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Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física

Comportamiento del voltaje en función de la distancia Objetivo •

Medir el voltaje en función de la distancia para diferentes arreglos de electrodos y analizar su comportamiento.

•

Obtener información del campo eléctrico de diferentes configuraciones de electrodos a partir de las curvas de voltaje en función de la distancia.

Fundamentación El trabajo realizado por la fuerza eléctrica 𝐹 sobre una carga de prueba 𝑞! para desplazarla desde un punto a hasta un punto b esta dado por: 𝑊=−

! 𝐹 !

∙ 𝑑𝑙 = −

! 𝑞 𝐸 ! !

∙ 𝑑𝑙 = −Δ𝑈

Δ𝑈 = Δ𝑉 𝑞! Así, el trabajo por unidad de carga es igual a la diferencia de los potenciales en los puntos a y b. De esta relación se define el cambio en la energía potencial por unidad de carga como la diferencia de potencial o voltaje. Por tanto 𝐸 = −𝑔𝑟𝑎𝑑𝑉 El signo menos significa que la dirección del campo eléctrico apunta en el sentido de la disminución del potencial.

Equipo Requerido •

Fuente de corriente directa

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Voltímetro Análogo

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Electrodos de varias formas

•

Cubeta con agua

•

3 láminas de Acrílico

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Lápiz

•

Cables de conexión

•

Borrador

Procedimiento Parte I. Montaje del equipo

1. Trace una línea sobre el acrílico exactamente en el centro entre los dos electrodos. 2. Haga marcas sobre la línea cada 5 mm usando el sistema de coordenadas que se muestra en las figuras 1a, 1b y 1c. Práctica original: Superficies Equipotenciales Elaborada por Alexánder Osorio C. y Mónica M. Rico C. Modificada por Mónica Rico 2015-03

Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física

Figura 1a. Configuración placa-placa

Figura 1b. Configuración barra-barra

Figura 1c. Configuración arro-barra

3. Realice el montaje que muestra la Figura 2, usando las placas paralelas como electrodos. Vierta agua en la cubeta hasta que el nivel del agua esté 2 mm por encima de la superficie del acrílico. Verifique que la fuente esté a una diferencia de potencial de 10 V. 4. Para tomar las medidas de voltaje se empleará el medidor análogo (VOM) que se muestra en la figura 1 del Anexo. Conecte el borne negativo del medidor al electrodo conectado a la salida negativa de la fuente. El cable conectado al borne positivo del VOM tiene en su otro extremo una punta de grafito que se empleará como sonda. Ésta se colocará en cada una de las marcas hechas sobre el acrílico para registrar el voltaje en cada punto. Para mayor información sobre el uso del VOM vea el Anexo.

Fuente de Voltaje DC10V

Voltímetro

Electrodos

Cubeta con agua + lámina de acrílico

Figura 2. Montaje experimental. Práctica original: Superficies Equipotenciales Elaborada por Alexánder Osorio C. y Mónica M. Rico C. Modificada por Mónica Rico 2015-03

Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física Parte II. Toma de datos

1. Mida el voltaje sobre cada una de las marcas. Registre sus datos de voltaje y posición en una tabla del programa Capstone. Recomendación: Sujete con su dedo el acrílico para que éste no se desplace cuando tome los datos. 2. Repita el mismo procedimiento para los arreglos de la figura 3. En la configuración barra-barra emplee la mayor separación posible entre los electrodos. 3. Seque y borre los acrílicos.

Figura 3. Otras posibles configuraciones de electrodos.

Análisis 1. Realice una gráfica voltaje vs. posición para cada configuración de electrodos. 2. Haga una descripción cualitativa del comportamiento del voltaje cerca y lejos de los electrodos empleados. 3. A partir de las gráficas de voltaje vs. posición para todas las configuraciones encuentre la dirección del campo eléctrico en la región entre los electrodos sustentando su respuesta usando la definición del gradiente. ¿En qué punto o puntos se anula el campo eléctrico? 4. Para la configuración placa-placa: a.

De acuerdo con el comportamiento observado ajuste el gráfico voltaje vs. posición y proponga la relación matemática entre estas dos variables.

b. Encuentre el campo eléctrico entre las placas, junto con sus incertidumbres absoluta y relativa. 5. Para las configuraciones cilindro-barra y barra-barra encuentre el campo eléctrico en el punto medio entre los electrodos y en dos posiciones simétricas (por ejemplo x=+0.025m y x=-0.025m). Bibliografía Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Décimo tercera edición, Pearson Educación, México, 2013. Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología. W. H. Freeman and Company, New York, 2008.

Práctica original: Superficies Equipotenciales Elaborada por Alexánder Osorio C. y Mónica M. Rico C. Modificada por Mónica Rico 2015-03

Universidad Autónoma de Occidente Facultad de Ciencias Básicas Departamento de Física

Anexo Cómo medir con un VOM (Volt-Ohm-Milliammeter) 1. Coloque el botón de la izquierda en la opción +DC y el botón central en la escala de 10V. Ver figura 1. 2. La escala que se emplea en esta medición es la escala negra ubicada por debajo del espejo e indicada con D.C. . Como se seleccionó la escala de 10V la mínima división de la escala corresponde a 0.2 V. Ver figura 2. Para evitar error de paralaje, cuando mida debe ver superpuestas la aguja y su imagen en el espejo.

Figura 1. VOM

Figura 2. Detalle de la escala empleada (Escala negra D.C.)

Práctica original: Superficies Equipotenciales Elaborada por Alexánder Osorio C. y Mónica M. Rico C. Modificada por Mónica Rico 2015-03