Septiembre 07, 2009

Código: FIS-1033-04

Laboratorio de Física electricidad

LINEAS EQUIPOTENCIALES Y CAMPO ELECTRICO

Abstract

In the second experience carried out was treated as a first step analysis the electric field

lines in a region troubled by two electrodes, but this equipotential lines were drawn in a

region consisting of two parallel plates then measuring the electric field at the midpoint

of this region using the equipotential lines. And finally were plotted equipotential and

field lines in a region of an electric field consisting of two concentric circles. With this

experience it was found that the field lines are always perpendicular to the

equipotential lines regardless of the region.

Resumen

En la segunda experiencia realizada se trato como medida inicial analizar las líneas de

campo eléctrico en una región perturbada por dos electrodos, pero para ello se trazaron

las líneas equipotenciales en una región constituida por dos placas paralelas para luego

medir el campo eléctrico en el punto medio de esta región haciendo uso de las líneas

equipotenciales. Y por último se trazaron líneas equipotenciales y de campo en una

región de un campo eléctrico constituido por dos círculos concéntricos. Con esta

experiencia se pudo comprobar que las líneas de campo son siempre perpendiculares a

las líneas equipotenciales sin importar la región.

Departamento de Física

©Ciencias Básicas Universidad del Norte-Colombia

Yesid Rafael Gutierrez Ávila

Email: yavila@uninorte.edu.co

Ingeniería Mecánica

Slahyden José Vides Villamizar

Email: slahydenv@uninorte.edu.co

Ingeniería Civil

1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS

En el presente informe tratamos de observar y estudiar las líneas de campo eléctrico en

una zona alterada por dos electrodos a partir del trazo de líneas equipotenciales. Se

estudiara específicamente dos tipos de regiones, una de ellas es cuando las líneas son

paralelas en la cual se va a medir el campo eléctrico en el punto medio de la región

entre las dos placas y la otra región se constituye por círculos concéntricos en la cual

se constituye por el interior de un dipolo. Se comprobara si efectivamente la relación

entre campo eléctrico y diferencia de potencial existe como lo describe la teoría dada

en clase.

2. MARCO TEORICO

2.1 Campo Eléctrico

Según el enfoque moderno, se sabe que una partícula cargada no emite una “atmósfera”

ni requiere de la intervención del medio para interactuar con otras cargas. La

descripción moderna de la interacción entre partículas está basada en el concepto de

campo, que desarrolló Michael Faraday hacia la década de 1830.

La distribución de valores sobre una región del espacio recibe el nombre de campo.

El campo eléctrico se puede expresar matemáticamente como:

rr

VE ˆ

, donde el término del numerador representa la diferencia de potencial

medida y el denominador representa la distancia medida.

2.2 Líneas de Campo Eléctrico

Una línea de campo eléctrico es una recta o curva imaginaria trazada a través de una

región del espacio, de modo tal que su tangente en cualquier punto que tenga la

dirección del vector de campo eléctrico en ese punto. El científico ingles Michael

Faraday fue el primero en introducir el concepto de líneas de campo y las llamo “líneas

de fuerza”, pero es preferible el término “líneas de campo”.

2.3 Campo Eléctrico Uniforme

Es aquel en el cual la magnitud y dirección del campo son las mismas en todos los

puntos.

2.4 Potencial Eléctrico

Un potencial es energía potencial por unidad de carga, se define el potencial V en

cualquier punto de un campo eléctrico como la energía potencial U por unidad de carga

asociada con una carga de prueba q0 en ese punto:

V = U / q0; U = q0V

El potencial es una cantidad escalar.

2.5 Líneas Equipotenciales

En las líneas de campo son curvas y en las líneas equipotenciales son superficies

curvas. Las superficies equipotenciales son planos paralelos perpendiculares a las líneas

de campo.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En esta experiencia se usa papel conductivo cuadriculado en centímetros con cuatro

diferentes configuraciones de electrodos dibujados con un bolígrafo de tinta

conductoras. Se busca medir el campo eléctrico a partir de dos líneas equipotenciales

muy cercanas y en segundo lugar trazar líneas equipotenciales a partir del trazado de

líneas de campo eléctrico.

3.1. Configuración del ordenador

1. Se conecto el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, se encendió el interfaz y

luego se encendió el ordenador.

2. Se conecto la clavija DIN del sensor de voltaje al Canal Analógico B del interfaz.

3. Se conecto la clavija DIN del amplificador de potencia en el Canal Analógico A del

interfaz. Se enchufo el cable de alimentación en la parte posterior del Amplificador

de Potencia. Se conecto el otro extremo del cable de alimentación a una toma de

corriente.

4. Se inicio Data studio.

3.2. Calibración del sensor y montaje del equipo.

Se realizo el montaje como se indica en las figuras 1.1 y 1.2

3.3. Toma de datos

Caso de las líneas paralelas:

Se realizo un montaje como indica la Figura 1.1.

1. Se introdujo un valor de 8 voltios DC en la fuente de poder (Power Amplifier)

2. Se fijo el electrodo negativo al terminal negativo de la fuente y se tomó como

referencia, en el sensor de voltaje para determinar el potencial en cualquier otro punto.

3. Se trazo en la hoja auxiliar un par de líneas con las mismas medidas que las de la

hoja conductora, la cual fue utilizada para marcar las coordenadas obtenidas en la

medición

4. Se tomó el terminal positivo del voltímetro y se desplazo sobre el papel conductor

hasta que el voltímetro registró tres (3) voltios. Se le indico a un compañero del grupo

la coordenada obtenida.

5. Se repitió el procedimiento anterior hasta encontrar sobre la hoja conductora otro

punto que también registro tres (3) voltios.

