Download FS321 – 3 – Superficies Equipotenciales

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA
DE HONDURAS
FACULTAD DE CIENCIAS
ESCUELA DE FÍSICA
Laboratorios Reales: Electricidad y Magnetismo I
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES
ELABORADO POR: ROBERTO ORTIZ
“NINGÚN CONOCIMIENTO HUMANO PUEDE IR MÁS ALLÁ DE SU EXPERIENCIA”.
JOHN LOCKE.
INTRODUCCIÓN
Se ha hablado en clase acerca de dos tipos de campo, el gravitacional y el eléctrico y de
cómo pueden utilizarse estos conceptos para comprender como los objetos interactúan a
cierta distancia. Por ejemplo Una distribución de carga crea un campo eléctrico alrededor
de ella, que puede ejercer una fuerza en otra distribución de carga que entra en dicho
campo. En este laboratorio estudiaremos otra forma de ver esta interacción, a través de
potenciales eléctricos.
OBJETIVOS
I.
Determinar la Constante Dieléctrica del Medio donde se encuentra la
Configuración de Cargas.
II.
Desarrollar una comprensión del Potencial Eléctrico y el Campo e Eléctrico.
III.
Entender de una mejor forma la relación entre Superficies Equipotenciales y Líneas
de Campo.
IV.
Que el estudiante sea capaz de medir diferencias de potencial en el espacio de una
configuración de cargas.
MATERIALES Y EQUIPO
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7.
Recipiente Circular (Cubeta)
Lamina de Plástico Perforada
Piezas de Metal
Fuente de Voltaje (DC)
Papel Milimetrado
Lápiz Carbón
Cinta Adhesiva
REVISION DEL MARCO T EORICO
Electrolisis
La Electrólisis es el proceso que separa los elementos de un compuesto por medio de la
electricidad. En el caso del agua si esta no es destilada, la electrólisis no sólo separa el
oxígeno y el hidrógeno, sino los demás componentes que estén presentes como sales,
metales y algunos otros minerales. Lo que hace que el agua conduzca la electricidad no es
el puro H2O, sino que son los minerales. Si el agua estuviera destilada y fuera 100% pura,
no tendría conductividad.
Diferencia de Potencial
Para utilizar la ecuación que define el potencial electrostático, se debe elegir un punto lo
suficientemente alejado de la configuración de cargas como el punto con potencial cero.
En la realidad esto no siempre es posible, por ejemplo la fuente de voltaje no suministra
un potencial exacto, sino más bien, una diferencia de potencial entre las terminales. Por lo
tanto al momento de realizar mediciones debemos tomar un punto de referencia para las
mismas.
Superficies Equipotenciales y Líneas de Campo
Las Superficies Equipotenciales en el espacio (Líneas Equipotenciales en dos dimensiones)
son aquellas en las cuales el Potencial es Constante. De acuerdo con la definición de
potencial como gradiente del campo eléctrico tendremos que: gráficamente las
superficies (o líneas) de campo serán perpendiculares en todo punto a las equipotenciales.
MONTAJE EXPERIMENTAL
CONFIGURACIÓN RECOMENDADA
Proviene de:
Se dirige a:
Positivo de la
Fuente de Voltaje
Cargas asumidas
como positivas
Negativo de la
Fuente de Voltaje
Cargas asumidas
como Negativas
Positivo del
Voltímetro
Puntos de Campo
Negativo del
Voltímetro
Punto asumido
como Origen
CONFIGURACIONES DE CARGA
Cuatro Cargas (cuadripolo)
Dos Líneas de Carga
Aro y Carga Puntual
Dos Cargas (dipolo)
Linea y Dos Cargas
Semiaro y Linea
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
1. El instructor asignara una de las configuraciones de carga que se muestran en la
página anterior para comenzar el experimento.
2. Coloque sobre la placa perforada el papel milimetrado de forma tal que este
permanezca fijo a lo largo del procedimiento (utilice cinta adhesiva).
