UTEC
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 02 CAMPO ELECTRICO Y SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES. 1.
OBJETIVOS 1) Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos) 2) Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos 3) Calcular la intensidad media del campo eléctrico 4) Familiarizarse con el software a utilizar durante las sesiones de laboratorio 5) Comprender y aplicar los procesos de configuración, creación y edición de experiencias en Física utilizando la PC y los sensores.
2.
MATERIALES - Computadora con programa LOGGER PRO instalado - Interface Vernier - Sensor de voltaje - Fuente de poder - Cubeta de vidrio - Electrodo móvil explorador - Juego de electrodos de cobre - Alambres conectores - Agua.
3.
FUNDAMENTO TEÓRICO Un cuerpo cargado eléctricamente causa alrededor de él un campo electroestático. Para determinar y medir dicho campo en un punto cualquiera es necesario introducir en las vecindades de dicho medio otro cuerpo cargado, (que llamaremos carga de prueba), y medir la fuerza que actúa sobre este. La carga de prueba q0 se considera lo suficientemente pequeña de manera que la distorsión que su presencia cause en el campo de interés sea despreciable. La fuerza que experimenta la carga q 0 en reposo en el punto P, en un campo eléctrico es:
F q0E
(1)
y el campo eléctrico en dicho punto P es:
E
F q0
La magnitud o intensidad de campo eléctrico en P se toma como
7
(2)
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
UTEC
E E
F q0
(3)
E
Figura 3.1. Representación del campo eléctrico para un carga puntual positiva. Líneas de campo salientes.
Q +
q0
F
E
Figura 3.2. Representación del campo eléctrico para una carga puntual negativa. Líneas de campo entrantes.
Q q0
F
ELECTRODO ANILLO
+
+
+
+ + +
+ + + +
+ +
-
-
p
+
-
-
E
-
ELECTRODO PLACA
Figura 3.3. Para visualizar la intensidad y la dirección de un campo eléctrico se introduce el concepto de líneas de fuerza. Las líneas de fuerza son líneas imaginarias que son trazadas de tal manera que su dirección y sentido en cualquier punto serán las del campo eléctrico en dicho punto. Estas líneas de fuerza deben dibujarse de tal forma forma que la intensidad de ellas sea proporcional a la magnitud del campo.
Dos puntos A y b en un campo electroestático tiene una diferencia de potencial V, 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.
8
UTEC
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
Sea un campo eléctrico E debido a la carga Q. Otra carga q+ en cualquier otro punto A del campo soportará una fuerza. Por esto será necesario realizar un trabajo para mover la carga q+ del punto A a otro B, de diferente distancia de la carga, según como vemos en la figura 3.4.
VA
q+ A
VB
B d +
Q
Fig. 3.4 La diferencia de potencial entre dos puntos A y B en un campo eléctrico se define como:
VAB VB VA
WAB q
(4)
donde: V AB : Diferencia de potencial potencial entre los puntos puntos A y B. W AB : Trabajo realizado por el agente externo. q+ : Carga que se mueve entre el punto A y B. En el SI, el trabajo se da en joule, la carga eléctrica en coulomb y la diferencia de potencial en voltios. Si el punto A es tomado muy lejos, la fuerza sobre la carga q + en ese punto será prácticamente cero, entonces la diferencia de potencial en el punto B es llamado potencial absoluto del punto B. El potencial absoluto de un punto en el campo eléctrico es el trabajo realizado para traer la carga q + desde el infinito hasta el punto en consideración. Es posible encontrar un gran número de puntos, todos con el mismo potencial en un campo eléctrico. La línea o superficie que incluye todos estos puntos es llamada línea o superficie equipotencial . Sabemos que B
B
B
WAB A F d l q A E d l q A Edl cos180 q Ed
(5)
Combinando las ecuaciones (4) y (5) podemos obtener una relación para la intensidad del campo eléctrico, en función de la diferencia de potencial entre los puntos A y B, así como la distancia que los separa “d”,
E
VB VA d
9
(6)
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
4.
UTEC
PROCEDIMIENTO
4.1. Medición del campo eléctrico Cabe hacer notar 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, si los conductores están en un líquido conductor, el campo eléctrico establecerá pequeñas corrientes en este medio, las que se pueden usar para tal fin.
4.1.1. Arme el circuito de la fig. 4.1. El sensor de voltaje mide la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en la punta de prueba
-
+
V
Figura 4.1. Esquema del circuito.
