DENSIDAD DE CARGA Y CAMPO ELÉCTRICO I.
INTRODUCCION FALTA
II.
OBJETIVOS:
III.
Determinar la densidad y distribución de las cargas en un conductor de geometría conocida. Obtención de las líneas de campo y equipotenciales para diversas configuraciones puntuales de cargas eléctricas.
MATERIALES Y EQUIPOS:
Computadora personal Interface Science Workshop 750 Kit de materiales electrostáticos Electrómetro Probador de planos (aluminio) Cubeta de Faraday Esfera conductoras Fuente de voltaje electrostática Sensor de carga. Calibrador
Computadora personal
Interfase science workshop 750
Kit para mapeo de campo eléctrico
Electrómetro
Probadores planos (Aluminio)
Cubeta de faraday
Esferas conductoras
Sensor de carga
IV.
PARTE EXPERIMENTAL:
El primer paso consiste en configurar los equipos y accesorios para lo cual se tuvo que: conectar y encender el interface, ingresar al programa Data Studio y seleccionar sensor de carga calibrándolo con una frecuencia de muestreo de 50 Hz en rango predeterminado. En este mismo sensor se escogió la posición 1x en el switch de ganancia del sensor y en la opción medida en la ventana propiedades del sensor. Finalmente se generaron gráficas para los parámetros (voltaje y carga) y se conectó la fuente electrostática de voltaje a la red doméstica de 220V.
Primera actividad Se conectaron los terminales del sensor de carga a los cilindros interno (con cable rojo) y externo (con cable negro) de la cubeta de Faraday. Seguidamente pulsando el botón “Zero” se calibró a cero el sensor de carga
luego se conectó la terminal de +3000V de la fuente electrostática a una de las esferas usando el cable rojo y se encendió el interruptor de la fuente electrostática. Luego se ubicó la esfera cargada a 50 cm de la cubeta de Faraday, se midió el área del probador de aluminio y el área superficial de la esfera. Seguidamente se seleccionaron 10 puntos equidistantes sobre la superficie de la esfera para efectuar mediciones y se procedió a hacer contacto con la esfera cargada usando el probador de aluminio durante 30 segundos (el contacto debe de ser de manera tangente) y se inició la recolección de datos en el Data Studio. Después se introdujo el probador sin hacer contacto dentro de la cubeta de Faraday y se registró la magnitud y signo de la carga transferida por el probador (los pasos anteriores se repite para los 9 puntos restantes). Luego se calculó la carga total para la esfera cargada y el tipo de distribución. Finalmente se repitieron todos los pasos anteriores para una superficie conductora plana.
Segunda actividad Se encendió y conectó el electrómetro a la interface 750, generando adicionalmente en el Data Studio un medidor digital para la lectura de voltaje. Seguidamente se calibró a cero el electrómetro pulsando el botón “Zero” y se conectó la terminal de +30V de la fuente electrostática a uno de
las circunferencias señaladas sobre el papel (de referencia) mientras que la terminal negativa (tierra) debe hacer con la otra circunferencia de referencia, esta configuración se realiza para “dipolos opuestos”.
Finalmente se conectó y encendió la fuente electrostática a la red doméstica de 220 V (la salida a tierra del electrómetro se conectó a tierra de la fuente electrostática y el probador de color rojo se conectó al electrómetro en la terminal correspondiente). Seguidamente se dio inicio a toma de datos en el Data Studio y se anotaron las coordenadas sobre el plano que muestren el mismo voltaje en la lectura del medidor digital en las cercanías de ambos polos, luego se graficaron los puntos que fueron anotados. Finalmente se repitieron los pasos experimentales anteriores para el caso de dipolos de cargas de igual signo, placas planas, placas planas con conductor y fuente puntual.
V.
RESULTADOS:
PRIMERA ACTIVIDAD CON LA ESFERA FALTA HACER PRIMERA ACTIVIDAD CON EL CONDUCTOR PLANO FALTA HACER ESTO
FOTOS DE LA EXPERIENCIA
DATOS PIRATEADOS SEGUNDA ACTIVIDAD VOLTAJE Y COORDENADAS DE LA SEGUNDA ACTIVIDAD CON LA SUPERFICIE PLANA SIN GRAFICO VOLTAJE 30.5V COORDENADAS o (1,1) o (1,18) o (26,1)
VOLTAJE 10.5V COORDENADAS o (9,9) o (15,11) o (19,15) o (10,6)
VOLTAJE Y COORDENADAS DE LA SEGUNDA ACTIVIDAD CON LA SUPERFICIE PLANA CON EL CÍRCULO VOLTAJE 7,2V COORDENADAS o (15,11) o (12.9,10) o (14,9.2)
VOLTAJE 12,6V COORDENADAS o (16,12) o (12,12) o (12,8.5)
VOLTAJE 17V COORDENADAS o (10,13) o (10,8.4) o (10,9)
FOTOS DE LA EXPERIENCIA:
VI.
CUESTIONARIO:
1. En el experimento para medición de la densidad en una esfera. ¿Cómo se verificaría la conservación de la carga?, explique. Una de las forma de verificar la conservación de la carga sería cuantificar la carga que se induce o se consigue en una determinada superficie y luego compararla con la cantidad de carga que se traslada a otro cuerpo, por lo que de esta forma se podría saber si la carga se conservó (se mantuvo inalterable al pasar de una superficie a otra).
