SOLO PARA INFORMACION

AC
IO
N
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO
FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA
ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA ELECTRICA
RM
LABORATORIO Nº 3
FISICA III
FO
CICLO: 2009-A
DOCENTE:
TEMA:
IN
JUAN MENDOZA NOLORBE
TURNO:
RA
CAMPO ELECTRICO
92G
SO
LO
PA
ALUMNOS:
BULNES TIJERO, David
072578J
CASTILLO ALDANE, Percy
072617E
GAMARRA QUISPE, Saúl Abel
072567H
GUERRA POMA, Luis
072057J
NAVARRO VELASQUEZ, Daniel
072569K
LIMA - PERU
MAYO - 2009
Universidad Nacional del Callao
Facultad de Ingeniería Eléctrica y Electrónica
Escuela Profesional de Ingeniería Eléctrica
Ciclo 2009-A
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ÍNDICE GENERAL
INTRODUCION....................................................................................................................... 2
1. OBJETIVOS ......................................................................................................... 2
2. EXPERIMENTO ................................................................................................... 2
2.1
MODELO FISICO: ............................................................................ 2
2.2
INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO: ................................................. 3
2.3
Calculo de E ................................................................................... 4
2.4
LÍNEAS DE FUERZA: ........................................................................ 4
3. EQUIPOS Y MATERIALES: .................................................................................. 7
RM
4. VARIABLES INDEPENDIENTES .......................................................................... 7
5. VARIABLES DEPENDIENTES: ............................................................................. 7
FO
6. PROCEDIMIENTO ............................................................................................... 7
6.1
MEDICIONES .................................................................................. 8
6.1.1 Mediciones Directas ......................................................................... 8
7. CUESTIONARIO .................................................................................................. 9
8. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES..........................................................13
SO
LO
PA
RA
IN
9. BIBLIOGRAFIA .................................................................................................13
Laboratorio de Física III
Experiencia Nº 3 – Campo Eléctrico
1
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Ciclo 2009-A
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CAMPO ELECTRICO
1. OBJETIVOS
Aplicar la teoría enseñada en clase sobre campo eléctrico en el experimento.
•
Obtener por medio del experimento las líneas equipotenciales.
•
Obtener las semejanzas y diferencias entre el campo gravitatorio y campo eléctrico.
•
Recoger los datos del experimento e interpretarlos.
FO
RM
•
2. EXPERIMENTO
MODELO FISICO:
IN
2.1
El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región
RA
del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio
en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo,
se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones
PA
sobre ella.
Para advertir la presencia de un campo eléctrico en cierta región del espacio se coloca una
LO
partícula electrizada positivamente (carga de prueba), si esta experimenta una repulsión o
SO
atracción entonces se ha establecido un campo eléctrico.
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IN
Fig. Nº1: Campo Eléctrico
La carga de prueba al ser colocada en A, B o C experimenta una fuerza eléctrica de
RA
repulsión entonces en A, B y C existe un campo eléctrico asociado a +Q.
La cantidad de carga (q) de la carga de prueba debe de ser muy pequeña (q << Q ) de
PA
manera que su campo eléctrico no distorsione al campo eléctrico que se quiere analizar que
en nuestro caso es el campo asociado a “+Q”.
INTENSIDAD DE CAMPO ELÉCTRICO:
LO
2.2
La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad
positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo
eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo
SO
eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E y por su dirección y
sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E.
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3
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Calculo de E
Consideremos una carga de prueba
magnitud de la fuerza que obra sobre
q 0 colocada a una distancia r de una carga q. La
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2.3
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q 0 esta dada por la Ley de coulomb, es decir:
F=
qq 0
4πε 0 r 2
1
Unidades:
[q] = Coulomb(C )
RM
[Fel ] = Newton(N )
Entonces la intensidad del campo eléctrico en el sitio que se coloca la carga de prueba esta
E=
Fel
1 q
=
q0 4πε 0 r 2
IN
Unidades:
FO
dad por la ecuación:
[E ] = N
2.4
RA
C
LÍNEAS DE FUERZA:
El siglo pasado el físico ingles Michael Faraday introdujo el concepto de líneas de fuerza con
PA
la intención de describir y representar geométricamente a los campos eléctricos mediante
diagramas mas simples; tener presente que estas líneas de fuerza son imaginarias, las
líneas de fuerza se dibujan de manera que la intensidad de campo (E) sea tangente, en
cada punto a dicha línea y que coincida con la dirección del E, por ejemplo:
Las líneas de fuerza nos permiten describir y representar a un campo electrostático; las
LO
•
superficies equipotenciales representan a todos sus puntos a igual potencial eléctrico
SO
(potencial constante).
