UNIVERISDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ CENTRO REGIONAL DE AZUERO FACULTAD DE INGENIERÍA ELECTRIA LICENCIATURA EN INGENIERÍA INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA ELECTROMECÁNICA
FÍSICA II
LABORATORIO # 1 “Regiones equipotenciales” equipotenciales”
GRUPO: 7IE122
INTEGRANTES: Humberto Delgado Vicente Martínez Yahir Ordóñez Catalino Vargas
Realizado el 9 de Abril de 2010 Entregado el 16 de Abril de 2010
PRIMER SEMESTRE
INTRODUCCIÓN En el presente presente laboratorio laboratorio trataremos sobre la región región equipotenc equipotencial ial de un campo eléctrico, que viene a ser un área en donde el campo eléctrico permanece constante por la influencia de dos polos que generan dicha región. Este Este proc proces eso o lo pres presen enta tare remo moss me medi dian ante te la util utiliz izac ació ión n de un pape papell electrónico que nos permite observar y plasmar en papel el comportamiento de un campo eléctrico en dicha región, dicha experiencia se realizo tres veces con tres polos distintos (Placa-Grapa, Placa-Placa, Grapa-Grapa). El primero lo realizaremos con los polos Grapa-Grapa, en el segundo se procederá con una grapa y una barra metálica (aquí se podrá observar que el campo eléctrico genera un voltaje mas alto en la placa por ser de mayor volumen que la grapa), y como ultimo intento se hace con un par de barras metálicas. Estos tres procesos nos dan como resultado tres expe experi rien enci cias as dist distin inta tass que que será serán n trat tratad adas as dura durant nte e el desa desarr rrol ollo lo del del laboratorio. La re reco copi pila laci ción ón de esto estoss dato datoss nos nos ayud ayudar ara a a darle darless re resp spue uest sta a a las las interrogantes que presenta la guía de laboratorio.
MARCO TEÓRICO Para que sea más fácil de entender el siguiente informe, creemos importante hacer una breve explicación de la teoría y términos básicos concernientes al tema. Comenzaremos entonces con una corta explicación de lo que son regiones equipotenciales.
Regiones o Superficies Equipotenciales
Una reg región ión equ equipo ipoten tencia ciall des descri cribe be el lug lugar ar geo geomét métric rico o de los pun puntos tos de un campo donde el potencial eléctrico tiene un valor constante. Estas superficies son tridimensionales, pero aquí las trataremos en un plano y por consecuente hablaremos de líneas equipotenciales. Estas líneas son en cualquier punto perpendiculares a la línea de campo, además, sobre estas líneas el potencial de campo es el mismo. Al trazar líneas equipotenciales debemos tener en cuenta que: 1. Las líneas de cam amp po eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales y señalan desde las regiones de potencial alto hacia las regiones de potencial más bajo. 2. El número número de líneas de campo campo eléctric eléctrico o asociadas asociadas con una distribució distribución n de cargas debe ser proporcional a la magnitud de la carga. 3. Las líneas líneas de campo campo eléctri eléctrico co no pueden pueden cruzarse. cruzarse.
