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Laboratorio de Ampliación de Física - E.T.S.I.I.
Curso 2007–2008
GUIÓN 5. CAMPO ELÉCTRICO EN LÁMINAS DÉBILMENTE CONDUCTORAS
Objetivos
En esta práctica se analiza el comportamiento del campo eléctrico en medios débilmente conductores.
En particular se estudia experimentalmente:
- la dependencia entre voltaje aplicado e intensidad en láminas de papel mojado,
- la resistencia de la lámina en función de su anchura y longitud,
- la distribución de líneas equipotenciales y de líneas de intensidad de campo eléctrico sobre la
lámina.
Materiales
Fuente de alimentación CC 30 V.
Voltímetro digital.
Amperímetro con escala de 2 mA o inferior.
Electrodos metálicos (2 pares).
Conectores varios.
Folios de papel
Recipiente con agua.
Flexómetro o regla.
Resistencia >1 MΩ.
Introducción
Si se moja con agua un folio de papel éste se hace débilmente conductor y al aplicar una tensión V
entre sus extremos se genera una corriente eléctrica de intensidad I. Si asumimos que el papel mojado
se comporta como un medio óhmico, el vector densidad de corriente es paralelo al vector campo
eléctrico en cada punto y la ley de Ohm Jfv = σ E se reduce a la expresión
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V = R⋅I
[1]
siendo R la resistencia de la lámina (ver referencia R1).
Sistema experimental.
El sistema experimental se esquematiza en la figura 1. Se conecta mediante dos electrodos metálicos
una fuente de alimentación de tensión regulable a una lámina de papel mojado de longitud l y ancho
d. Se coloca un amperímetro en serie y un voltímetro en paralelo con la lámina para medir la caída de
tensión y la intensidad de corriente simultáneamente. Uno de los terminales del voltímetro p puede
desplazarse sobre el papel o conectarse a un punto fijo.
Fig. 1
Procedimiento para medir voltaje e intensidad.
Para medir la caída de tensión en el papel y la intensidad que lo atraviesa se conecta los terminales
del voltímetro fijos a los electrodos y se utilizan simultáneamente voltímetro y amperímetro.
Procedimiento para medir las líneas equipotenciales y la distribución de corriente.
Para obtener líneas equipotenciales se
mueve el terminal p por el plano del
papel, marcando con cuidado puntos con
la misma caída de potencial. La unión de
puntos con igual caída de potencial
constituye una línea equipotencial. Las
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líneas de intensidad de campo son en cada punto perpendiculares a las líneas equipotenciales y
siempre perpendiculares a los electrodos. Las líneas de corriente coinciden con las líneas de campo.
En la fig.3 se muestra un ejemplo típico de líneas equipotenciales y líneas de campo. En la práctica es
conveniente obtener líneas equipotenciales separadas entre sí el mismo número de voltios.
Otras recomendaciones a tener en cuenta al realizar las medidas.
-
Mantener completamente mojado el papel por las dos caras, perfectamente pegado a la mesa, sin
arrugas y que no haya “charcos”.
-
Tras cada serie de medidas podría ser necesario volver a mojar, sobre todo en las zonas próximas
a los electrodos metálicos, y procurar que éstos se ajusten bien al papel mojado. No remojar en el
medio de una serie.
-
No realizar medidas con diferencias de potencial inferiores a 3 V.
-
La intensidad baja algo con el tiempo cuando las medidas se realizan en corriente continua.
-
Procurar que todas las experiencias se realicen con el mismo tipo de papel.
NUNCA DEBEN PONERSE EN CONTACTO LAS PLACAS METÁLICAS ENTRE SI
Actividad
En base a medidas de corriente frente a tensión estudiaremos si la ley de Ohm es aplicable al papel
y si la resistencia del circuito depende del ancho del papel, de la longitud de los electrodos y de la
separación entre electrodos. Marcaremos líneas equipotenciales sobre láminas de papel para
diferentes configuraciones de los electrodos y evaluaremos el campo y el potencial sobre las
láminas.
Toma de datos
1.
Caracterización geométrica de los electrodos.
1.1. Medir las longitudes d1 y d2 del lado más largo de los electrodos 1 y 2 (1 es el par de
electrodos más largos) y apuntarlas en tabla 1.1 (at. 1.1).
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2.
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Montaje y verificación del sistema experimental.
2.1. Montar el sistema experimental de la figura 1. Colocar los electrodos 1 sobre la lámina de
papel paralelos al lado más corto de la lámina y separados unos 15 cm . El conjunto de los
dos electrodos debe quedar aproximadamente centrado sobre la lámina. La escala del
amperímetro se debe ajustar para medir corrientes del orden de µA.
NO MOJAR EL PAPEL.
NO CONECTAR A LA RED LA FUENTE DE ALIMENTACION
Antes de conectar:
-
Realizar un esquema del sistema experimental real tal y como se ha realizado en el
laboratorio en el que se reflejen los detalles que se consideren relevantes (Esquema 2.1).
-
Comprobar con detenimiento que las conexiones se han realizado correctamente y se
ajustan al esquema de la figura 1.
3.
