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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
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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