La relación entre las líneas de fuerza (imaginarias) y el vector intensidad de campo es el
siguiente:
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•
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La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera da la dirección de E es ese
•
AC
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punto.
La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera da la dirección de E es ese
RM
punto.
FO
Fig. Nº2: Líneas de fuerza en una sección de una lámina infinitamente
grande de carga positiva
Las líneas de fuerza se dibujan de modo que el numero de líneas por unidad de área de
IN
•
sección transversal se proporcional a la magnitud de E. En donde las líneas están muy
cercanas E es grande, y en donde están muy separadas E es pequeña.
NO es obvio que sea posible dibujar un conjunto continuo de líneas que cumplan estos
RA
•
requisitos. De hecho se encuentra que si la ley de coulomb no fuera cierta, no seria
•
PA
posible hacerlo.
La Fig. (2) muestra las líneas de fuerza de una lámina uniforme de carga positiva.
Suponemos que la lámina es infinitamente grande, lo cual para una lamina de
dimensiones finitas, es equivalente a considerar solo aquellos puntos cuya distancia a la
LO
lámina sea pequeña
en comparación con la distancia al borde más cercano de la
lamina. Una carga positiva que se soltara enfrente de esa lamina, se movería alejándose
de ella según una línea perpendicular a la lámina. Así pues el vector intensidad de
SO
campo eléctrico en un punto cualquiera cercano a la lámina debe ser perpendicular a
ella. Las líneas de fuerza están uniformemente espaciadas, lo que significa que E tiene
la misma magnitud para todos los puntos cercanos a la lamina.
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Para una partícula electrizada (+ o –) las superficies equipotenciales son esferas
PA
RA
IN
FO
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concéntricas, teniendo como centro a dicha partícula.
LO
Fig. Nº3: Líneas de fuerza para cargas iguales pero de signo contrario
SO
y líneas de fuerza para cargas de igual signo.
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•
•
•
•
•
•
•
•
Una cubeta de vidrio
Una fuente de voltaje de Corriente Continua
Un voltímetro o multímetro
Una hoja de papel milimetrado
Un juego de dos electrodos
Una punta de prueba
Solución electrolítica (agua con sal)
6 cables de conexión
RM
4. VARIABLES INDEPENDIENTES
AC
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3. EQUIPOS Y MATERIALES:
El instrumento que nos da la variable independiente es la fuente de voltaje de Corriente
Continua y esta variable independiente es la diferencia de potencial entre la punta de prueba
IN
5. VARIABLES DEPENDIENTES:
FO
y el electrodo negativo, es decir el voltaje continuo.
El instrumento que nos da la variable dependiente es el voltímetro. La variable dependiente
6. PROCEDIMIENTO
Trazar un sistema de coordenadas cartesianas en un papel milimetrado) teniendo el eje
PA
•
RA
es el voltaje que se obtiene al colocar el puntero en diferentes partes de la cubeta.
mayor de una distancia aproximada de 18 cm.).
•
Colocar encima de la hoja milimetrada la cubeta de vidrio y colocar en cada extremo del
LO
eje mayor (eje x) los electrodos.
Armar el circuito dado en la guía de laboratorio.
•
Una vez armado el circuito se procede a desplazar la punta de prueba en la cubeta
SO
•
teniendo en cuenta el voltaje que mide en ciertas coordenadas.
•
Determinar 5 o mas coordenadas en las cuales los voltajes sean los mismos y llenar las
tablas.
