 0. Por lo tanto, el campo eléctrico está en dirección de la fuerza F, en una pequeña carga positiva y tiene la magnitud de F E = (1) En donde q o es la carga de una pequeña partícula de prueba. q o ACTIVIDAD 1. VECTORES DE CAMPO ELÉCTRICO EN UN VARILLAS CARGADAS POSITIVA y NEGATIVAMENTE. Para investigar la naturaleza vectorial de un campo eléctrico podemos usar una esferita de poli estireno, cubierta de papel aluminio y amarrada a un pedazo de hilo, con carga positiva (inducirle una carga positiva con una varilla de vidrio que haya sido frotada con un pedazo de seda o poliéster), como carga de prueba. Material : Esferita de prueba cubierta de papel aluminio. Varilla de vidrio Varilla de plástico Pedazo de seda o poliéster. Pedazo de piel o peluche. 1. Cargar la varilla de vidrio, y sostenerla en posición vertical, La carga en la varilla de vidrio es la fuete del campo eléctrico. 2. Sostén la carga de prueba del hilo y muévela alrededor de la varilla. 3. Fíjate en la dirección y magnitud de la fuerza e varios puntos alrededor de la varilla. 4. Cuál es la dirección y la magnitud relativa del campo eléctrico alrededor de la varilla? NOTA: Por convención los físicos siempre colocan la parte posterior del vector campo E en el punto de interés en el espacio, mas que en la carga que provoca el campo.

3 5. Realiza un diagrama cualitativo de algunos de los vectores del campo eléctrico que rodean la parte izquierda de la varilla, utiliza los puntos marcados. La longitud del vector debe indicar, aproximadamente, la magnitud relativa del campo y por supuesto la dirección del vector debe indicar la dirección del campo, por ejemplo; si el campo E es mas fuerte en un punto que en otro haz el vector más largo. No olvides poner el final del vector en el punto de interés, no en la varilla de vidrio. 6. Utiliza ahora una varilla de plástico para crear un campo eléctrico como resultado de la distribución de una carga negativa. Dibuja los vectores del campo eléctrico con magnitud y dirección. Superposición de Vectores del Campo Eléctrico: El hecho de que los campos eléctricos de cargas distribuidas en diferentes lugares actúan a lo largo de una línea entre la carga y el punto, de interés, en el espacio se conoce como linearidad. El hecho de que los vectores de campo debido a cargas en diferentes puntos en el espacio se puedan sumar se conoce como superposición. Estas dos propiedades: la fuerza de Coulomb y la de campo eléctrico, que se deriva de ella, son muy útiles para calcular el valor de campos eléctricos debidos a un conjunto de cargas puntuales en diferentes sitios. Esto puede lograrse encontrando el valor del vector campo E para cada carga puntual y utilizando el principio de superposición para determinar la suma vectorial de los vectores individuales del campo eléctrico. Líneas de Campo Eléctrico: Hasta ahora, hemos representado al campo eléctrico debido a la configuración de cargas eléctricas con una flecha con magnitud y dirección usando los principios de superposición y linearidad para determinar la longitud y dirección de la flecha para cada punto en el espacio. Esta es una representación convencional del "vector campo". Una representación alternativa involucra definir las lineas de Campo Eléctrico. A diferencia del vector de campo eléctrico que es una flecha con magnitud y dirección, las líneas de campo eléctrico son continuas. ACTIVIDAD 2: En esta actividad vamos a estudiar la formación de las líneas de Campo Eléctrico en diferentes situaciones. El campo eléctrico lo vamos a inducir por medio de la Máquina de Whimhurst en cuatro placas diferentes. En cada caso vamos a contar con una carga positiva y una negativa. Lo importante para cada caso es conocer el arreglo que adquieren las líneas de Campo Eléctrico y lo que sucede en las cercanías de las cargas.

4 Investigación previa: En un libro de texto investiga cual es la dirección de las líneas de campo eléctrico, que se conoce como densidad de carga, y cual es la dirección del campo en un punto dado. Material: Máquina de Whimhurst Soporte de acrílico Cuatro Placas diferentes. Varillas de latón (electrodos). Caimanes Aceite Semillas de Pasto 1. Coloca una placa en el soporte de acrílico. Coloca un poco de aceite suficiente para cubrir la placa. Cuál es la función del aceite? Explica 2. Coloca los electrodos en los orificios del soporte de acrilico y asegúrate de que estén bien colocados en el centro marcado de las placas. 3. Esparce un poco de semillas sobre el aceite de la placa. Precaución: Es importante que no sean muchas semillas, porque sino se dificulta ver la formación del Campo Eléctrico. Sin embargo debe haber suficientes semillas en toda la placa. 4. Conecta los electrodos con los caimanes a los electrodos de la máquina de Whimhurst. 5. Lentamente empieza a girar la palanca de la máquina de Whimhurst y observa lo que sucede. 6. Cambia la placa. Antes de quitar la placa desconecta los caimanes. 7. Realiza un diagrama para cada placa en el que se muestre el acomodo de las líneas de Campo Eléctrico. Dibuja cual sería la dirección de las líneas en cada caso (Arbitrariamente escoge una carga positiva y una negativa, pero respeta la dirección en el diagrama.) Explica que sucede en las cercanías de los electrodos, y señala la dirección del campo en un punto dado. Placa 1 Placa 2

5 Placa 3 Placa 4. NOTA: Al cambiar las placas límpialas bien, así como el soporte de acrílico.