Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

Campo Eléctrico Experiencia N°2 1.-

OBJETIVOS Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos). - Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos. - Calcular la intensidad media del campo eléctrico.

- Estudiar las características principales del campo eléctrico. 02.-MATERIALES 01 Cubeta de vidrio. 01 Fuente de voltaje de CD. 01 Voltímetro. 02 Electrodos de cobre. 01 Punta de prueba. 01 Cucharadita de sal.

Cubeta de Vidrio, Agua y Sal

Fuente 6 V

02 Papeles milimetrados. 04 Cables de conexión.

Punta de prueba

Juego de Electrodos de Cobre

3.-.

FUNDAMENTO TEÓRICO

Campo Eléctrico Las fuerzas ejercidas entre sí por las cargas eléctricas se deben a un campo eléctrico que rodea a cada cuerpo sometido a carga, y cuya intensidad está dada por la intensidad de campo E. Si ahora se encuentra una carga q dentro de un campo eléctrico (producido por otra carga), entonces actúa sobre la primera una fuerza F. Para la relación entre intensidad de campo y la fuerza es válida la fórmula:

E

F q

La magnitud de la intensidad de la fuerza eléctrica, por lo tanto, está dada por la ecuación:

F  qE

ava

12

edición

14

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

La fuerza sobre una carga eléctrica dentro de un campo eléctrico es mayor mientras mayor sea la intensidad del campo eléctrico, y mayor sea la misma carga. No obstante, el campo eléctrico no sólo se ve determinado por la magnitud de la fuerza que actúa sobre _ la carga, sino también por su sentido. Por tanto, los + campos eléctricos se representan en forma de líneas de campo, que indican el sentido del campo. La forma de un campo eléctrico está aquí determinada por la forma geométrica de las cargas que generan el campo, al igual que por la posición que adopten entre ellas. Las líneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la fuerza eléctrica. Al respecto, las siguientes imágenes muestran el campo eléctrico de una carga puntual positiva (izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha). Las líneas de campo se desplazan en este caso en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la carga. El sentido de las líneas de campo (indicado por las flechas) señala, de acuerdo a la convención establecida, el sentido de la fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeñas cargas puntuales en las imágenes); esto significa que las líneas de campo parten cada vez de una carga positiva (o del infinito) y terminan en una carga negativa (o en el infinito). La densidad de las líneas de campo indica correspondientemente la intensidad del campo eléctrico; aquí, ésta decrece al alejarse de la carga puntual. Si se encuentran cargas positivas y negativas repartidas uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a frente, en paralelo, como es el caso del condensador de placas planas paralelas, entre ambas superficies se generan líneas de campo eléctrico paralelas, como se muestra en la figura siguiente. Estas líneas de campo parten de la placa con carga positiva y terminan en la placa con carga negativa. Dado que la densidad de las líneas de campo, al interior del condensador, es igual en todas partes, la intensidad de campo eléctrico E de las placas es también igual en toda la superficie. Un campo eléctrico de esta naturaleza recibe el nombre de campo eléctrico homogéneo.

+ + + + + +

_ _ _ _ _ _

Nota: También en el exterior del condensador circulan líneas de campo entre las placas, las mismas que, no obstante, se "curvan" y no se tomarán en cuenta en lo sucesivo. Por esta razón, se prescindió de su representación. Un cuerpo cargado eléctricamente causa alrededor de él un campo electrostático. 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 prueba, y medir la fuerza que actúe sobre él. La carga prueba q 0 se considera lo suficientemente pequeña de manera que la distorsión que su presencia cause en el campo de interés sea despreciable. La fuerza que actúa la carga

q0 en reposo en el punto p en un campo eléctrico es: F  q0 E

Para visualizar la intensidad y la dirección de un campo eléctrico se introduce el concepto de líneas de fuerza. Estas son líneas imaginarias que son trazadas tales que su dirección y su sentido en cualquier punto serán los del campo eléctrico en dicho punto. Estas líneas de fuerza

ava

12

edición

15

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

deben dibujarse de tal manera que la densidad de ellas sea proporcional a la magnitud del campo.

Electrodo + + E + + +

+ +

+ E

E _

E_

_

_

_

_

E_

Electrodo Dos puntos A y B en un campo electrostático tienen una diferencia de potencial ΔV, si se E 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. E E 1

E

q

+

VA

VB 2 E

+

E

Q

E E E Sea un campo eléctrico

E debido a la carga Q. Otra carga q  en cualquier punto A del campo 

se soportará una fuerza. Por esto será necesario realizar un trabajo para mover la carga q del punto A a otro punto B a diferente distancia de la carga Q. La diferencia de potencial entre los puntos de A y B en un campo eléctrico se define como:

VAB  VB  VA 

WAB …………..(  ) q

Donde

VAB : Diferencia de potencial entre los puntos de A y B W AB : Trabajo realizado por el agente externo

q  : Carga que se mueve entre A y B Sabemos que: B

W AB   F .d l  q A

ava

12

edición



B

B

 E.d l  q  E.d l cos180 A



0

 q  Ed ………….(  )

A

16

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

De (  ) y (  ):

4.-

E

VB  V A d

PROCEDIMIENTO

Podemos decir 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. 1. Arma el circuito del esquema. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en la punta de prueba.

Fuente 6 V

+ _ Voltímetro

V Puntero

Electrodo

Cubeta

Electrodo

2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de echar la solución electrolítica, preparada anteriormente en un recipiente común. 3. Con el voltímetro, mida la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de prueba. 4. 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 quedarán definitivamente en la cubeta. 5. Situé 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. 6. Eche la solución electrolítica en el recipiente fuente de vidrio. 7. 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 voltímetro.

ava

12

edición

17

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

Velectrodos = Velectrodos - Velectrodos anillo

placa

8. Seleccione un número de líneas equipotenciales por construir, no menor de diez. 9. Entonces el salto de potencial entre y línea será, en el caso de seleccionar diez líneas por ejemplo:

Velectrodos , y en general. 10 Velectrodos V  N: el número de líneas N V 

En el caso de tener un número incómodo, redondee por el exceso o por defecto a un valor cercano cómodo. 10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos para los cuales la lectura del voltímetro permanece. Anote lo observado y represente estos puntos en su hoja de papel milimetrado auxiliar. 11. Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo, habrá Ud determinado cada una de las superficies V2, V3, V4, V5,….

5.-

CUESTIONARIO 1. Determine la magnitud del campo eléctrico entre las líneas equipotenciales. ¿El campo eléctrico es uniforme? ¿Por qué? 2. En su gráfica, dibuje algunas líneas equipotenciales para el sistema de electrodos que utilizó. 3. ¿Cómo serían las líneas equipotenciales si los electrodos fueran de diferentes formas? 4. ¿Por qué nunca se cruzan las líneas equipotenciales? 5. Si Ud. imaginariamente coloca una carga de prueba en una corriente electrolítica ¿Cuál será su camino de recorrido? 6. ¿Por qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con las líneas equipotenciales cuando las cruzan? 7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrodo a otro es: 8. Siendo

E

VB  V A , el error absoluto de E es: d

9. El error relativo de la medida de E es: 10. ¿Qué semejanza y diferencia existe entre un campo eléctrico y un campo gravitatorio? 11. Si el potencial eléctrico es constante a través de una determinada región del espacio. ¿Qué puede decirse acerca del campo eléctrico en la misma? Explique.

6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES

ava

12

edición

18