6. Se identifico sobre la hoja conductora otros puntos con el mismo potencial indicado

en el numeral tres hasta completar un total de 6 puntos. Se trato que los puntos no

quedaran muy unidos para obtener una distribución adecuada.

7. Obtenidos todos los puntos anteriores en la hoja auxiliar suministrada, se unieron con

una línea continua. Estas líneas son llamadas líneas equipotenciales. Se marco como

línea de 3 voltios.

8. Se repitió los pasos anteriores para potenciales de 1 y 5 voltios.

Medida aproximada del campo eléctrico en el interior de la región entre las placas

9. Se selecciono el punto central entre los electrodos, se coloco en ese mismo punto las

puntas de medición entregadas por el profesor. Se coloco de tal manera que una de las

puntas de medición quedara fija y la otra se pudiera mover. Se varío la posición de la

punta móvil hasta que se registro la mayor diferencia de potencial. Se anoto este

resultado.

10. Con una regla se midió la distancia entre los puntos marcados por la puntas.

11. Se calculo el campo eléctrico aproximado en ese punto sabiendo que el campo

eléctrico apunta en la dirección donde el potencial decrece con mayor proporción.

Caso de círculos concéntricos

12. Se realizo un montaje como indica la Figura 1.2

13. Para el montaje antes mencionado se repitió el procedimiento anterior desde el paso

1 hasta el paso 7 para los mismos voltajes pedidos.

4. DATOS OBTENIDOS

Figura 2: En la figura se puede apreciar las líneas equipotenciales y de campo en una

región de un campo eléctrico constituido por dos círculos concéntricos.

Figura 3: En la figura se muestra claramente las líneas equipotenciales en un campo

eléctrico generado por dos electrodos constituidos por dos líneas paralelas (placas

paralelas)

5. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS

Luego de efectuar las respectivas anotaciones y observaciones, lo cual se resume como

una toma de datos, se procedió a analizar estos mismos y de esta manera responder

preguntas de análisis como las que se presentan a continuación:

Pregunta 1: En la configuración de placas paralelas ¿en que dirección, con respecto a

las líneas equipotenciales, se midió la mayor diferencia de potencial? ¿en que dirección

apunta entonces el campo eléctrico?

De acuerdo a la figura 3 se puede decir que la dirección en donde se midió la mayor

diferencia de potencial con respecto a las líneas equipotenciales es en sentido hacia la

placa negativa. El campo eléctrico apunta en dirección desde la placa positiva hacia la

placa negativa.

Pregunta 2: Para ambas configuraciones, dibuje las líneas de campo a partir de las

líneas equipotenciales. Describa cualitativamente como están dispuestas estas líneas.

En esta grafica se puede apreciar que las líneas de campo están más próximas unas de

otras y se encuentran dirigidas hacia el electrodo negativo, pero también se infiere que

no son paralelas las líneas de campo por lo que tampoco rectas, lo que quiere decir que

el campo no es uniforme. En todo cruce de las líneas equipotenciales con las de campo,

las dos son perpendiculares.

A partir de esta grafica se puede deducir que las líneas de campo en el centro son rectas

y paralelas y están igualmente espaciadas excepto en los extremos de las placas y las

equipotenciales también son rectas y paralelas entre ellas excepto en los extremos de las

placas puesto que se curvan hacia afuera y perpendiculares a las líneas de campo.

Pregunta 3: ¿Cómo esta distribuido el potencial eléctrico en la región entre los círculos

concéntricos?

A partir de la grafica se puede inferir que el potencial eléctrico aumenta a medida que

se acerca a los electrodos siendo cero en la línea que se encuentra en el medio del

dipolo.

Responda las preguntas problematológicas.

1. ¿Qué significado físico tiene el hecho que las líneas equipotenciales estén

igualmente espaciadas?

Como la separación del las líneas equipotenciales indica la intensidad del campo

eléctrico, entonces si las líneas equipotenciales están igualmente espaciadas se puede

asumir que el campo eléctrico es constante (uniforme), es decir que su dirección y

magnitud es la mimas en todos los puntos.

2. Compare la información recogida por los demás grupos sobre el valor del campo

eléctrico en el centro de las placas, y establezca la relación entre la separación de las

líneas paralelas y la magnitud del campo eléctrico, en el centro de las placas.

Al comparar la información recogida por los demás grupos sobre el valor del campo

eléctrico en el centro de las placas se puede decir que entre mayor las líneas paralelas

menor era la magnitud del campo eléctrico en el centro de las placas.

6. CONCLUSIONES

A partir de los datos, observaciones y los análisis de los fenómenos físicos hechos en el

laboratorio se puede concluir que en cualquier campo uniforme las líneas de campo son

rectas y paralelas y están igualmente espaciadas, las líneas equipotenciales son paralelas

entre si y perpendiculares a las líneas de campo. Pero para todo campo ya sea uniforme

o no, las líneas de campo y las líneas equipotenciales son siempre mutuamente

perpendiculares. Además en una configuración de placas paralelas la mayor diferencia

de potencial con respecto a las líneas equipotenciales se encuentra dirigida hacia la

placa negativa al igual que el campo eléctrico. Otra conclusión importante es que la el

potencial eléctrico en una región entre círculos concéntricos aumenta a medida que se

acerca a los electrodos y se vuelve cero cuando se encuentra a lo largo de la línea que se

encuentra en medio del dipolo.

7. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

SEARS, Zemansky, Física Universitaria, Volumen 2

Serway, Raymond, Electricidad y magnetismo, 6ta edición, International Thomson

editores. S.A, México D.F, México, 2005

Dario Castro Castro y Antalcides Olivero Burgos, Física Electricidad para

estudiantes de ingeniería, notas de clase, Edición Uninorte.