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6.1.1
MEDICIONES
Mediciones Directas
Tabla Nº 1
0.9 V
( -2.9,2 )
( -2.7 , 4 )
( -2.4, 7 )
( -3 , 0 )
( -2.8 , -3 )
( -2.2 , 8 )
( -2.4 , -6 )
1.0 V
(2,7)
( 1.4 , 3 )
( 1.1 , 1 )
(1,0)
( 1 , -2 )
( 1.2 , -4 )
( 1.5 , -7)
RM
0.8 V
( -6 , 3 )
( -5 , 7.4 )
( -5, 7 )
( -6 , 0 )
( -5.9 , -1 )
( -5.5 , -3 )
( -5 , -6 )
1.1 V
( 6 , 6)
(5,5)
(4,3)
( 3.8 , 2 )
( 4 , -3 )
( 5 , -4 )
( 6 , -5)
Fig. Nº4: Grafico del Campo Eléctrico
SO
LO
PA
RA
IN
FO
0.7 V
( -6.9 , 2 )
( -6.9 , 4 )
( -6.7 , 7 )
( -7, 0 )
( -6.7 , -3 )
( -6.5 , -6 )
( -6.5 , 8 )
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6.1
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7. CUESTIONARIO
Demostrar analíticamente que las líneas de fuerza y las superficies equipotenciales
son perpendiculares entre sí.
AC
IO
N
7.1
Las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a la superficie de la carga o el elemento
que lo produce, por lo tanto un campo generado por una superficie equipotencial va a ser
perpendicular a esto.
Calcular el trabajo realizado en llevar una unidad electrostática de carga y de un
Coulomb de un electrodo a otro.
RM
7.2
Por definición sabemos:
⎛ F⎞
V PQ = ∫ − E.d l = ∫ ⎜⎜ − ⎟⎟.d l
q0 ⎠
P
P⎝
Luego:
1
=
q0
W
(
)
−
F
.
d
l
=
∫
q
Q
PQ
IN
V PQ
Q
FO
Q
P
0
Pero sabemos que: 1C = 3 x10 u.e.s.
9
1C
= 1u.e.s.
3x10 9
PA
Entonces:
RA
Donde: u.e.s = unidad electrostática de carga
LO
Reemplazando datos:
WPQ = 1C
3 x10 9
V PQ
Si el trabajo es medido en joule y la carga en Coulomb, la diferencia de potencial se expresa
SO
en voltios.
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¿En que dirección debe moverse una carga respecto a un campo eléctrico de modo
que el potencial no varíe? ¿Por qué?
Para que el potencial no varía entonces:
AC
IO
N
7.3
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V AB = VB − V A = 0 ⇒ VB = V A
B
− ∫ E.d l =
A
W AB
= 0 ⇒ E.dl.Cosθ = 0 ⇒ E y dl
q0
son perpendiculares por lo tanto la
carga
Si el potencial eléctrico es constante a través de una determinada región del espacio,
¿El campo eléctrico será también constante en esta misma región? Explicar.
FO
7.4
RM
respecto al Campo eléctrico.
q 0 debe moverse en sentido perpendicular
Sabemos que: V = E.d
IN
Entonces, si tomamos la derivada de: V `= (E.d )`
Como V es constante entonces su derivada será cero:
PA
7.5
(E.d )` también será cero y para que esto ocurra E
RA
Lo que significa que la derivada de:
debe ser constante.
V `= 0
Si una carga se traslada una pequeña distancia en la dirección de un campo eléctrico,
¿Aumenta o disminuye el potencial eléctrico? Explicar detalladamente algunos casos.
Si tomamos el caso de una partícula electrizada positivamente con +Q las líneas de fuerza
LO
tienen dirección “saliente” de esta, ahora si tomamos una carga de prueba pequeña +q y la
desplazamos una pequeña distancia en la dirección del campo, esta pequeña carga se
SO
alejará de +Q, y si recordamos:
V =
KQ
r
Por lo tanto si “r” crece el potencial disminuye.
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Para el caso de una partícula electrizada negativamente con –Q, las líneas de fuerza son
“entrantes” y si desplazamos una carga de prueba pequeña +q en la dirección del campo, es
AC
IO
N
decir la acercamos, la distancia se hace pequeña y el potencial aumenta, pero como en la
energía potencial se considera el signo, entonces el potencial crecerá en forma negativa es
decir se hace cada vez mas negativo y por lo tanto disminuye.
