179838213 exp 2 campo electrico

Laboratorio de Fsica III

Campo Elctrico

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INDICE

CAMPO ELECTRICO ................................................................................. 2

EXPERIENCIA 2 ........................................................................................ 2

I. OBJETIVOS: ....................................................................................... 2

II. MATERIALES: ..................................................................................... 2

III. FUNDAMENTO TEORICO: ............................................................... 3

A. Campo Elctrico: ............................................................................ 3

B. Representacin de un campo elctrico: ......................................... 4

C. Intensidad de campo elctrico: ...................................................... 6

IV. PROCEDIMIENTO: .......................................................................... 8

V. CUESTIONARIO: ............................................................................... 10

VI. CONCLUSIONES: ........................................................................... 20

VII. SUGERENCIAS: ............................................................................. 21

VIII. BIBLIOGRAFIA: ............................................................................. 21

IX. ENLACES: ...................................................................................... 22


Campo Elctrico

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CAMPO ELECTRICO

EXPERIENCIA 2

I. OBJETIVOS:

El poder calcular el valor de la diferencia de potencial entre dos

puntos.

Aprender a calcular la intensidad media que pueda tener un campo

elctrico.

Estudiar las caractersticas principales que pueda tener un campo

elctrico y que lo identificaremos a travs de la experiencia.

Poder graficar las lneas equipotenciales de un campo elctrico con

la ayuda de la experiencia a realizar entre dos puntos vecinos.

II. MATERIALES:

Cubeta de vidrio

Fuente de voltaje de CD

Voltmetro

Electrodos de cobre

Punta de prueba

Cucharadita de sal

Papeles milimetrados

Cables de conexin


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III. FUNDAMENTO TEORICO:

A. Campo Elctrico:

Un campo elctrico es un

campo de fuerzas creado

por la atraccin y repulsin

de cargas elctricas, las

fuerzas ejercidas entre s por

las cargas elctricas se

deben al campo elctrico

que se genera al rodear a

cada cuerpo que se

encuentre sometido a alguna

carga.

El campo elctrico presente

en cualquier punto

determinado se puede descubrir colocando una carga de prueba

pequea q, en ese lugar, y observando si experimenta alguna fuerza.

Una carga de prueba es solo un sensor, es decir no produce el campo

elctrico que estamos tratando de medir, el campo se debe a otras

cargas. La carga de prueba debe estar en reposo, ya que las cargas en

movimiento experimentan fuerzas diferentes. El campo elctrico

reconocido por la letra E, se puede definir midiendo la magnitud y

direccin de la fuerza elctrica (F), que acta sobre la carga de prueba.

La definicin del campo elctrico es:

Un campo elctrico queda determinado por:

Intensidad en cada uno de sus puntos

Lneas de fuerzas o lneas de campo.

Potencial en cada uno de sus puntos.

El clculo del campo elctrico lo podemos realizar con las siguientes

formulas:


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Tambin el clculo de la intensidad de la fuerza elctrica, por lo tanto, est

dado por la ecuacin:

La fuerza de una carga elctrica dentro de un campo elctrico es mayor

mientras mayor sea la intensidad de campo elctrico, y mayor sea la misa

carga.

No obstante, tenemos que tener presente que un campo elctrico no solo

se ve determinado por la magnitud que pueda tener la fuerza que acta

sobre la carga de prueba, sino que tambin por el sentido que presenta el

campo. Por tanto, los campos elctricos se representan en forma de lneas

de campo, que nos indicaran el sentido que presenta el campo.

B. Representacin de un campo elctrico:

La representacin de un campo elctrico est representado o

determinado por la forma geomtrica de las cargas que generan el

campo, al igual que por la posicin que adoptan entre ellas. Las

lneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la

fuerza elctrica.

Al respecto, las siguientes imgenes muestran el campo elctrico de

una carga puntual positiva (izquierda) y el de una carga puntual

negativa (derecha). Las lneas de campo se desplazan en este caso

en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la carga. El

sentido de las leneas del campo (representado por las flechas)

seala, de acuerdo a la convencin establecida, el sentido de la

fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeas cargas

puntuales en las imgenes); esto significa que las lneas de campo

parten cada vez de una carga positiva (o del infinito) y terminan en

una carga negativa (o en el infinito). La densidad de las lneas de

campo indica correspondientemente la intensidad del campo

elctrico; aqu esta decrece al alejarse de la carga puntual.


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Observemos ahora la representacin de un campo elctrico generado

por dos cargas, observaremos el campo generado por dos cargas de

igual signo y por dos cargas de diferente signo.

