Superficies Equipotenciales y Líneas de Campo Eléctrico Laboratorio 2

Superficies Equipotenciales y
Líneas de Campo Eléctrico
Laboratorio 2
Introducción
En esta actividad investigaremos las configuraciones de campo eléctrico debido
a varias distribuciones de carga. La comprensión de las superficies equipotenciales
será utilizada para deducir conclusiones relacionadas con los campos eléctricos
asociadas con dichas distribuciones. Todas las fuentes, pero especialmente las
discusiones con los compañeros de laboratorio serán utilizadas en la formulación de
respuestas.
Objetivos
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Fortalecer el entendimiento de campos eléctricos, líneas de campo y su relación
con superficies de potencial constante.
Utilizar este entendimiento para determinar las propiedades de campos
eléctricos de otras distribuciones de carga en dos y tres dimensiones.
Trazar superficies equipotenciales.
Visualizar los mapas de superficies equipotenciales asociados con varias
distribuciones de cargas simples.
Visualizar cualitativamente patrones de campo eléctrico asociados con ciertas
distribuciones de cargas.
Describir la relación entre las líneas de campo eléctrico y los vectores de campo
eléctrico.
Familiarizarse con las reglas para dibujar líneas de campo eléctrico.
Explicar el significado de flujo de campo eléctrico y discutir la ley de Gauss.
Materiales
1 Fuente de voltaje (“power supply”) de 10V
1 Multímetro
2 Papel en blanco
2 “cocodrilos”
4 Cables banana (2 rojos y 2 negros)
1 Equipo de mapeo de campos eléctricos
(“board”, “probe”, placas conductoras)
Materiales (Equipo Alterno)
1 Fuente de voltaje (“power supply”) de 10V
1 Multímetro
2 Papel conductor con pintura de plata
1 Equipo de mapeo de campos eléctricos
2 Tachuelas (dentro del equipo)
2 Cables banana (dentro del equipo)
2 Papel blanco de dibujo (dentro del equipo)
Pre-Lab
Antes de realizar este laboratorio usted deberá poder definir y explicar los siguientes
términos:
a. Superficie equipotencial
b. Línea de campo eléctrico
c. Debe poder explicar el porque las líneas de campo eléctrico al ser trazadas
deben cruzar las líneas equipotenciales a ángulos de 90˚ utilizando la siguiente


igualdad dV ( x, y, z)  V  dr
d. Explicar como utilizando argumentos de simetría relacionados con la
distribución de carga pueden ser utilizados para trazar líneas equipotenciales y
líneas de campo eléctrico.
e. La superficie de un conductor en equilibrio electroestático constituye una
superficie equipotencial.
f. Conocer las reglas para dibujar líneas de campo eléctrico
g. Conocer la relación entre las líneas de campo eléctrico y el campo eléctrico
Reglas para trazar líneas equipotenciales
1. Las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales y
señalan desde las regiones de potencial alto hacia las regiones de potencial
bajo
2. El número de líneas de campo eléctrico asociadas con una distribución de
cargas debe ser proporcional a la magnitud de la carga
3. Las líneas de campo eléctrico no pueden cruzarse
Relación entre las líneas de campo eléctrico y el campo eléctrico
a. El campo eléctrico es tangente a la línea de campo eléctrico en cada punto
b. La magnitud del campo eléctrico es grande cuando las líneas están próximas
entre si y es pequeño cuando las líneas están separadas.
Procedimiento
1. Monte el equipo según se ilustra en la Fig. 1 (montaje con equipo alterno Fig. 2)
Power Supply
Board
-
+
Voltmeter
Figure 1
Power Supply
Board
-
+
Figure 2
Voltmeter
2. Establezca una diferencia de potencial (V = 8.0 Voltios o según sea indicado por el
instructor) entre los electrodos de la configuración asignada e identifique el electrodo
positivo. Trabajaremos con las siguientes configuraciones (Amenos que el instructor
indique lo contrario):
a) Dos configuraciones con simetría esférica
b) Una con simetría esférica y lo otra con simetría plana
3. En la configuración (a) identifique los siguientes potenciales de referencia
n  V
Vn =
, n = 1,2, …7
8
4. Con la punta del común del voltímetro en V1 , utilice la otra punta para identificar al
menos nueve (uno en el eje horizontal de simetría y no menos de 4 puntos distribuidos
uniformemente a ambos lados del eje de simetria) puntos de la línea equipotencial
correspondiente a al potencial V(x,y) = V1 ( Nota: Argumentos de simetría
relacionados con las distribuciones de carga utilizados para trazar líneas
equipotenciales tienen que ser debidamente que justificados)
5. Repita el paso 4, para cada uno de los potenciales de referencia para determinar la
correspondiente línea equipotencial.
6. Trace al menos nueve líneas de campo electrico ( o las necesarias para que
inequívocamente se manifieste la configuración del campo eléctrico correspondiente a
las distribuciones asignadas) de campo eléctrico asociada con esa distribución de
carga
7. Utilice otra configuración (la configuración b) de cargas y repita los pasos del 1 al 6.
Preguntas
1. Las direcciones de los campos son indicadas por las líneas de campo, ¿por qué
no hay dirección indicada en las líneas equipotenciales?
2. Para la configuración de un dipolo, ¿en que región o regiones el campo eléctrico
tiene mayor intensidad? Explica como lo puedes saber viendo tu mapa.
3. Utiliza los resultados de tu experimento para trazar cualitativamente las líneas
equipotenciales y la configuración de líneas de campo eléctrico correspondientes
a dos configuraciones de carga con simetría plana y asume que el tamaño de
la configuraciones es mucho mayo que la separación entre las mismas y explica
porque deberían las superficies equipotenciales deberían lucir de esa manera.
4. Traza cualitativamente las superficies equipotenciales y la configuración de
líneas de campo eléctrico correspondientes a dos configuraciones de carga
positiva con simetría esférica y explica porque deberían lucir de esa manera.
http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/FieldLines/FieldLines.html
5. Trazar cualitativamente la configuración de líneas de campo eléctrico
correspondientes a dos configuraciones de carga con simetría esférica una
con carga 2 Q y la otra con carga -Q. explica porque deberían lucir de esa
manera
Referencias
Physics Laboratory Experiments, Fields and Equipotentials, p.295-303, Jerry D. Wilson
http://physics.usask.ca/~pywell/p111/Exercises.html
http://physics.usask.ca/~pywell/p111/Exercises.html#Ex17