4.1.2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de echar la solución electrolítica, preparada previamente en un recipiente común. Utilice alguna de las configuraciones de la gráfica 4.2, que le mencionará su profesor
1
2
3
4
5
6
Figura 4.2 Esquemas de electrodos
10
UTEC
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
4.1.3. Antes de encender la fuente verifique la tolerancia del sensor de voltaje, se aconseja no superar los 6 voltios. Lo cual debe de hacer con el visor de la fuente antes de conectar el equipo
4.1.4. Con el sensor de voltaje mida la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto externo inferior del electrodo de prueba
4.1.5. 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 permanecerán definitivamente en la cubeta. Ver figura 4.3
Figura 4.3. Hoja de registro de datos
4.1.6. Sitúe 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
4.1.7. Vierta la solución electrolítica en el recipiente fuente de vidrio 4.1.8. 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 d el sensor de voltaje
Velec lectro trodos Velectrodo V elec lectr tro odo anillo
placa
Seleccione un número de 10 diferentes líneas equipotenciales 11
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
UTEC
4.1.9. Entonces el salto de potencial entre línea y línea será, en el caso de seleccionar V electrodos diez líneas, por ejemplo: V , y en general 10
V
V electrodos N
,
N el número de líneas.
En el caso de tener un número incómodo, redondee por el exceso o defecto a un valor cercano
4.1.10.
Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos para los cuales la lectura del sensor de voltaje permanece invariante. Anote lo observado y represente estos puntos en su hoja de papel milimetrado auxiliar
4.1.11.
Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo. Así habrá determinado cada una de las superficies equipotenciales: V 2, V 3, V 4, etc
4.1.12.
Complete la tabla 4.1, para la determinación de un alinea debe hacer 6 medidas y debe conseguir 3 líneas por zona. Tabla 4.1 Coordenadas por cada potencial
V 1 = V X Y
1 2 3 4 5 6 4.1.13.
V 2 = V X Y
V 3 = V X Y
V 4 = V X Y
V 5 = V X Y
V 6 = V X Y
Ahora ingrese los datos de la tabla 4.1 en Excel® realizando los siguiente
pasos
Selecciones los datos de las coordenadas que se analizará Con el cursor del mouse vaya a la ventana INSERTAR luego a GRAFICOS, luego a DISPERSION, seleccione DISPERSION SOLO CON MARCADORES y por ultimo le damos ENTER, ver figura 4.4
Figura 4.4. Pasos para realizar una gráfica en Excel®
12
UTEC
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
4.1.14.
Determine la magnitud del campo eléctrico en las líneas equipotenciales. ¿El campo eléctrico es uniforme? ¿Por qué?
4.1.15.
En su gráfica, dibuje algunas líneas equipotenciales para el sistema de electrodos que utilizó. ¿Cómo debe influir la forma del objeto que está cargado en la forma de las líneas equipotenciales?
4.1.16.
¿Por qué nunca se cruzan las líneas equipotenciales?
4.1.17.
Si fijáramos uno de los extremos del voltímetro en un solo punto durante toda la práctica. ¿Se podrán obtener las líneas equipotenciales al efectuar las mediciones?
4.1.18.
Si usted imaginariamente coloca una carga de prueba en una corriente electrolítica ¿Cuál será su camino de recorrido?
4.1.19.
¿Por qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con las líneas equipotenciales cuando se cruzan? Fundamente usted su respuesta
4.1.20.
El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrodo al otros es:
4.1.21.
Siendo E
V B V A
, el error absoluto de E es: ......... y el error relativo d de la medida de E es: ...........
4.1.22.
¿Qué semejanza y diferencia existe entre un campo eléctrico y un campo gravitatorio?
13
Laboratorio de Electricidad y Magnetismo
5.
UTEC
OBSERVACIONES 5.1. _______________________ __________________________________ ________________________ _________________________ ______________ __ _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___
5.2. _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___ _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___
5.3. _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___ _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___
6.
CONCLUSIONES 6.1 _______________________ __________________________________ ________________________ ___________________________ ______________ ______________________ _________________________________ ________________________ ________________________ _______________ ____
6.2 _______________________ __________________________________ ________________________ ___________________________ ______________ _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___
6.3 _______________________ __________________________________ ________________________ ___________________________ ______________ _______________________ __________________________________ ________________________ ________________________ ______________ ___
14