Campo Eléctrico
El espacio que rodea a una carga eléctrica es asiento de un campo de fuerzas, porque dicha carga ejerce una fuerza sobre cualquier otra carga que se coloca en dicho espacio, este campo de fuerzas se denomina campo eléctrico. Una definición mas compleja seria: una región del espacio donde existe una dist di stri ribu buci ción ón de mag agni nitu tud d ya se sea a es esca cala larr o ve vect ctor oria ial, l, qu que e pu pued ede e se serr o no depe de pend ndie ient nte e de dell ti tiem empo po;; ad adem emás ás,, es un una a pr prop opie ieda dad d ca cara ract cter erís ísti tica ca de la lass partículas el cual requiere al menos un sistema cargado para poder iniciar su estudio. Relación entre las líneas de campo eléctrico y el campo eléctrico:
a. El campo campo el eléc éctr tric ico o es tangen tangente te a la línea línea de campo campo el eléc éctr tric ico o en cada punto. b. La ma magn gnit itud ud de dell ca camp mpo o el eléc éctr tric ico o es gr gran ande de cu cuan ando do la lass lí líne neas as es está tán n próximas entre si y es pequeño cuando las líneas están separadas. separadas . Matemáticamente, el campo eléctrico lo podemos expresar como:
Electrodos
Los electrodos son placas de membrana rugosa de metal, un conductor utilizado para hacer contacto con una parte no metálica de un circuito, por ejemplo un semiconductor,, un electrolito o el vacío en una válvula termoiónica y con un gas semiconductor en una lámpara de neón neón,, etc. La palabra electrodo fue acuñada por el científico Michael Faraday y procede de las raíces griegas elektron, que significa ámbar; y hodos, que significa camino. Un electrodo en una celda electroquímica se refiere a dos conceptos, ánodo o cátodo.. El ánodo es definido como el electrodo al cual los electrones llegan de la cátodo celda y ocurre la oxidación oxidación,, y el cátodo es definido como el electrodo en el cual los electrones entran a la celda y ocurre la reducción reducción.. Cada electrodo puede convertirse en ánodo o cátodo dependiendo del voltaje que se aplique a la celda. Un electrodo bipolar es un electrodo que funciona como ánodo en una celda y como cátodo en otra.
Potencial Eléctrico
El potencial eléctrico en cierto punto es la energía potencial que estaría asociada a una carga unitaria colocada en ese punto. Esa es la razón por la que el potencial se mide en joules por coulumbs, o volts. Además, hay que recordar que no tiene que existir una carga en un punto dado para que ahí exista determinado potencial eléctrico. En otras palabras más simples, el potencial eléctrico es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga unitaria “q” desde la referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza eléctrica. Matemáticamente, el potencial eléctrico lo podemos expresar como:
Energía Potencial Eléctrica
Una definición básica de energía potencial eléctrica sería la siguiente: cantidad de trabajo que se necesita realizar para acercar una carga puntual de masa nula con velocidad constante desde el infinito hasta una distancia “r” de una carga del mismo signo, la cual utilizamos como referencia. En el infinito la carga de referencia ejerce una fuerza nula. Matemáticamente la energía potencial eléctrica de un sistema formado por dos partículas de cargas “q” y “Q” situadas a una distancia “r” una de la otra, es igual a:
OBJETIVOS Fort Fortal alec ecer er el ente entend ndim imie ient nto o de ca camp mpos os eléc eléctr tric icos os,, líne líneas as de
1.
campo y su relación con superficies de potencial constante. Utilizar este entendimiento para determinar las propiedades de
2.
campos eléctricos de otras distribuciones de carga en dos y tres dimensiones. 3.
Trazar superficies equipotenciales. Visualiz Visualizar ar los mapas mapas de superficies superficies equipo equipotenc tenciales iales asociad asociados os
4.
con varias distribuciones de cargas simples. Vis Visualiz aliza ar
5.
cual cualiitativa tivame men nte
patro rone ness
de
camp ca mpo o
eléct léctrrico ico
asociados con ciertas ciertas distribuciones distribuciones de cargas. Describir la relación entre las líneas de campo eléctrico y los
6.
vectores de campo eléctrico
MATERIALES
Multímetro (voltímetro)
Fuente de voltaje
Electrodos de metal de diversas formas
Conectores
Papel carbón
Papel Electrónico
Cartón y hojas blancas
PROCEDIMIENTO
1. Sobre una hoja blanca, coloque el papel carbón y el papel
elec electr trón ónic ico. o. Aseg Asegúr úrel elos os para para que que no pued puedan an mo move vers rse, e, de ser ser necesario engrápelos. 2. Sobre la hoja electrónica se colocan los electrodos metálicos (placas
paralelas). 3. Conecte el circuito con la supervisión del profesor. 4. Ajuste la fuente a 10 V. 5. Con el terminal explorador se buscan los puntos de igual potencial.
uniendo estos puntos se obtendrá una línea equipotencial que en el espacio es una superficie equipotencial. 6. Dibuje las líneas equipotenciales para los siguientes electrodos: a. Electrodos plano – plano. b. Electrodos plano – puntual. c. Electrodos puntual – puntual. 7. Para cada caso repetir el procedimiento de 1 a 5. 8. Ca Calc lcul ular ar el ca camp mpo o eléc eléctr tric ico o me medi dio o en un punt punto o para para cual cualqu quie ierr
superficie equipotencial en todos los casos anteriores utilizando las gráficas y los cálculos matemáticos. 9. Indicar en cada bosquejo las líneas de fuerza, el valor del potencial y
el campo eléctrico. 10. Explique por qué las líneas de fuerzas son perpendiculares a las
líneas equipotenciales.