OBSERVACION:

Como veremos a continuacin lo que sucede

en un condensador de placas paralelas,

entonces si se encontraran cargas positivas y

negativas repartidas uniformemente sobre dos

placas de metal colocadas frente a frente, en

paralelo, como lo es un condensador de placas

paralelas, entre ambas superficies se generan

lneas de campo elctrico paralelo, como se

muestra en la figura siguiente. Estas lneas de

campo, al interior del condensador, son igual


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en todas partes, la intensidad de campo elctrico E de las placas es

tambin igual en toda la superficie. Un campo elctrico de esta

naturaleza recibe el nombre de Campo Elctrico Homogneo.

C. Intensidad de campo elctrico:

La regin del espacio situada en las proximidades de un cuerpo

cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en

cualquier punto de dicha regin una carga elctrica de prueba, se

observa que se encuentra sometida a la accin de una fuerza. Este

hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un

campo elctrico. La intensidad de campo elctrico en un punto se

define como la fuerza que acta sobre la unidad de carga situada en

l. Si E es la intensidad de campo, sobre una carga Q actuar una

fuerza.

Para poder visualizar la intensidad y la direccin de un campo elctrico se

debe introducir o tener presente el concepto de lneas de fuerzas. Estas son

lneas imaginarias que son trazadas tales que la direccin que tengan y su

sentido en cualquier punto sern las del campo elctrico en dicho punto.

Estas lneas de fuerza deben dibujarse de tal manera que la intensidad de

ellas sea proporcional a la magnitud del campo.

Electrodo

+

+

+ +

+

- - - - -

E E


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Sean dos puntos A y B en un campo

electrosttico tiene una diferencia de

potencial V, si se realiza trabajo para

mover una carga de un punto a otro,

este trabajo es independiente de la

trayectoria o recorrido escogido entre

estos dos puntos.

Sea un campo elctrico E debido a la

carga Q. Otra carga q+ en cualquier

unto A del campo se soportara una

fuerza. Por esto ser necesario realizar

trabajo para mover la carga q+ del

punto A a otro punto B a diferente distancia de la carga Q. La diferencia de

potencial entre los puntos de A y B en un elctrico se define como:

VAB = VB - VA =

Donde:

VAB: Diferencia de potencial entre los puntos de A y B.

WAB: Trabajo realizado por el agente externo.

q+ : Carga que se mueve entre A y B.

Sabemos que:

De () y ():


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IV. PROCEDIMIENTO:

Cabe notar que no existe instrumento alguno que permite medir la

intensidad del campo elctrico en las vecindades de un sistema de

conductores cargados elctricamente colocados en el espacio libre. Sin

embargo, los conductores estn en un lquido conductor, el campo elctrico

establecer pequeas corrientes en este medio, las que se pueden usar

para tal fin.

1. Arma el circuito del esquema. El voltmetro mide la diferencia de

potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en

la prueba.

2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de

vidrio, antes de echar la solucin electroltica, preparada anteriormente

en un recipiente comn.

3. Con el voltmetro mida la diferencia de potencial entre un punto del

electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de prueba.

4. En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un sistema de

coordenadas XY, ubicando el origen en la parte central de la hoja, dibuje

el contorno dcada electrodo en las posiciones que quedara

definitivamente en la cubeta.


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5. Situ una de las hojas de papel milimetrado debajo de la cubeta de

vidrio. Esta servir para hacer las lecturas de los puntos de igual

potencial que ira anotado en el otro papel.

6. Eche la solucin electroltica en el recipiente fuente de vidrio.

7. Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de potencial

entre ellos acercando el electrodo de prueba a cada uno de los otros

dos casi por contacto y tomando nota de las lecturas del voltmetro.

V electrodos = V electros anillo - V electrodo placa

8. Selecciones un nmero de lneas equipotenciales por construir, no

menor de diez.

9. Entonces el salto de potencial entre y lnea ser, en el caso de

seleccionar diez lneas por ejemplo:

, y en general

N: el nmero de lneas

10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos para los

cuales la lectura del voltmetro permanece. Anote lo observado y

represente estos puntos en su hoja de papel milimetrado auxiliar.

11. Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo, habr UD

determinado cada uno de las superficies V2, V3, V5.


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V. CUESTIONARIO:

1. Determine la magnitud del campo elctrico entre las lneas

equipotenciales. El campo elctrico es uniforme? Por qu?

