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• Juan D

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CAMPO ELÉCTRICO Y POTENCIAL ELÉCTRICO 1.

INTRODUCCIÓN

Para el desarrollo de la siguiente guía de laboratorio virtual, el estudiante debe acceder en internet al vinculo https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_es.html. En este enlace hallará un laboratorio virtual de PHET INTERACTIVE SIMULATIONS de la Universidad de Colorado. Una vez ingrese a la simulación comienze a trabajar siguiendo las instrucciones detalladas a continuación. Las fotografías que acompañan esta guía solo ilustran las condiciones generales de la interfaz de simulación. 2.

OBJETIVOS DE LA PRÁCTICA VIRTUAL • •

3.

Determinar la dependencia del Campo Eléctrico y el Potencial Eléctrico de cargas puntuales con la carga y la distancia. Determinar la relación entre las líneas de campo eléctrico y las equipotenciales de cargas puntuales. CONTEXTO TEÓRICO

"⃗) y el potencial eléctrico (𝑉 ) a una Para una carga puntual q estática en el espacio vacío, el campo eléctrico (𝐸 distancia r de ella se expresan mediante las ecuaciones 1 y 2 respectivamente. !" 𝐸"⃗ = # ! 𝑟̂

Ecuación 1.

𝑉=

!" #

Ecuación 2.

El campo eléctrico tiene un carácter vectorial y su intensidad en cada punto del espacio se mide en N/C (Newton/Coulomb) o su equivalente V/m (voltio/metro). El potencial eléctrico es de carácter escalar y su magnitud se mide en voltios (V) que equivale a J/C (Joul/Coulomb). De la ecuación 1, se desprende que la dirección del campo eléctrico depende del signo de la carga: si q es positiva el campo apunta en dirección radial hacia afuera de ella, si q es negativa el campo apunta radialmente hacia ella (figura 1).

Figura 1. Líneas de campo eléctrico carga positiva (izq.) y carga negativa (der.) Los potenciales eléctricos, según la ecuación 2, son positivos en todos los puntos alrededor de cargas positivas y negativos alrededor de cargas negativas. Ahora, todos los puntos alrededor de una carga puntual, una configuración de cargas puntuales o un cuerpo cargado, donde el potencial eléctrico tiene el mismo valor, constituyen una Superficie Equipotencial. La vista en dos dimensiones de estas superficies se denomina línea equipotencial.

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Para esta practica supondremos que la intensidad del campo eléctrico de una carga q a una distancia de ella r !!

tiene la forma general: 𝐸 = 𝑘 " " y hallaremos experimentalmente a y b. También supondremos que el potencial !#

eléctrico de una carga q a una distancia r de ella es de la forma 𝑉 = 𝑘 " $ y hallaremos experimentalmente l y j. Los valores teóricos de estos exponentes se verifican en las ecuaciones 1 y 2. 4.

ACTIVIDAD EXPERIMENTAL

En la interfaz de la simulación active los siguientes campos: campo eléctrico, valores y grilla. Observe que los lados de los pequeños cuadrados son de 10 cm. En el cajón inferior de cargas puede obtener de +1nC o -1nC. El punto amarillo es un sensor que al ubicar en un punto muestra la dirección y magnitud (en V/m) del campo eléctrico.

Figura 2. Cajón de cargas de la interfaz En los controles de la derecha se obtienen un medidor de potencial eléctrico colocando la mira en el punto de indagación. Haciendo clic sobre el lápiz se dibuja la línea equipotencial y con clic sobre el borrador, esta desaparece. 4.1 Determinación de b y j Coloque una carga positiva en el centro de la pantalla y mantengala constante. Con los sensores apropiados (punto amarillo para campo y mira azul para potencial) tome datos de E(V/m) y V(m) cada 0,5 m. Registre los datos en la tabla 1. Construya las gráficas de E vs r y V vs r y con regresión lineal de potencia halle el valor de los exponentes b y j respectivamente. r (m) 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

E (V/m)

V (V)

Tabla 1. Campo y Potencial para diferentes distancias de una carga constante 4.2 Determinación de a y l Coloque una carga positiva en el centro de la pantalla q=+1nC. Con los sensores apropiados (punto amarillo para campo y mira azul para potencial) tome datos de E(V/m) y V(m) en el punto r = 2 m. Manteniendo la distancia

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constante agrege cargas una sobre otra y registre los datos de E (V/m) y V(V) en la tabla 2. Construya las gráficas de E vs q y V vs q y con regresión lineal de potencia halle el valor de los exponentes a y l respectivamente. q (nC) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

E (V/m)

V (V)

Tabla 2. Campo y Potencial para diferentes cargas a una distancia constante. 5.

CUESTIONARIO !!

!#

A.

A partir de los resultados experimentales exprese las ecuaciones halladas para 𝐸 = 𝑘 " " y para 𝑉 = 𝑘 " $ . Calcule los porcentajes de error de los exponentes a, b, l y j.

B.

Use la herramienta de líneas equipotenciales para verificar que para una carga puntual son circulares con centro en la carga. ¿qué puede observar acerca de la dirección del campo eléctrico y la dirección de las líneas equipotenciales? Verifique si esta observación es válida para cualquier número de cargas puntuales positivas o negativas. Para ello coloque varias cargas y trace varias líneas equipotenciales.

C.

¡Observe que las líneas equipotenciales no se cruzan entre sí! Explique porqué.

D.

Un dipolo eléctrico está formado por dos cargas iguales de signo contrario, separadas una pequeña distancia d (figura 3.). El átomo de Hidrogeno es el dipolo de mayor presencia en la materia atómica. Se define el momento dipolar eléctrico P de magnitud 𝑃 = 𝑞𝑑, cuya dirección es la de la recta que une las cargas (eje dipolar). Ubique un dipolo en la interfaz de manera que d sea igual a 20 cm. Compruebe con el simulador que el vector campo eléctrico en puntos sobre el eje dipolar apunta en la dirección de ese mismo eje y que en puntos sobre la recta perpendicular al eje dipolar, el campo eléctrico es paralelo al eje dipolar. Explique porqué. Agregue una captura de pantalla para cada caso.

Figura 3. Dipolo eléctrico

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6.

INTERFAZ DE LA SIMULACIÓN

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