La dirección y sentido de la fuerza que actúa sobre una carga positiva en un campo
eléctrico es, por definición, la dirección y sentido de la línea de campo que pasa por la
posición de la carga. ¿Debe tener la misma dirección y sentido la aceleración y la
velocidad de la carga? Explicar analíticamente.
RM
7.6
Sabemos por teoría que F = E.q , esta fuerza produce una aceleración: a = F
Siendo m la masa de la partícula.
FO
Ahora si reemplazamos:
m
F q.E
=
, siendo a la aceleración, entonces la aceleración si tiene la misma dirección.
m
m
q.E.t
Pero también sabemos por teoría que: v = a.t =
, siendo v la velocidad, entonces la
m
IN
a=
Si el convenio de signos cambiase de modo que la carga electrónica fuese positiva y
del protón negativo, ¿Debería escribirse la Ley de Coulomb igual o diferente?
Explicar.
PA
7.7
RA
velocidad tiene la misma dirección y sentido que las líneas de campo.
En la Ley de Coulomb se considera el módulo de las cargas por lo tanto no afectaría el
7.8
LO
resultado y debería escribirse igual.
1
2
Si la fuerza eléctrica entre dos cargas puntuales variase proporcionalmente a r ,
SO
¿Podría usarse el mismo sistema de líneas de fuerza que indica el valor de campo
eléctrico? ¿Por qué?
No, el valor del
campo eléctrico en cualquier
punto esta en función y depende de la
distancia; lo cual lo demuestra la experiencia. Si fuese así entonces la intensidad de
campo eléctrico seria el mismo en cualquier punto.
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Si q es negativo, el potencial es un punto P determinado es negativo. ¿Cómo puede
interpretarse el potencial negativo en función del trabajo realizado por una fuerza
aplicada al llevar una carga positiva desde el infinito hasta dicho punto de campo?
Por definición:
∞
VQP = VP − VQ = ∫ E.d l =
Q
Haciendo que V P sea el infinito entonces V P (∞ ) = 0
q0
WQ
q0
FO
− VQ =
WQP
RM
Entonces:
AC
IO
N
7.9
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7.10 Establecer como mínimo tres semejanzas y tres diferencias entre las propiedades de
la carga eléctrica y la masa gravitatoria.
IN
Dentro de las semejanzas se podría mencionar que:
Tanto la carga eléctrica como la masa gravitatoria forman un campo,
•
Ambas son cantidades escalares, y
•
Ambas producen fuerzas.
RA
•
PA
En las diferencias se tiene que:
Carga Eléctrica
puede ser positiva o negativa.
en el caso de la fuerza eléctrica
se da la fuerza de repulsión y
atracción.
La fuerza producida por el campo
eléctrico es mucho mayor que la
fuerza que genera el campo
gravitatorio.
•
•
La masa es positiva.
La fuerza gravitatoria solo
es de atracción.
LO
•
•
Masa Gravitatoria
SO
•
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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
•
En la experiencia realizada se observan distintos fenómenos como la electrolisis que viene
AC
IO
N
8.
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siendo producida por el voltaje y la solución salina; también se observó que la distribución
de las superficies equipotenciales, y sus campos, iban dirigidos del electrodo positivo al
negativo. También observamos la oxidación en los electrodos a medida que aumentaba el
voltaje y el tiempo transcurrido.
•
Cada planeta de determinada masa m se mueve con una orbita elíptica. La carga eléctrica
se mueve en orbita circunferencial
9.
La cantidad de carga eléctrica y la cantidad de masa gravitatoria son siempre escalares.
RM
•
BIBLIOGRAFIA
Laboratorio de Física Universitaria 2. Guía para uso del Multimetro
•
Resnick – Halliday. Física Parte II. Editorial Continental. Edición Actualizada. 1971.
FO
•
España. Pág. 971 - 973
Humberto Leyva Naveros, Electrostática y Magnetismo, Ed. Publicaciones Moshera, 1999,
IN
•
SO
LO
PA
RA
Lima, Pag: 120-134.
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