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Laboratorio de física 2 grupo 1 Exp-lineas equipotenciales

Isabel Martínez N. Juan esteban Samboni Jonatan Gamboa Perea

Docente: Marlen Julieth Suarez

Universidad Tecnológica de Pereira Facultad de Ciencias básicas 2019

Introducción Una superficie equipotencial es un lugar geométrico donde existen puntos de igual potencial eléctrico. El corte de dichas superficies con un plano genera las líneas equipotenciales, las cuales son ortogonales a las líneas de campo eléctrico y por ende al campo eléctrico(E). En este experimento se aprenderá a visualizar las líneas equipotenciales en diferentes configuraciones de electrodos, y al conocer cómo se comportan las líneas equipotenciales, también se visualizará el comportamiento del campo eléctrico.

Materiales -Placa de acrílico perforada -Cubeta de agua -Multímetro Fluke -Fuente de tensión -Cables de conexión -Hojas de papel rotulado igual que las placas acrílicas

Procedimiento 1-Tome el contenedor de plástico (cubeta) y coloque en el fondo la placa de acrílico que tiene la configuración con dos electrodos para cargas puntuales y agregue agua de la llave suficiente hasta que apenas quede cubierta la paca, teniendo cuidado de no llenar demasiado la cubeta con agua para que no se derrame por fuera del recipiente. 2- Use el voltímetro FLUKE digital para medir el voltaje en la fuente. Encienda la fuente y con el voltímetro conectado gire la perilla de la fuente hasta que tenga un voltaje de alrededor de 10 V. Apague la fuente y desconecte el voltímetro. 3- Ahora usando dos cables de conexión conecte el electrodo rojo (+) y el electrodo negro (-) disponibles en la cubeta con agua con los terminales respectivos de la fuente. 4- Ahora conecte dos cables de conexión para medir voltaje en el voltímetro FLUKE de modo que el cable del electrodo negativo se conecte con el respectivo electrodo negativo que está en la cubeta con agua. El otro electrodo positivo va a corresponder a nuestra “punta de prueba” y por lo tanto corresponde al cable de conexión que termina en punta, la cual se deja libre y es con la cual variaremos la posición sobre la placa de acrílico para medir el respectivo voltaje en cada posición. 5- Ahora si encienda la fuente ya calibrada en 10 V. En este punto tenga en cuenta de que NUNCA los dos electrodos que provienen de la fuente tengan contacto directo entre sí.

Observe ahora que al mover la punta de prueba o “sensor” de su electrodo positivo proveniente del voltímetro indica el valor del voltaje en cada región de la superficie sobre la placa. Busque entonces con la punta de prueba inicialmente regiones alrededor del electrodo negativo que indiquen un voltaje de 2V. Traslade y marque con un lápiz sobre la cuadricula de papel esos puntos. Identifique tantos puntos como sea necesario con ese voltaje que le permitan a usted posteriormente dibujar la línea equipotencial formada para ese valor de 2V. 6- Repita el mismo procedimiento anterior para 3V, 4V, 5V, 6V, 7V y 8V. 7- Repita el mismo procedimiento para otras dos configuraciones de electrodos, evitando derramar el agua en cada cambio. Análisis y Preguntas a-Para cada una de las tres configuraciones de electrodos dibuje las líneas equipotenciales para cada valor de voltaje. Analice y discuta en cada caso la forma y distribución de esas líneas. Por ejemplo: ¿Hay mayor densidad de líneas en ciertas regiones? ¿En qué casos esas líneas son rectas o presentan una mayor curvatura? ¿Hay alguna relación entre la forma del electrodo y las líneas equipotenciales? ¿Esas líneas corresponden, en cuanto a su forma y distribución, a lo esperado en la teoría? ¿Si hay diferencias a qué factores experimentales se las podemos atribuir? R/ Líneas equipotenciales entre dos cargas puntuales: Para la configuración de dos cargas puntuales las líneas equipotenciales formadas por la unión de todos los puntos con igual valor, da como resultado elipses de diámetro reducido en sus polos, y a medida que nos alejamos de los polos las elipses aumentan su diámetro, hasta llegar al punto medio de la distancia entre los dos polos.

Figura 1. Líneas de campo entre dos cargas puntuales

Líneas equipotenciales entre dos barras plana: Para la configuración de dos barras planas paralelas, las líneas equipotenciales forman líneas paralelas a las placas, que van desde el polo negativo hasta el polo positivo.

Figura 2. Líneas equipotenciales entre dos cargas paralelas

Líneas equipotenciales entre una carga puntual y una barra plana: Para la configuración de una carga puntual y una placa plana, las líneas equipotenciales dan como resultado elipses que aumentan su diámetro a medida que se alejan del polo negativo (carga puntual) y al llegar al punto medio entre la carga puntual y la barra, las líneas equipotenciales se convierten en línea paralelas.