Lneas Equipotenciales

VA (v)

VB (v)

d (m)

E = (VB-VA)/d

(v/m)

1 2 3 5 0.009 222.2

2 3 5 8 0.016 187.5

3 4 8 11 0.019 157.89

4 5 11 14.5 0.021 166.67

5 6 14.5 16 0.01 150

6 7 16 19 0.02 150

7 8 19 23 0.028 142.86

8 9 23 27 0.02 200

Un campo elctrico uniforme tiene en toda la regin del espacio la

misma magnitud y direccin.

Con los datos obtenidos podemos visualizar que el campo elctrico es

casi uniforme (hay ciertas variaciones que corresponden a los errores

sistemticos). Pero en s, el campo es uniforme, esto se debe a las

lneas paralelas formadas por el electrodo rectangular.

Cada electrodo origina un campo diferente entre sus puntos tambin

debido a que los electrodos tienen distinta forma por lo que el campo

resultante tiene magnitudes distintas en diferentes puntos.


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2. En su grafica, dibuje las lneas equipotenciales para el sistema

de electrodos que utilizo.

3. Cmo serian las lneas equipotenciales si los electrodos son

de diferentes formas?

Como hemos observado en esta experiencia se evidencia que las

lneas toman la forma geomtrica del electrodo ya que este al estar

cargado tiene mayor intensidad de campo elctrico mientras ms

cerca se est de l, ello conlleva al seguimiento de la figura del

electrodo y por tanto a la variacin de las lneas.

4. Por qu nunca se cruzan las lneas equipotenciales?

Una lnea equipotencial

es aquella que est

conformada por puntos

cuyos potenciales

siempre tienen el

mismo valor.

La pregunta puede ser

respondida al observar

la grfica obtenida. Observamos que las lneas equipotenciales

generadas por el electrodo rectangular son perpendiculares a las

lneas del campo elctrico, entonces paralelas entre s. Por tanto,

nunca se cruzarn. Demostracin:

Supongamos que existen dos lneas equipotenciales diferentes se

cruzan.

Sean VA Vb, dos lneas equipotenciales que se cruzan en el punto Q

y cuyo potencial de Q = V0.

Adems,

Como Q pertenece a VA, se tiene que: VA = V0, y

Como Q pertenece a VB, se tiene que: VB = V0, por tanto tenemos

que:


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VA = V0 = VB

Tomando extremo: VA = VB, lo cual niega nuestra hiptesis. L.q.q.d.

5. Si UD. Imaginariamente coloca una carga de prueba en una

corriente electroltica. Cul ser su camino de recorrido?

Las corrientes electrolticas se mueven a lo largo de las lneas de

fuerza o lneas de campo. Entonces, al poner una carga de prueba

(normalmente de carga positiva), esta recorrer las lneas de campo

(como mostramos en el grfico). La carga se mover del polo

positivo (electrodo plano) al negativo (electrodo triangular).

6. Por qu las lneas de fuerza deben formar un ngulo recto con

las lneas equipotenciales cuando las cruzan?

Ninguna de las lneas de fuerza empieza o termina en el espacio que

rodea la carga. Toda lnea de fuerza de un campo electrosttico es

continua y termina sobre una carga positiva en un extremo y sobre

una carga negativa en el otro. Como la energa potencial de un

cuerpo cargado es la misma en todos los puntos de la superficie

equipotencial dada, se deduce que no es necesario realizar trabajo

(elctrico) para mover un cuerpo cargado sobre tal superficie. De ah

que la superficie equipotencial que pasa por un punto cualquiera ha

de ser perpendicular a la direccin del campo en dicho punto. Si no

fuera as, el campo tendra una componente sobre la superficie y

habra que realizar trabajo adicional contra las fuerzas elctricas


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para desplazar una carga en direccin de esta componente. Las

lneas de campo y de la superficie equipotencial son, en

consecuencia, perpendiculares entre s.

7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un

electrodo a otro es:

El trabajo realizado por el campo elctrico sobre una carga determinada q cuando se mueve desde una posicin en el que el potencial es VA, a otro lugar en el que el potencial es VB, es la diferencia entre la energa potencial inicial y final ya que el campo elctrico es conservativo. El trabajo est dado por:

(*)

(*)Unidades del Sistema Internacional (Si) se expresa en: Joule (J).


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Los datos obtenidos son los siguientes:

El potencial del electrodo rectangular = 30 V

El potencial del electrodo triangular = 0 V

Carga elctrica de e- = 1.602 10-19 C

Luego, aplicamos la frmula:

W = 4.806x10-18 J.

8. Siendo

, el error absoluto de E es:

Obtenemos el error absoluto mediante la suma de los errores de

instrumento y el aleatorio.

