2 009Marzo 12, 2009 Laboratorio de fsica Electricidad Departamento de matemticas y fsica Ciencias Bsicas Universidad del Norte Colombia

Camilo Riveros Manjarrez e-mail: riverosc@uninorte.edu.co

Jorge Ortega De la Rosa e-mail: iortega@uninorte.edu.co

Julio Vidal Pombo e-mail: vidalj@uninorte.edu.co

Resumen En el presente artculo se encontrara el estudio del campo elctrico y las lneas equipotenciales. El estudio realizado se basa en los resultados arrojados por el desarrollo de los experimentos o pruebas de laboratorio, las cuales ayudaron, una vez ms, a la correcta compresin de los fenmenos fsico-elctricos que presentan entre si las particular y/o cuerpos. Abstract

In this article you may find the study of the electric field and the equipotential lines. The study is based in the results provided by the development of the experiments o laboratory proofs, which helped, once more, to the correct comprehension of the physic-electric phenomenon that can particle or bodies can experience.

Campo elctrico y lneas equipotencialesFsica Electricidad - Informe de laboratorioIntroduccin

El campo elctrico es una caracterstica fsica que cada cuerpo posee y que provoca en cada instante de la vida todos los cuerpos poseen un campo sin importar que sea nulo o cero. A medida que pasa el tiempo nuestras vidas se ven aun ms sumergidas en la tecnologa que nosotros, la humanidad, hemos creado, la misma que nos ha permitido darle un sentido y una explicacin ms certera a cada una de las teoras que han surgido a travs del tiempo sobre las caractersticas que poseen los cuerpos, aunque para objeto de este informe son nicamente necesarios los medios para estudiar las caractersticas elctricas de las partculas, a continuacin nos dispondremos a darle respuesta y explicar de manera fcil y concisa el campo elctrico y las lneas equipotenciales, a travs de la experimentacin en un laboratorio Camilo Riveros Manjarrez Jorge Ortega De la Rosa adecuado para la e-mail: riverosc@uninorte.edu.co e-mail: iortega@uninorte.edu.co prctica de la teora que da sentido y explicacin a los fenmenos fsicos que presenciamos a cada da.

Julio Vidal Pombo e-mail: vidalj@uninorte.edu.co

Objetivos Generales Analizar las lneas de campo elctrico en una regin perturbada por dos electrodos, obtenidas a partir del trazo de las lneas equipotenciales. Especifico Trazar lneas equipotenciales en un campo elctrico generado por dos electrodos constituidos por dos lneas paralelas (placas paralelas). Medir el campo elctrico en el punto medio de la regin entre las dos placas paralelas haciendo uso de las lneas equipotenciales. Trazar lneas equipotenciales y de campo en una regin de un campo elctrico constituido por dos crculos concntricos.

Marco terico Lneas de campo Las lneas de campo elctrico son una cantidad vectorial e indican las trayectorias que seguiran las partculas positivas si se las abandonase libremente a la influencia de las fuerzas de campo, por ejemplo, una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas radiales, puesto que las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin de la lnea que las une a las cargas interactuantes, dirigidas hacia fuera debido a que las cargas mviles positivas se desplazaran en ese sentido, en pocas palabras serian fuerzas repulsivas. En el caso en que hubiese una carga puntual negativa en el mapa de lneas de fuerza, este seria anlogo al caso anterior pero las lneas de campo esta vez van dirigidas de la carga positiva a la carga central o negativa.

Campo elctrico Las cargas elctricas no necesitan de algn tipo de material para poder ejercer su influencia sobre otras, es por eso que las fuerzas elctricas son consideradas como fuerzas de accin a distancia, a esta fuerza de accin a distancia recibe el nombre de campo y cuando este campo de fuerzas es aquella regin del espacio donde se dejan sentir los efectos de fuerzas a distancia. De este modo el campo elctrico es aquella regin del espacio en donde deja sentir sus efectos producidos por una carga, es decir, si en un punto cualquiera del espacio en donde esta definido un campo elctrico se coloca una carga de prueba, se observara la aparicin de fuerzas elctricas, es decir, fuerzas de atraccin o repulsin.

Campo elctrico uniforme Un campo elctrico es uniforme cuando el modulo de direccin y sentido es constante. Cuando esto ocurre, las lneas de campo son rectas paralelas y las superficies equipotenciales son superficies paralelas entre si y perpendiculares a las lneas de campo como se muestra en el siguiente dibujo:

Donde las superficies equipotenciales son V1, V2, V3 y las lineas de campo son las flehcas perpendiculares a las superficies.

