• Author / Uploaded
• Sonia Alejandra Morales Ardila

• Categories
• Campo eléctrico
• Electrostática
• Electricidad
• Cantidad
• Tasas temporales

Citation preview

INFORME DE LABORATORIO Física II

LINEAS EQUIPOTENCIALES Y CAMPO ELÉCTRICO Lizzette Viviana Yate Ducuara, 1010055316, Ingeniería Ambiental, Universidad Central. 1 Santiago Suarez Hernández, 1010239329, Ingeniería Industrial, Universidad Central. 2 Esteban Ariza Pérez, 1005275365, Ingeniería Industrial, Universidad Central. 3 Sonia Alejandra Morales Ardila, 1007568615, Ingeniería Electrónica, Universidad Central. 4 RESUMEN La finalidad de esta práctica fue la de comprobar que si existen las líneas equipotenciales y ver cómo se comportan estas a través de distintas figuras como se hizo en la práctica con piezas del tipo punto y plano, con esta práctica también se evidencio como se vería el campo magnético gracias a las líneas equipotenciales y como se ven afectados los campos magnéticos cuando entran en contacto junto a otros campos magnéticos

ABSTRACT The purpose of this practice was verify that if the equipotential lines exist, and see how they behave through different figures as was done in practice with pieces of point and plane type, with this practice it was also evident how the magnetic field thanks to equipotential lines and how magnetic fields are affected when they come into contact with other magnetic fields. PALABRAS CLAVE: Cargas, conductores, distribución, electrodos, líneas equipotenciales, voltaje KEYWORDS: Loads, drivers, distribution, electrodes, equipotential lines, voltage.

1. MARCO TEÓRICO Líneas de campo: Las líneas de campo eléctrico son líneas imaginarias que muestran la dirección del campo eléctrico de cada punto y su separación de una idea general de la magnitud E en cada punto. Donde E es intenso, se dibujan las líneas estrechamente agrupadas, donde E es más débil, las líneas están más separadas. En cualquier punto en particular, el campo eléctrico tiene una dirección única, por lo que solo una línea puede pasar por cada punto de campo. En otras palabras las líneas de campo nunca se cruza. (Francis Weston, 2005)

Ilustración 1. Líneas de Campo-Fuente: (Sanchez, 2012) Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 1

INFORME DE LABORATORIO Física II

Superficies Equipotenciales: Las superficies equipotenciales son la forma geométrica que se forman a partir de una partícula cargada, y están conformadas por puntos de campo en los cuales el potencial de campo no varía. Una de las características de las líneas equipotenciales es que son perpendiculares a las líneas de campo eléctrico. Estas figuras geométricas varían de acuerdo a la forma de la partícula. Por ejemplo para el caso de una esfera las líneas equipotenciales serian entonces esferas que a medida que se alejan de su centro de carga, su potencial de campo va a disminuir uniformemente dentro de la línea equipotencial hasta hacerse cero o encontrarse con otra superficie de otro cuerpo. (Perez, 2015)

Ilustración 2. El potencial electrico-Fuente: (Antioquia, 2001)

Campo electrostáticos entre electrodos: Un aspecto importante de los campos electrostáticos es que en la región entre electrodos tendremos conjuntos de puntos geométricos que presentan el mismo valor potencial. A esas superficies que cumplen este requisito se les llama superficies equipotenciales, y a la perpendicular a esa superficie mostrara la dirección del campo eléctrico, de acuerdo con los argumentos mencionados anteriormente. La superficie de un material conductor es siempre una superficie equipotencial. Una lámina conductora puede ser cargada negativa o positivamente según la conectamos al borde positivo o negativo de una fuente de poder, y así el conductor se convierte en un electrodo y nuestro objeto cargado genera un campo eléctrico alrededor de él. (Pereira, 2014) Finalmente es interesante notar que el movimiento de una partícula cargada en presencia de un campo eléctrico generado por otras cagas (en este caso los electrodos) depende de la dirección del campo eléctrico en un punto dado donde ella se encuentre y del signo de esa carga. Así, una carga negativa sentirá una fuerza eléctrica que le obligara a moverse en la dirección contraria al campo, peri so la caga es de signo positivo el efecto es contrario y tendrá que moverse en la misma dirección del campo. En todo caso, se habrá trabajado realizando en el sistema carga-campo en cualquiera de las dos circunstancias y la única forma de no realizar trabajo al mover la carga es que ella se desplace “obligadamente” en una superficie equipotencial de acuerdo con la expresión para el trabajo eléctrico. (Pereira, 2014)

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 2

INFORME DE LABORATORIO Física II

Ilustración 3. Líneas equipotenciales-Fuente: (R, s.f.)

