Download Campo electrostático Equipotencial Electrodos Distantes

Facultad de Ingeniería y Ciencias Exactas
Departamento de Tecnología Industrial y Servicios
Materia: Electricidad y Magnetismo
Código: 3.3.065
Revisión: Agosto 2010
Práctica Nº 3
Nombre: C. ELECTROESTÁTICO Y L. EQUIPOTENCIALES CON ELECTRODOS DISTANTES
Objetivo de la guía: Lograr que los estudiantes profundicen conceptos sobre las leyes de la electroestática.
Esta práctica se realizará en los laboratorios del Edificio Tecnológico. Esté
atento a las normas de seguridad y a las indicaciones. Ante cualquier
indicio de riesgo o accidente se solicita informar inmediatamente al
docente a cargo o llamar a los internos: Enfermería:**5; Seguridad **1;
Técnicos de Laboratorio **4
1. OBJETIVOS DE LA EXPERIENCIA
a. Verificar que el campo potencial eléctrico es laminar.
b. Comprender el funcionamiento de la interacción entre dos
cargas de distinto signo.
c. Conocer un modelo se simulación del comportamiento de la
interacción de dos cargas en el espacio.
2. CONCEPTOS TEÓRICOS
La ley de Coulomb nos describe la interacción entre dos cargas
eléctricas del mismo o de distinto signo. La fuerza que ejerce la
carga Q sobre otra carga q situada a una distancia r es.
La fuerza F es repulsiva si las cargas son del mismo signo y es
atractiva si las cargas son de signo contrario.
Concepto de campo
Es más útil, imaginar que cada uno de los cuerpos cargados modifica
las propiedades del espacio que lo rodea con su sola presencia.
Supongamos, que solamente está presente la carga Q, después de haber
retirado la carga q del punto P. Se dice que la carga Q crea un campo
eléctrico en el punto P. Al volver a poner la carga q en el punto P,
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cabe imaginar que la fuerza sobre
eléctrico creado por la carga Q.
esta
carga
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la
ejerce
el
campo
Cada punto P del espacio que
rodea a la carga Q tiene una
nueva propiedad, que se denomina
campo
eléctrico
E
que
describiremos
mediante
una
magnitud
vectorial,
que
se
define como la fuerza sobre la
unidad
de
carga
positiva
imaginariamente situada en el
punto P.
La unidad de medida del campo en el S.I. de Unidades es el N/C
En la figura, hemos dibujado el campo en el punto P producido por una
carga Q positiva y negativa respectivamente.
Energía potencial
La fuerza de atracción entre dos masas es conservativa, del mismo modo
se puede demostrar que la fuerza de interacción entre cargas es
conservativa.
El trabajo de una fuerza conservativa, es igual a la diferencia entre
el valor inicial y el valor final de una función que solamente depende
de las coordenadas que denominamos energía potencial.
El trabajo infinitesimal es el producto escalar del vector fuerza F
por el vector desplazamiento dl, tangente a la trayectoria.
dW=F·dl=F·dl·cosθ=F·dr.
donde dr es el desplazamiento infinitesimal de la partícula cargada q
en la dirección radial.
Para calcular el trabajo total, integramos entre la posición inicial
A, distante rA del centro de fuerzas y la posición final B, distante rB
del centro fijo de fuerzas.
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El trabajo W no depende del camino seguido por la partícula para ir
desde la posición A a la posición B. La fuerza de atracción F, que
ejerce la carga fija Q sobre la carga q es conservativa.
Concepto de potencial
Del mismo modo que hemos definido el campo eléctrico, el potencial es
una propiedad del punto P del espacio que rodea la carga Q. Definimos
potencial V como la energía potencial de la unidad de carga positiva
imaginariamente situada en P, V=Ep/q. El potencial es una magnitud
escalar.
La unidad de medida del potencial en el S.I. de unidades es el volt
(V).
Relaciones entre fuerzas y campos
Una carga en el seno de un campo eléctrico E
experimenta una fuerza proporcional al campo
cuyo módulo es F=qE, cuya dirección es la
misma, pero el sentido puede ser el mismo o el
contrario dependiendo de que la carga sea
positiva o negativa.
Relaciones entre campo y diferencia de potencial
La relación entre campo eléctrico y el potencial es:
En la figura, vemos la interpretación geométrica. La diferencia de
potencial es el área bajo la curva entre las posiciones A y B. Cuando
el campo es constante
VA-VB=E·d que es el área del rectángulo sombreado.
El campo eléctrico E es conservativo lo que quiere decir que en un
camino cerrado se cumple:
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Trabajo realizado por el campo eléctrico
El trabajo que realiza el campo eléctrico sobre una carga q cuando se
mueve desde una posición en el que el potencial es VA a otro lugar en
el que el potencial es VB es





