12 El campo eléctrico y las líneas equipotenciales

Experiencia
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El campo eléctrico y las líneas
equipotenciales
Hacia cada punto del espacio cercano a la superficie de la tierra se le
puede asociar un vector de campo gravitacional g (la aceleración
debida a la gravedad); dicho campo corresponde a la aceleración
gravitatoria que experimenta un cuerpo de prueba en un punto del
espacio y dejado en libertad, el campo gravitacional es un ejemplo
típico de campo vectorial. El flujo de agua en un canal, el cual se le
conoce con el nombre de campo de flujo, constituye otro ejemplo de
campo vectorial.
Introducción
De igual manera ocurre lo mismo con la Electrostática: si colocamos
una carga de prueba en una zona cercana a una varilla cargada, aquella
experimenta una fuerza electrostática. Entonces, podemos hablar de un
campo eléctrico en este espacio. De igual forma, se habla de un campo
magnético que rodea a una barra de imán. Los conceptos de campo
eléctrico y campo magnético son realmente básicos en la teoría clásica
del electromagnetismo.
En realidad, la noción de campo eléctrico surge como una necesidad de
dar forma matemática al fenómeno natural propio. El campo eléctrico
representa la perturbación del espacio que rodea a una partícula
cargada eléctricamente.
Si se conoce E (campo eléctrico) en todos los puntos del espacio,
entonces se pueden trazar las líneas de campo eléctrico (o líneas de
fuerza, a las que Michel Faraday llamó); y con todo esto es posible
trazar una familia de equipotenciales trazando superficies
perpendiculares a éstas, y viceversa. Las superficies equipotenciales
son aquellas en donde el potencial eléctrico es el mismo.
En la figura 1 se presentan algunos casos en donde pueden trazarse una
familia de líneas equipotenciales, y en consecuencia, las líneas de
campo eléctrico.
Profesor Alexis .Alveo
Universidad Latina De Panamá
Figura 1 Representación gráfica de
las líneas equipotenciales.
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Esta experiencia persigue aclarar algunos conceptos fundamentales en
Electrostática, como el campo eléctrico, la carga eléctrica, el potencial
eléctrico y las líneas equipotenciales. Identificar, mediante el trazado
de las líneas equipotenciales, las líneas de campo eléctrico.
Objetivos
_________________________________________________________
Materiales
Una fuente de corriente directa (DC), cables de conexión, hojas
blancas, papel milimetrado, puntas de prueba, un multímetro digital,
estarcido electrónico, bolígrafo electrónico, papel carbón y tachuelas.
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Procedimiento
Para un par de cargas puntuales y barras metálicas
1)
Pegue una hoja blanca sobre la mesa, con cinta adhesiva; encima
de esta, coloque el papel carbón (adhiéralo también a la mesa con
cinta adhesiva).
2)
Coloque sobre todo el sistema que acaba de armar, el estarcido
electrónico (vea la figura 2 de la siguiente página).
Figura 2 Montaje del sistema para el
estudio del campo eléctrico para un
par de cargas puntuales.
multímetro
fuente DC
A
papel electrónico
B
papel carbón
Figura 1
3)
Coloque una punta de prueba, desde la terminal negativa de la
fuente a un punto fijo sobre el estarcido electrónico (punto A en la
figura).
4)
La otra punta de prueba (que sale del terminal positiva), colóquela
sobre el otro extremo del estarcido electrónico (punto B en la
figura).
5)
Ahora coloque junto al punto A otra punta de prueba que sale del
terminal negativo del multímetro.
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Con otra punta de prueba (que sale del terminal positivo de dicho
multímetro), desplácela entre los puntos A y B, y marque (con
una pequeña cruz), los puntos en donde el voltaje es el mismo.
Repita esto para diferentes puntos sobre el papel.
6)
Una vez terminada esta parte de la experiencia, retire el estarcido
electrónico y el papel carbón. Inmediatamente una los puntos que
tengan el mismo valor del potencial eléctrico con líneas suaves.
7)
Si las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas
equipotenciales, entonces trácelas siguiendo este principio.
8)
Repita todos los pasos anteriores, pero ahora dibujando dos lineas
paralelas, con el bolígrafo electrónico, de tal manera que se simule
el montaje con barras metálicas (ver figura 3). Cuál es la forma
de las líneas equipotenciales y de campo eléctrico?
Figura 2
Figura 3 Montaje del sistema para el
estudio del campo eléctrico para un
par de placas paralelas cargas.
multímetro
fuente DC
papel electrónico
Tubos de
aluminio
papel carbón
Relación del Potencial y el Campo Eléctrico
9)
Conservando el último arreglo (con las barras metálicas), mida el
potencial eléctrico cada 5 cm medidos a partir de la barra que está
conectada al terminal negativo de la fuente DC.
10) Confeccione una tabla de datos de Voltaje (V) versus posición (x)
y grafique estos valores y encuentre la expresión matemática que
relaciona estas variables.
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Tabla V vs x
Gráfico de V vs x
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Discusión
1. ¿Cuál es la definición física de campo eléctrico?
2. En el punto 8, ¿qué forma tienen las líneas equipotenciales y las
líneas de campo eléctrico?
3. Para el caso de las barras metálicas paralelas, explique el por qué de
la forma de las líneas equipotenciales y de campo eléctrico.
4. ¿Cuál es la naturaleza del gráfico de V vs x obtenido en la segunda
fase de esta experiencia? ¿Qué representa físicamente la constante
de proporcionalidad en la expresión matemática calculada?
Explique.
5. Nombre algunos tópicos referentes al cuerpo humano, que se
relacionen estrechamente con el concepto de campo eléctrico.
¿Por qué es importante el estudio de este concepto en ciencias de la vida?
Explique.
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