ASIGNATURA: Física Electromagnética TEMA DE LA PRÁCTICA: Relación Entre El Campo Eléctrico Y El Potencial Eléctrico OBJETIVOS. Observar experimentalmente la formación de líneas o superficies equipotenciales para diversas distribuciones de carga. Verificar experimentalmente la aparición de líneas de campo eléctrico para diversas distribuciones de carga y comprobar que ellas son mutuamente ortogonales con los perfiles de superficies equipotenciales. Establecer las características generales que poseen las líneas de campo y las líneas equipotenciales para un conjunto de electrodos dados. INTRODUCCION Esta guía de laboratorio va dirigida a estudiantes del área de Ingenierías, en la cual estudiaremos el concepto de campo eléctrico y la forma en que puede utilizarse para determinar la fuerza en una pequeña carga de prueba como resultado neto de la presencia de otras cargas, también estudiaremos las líneas de campo eléctrico, el gradiente del campo eléctrico, las superficies equipotenciales, y la densidad de carga, con base en los conceptos antes mencionados; el estudiante aprenderá a graficar las líneas de campo eléctrico y los perfiles equipotenciales teniendo en cuenta la dirección de las mismas, pero partiendo de los tipos de carga que se tengan. MARCO TEÓRICO. La fuerza eléctrica entre dos cargas esta dirigida a lo largo de la línea que une las dos cargas y depende inversamente del cuadrado de su separación, lo mismo que la fuerza gravitacional entre dos masas. Tal como la fuerza gravitacional, la fuerza eléctrica es conservativa, luego hay una función de energía potencial (U) asociada con ella. Si se coloca una carga q dentro de un campo eléctrico, su energía potencial es proporcional a la posición de la carga y al valor de q. Pero, la energía potencial por unidad de carga se denomina potencial eléctrico (V), es una función de la posición en el espacio donde esté colocada la carga y no del valor de la carga q. El cambio de energía potencial por unidad de carga (llamado diferencia de potencial dv) esta dado por: du dv E dl (1) q Si la carga se desplaza desde un punto a hasta un punto b, el cambio en su potencial eléctrico es: b Vab Vb Va E dl (2) La función V es llamada el potencial eléctrico o simplemente potencial entre los puntos a y b. Tal como el campo eléctrico estático, V es una función de la posición, con la diferencia que el potencial es una función escalar y el campo eléctrico estático es una función vectorial. Pero, ambas son propiedades del espacio que no dependen del valor de la carga. La Ecuación (2) (al igual que los voltímetros) sólo permite encontrar la diferencia de potencial entre dos puntos, más no los valores individuales V a o V b. Las superficies Equipotenciales, Líneas de fuerza o de Campo Eléctrico. Dada una configuración de cargas eléctricas distribuidas sobre un conductor existen conjuntos de puntos que están a un mismo potencial, es decir la diferencia de potencial entre dos puntos sobre una superficie es cero. Estos conjuntos de puntos conforman superficies denominadas superficies equipotenciales. Las líneas de fuerza. Son líneas imaginarias que describen, si los hubiere, los cambios en dirección de las fuerzas al pasar de un punto a otro. En el caso del campo eléctrico, puesto que tiene magnitud y sentido, se trata de una cantidad vectorial, y las líneas de fuerza o líneas de campo eléctrico indican las trayectorias que seguirían las partículas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas del campo. El campo eléctrico será un vector tangente a la línea de fuerza en cualquier punto considerado. Una carga puntual positiva dará lugar a un mapa de líneas de fuerza radiales, Figura (a). Pues la fuerza eléctrica actúa siempre en la dirección de la línea que une a las cargas que interactúan, y dirigidas hacia fuera porque las cargas móviles positivas se desplazarían en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del a
campo debido a una carga puntual negativa el mapa de líneas de fuerza sería análogo, pero dirigidas hacia la carga central Figura (b). Como consecuencia de lo anterior, en el caso de un dipolo, las líneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas Figura (c) y las Equipotenciales son concéntricas, formando 90 entre ellas(teoricamnet). Se dice por ello que las primeras son «manantiales» y las segundas «sumideros» de líneas de fuerza. MATERIALES Y EQUIPOS A UTILIZAR. 1. Maáquina de Wimshurst. 1. Cubeta. 1. Aceite de Recino y arina 1. Electrodos de diversa geometría. (dipolo, placas paralelas, anillos concéntricos) 1. Voltímetro digital con impedancia de entrada mayor a 10MΩ 1. Fuente de voltaje regulada DC (salida superior a 10 V y corriente Superior a 0,10 A) METODOLOGÍA A UTILIZAR PARTE 1. Experimentos Demostrativos para descargas controladas y péndulo electrostático 1. Utilizando un cascabel y un hilo arme un péndulo como el indicado en la figura 2. Cargue la Máquina de Wimshurst y describa lo que observa y dé una explicación física de lo sucedido. Grafique la situación observada y escriba sus análisis. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 1). Fig. 2: Péndulo Electrostático 2. Cargue la Máquina de Wimshurst y ubique una lámpara fluorescente entro los terminales la máquina como se ilustra en la figura 3. Grafique la situación observada y escriba sus análisis. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 2).