El campo eléctrico realiza un trabajo W cuando una carga
positiva q se mueve desde un lugar A en el que el potencial es
alto a otro B en el que el potencial es más bajo. Si q>0 y VA>VB
entonces W>0.
El campo eléctrico realiza un trabajo cuando una carga negativa
q se mueve desde un lugar B en el que el potencial es más bajo a
otro A en el que el potencial es más alto.
Una fuerza externa tendrá que realizar un trabajo para trasladar
una carga positiva q desde un lugar B en el que el potencial es
más bajo hacia otro lugar A en el que el potencial más alto.
Una fuerza externa tendrá que realizar un trabajo para trasladar
una carga negativa q desde un lugar A en el que el potencial es
más alto hacia otro lugar B en el que el potencial más bajo.
El campo potencial eléctrico es laminar.
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3. ELEMENTOS UTILIZADOS






Cuba transparente.
Fuente de alimentación 0-12 volt.
Dos electrodos cilíndricos.
Multímetro digital de 3 dígitos y medio.
Hoja milimetrada.
Agua natural.
4. DESCRIPCIÓN DE LA PRÁCTICA
Se medirán, con un milímetro digital, los potenciales existentes
dentro de una cuba conteniendo agua y dentro de la cual se encuentran
sumergidos dos electrodos cilíndricos y que simulan dos cargas: una
positiva y otra negativa.
Durante el proceso de medición se buscarán puntos que posean igual
potencial, tantos como sean necesarios para definir perfectamente una
línea equipotencial.
Se repetirá en proceso hasta obtener varias líneas equipotenciales y
verificar que el campo potencial eléctrico es laminar.
Los valores medidos de identificarán por sus coordenadas obtenidas en
base a una escala milimetrada ubicada en la base de la cuba.
5. GUÍA DE TRABAJO
Se procederá de la siguiente manera:
a. Sobre la mesa de trabajo colocar el papel milimetrado.
b. Colocar la cuba sobre el papel milimetrado de manera tal que
el origen de coordenadas del papel milimetrado se encuentre a
15 mm del vértice.
c. Llenar la cuba de agua.
d. Colocar en el origen de coordenadas el electrodo positivo.
e. En el vértice opuesto colocar el electrodo negativo.
f. Alimentar los electrodos con una tensión del 12 volt.
g. Tomando el electrodo negativo como referencia, comenzar a
buscar los puntos equipotenciales indicados en la tabla.
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6. ESQUEMA DE ARMADO Y MEDICIÓN
7. OBTENER
a. Realizar un diagrama en el cual se representen las líneas
equipotenciales.
b. Trazar las líneas de campo eléctrico.
c. Dibujar para tres puntos diferentes el vector Fuerza.
d. Conclusiones.
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8. TABLA
Tensión
(volt)
Grupo de
Mediciones
Puntos de Medición
(x;y en mm)
1
x
1
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
10
10
11
2
y
x
3
y
x
4
y
x
5
y
x
y
7