Y la expresin de la medida es:

Tenemos dos medidas, la diferencia de potenciales y la distancia. El

campo elctrico se obtiene de la siguiente manera:


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Observamos que E es una medida indirecta, ya que es obtenida por

una divisin. Por tanto:

(

)

(

)

Donde es el promedio de .

Finalmente, obtenemos:

(

)

(

)

A continuacin, procederemos a calcular el error absoluto.

*En primer lugar, procedemos con el promedio de las diferencias de

potenciales, con redondeo a tres decimales.

El error instrumental:

Para este caso particular el E0=ELM=1/2(0.5V)=0.25V

Entonces:

Luego:


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El error absoluto de :

=1.003

La variacin de diferencias de Potenciales ser:

*Ahora hacemos lo mismo con la distancia:

El error instrumental (Regla):

Para este caso particular el E0=ELM=1/2(0.001m)=0.0005m

Entonces:

Luego:

El error absoluto de :

= 0.0065

La distancia ser:

El valor de E estar dado de la siguiente manera:

Entonces:


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Luego: (

) (

)

(

)

(

)

Finalmente:

El error absoluto ser: V/m

9. El error relativo de la medida de E es:

Del resultado obtenido de la pregunta 8 obtendremos el error

relativo del valor del campo elctrico, a continuacin evaluaremos el

valor a calcular:

10. Que semejanza y diferencia existe entre un campo elctrico y

un campo gravitatorio.

Semejanzas:

Los campos gravitatorios y elctricos son vectoriales. As el campo

creado por varias masas o varias cargas elctricas, que se obtendr

sumando vectorialmente los vectores intensidad de campo en dicho

punto debido a las masas o las cargas que actan sobre el mismo.

Son campos conservativos porque la direccin de las fuerzas

siempre pasa por un mismo punto (en donde se encuentra la masa

o la carga que los crea).


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La intensidad del campo es inversamente proporcional al cuadrado

de la distancia entre los centros de las masas o de las cargas y el

punto.

Las lneas de fuerzas son abiertas, es decir, empiezan en algn

punto (fuentes del campo o el infinito) y terminan en algn otro

punto (sumideros del campo o en el infinito).

En los campos conservativos como lo son el elctrico y el

gravitatorio, se puede definir una funcin escalar (potencial) y, a

partir de ella poder construir superficies equipotenciales. Las lneas

de fuerzas son perpendiculares a las superficies equipotenciales.

Las fuerzas debidas a los campos gravitatorios y elctricos son

centrales, ya que estn dirigidos hacia o desde el punto donde se

encuentre la masa o la carga que los crea.

Las fuerzas gravitatoria y elctrica tienen siempre la direccin del

vector intensidad campo.

Las lneas de fuerzas no pueden cortarse. De lo contrario, en el

punto de corte existiran dos vectores campos distintos.

Diferencias:

Los campos gravitatorios no tienen fuentes. Sus lneas de campo

siempre empiezan en el infinito. En cambio el campo elctrico, por el

contrario puede tener fuentes (las cargas positivas) y sumideros (las

negativas).

Las fuerzas debidas al campo gravitatorio son siempre de atraccin,

mientras que las fuerzas del campo elctrico pueden ser tanto de

atraccin como de repulsin.

Un punto material solo creara campos gravitatorios. Para crear un

campo elctrico hace falta, adems, que el cuerpo este cargado.

Los campos elctricos se pueden apantallar (dentro de una esfera

metlica cargada el campo elctrico es nulo), mientras que los

gravitatorios cruzan las sustancias, pues podemos medirlos dentro de

una habitacin, por tanto no se puede apantallar.

El campo gravitatorio puede ser uniforme en grandes extensiones, pero

no as el campo elctrico.

Se puede obtener regiones de campo elctrico nulo como sucede

cuando una esfera metlica, pues en el interior el campo elctrico es

nulo. Prcticamente es imposible crear regiones de campo gravitatorio

nulo por medio de masas.


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Hay dipolos elctricos (tener presente a las molculas polares como el

agua), pero no se conocen dipolos gravitatorios.

Hay induccin elctrica, no hay induccin electromagntica.

Las contantes G y K tienen las unidades N.m2.kg- 2 y N.m2.C-2

respectivamente.

La constante K viene a ser 1.1020 veces mayor que la constante G. esto

nos quiere decir que el campo gravitatorio es muy dbil comparado con

el campo elctrico, en iguales de condiciones.