Fig. 2: Fluorescencia en una Lampara 3. Cargue la Máquina de Wimshurst y ubíquela en una zona oscura. Grafique la situación observada y escriba sus análisis. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 3). Fig. 3: Descarga Eléctrica 4. Cargue la Máquina de Wimshurst y ubique las terminales en una caja de Petri llena de aceite de Oliva como indica la figura 4. Arroje pequeñas semillas sobre el aceite. Grafique la situación observada y escriba sus análisis. Consigne sus resultados en el espacio asignado del informe del proyecto (Numeral 4). Fig. 4: Lineas de Campo electrico en un dipolo PARTE 2. Líneas de campo eléctrico para diferentes distribuciones de carga con la máquina de Wimshurst. 1. Se arma el montaje de la figura 5 y se utiliza los electrodos de la figura 1,2 y 3 en la cubeta con aceite para visualizar las líneas de campo eléctrico. Se debe obtener patrones de líneas de campo eléctrico como los indicados en la figura 5, 6 y 7. utilizando la harina.
Figura 5. Montaje experimental con la Maquina de Wimshurst Utilice papel milimetrado y colores color diferente para las líneas equipotenciales, otro para los electrodos (ó cargas) y otro para las líneas de campo eléctrico. Figura 6. Configuración para dos cargas puntuales con signos contrarios. Figura 7. Configuración para dos anillos concéntricos con signos contrarios.
Figura 8. Configuración para dos barras cargas con signos contrarios. PARTE 3. Determinación de las superficies equipotenciales para diferentes distribuciones de carga. Se arma el montaje de la figura 0. y se utiliza los electrodos de la figura 1,2 y 3 en la cubeta con agua para para visualizar las líneas equipotenciales. Figura 5. Montaje experimental con la Fuente de Voltaje Dos cargas puntuales con signos contrarios: 1. Implemente la configuración mostrada en la Figura 1, monte el papel conductor sobre la base de corcho y asegúrelo en las esquinas con los pines y conecte los electrodos a una fuente de voltaje regulada DC en el rango de 10 V a 20 V.
Figura 1. Configuración para dos cargas puntuales con signos contrarios. 2. Aplique una diferencia de potencial de 20 voltios entre los dos electrodos. Verifique el voltaje que le llega a los electrodos con el multimetro en la escala de voltaje. 3. Coloque el cable negro (negativo) del multimetro, con el negro (negativo) de la fuente (este dos cables permanecerán fijos durante esta primera parte del experimento), con el cable rojo (positivo) del multimetro, busque sobre el papel conductivo, un punto para el cual la diferencia de potencial respecto al electrodo negativo sea un valor menor al voltaje aplicado (20 voltios), por ejemplo 4 voltios; marque las coordenadas de este punto sobre la hoja de papel a escala que se le provee. 4. Busque otros puntos cuya diferencia de potencial respecto al electrodo negativo sea la misma (4 voltios) y marque sus coordenadas en la hoja de papel a escala que le provee. 5. Ubicados los puntos sobre el papel, únalos trazando una línea continua, el resultado será nuestra primera superficie equipotencial. El número de puntos para cada superficie o línea equipotencial deberá ser mínimo de 5 puntos. 6. Repita el procedimiento anterior para cuatro potenciales mas, digamos 8 V, 10 V, 12 V y 16 V. Dos barras cargadas con signos contrarios: 7. Implemente la configuración mostrada en la Figura 2. Figura 2. Configuración para dos barras cargas con signos contrarios. 8. Repita los pasos del 1 al 7. 9. Las superficies equipotenciales para esta configuración deben estar en otra hoja. Dos anillos concéntricos con signos contrarios: 10. Implemente la configuración mostrada en la Figura 4.