R: Las superficies equipotenciales son aquellas en las que el potencial toma un valor constante. Por ejemplo, las superficies equipotenciales creadas por cargas puntuales son esferas concéntricas centradas en la carga, como se deduce de la definición de potencial (r = cte). Si recordamos la expresión para el trabajo, es evidente que cuando una carga se mueve sobre una superficie equipotencial la fuerza electrostática no realiza trabajo, puesto que la ΔV es nula. Por otra parte, para que el trabajo realizado por una fuerza sea nulo, ésta debe ser perpendicular perpendicular al desplazamiento, por lo que el campo eléctrico (paralelo a la fuerza) es siempre perpendicular a las superficies equipotenc equipotenciales. iales.
relación hay entre la dirección dirección del campo eléctrico eléctrico y las líneas 11.¿Qué relación equipotenciales? Explique.
R: La dirección del campo eléctrico con respecto a una fuerza eléctrica es tangente en cualquiera de su trayectoria y las líneas equipotenciales son aquellas que forman una región donde los campos campos eléctricos eléctricos fluyen con voltaje voltaje constante. 12. En un punto donde no pasa la línea de fuerza, ¿cuál será el valor del
campo eléctrico?
R: Si consideramos la formula de campo eléctrico (E=F/Q), en la cual el campo es directamente proporcional a la fuerza e inversamente proporcional a la carga y nos presentan un modelo en donde las líneas de fuerza se anula en un punto, el campo eléctrico sufrirá el mismo efecto. Además en casos 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.
CÁLCULOS
Campo Eléctrico medio para una superficie equipotencial con electrodos Plano –Plano.
Campo Eléctrico medio para una superficie equipotencial con electrodos Placa – grapa.
Campo Eléctrico medio para una superficie equipotencial con electrodos grapa – grapa.
RECOMENDACIONES
•
Seguir indicaciones dadas por las guías y las sugerencias dadas por el profesor en el momento en que se va a realizar la experiencia
•
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Utilizar los instrumentos adecuados para la experiencia. Tener mucho cuidado en el momento de hacer la lectura o la medición para así evitar errores en el calculo
•
Tener a mano información acerca del tema para poder esclarecer las dudas que puedan darse.
ANEXOS
A continuación se muestra una pequeña explicación de cómo se debe armar el sistema.
Multimetro
Fuente de Voltaje
CONCLUSIÓN Para culminar con este interesante informe de laboratorio queremos hacer hincapié en los aspectos importantes de la experiencia. Fue Fue de gran gran inter nterés és para para todo odos, obser bserva varr exper xperim imen enttalme alment nte e el comp co mpor orta tami mien ento to del del ca camp mpo o eléc eléctr tric ico o a trav través és del del pape papell elec electr trón ónic ico. o. Consideramos que mediante este conocimiento logramos tener una mejor aceptación de otros objetivos de laboratorio como lo son: •
Adquirir un enfoque más claro de lo que representa una región equipotencial, ya que mediante la marcación de puntos en el papel electrónico nos percatamos de cómo el campo eléctrico se mantiene uniforme.
•
Observar que el comportamiento de una región equipotencial depe depen nde de los los polos olos a los cual cuales es se rige rige,, ya que que en la experiencia con la grapa y la placa, se observo claramente que dicha región disminuía en su voltaje cuando nos acercábamos al polo mas pequeño y del mismo modo aumenta cuando nos acer ac erca camo moss al polo polo má máss gran grande de.. Este Este co comp mpor orta tami mien ento to es explicable si consideramos que el volumen de la placa por ser mayor debe generar un campo eléctrico acorde a su s u tamaño.