Avisar al profesor y no proseguir con las actividades hasta obtener su visto bueno.
Medidas de intensidad y determinación de líneas equipotenciales.
3.1. Mojar el papel uniformemente y por las dos caras. Colocar de nuevo los electrodos 1 tal y
como se detalló en 2.1 separados unos 15 cm. Medir la separación exacta l1 a la que
efectivamente se han situado los electrodos (at3.1). Conectar a la red el sistema y medir la
intensidad de corriente para 8 valores de voltaje de la fuente en el intervalo de 3 a 24 V (p.ej.
3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 y 24). Desconectar.
3.2. Retirar los electrodos 1 y colocar sobre la misma lámina de papel los electrodos 2 de forma
similar (paralelos al lado corto de la lámina y separados 15 cm). No remojar el papel. Medir
la separación exacta l2 entre electrodos (at3.2). Conectar a la red el sistema y medir la
intensidad de corriente para 8 valores de voltaje de la fuente en el intervalo de 3 a 24 V (p.ej.
3, 6, 9, 12, 15, 18, 21 y 24). Desconectar.
3.3. Puede ser necesario remojar el papel. Marcar con lápiz la posición de los electrodos sobre la
lámina. Conectar de nuevo el sistema y seleccionar un voltaje de 15 V. Utilizando uno de los
terminales del voltímetro, rastrear sobre la superficie de la lámina de papel la posición de 4
líneas equipotenciales (en incrementos de 3 V: 3, 6, 9 y 12). Basta con marcar con lápiz
sobre el papel cuatro o cinco puntos representativos por cada línea. Desconectar.
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3.4. Colocar los electrodos 2 paralelos y separados unos 15 cm sobre otra lámina de papel
mojado. Fijar un voltaje de 15 V. Conectar a la red el sistema y medir la intensidad de
corriente para 8 valores de la separación entre placas l (p.ej. 15, 12, 10, 8, 6, 5, 4 y 3) (at3.4).
Desconectar.
NUNCA DEBEN PONERSE EN CONTACTO LAS PLACAS METÁLICAS ENTRE SI
3.5. Montar sobre la lámina de papel que queda una configuración en la que un electrodo largo y
otro corto están orientados perpendicularmente (formando una especie de T pero sin estar en
contacto) con una distancia mínima entre ellos de unos 3 cm. Marcar la posición de los
electrodos sobre la lámina. Conectar a la red el sistema y seleccione una diferencia de
potencial de 15 V. Marcar 4 superficies equipotenciales en incrementos de 3 V (3, 6, 9 y 12).
Desconectar.
Tratamiento de datos
4.
Representaciones gráficas y trazado de la líneas equipotenciales y líneas de campo.
4.1. Realizar una representación gráfica de ∆V frente a I para los datos de las tablas 3.1 y 3.2.
(gr4.1). Trazar a ojo la recta de mejor ajuste para cada serie. Evaluar gráficamente las
pendientes y las ordenadas en el origen (at.4.2). ¿Cuál es el significado físico de la
pendiente?
4.2. Completar la tabla 3.4 y realizar una representación gráfica de la intensidad I y la resistencia
R frente a la distancia entre placas l (gr4.2). Trazar la recta de mejor ajuste para la serie de R
frente a l. Evaluar gráficamente la pendiente y la ordenada en el origen (at.4.2).
4.3. Una vez que se haya secado el folio en el que se ha rastreado el potencial en el apartado 3.3
marcar las líneas equipotenciales y las líneas de campo sobre él. Evaluar en base a esta
información gráfica el potencial y el módulo, la dirección y el sentido del vector campo
eléctrico en diversos puntos (at.4.3). Para especificar la posición de cada punto emplear
coordenadas cartesianas (x,y) tomando como origen la esquina superior derecha del
electrodo que está más a la izquierda. El eje x debe orientarse hacia la derecha y el eje y
hacia abajo. Realizar un esquema de la posición de los electrodos y los puntos en los que se
ha evaluado el campo (esquema 4.3)
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4.4. Repetir el apartado 4.3 para el folio en el que se ha rastreado el potencial en el apartado 3.5.
Para especificar la posición del punto emplear coordenadas cartesianas (x,y) tomando como
origen la esquina superior derecha de uno de los dos electrodos (at. 4.4 y esquema 4.4).
LOS FOLIOS Y LOS DATOS DE LAS TABLAS 4.3 Y 4.4
DEBEN CONSERVARSE YA QUE SERÁN NECESARIOS EN LA SESION 6
Discusión de los resultados
5.
Discusión y análisis de los resultados.
5.1. Discutir los resultados obtenidos contestando en particular a las siguientes preguntas
-
¿Se comporta como un medio óhmico el papel mojado? ¿Por qué?
-
¿Se puede estimar el valor de la resistencia por cuadro del papel?
-
Detallar la base teórica en las que se apoya la estimación realizada para el campo eléctrico.
Referencias
R1
Material en fotocopiadora: Transparencias del tema 6 “Corrientes eléctricas estacionarias”.
Apartado 6.3 y 6.5, pp. 6.9-6.10 y pp. 6.15-6.17.
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