Potencial elctrico y diferencia de potencial El potencial elctrico esta dado cuando el campo elctrico es conservativo porque el trabajo realizado por las fuerzas del campo cuando una carga se traslada de un punto a otro, no depende del camino. El potencial elctrico en un punto dado, se puede definir como el trabajo que realizan las fuerzas del campo elctrico cuando la unidad de carga se traslada desde ese punto hasta el infinito. La diferencia de potencial elctrico entre dos puntos de un campo, representa el trabajo requerido para mover una unidad positiva de carga, desde un punto al otro contra la direccin del campo, fuerza o el trabajo realizado por la unidad de carga, que se mueve desde un punto al otro en la direccin de campo. Las cargas positivas se mueven de un punto potencial mayor a un punto de potencial menor.

Lneas equipotenciales Las lneas equipotenciales son intersecciones (perpendicularmente) de las superficies equipotenciales con el plano del dibujo. Una superficie equipotencial es el lugar geomtrico de un campo escalar donde el potencial de campo o valor numrico de la funcin que representa el campo, es constante, es decir, que son aquellas en las que todos sus puntos tienen el mismo potencial. Las lneas potenciales no pueden cortarse entre si, por tanto, las lneas de campo elctrico tampoco. Adems no tienen ninguna direccin definida, es decir, que

una carga de prueba situada sobre una lnea equipotencial, esta no tiende a seguirla, sino a avanzar hacia otras de menor potencial. Al contrario de las lneas de campo, las lneas equipotenciales son siempre continuas. No tienen ni principio ni final.

Procedimiento En esta experiencia se usa papel conductor cuadriculado en centmetros con cuatro diferentes configuraciones de electrodos dibujados con un bolgrafo de tinta conductora. Se busca medir el campo elctrico a partir de dos lneas equipotenciales muy cercanas, y en segundo lugar, trazar lneas equipotenciales a partir del trazado de lneas de campo elctrico.

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Configuracin del ordenador 1) Se conecta el interfaz Science Workshop ordenador, luego se enciende el interfaz y despus el ordenador. 2) Se conecta la lavija DIN del sensor de voltaje al canal analgico B del interfaz. 3) Se conecta la clavija DIN del amplificador de potencia en el canal analgico A del interfaz. Luego, se enchufa el cable de alimentacin en la parte posterior del amplificador de potencia. Posteriormente se conecta el otro extremo del cable de alimentacin a una toma de corriente. 4) Se da inicio al Data Studio 5) Luego se realiza el montaje

Toma de datos

1) Se introduce un valor de 8 voltios DC en la fuente de poder (power Amplifier). 2) Se fija el electrodo negativo al terminal negativo de la fuente y se toma como referencia en el sensor de voltaje para determinar el potencial en cualquier otro punto. 3) Se traza en la hoja auxiliar un par de lneas con las mismas medidas que las de la hoja conductora la cual ser utilizada para marcar las coordenadas obtenidas en la medicin

4) Se toma el terminal positivo del voltmetro y se desplaza sobre el papel conductor hasta que el voltmetro registre 3 voltios y se anotan los resultados en una hoja similar (fotocopia) a la que se estn tomando los datos. No apoyarse en la hoja conductora. 5) Se repite el procedimiento anterior hasta encontrar sobre la hoja conductora otro punto que tambin registre 3 voltios y as hasta completar un total de 6 puntos. Hay que tratar que los puntos no queden muy unidos, para obtener una distribucin adecuada. 6) Obtenidos todos los puntos anteriores en la hoja auxiliar suministrada, los unimos con una lnea continua. Estas lneas son llamadas lneas equipotenciales. La marcamos como lnea de 3 voltios 7) Se repiten los pasos anteriores para potenciales de 5 y 7 voltios

8) Se selecciona el punto central entre los electrodos y se coloca en ese mismo punto en las puntas de medicin. Las colocamos de tal manera que una de las puntas de medicin quede fija y la otra se pueda mover. Luego variamos la posicin de la punta mvil hasta que se registre la mayor diferencia potencial y por ultimo anotamos el resultado. 9) Con una regla medimos la distancia entre los puntos marcados por las puntas. 10)Se calcula el campo elctrico aproximado en ese punto, sabiendo que el campo elctrico apunta en la direccin donde el potencial decrece con mayor proporcin.