3. Coloque sobre el papel milimetrado y la placa la configuración de cargas deseada,
en los agujeros de la placa de forma tal que queden sujetas a esta.
4. Agregue agua a la cubeta hasta que cubra la lámina de plástico (aproximadamente
por la mitad de la cubeta) y sumerja la placa en ella.
5. Encienda y regule la fuente de voltaje DC, midiendo con el voltímetro. Verifique
que la fuente suministre 10 VDC aprox.
6. Conecte cada carga a las terminales de la fuente. Todas las cargas que se conecten
a la terminal positiva de la fuente se asumirán como cargas positivas y todas las
cargas que se coloquen sobre la terminal negativa de la fuente serán negativas.
7. Conecte las terminales del voltímetro de la siguiente manera: Uno a una de las
piezas metálicas (preferiblemente el negativo) y el otro a un lápiz carbon que
pueda marcar bajo el agua. Donde se coloque la terminal negativa puede tomarse
como el origen del sistema de coordenadas.
8. Construya una línea equipotencial encontrando valores alrededor de las cargas que
tengan aproximadamente la misma diferencia de potencial. Preferiblemente
encuentre cuatro puntos para generar una línea y dibuje cuatro líneas por
configuración.
9. Cada vez que termine de puntear la configuración correspondiente a una
determinada superficie equipotencial, saque la placa de plástico de la cubeta y con
cuidado remueva el papel milimetrado sin dañarlo para ponerlo a secar.
10. Repita el procedimiento anterior para las configuraciones de carga restantes.
TRATAMIENTO DE LOS D ATOS EXPERIM ENTALES
Calcule el valor de la Constante Dieléctrica del Agua en un sistema de ecuaciones
donde haya n+1 ecuaciones y n elementos con carga.
Mediante los valores de voltaje obtenidos y las distancias plasmadas en el papel,
calcule la Carga de cada elemento en la configuración, resolviendo el sistema de
ecuaciones correspondiente.
De los resultados anteriores Grafique en “Mathematica” el Potencial y el Campo
Eléctrico en todo punto del espacio, producido por las configuraciones de carga
que utilizo.
CUESTIONARIO
1) Las líneas equipotenciales que usted dibujó, ¿están igualmente espaciadas al inicio
y a lo largo de la trayectoria? ¿Por qué?
2) ¿Fue capaz de cerrar el camino de alguna línea? De ser así ¿que forma tiene el
dibujo de dicha línea? ¿son estos dibujos concéntricos a la carga o a la línea de
carga?
3) Identifique para cada una de las distribuciones de carga que uso, donde se
encuentra la referencia de potenciales y en que se baso para decirlo.
4) En el interior de la cubeta ¿ha encontrado alguna posición a la que pudiera
asignarse el infinito físico de potenciales (potencial cero)? ¿por que?
5) En el interior de la cubeta ¿ha encontrado alguna posición a la que pudiera
asignarse potencial infinito? ¿por que?
6) A que se debe el gran salto en potencial que se observa al medirlo directamente
sobre una carga puntual y al hacerlo en una posición extremadamente próxima a
ella pero, sin tocarla (Consulte Cap. 4 Reitz-Milford).
7) ¿Por que esta experiencia no se podría hacer con aire como dieléctrico? ¿Cuál es el
inconveniente del agua? ¿cual seria el del grafito?
8) Las Configuraciones de Carga que usted utilizo ¿tienen algún tipo de simetría?
Mencione cuales.
TRABAJOS CIT ADOS
MIT. (Spring de 2006). MIT Open CourseWare. Recuperado el January de 2012, de
http://ocw.mit.edu/courses/physics/8-02t-electricity-and-magnetism-spring2005/labs/
Solorzano, F., & Ordoñez, T. Guia Virtual: Usando Mathematica.
Wangsness, R. (2001). Campos Electromagneticos. Mexico DF: Limusa.