Figura 3. Líneas equipotenciales ente una carga puntual y una barra plana

De acuerdo con los tres experimentos, se puede concluir que la forma que toman las líneas equipotenciales depende del tipo tipo de electrodo utilizado, por ejemplo, para una carga puntual las líneas de campo serán elipses y para placas planas serán líneas paralelas a las barras. b-Para una sola de las configuraciones de electrodos realice un análisis cuantitativo de la distancia con el voltaje. Tome por ejemplo datos de voltaje y distancia con respecto al electrodo negativo de referencia, para al menos tres trayectorias de líneas rectas no perpendiculares entre sí, y realice tres gráficas en cada caso que muestren el comportamiento del voltaje en función de la distancia al electrodo negativo. Considere en ese análisis, que una de las posibles trayectorias es la correspondiente a la trayectoria mínima posible entre los electrodos, y muestre porqué es precisamente esa trayectoria la más adecuada para describir el campo eléctrico, de acuerdo con el concepto de gradiente. R/

Voltaje

Dos cargas puntuales 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

Series1

0

1

2

3

4

5

6

Distancia

Figura 4. Grafica de voltaje 1 (distancia 5 cm)

Voltaje

Doscargas puntuales 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

Series1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5

Distancia

Figura 5. Grafica de voltaje 2(distancia de 8cm)

Voltaje

Dos cargas puntuales 9 8.5 8 7.5 7 6.5 6 5.5 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0

Series1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 11 12

Distancia

Figura 6. Grafica de voltaje 3 (distancia de 12cm)

Al graficar la tensión en función de la distancia, podemos identificar el comportamiento de la tensión a medida que nos alejamos del polo negativo, es decir, el valor que toman las líneas equipotenciales a medida que la distancia aumenta, gracias a esto se facilita el análisis del campo eléctrico, ya que, el campo eléctrico es perpendicular a las líneas equipotenciales, por tanto, se forma un ángulo de 90° entre los vectores de campo y las líneas equipotenciales.

c- De acuerdo con los argumentos que usted pueda encontrar en el punto anterior dibuje sobre las mismas hojas líneas que representen las líneas de campo eléctrico para cada una de las configuraciones de electrodos encontradas. Discuta cómo es la forma y comportamiento del campo eléctrico en cada caso y si su modelo experimental coincide con el comportamiento teórico esperado. R/ En el caso de dos cargas puntuales podemos notar el comportamiento del campo eléctrico, el cual concuerda con el marco teórico, que afirma que dos cargas puntuales de diferente polaridad se atraen, en este cao las líneas de campo salen en todas direcciones de las cargas puntuales, pero en las regiones en la cual está más cerca, las líneas de campo se intersectan, demostrando que las partículas tienen fuerzas que producen su atracción.

Figura 7. Campo eléctrico entre dos cargas puntuales

Figura 7.1 Campo eléctrico entre dos cargas puntuales

En el caso de dos barras planas paralelas el comportamiento del campo es mucho más sencillo de deducir, al tener en cuenta que el campo eléctrico es perpendicular a las líneas equipotenciales, y como en este caso las líneas equipotenciales son paralelas a las barras, el capo se verá como líneas horizontales trazadas entre las barras.

Figura 8. Campo electrico entre dos barras paralelas

Figura 8.1. Campo eléctrico entre dos barras paralelas

En el caso de una carga puntual y una barra plana, el comportamiento del campo será la combinación de los dos casos anteriores, el cual la carga negativa tendrá líneas de campo saliendo de ella y deformándose hasta intersectar al campo eléctrico producido por la barra de polaridad positiva.

Figura 9. Campo eléctrico ente una carga puntual y una barra plana

d-Analice y discuta si en vez de usar agua entre los electrodos se considerara una región con aire o en espacio vacío. ¿Es necesario un medio conductor en su modelo? ¿Qué otros materiales se podrían emplear? ¿Por qué es posible realizar este experimento con agua, si en principio es un medio no-conductor? R/ Si en este experimento se cambiara alguna región de agua, por aire o vacío, no darían los resultados esperados, puesto que, la única forma de llegar a una conclusión lógica es utilizar un medio conductor de electricidad con características similares al agua potable, el aire tiene una gran resistencia al paso de corriente eléctrica y el vacío simplemente es completamente resistivo al paso de corriente eléctrica. El único modo de replicar el experimento es utilizar un material conductor de resistividad similar al agua potable el cual es 0.005 – 0.05 S/m. Es posible hacer este experimento con agua potable debido a que está en un punto donde tiene una resistencia eléctrica que le permite actuar como un elemento resistivo sin oponerse completamente al paso de la corriente eléctrica.