La constante G es una constante universal, mientras que la constante K

no lo es puesto que su valor depende del medio.

Una partcula material, en reposo, abandonada a la accin del campo

gravitatorio, inicia su movimiento en la direccin y sentido de ste. Sin

embargo, una carga, en reposo y abandonada a la accin de un campo

elctrico, lo hace en la direccin del mismo, pero su sentido de

movimiento es el del campo si la carga es positiva y el contrario si la

carga es negativa.

11. Si el potencial elctrico es constante es constante a travs de una

determinada regin del espacio. Qu puede decirse acerca del

campo elctrico en la misma? Explique.

Al encontrarnos sobre una regin equipotencial podremos llegar

a las siguientes particularidades:

El trabajo realizado por el campo para llevar una carga desde el

punto de la superficie equipotencial hasta otro punto de la

misma superficie es igual a cero.


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El trabajo realizado por el campo para llevar una carga desde

una superficie hasta otra es igual a la carga, multiplicada por la

diferencia de potencial entre ambas superficies.

El trabajo realizado por el campo para transportar una carga, no

depende de la trayectoria que siga.

VI. CONCLUSIONES:

Las lneas de fuerza que salen del campo elctrico nunca se cruzan entre s,

debido a que para cada punto de la carga positiva de donde salen, le

corresponde otro punto nico y diferente de la carga negativa a la que llega.

Las lneas de fuerza forman un Angulo recto con las lneas equipotenciales, ya

que al ser las primeras paralelas a la superficie del cuerpo, es decir, salen

tangencialmente a este, mientras que las lneas equipotenciales son

perpendiculares al plano de la superficie, con lo que ambas lneas al cruzarse

forman un ngulo recto.

El campo elctrico, su distribucin y direccin se puede visualizar teniendo en

cuenta la conformacin de las lneas de fuerza.

Las superficies equipotenciales son variables y esta se muestra de forma

particular a medida que se avanza o desplaza el potencial o disminuye segn la

posicin de las placas.

El campo elctrico est representado por las lneas de fuerza y va

disminuyendo a medida que se acerca a la carga negativa.

Se aprendi a graficar las lneas equipotenciales en la vecindad de dos

configuraciones de cargas (electrodos).

Se lo logr aprender a calcular la diferencia de potencial entre dos puntos.

Se pudo aprender a calcular la intensidad media del campo elctrico.

Se pudo obtener caractersticas principales del campo elctrico.

Se logr Entender el concepto y las caractersticas principales del campo

elctrico.

Se logr aprender como calcular el campo elctrico asociado con las cargas que

se distribuyen a travs de un objeto.

Se logr entender como las lneas de campo elctrico pueden usarse para

describir la magnitud y direccin del campo elctrico en una pequea regin

del espacio


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VII. SUGERENCIAS:

Es recomendable que otros fluidos con mayor conductividad elctrica sean utilizados para que el experimento tenga un mejor desarrollo.

Adems, durante el desarrollo de la experiencia, una carga de prueba puede ser colocada para conocer su camino de recorrido.

VIII. BIBLIOGRAFIA:

GUIA D ELABORATIOS DE FISICA III

FSICA ELEMENTAL (tomo II) o J.S. Fernndez

E.F. GALLONI.

o Editorial NIGAR S.R.L.

o Buenos Aires - ARGENTINA

FSICA GENERAL o Ing. Juan Goi Galarza

o LIMA - PERU

FSICA GENERAL o Adisson Wesley Longman

o Boulevard de las cataratas N3

o Mxico 01900, DF.

Fundamentos de Electromagnetismo o Cheng Finney

o Volumen I

o Paris Francia.

FSICA UNIVERSITARIA CON FISICA MODERNA

o Young, Freedman y Sears, Zemansky

o Tomo II

Fsica II I

o Sarwar


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Fundamentos de Electricidad y Magnetismo

o Arthur F. Kip

FISICA III

o Lic. Humberto Leyva N.

o Editorial Moshera

o Segunda Edicin.

FISICA.-

o Resnick Halliday

o Editorial Continental S.A. de C.V.

o Segunda Edicin.

IX. ENLACES:

http://www.monografias.com/trabajos85/campo-electrico/campo-

electrico.shtml

http://www.etitudela.com/Electrotecnia/principiosdelaelectricidad/

cargaycampoelectricos/contenidos/01d56993080935c3a.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Campo_el%C3%A9ctrico

http://www.fisicapractica.com/campo-electrico.php

http://www.buenastareas.com/ensayos/Diferencias-Entre-Campo-

Electrico-y-Campo/2899636.html

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