Figura 4. Configuración para dos anillos concéntricos con signos contrarios. 11. Repita los pasos del 1 al 7. 12. Las superficies equipotenciales para esta configuración deben estar en otra hoja. NOTA: En cada uno de los ítems presentados, se deben construir 5 líneas equipotenciales y 5 líneas de fuerza para cada una de las configuraciones. Cada línea debe estar constituida por suficientes puntos (mínimo 5), como para inferir su forma, trazando una curva suave sobre los puntos encontrados. CUESTIONARIO. El siguiente cuestionario posee los siguientes criterios de evaluación. El cual debe tener encuenta antes de responder sus preguntas. Criterio Nulo(N) Deficiente(N) Regular (R) Bueno (B) Excelente(E) Puntaje 0 20 50 80 100 No se responde la pregunta planteadada La redacción Expresa que no hay manejo de los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja regularmente los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja Bien los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja óptimamente los principios físicos 1. Explique el concepto de potencial en una descarga eléctrica
2. En que consiste el efecto corona? 3. Explique el proceso de ionización durante una descarga 4. Consulte que es un péndulo electrostático y explique los conceptos de fuerza y campo eléctrico. 5. Consulte que es una botella de Leyden y explique el concepto de capacitancia. 6. Qué es un campo escalar?
7. Qué es un campo vectorial? 8. Por qué el campo eléctrico es un campo vectorial? 9. Es el potencial electrostático también un campo?
10. Cuál es la relación geométrica entre las líneas de campo eléctrico y las superficies equipotenciales? 11. Explique en que consiste el efecto punta o efecto borde? 12. En par de electrodos (cargas puntuales, placas paralelas, anillos concentricos, cómo se puede visualizar el llamado Efecto Borde?
13. Qué relación existe entre el trabajo realizado sobre una carga y las superficies equipotenciales? 14. Qué tipos de capacitores están involucrado en cada uno de los electrodos usados en esta guía?
15. Explique la Ley de Gauss con los electrodos de anillos concéntricos. BIBLIOGRAFÍA RECOMENDADA. Resnick, Halliday, Krane, FISICA, Tomo II, 5ª. Edición. CECSA, 2002 S. Lea and J. Burke. PHYSICS, The nature of things Brooks/Cole Publishing Company 1997 P.M. Fishbane, S. Gasiorowicz, S. T. Thornton. PHYSICS For Scientist and Engineers, Prentice Hall, 1996. R. A. Serway, FISICA, Tomo II, 5ª. Edición.McGraw Hill, 2000.
INFORME DE LABORATORIO ESTUDIANTES: GRUPO: NOTA: CARRERA: Formule tres objetivos que desee cumplir con la Práctica de Laboratorio RESULTADOS
Dos cargas puntuales con signos contrarios (ANEXE HOJA DE PAPEL MILIMITRADO)
Dos barras cargadas con signos contrarios: (ANEXE HOJA DE PAPEL MILIMITRADO)
Dos anillos concéntricos con signos contrarios: (ANEXE HOJA DE PAPEL MILIMITRADO)
Análisis de Resultados: CUESTIONARIO El siguiente cuestionario posee los siguiente criterios de evaluación. El cual debe tener encuenta antes de responder sus preguntas. Criterio Nulo(N) Deficiente(N) Regular (R) Bueno (B) Excelente(E) Puntaje 0 20 50 80 100 No se responde la pregunta planteadada La redacción Expresa que no hay manejo de los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja regularmente los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja Bien los principios físicos La redacción Expresa que se Maneja óptimamente los principios físicos
1. Explique el concepto de potencial en una descarga eléctrica 2. En que consiste el efecto corona? 3. Explique el proceso de ionización durante una descarga 4. Consulte que es un péndulo electrostático y explique los conceptos de fuerza y campo eléctrico. 5. Consulte que es una botella de Leyden y explique el concepto de capacitancia.
6. Qué es un campo escalar? 7. Qué es un campo vectorial? 8. Por qué el campo eléctrico es un campo vectorial?
9. Es el potencial electrostático también un campo? 10. Cuál es la relación geométrica entre las líneas de campo eléctrico y las superficies equipotenciales? 11. Explique en que consiste el efecto punta o efecto borde?
12. En par de electrodos (cargas puntuales, placas paralelas, anillos concentricos, cómo se puede visualizar el llamado Efecto Borde? 13. Qué relación existe entre el trabajo realizado sobre una carga y las superficies equipotenciales?
14. Qué tipos de capacitores están involucrado en cada uno de los electrodos usados en esta guía? 15. Explique la Ley de Gauss con los electrodos de anillos concéntricos. CAUSAS DE ERROR Y ACCIONES PARA OBTENER MEJORES RESULTADOS:
CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA UTILIZADA