Datos obtenidos En el laboratorio estuvimos probando con distintos aparatos electrnicos y con la ayuda del programa Data Studio, gracias a estos logramos identificar en dos sistemas diferentes (el primero dos partculas puntuales y el segundo dos placas paralelas) varias lneas equipotenciales y la direccin del campo elctrico para cada caso. A continuacin presentamos los resultados obtenidos en la experiencia.

Para el primer caso donde tenamos dos partculas puntuales obtuvimos tres lneas equipotenciales de 3, 5 y 7 voltios que son las lneas ms grandes en el grafico. Las lneas de campo que hallamos fueron dos y estas son las que se encuentran de una carga a otra en la grafica D.O.1.

D.O.1

Para el segundo caso donde tenamos dos placas paralelas hallamos tambin tres lneas equipotenciales de 3, 5 y 7 voltios, estas son las lneas que pasan de un lado a otro la grafica, y por ultimo dos lneas de campo que se encuentran en el centro, estas lneas son perpendiculares a las placas y a las lneas equipotenciales. D.O.2.

Analisis de datos 1) En la configuracin de placas paralelas, en qu direccin, con respecto a las lneas equipotenciales, se midi la mayor diferencia de potencial?, en qu direccin apunta el campo elctrico?

R/ A medida que nos acercamos a la placa cargada positivamente las diferencias de potencial son mayores, en este caso la de 7 voltios est ms lejos de la placa negativa que las dems. Cuando hay lneas equipotenciales paralelas producidas por campos, la direccin del campo elctrico es perpendicular a estas como vemos en la figura D.O.2.

2) Para ambas configuraciones, dibuje las lneas de campo a partir de las lneas equipotenciales. Describa cualitativamente como estn dispuestas estas lneas. R/ Para el primer caso donde son dos cargas puntuales las lneas de campo estn en forma de parbolas como se ve en la figura D.O.1. y para el segundo

donde hay dos placas las lneas de campo estn sobre el eje de las Y. Para ambos casos las lneas de campo van de la carga positiva a la negativa.

3) Cmo esta distribuido el potencial elctrico en la regin entre los crculos concntricos?

R/ El potencial elctrico en el entre los crculos es el mismo en todos los puntos que tienen igual radio, es decir que una circunferencia concntrica a las otras y que est en el medio de estas, deber tener el mismo potencial en todos sus puntos.

4) Qu significado fsico tiene el hecho que las lneas equipotenciales estn igualmente espaciadas?

R/La Igualdad de separacin que hay entre cada lnea equipotencial quiere decir que entre una lnea y la otra, la diferencia de potencial es la misma, lo que quiere decir que las lneas equipotenciales tienen una separacin uniforme, de lo que se puede inferir que el campo elctrico es constante. La separacin de estas lneas, indican la intensidad del campo elctrico, entonces, entre menor sea la separacin, el modulo de campo es mayor.

5) Compare la informacin recogida por los dems grupos sobre el valor del campo elctrico en el centro de las placas y establezca la relacin entre la separacin de las lneas paralelas y la magnitud del campo elctrico, en el centro de las placas

R/ A medida que la separacin de las placas sea menor, el campo que actuar sobre cualquier punto situado en el centro de estas ser mayor. Matemticamente E = KQ/r2, si r (distancia de un punto en la placa al centro) disminuye el campo aumenta ya que estas variables son inversas.

Conclusin

En conclusin, por medio de cada uno de los experimentos desarrollados podemos hemos sido capaces de comprender de una forma an ms clara la dinmica de las lneas equipotenciales y del campo en si, gracias a la experimentacin conocemos claramente cul es el sentido de cada una de las leyes y definiciones referentes a los temas en especifico y logramos responder 5 preguntas bsicas conforme al anlisis de los datos obtenidos, y as decir con certeza que el campo elctrico de un cuerpo es aquella regin del espacio en donde deja sentir sus efectos producidos por una carga y que las lneas equipotenciales no pueden cortarse entre si, por tanto, las lneas de campo elctrico tampoco, adems no tienen ninguna direccin definida, es decir, que una carga de prueba situada sobre una lnea equipotencial, esta no tiende a seguirla, sino a avanzar hacia otras de menor potencial.

Referencias bibliogrficas

Libro de laboratorio de fsica elctrica. Ediciones uninorte. Fsica de Sears. Tomo 1 http://es.wikipedia.org www.fisicacreativa.com http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/teoria/A_Fra nco/elecmagnet/electrico/cElectrico.html