2. ¿De qué manera se obtendría una distribución no uniforme de carga, para el caso de un conductor esférico? Una de las formas sería colocar dentro del conductor esférico cuerpos tanto conductores como no conductores ya que estos cuerpos harán que se modifique la carga que se pueda distribuir en el conductor porque estos elementos tienen características determinadas que alteran la distribución de carga.
3. Explique de qué manera se podría calcular la carga total en una esfera dieléctrica de radio R si se sabe que su densidad de carga volumétrica es constante. Una de las formas sería utilizar la propiedad de conservación de la carga para lo cual se tendría que llevar la carga del la esfera dieléctrica a otra que no lo es y luego en esta nueva esfera recién se procedería cuantificar la carga total.
4. En la segunda parte de la primera experiencia, ¿De que manera sería diferente la densidad de carga si el papel conductor tuviese área infinita? Sería diferente ya que la densidad de superficie esta condicionada por la presencia o ausencia del campo eléctrico por lo que en una superficie finita el campo eléctrico tendrá mayor intensidad mientras que para una superficie infinita este campo tendrá un límite de acción, el cual estará relacionado directamente con el valor del campo E y con el valor de la densidad superficial.
5. ¿Es posible determinar la relación entre las distancias del probador plano al punto de carga y la densidad de carga?, explique. Si es posible ya que la carga en un determinado punto es directamente proporcional a la distancia desde donde se mida este punto (con respecto al punto de carga), además la densidad de carga es una relación que indica que la carga es directamente proporcional a densidad e carga pero inversamente proporcional al área de la superficie donde se encuentra ubicado el punto de carga.
6. ¿Cuál sería el efecto de remover una sección de papel conductor entre los electrodos para el caso de un dipolo de cargas opuestas? El efecto sería que en esa sección removida no se podría encontrar ninguna carga ni tampoco líneas equipotenciales ya que la falta de un medio adecuado de conducción no permite que se puedan observar estos fenómenos de carácter eléctrico.
7. ¿Cuál es la relación entre la dirección de máximo valor de gradiente de campo y una línea equipotencial en el mismo punto? La relación entre ambos valores se puede ejemplificar graficando el campo eléctrico y el potencial, como se pudo constatar en la experiencia (segunda actividad) el campo y la línea equipotencial en un determinado punto se cortan indicando esto que ambos comparte en ese punto una relación en común ya que ambos se autogeneran.
8. En el experimento del dipolo de cargas de igual signo, ¿Cuál es la distorsión ocasionada por el electrodo alrededor del perímetro del papel? La distorsión se puede observar es que las líneas equipotenciales tienen un cambio en su forma alrededor de los dipolos (un apretujamiento de las líneas), es decir su camino o trazo que seguían esta modificado a causa del electrodo alrededor del perímetro.
9. Usando el fundamento teórico visto para el caso del dipolo eléctrico, ¿Podría usted calcular el momento dipolar p, en las coordenadas (14;0), del papel gráfico proporcionado? Si se podría calcular el momento dipolar para lo cual se tendría que calcular primero la intensidad de fuerza que cada dipolo genera en la coordenada (14;0) para que luego se determine de acuerdo al tipo de dipolo (de signos opuestos o de signos iguales) la intensidad total y la dirección del momento dipolar en la coordenada (14;0).
10. Explique el procedimiento a seguir para calcular la diferencia de potencial entre dos puntos al interior de un capacitor de capas. Si en un circuito de corriente alterna se coloca un capacitor de capas la intensidad de corriente es proporcional al tamaño del condensador y a la velocidad de variación del voltaje en el mismo. Por tanto, por un condensador cuya capacidad es de 2 faradios pasará el doble de intensidad que por uno de 1 faradio. Cuando el voltaje es máximo no fluye intensidad, porque la velocidad de cambio de voltaje es nula. La intensidad es máxima cuando el voltaje es nulo, porque en ese punto la velocidad de variación del voltaje es máxima.
De los efectos indicados se deduce que si se aplica un voltaje alterno a una bobina o condensador ideales, no se consume potencia. No obstante, en todos los casos prácticos los circuitos de corriente alterna presentan resistencia además de autoinducción y capacidad, y se consume potencia. Esta potencia consumida depende de la proporción relativa de las tres magnitudes en el circuito.
VII.
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES: Se pudo determinar realizando las mediciones adecuadas la densidad y distribución de las cargas en un conductor de geometría conocida, así como también se pudo comprender detalladamente cómo se dan los distintos fenómenos. Se pudieron obtener las líneas de campo y equipotenciales para diversas configuraciones puntuales de cargas teóricas, así como se pudo comprender al detalle como se produce o genera un campo eléctrico. Se recomienda que en lo sucesivo se disponga de cables adicionales para realizar las conexiones necesarias entre los sensores y otros materiales (electrómetro, voltímetro, etc.) ya que como se pudo constatar, la falta de estos cables genera una demora sustancial en el desarrollo de la experiencia. Se recomienda que para próximos laboratorios, en la guía, se especifique un poco más sobre como armar los materiales para la obtención de las líneas de campo eléctrico para lo cual sería didáctico que se presenten más ilustraciones que permitan realizar un correcto armado de los instrumentos del laboratorio.
VIII. BIBLIOGRAFÍA:
Asmat, Humberto, “Física General III”, Cuarta edición, Lima – Perú,
Editorial de la U.N.I. Serway, FÍSICA – Tomo I, Editorial Interamericana de México Sears – Zemanski – Young, Física universitaria, F. Interamericano
Cromer, Alan. “Física para las ciencias de la vida”, Editorial Reverté.
Física general: Juan Gómez Figueroa