Ilustración 4. Líneas equipotenciales y líneas de Campo electrico para dos cargas puntuales de signo contrario-Fuente: (Pereira, 2014)

Toda carga en el espacio que lo rodea tanto un campo eléctrico vectorial E como un campo eléctrico escalar V, cuyas expresiones están en función de la distancia r de un punto dado en consideración y de la magnitud de la carga. En general, la dependencia espacial explicita de esos campos E y V dependen de la forma como especialmente estén distribuidas las cargas. En el caso de cargas puntuales se presenta una simetría esférica de modo que los campos E y V presenten disminución radial en sus valores y tienden a cero a medida que nos alejamos de las cargas que producen los campos

2. METODOLOGÍA ● En esta parte se realizó el montaje para determinar las líneas equipotenciales de diferentes configuración de electrodos ●

Para el inicio de esta práctica se procede a dibujar ejes de apoyo en un papel milimetrado para así establecer las coordenadas de las líneas equipotenciales.

●

Seguido a esto se procede a llenar de agua un balde, para después poner las piezas a las que se les determinará las líneas equipotenciales, las piezas usadas fueron de un material metálico las cuales eran de tipo punto y tipo plano.

●

El primer montaje hecho fue entre dos piezas metálicas del tipo punto los cuales se conectaron a través de una fuente de poder la cual se les suministra potenciales de 5V, 10V y 15V.

●

El segundo montaje fue entre una pieza metálica tipo punto y otra tipo plano, con los mismos potenciales de 5V, 10V y 15V.

● Finalmente el último montaje que se hizo fue el de las dos piezas metálicas planas que al igual que anteriormente se usaron los potenciales de 5V, 10V y 15V.

● Para determinar todas las líneas equipotenciales con los distintos montajes se usó el multímetro con el cual se fueron hallando las coordenadas en las que las líneas equipotenciales tenían el mismo potencial al de la fuente de voltaje.

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 3

INFORME DE LABORATORIO Física II

3. RESULTADOS Al finalizar con la metodología brindada en la guía de laboratorio, la práctica nos da como resultado los siguientes datos. El primer montaje se está utilizando del kit de superficies equipotenciales dos puntos para tomar como referencia, como se puede evidenciar en la siguiente imagen

Ilustración 5. Montaje 1

Al realizar el montaje y variar el voltaje entre 5,10 y 15 voltios, seleccionando diez puntos por cada uno encontramos los siguientes datos. Primer montaje

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 voltios x y 5.5 14.5 5 3.5 5 10 5 4 6 7.5 5 14 5.5 8 5.5 9 4.5 4 5 16

10 voltios x y 14.5 7 14 14 15 0.5 14 15.5 14 11 14.5 5.5 14.5 2 14 8 14 16 14.5 12.5

15 voltios x y 23 14.5 23 15 28 0.5 23 4.5 22.5 14 24 17.5 23.5 16.5 22 12.5 21 9 22.5 5

Los datos obtenidos en este primer montaje se trasladan a las siguientes graficas para Comprobar si es claro evidenciar las líneas equipotenciales.

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 4

INFORME DE LABORATORIO Física II

Primer Montaje 5 volt 18 16

Distancia(cm)

14 12 10 8 6 4 2

0 0

2

4

6

8

Distacia (cm)

Tabla 1. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el primer voltaje a 5 voltios.

Se puede notar que si se intenta trazar una línea equipotencial entre 5cm a 6 cm del origen sin embargo hay cierta variación en el eje X, estas variaciones pueden deberse a mala toma de datos o mala señalización de los puntos tomados.

Primer Montaje 10 volt 18 16

Distacnai (cm)

14 12 10 8 6 4 2

0 10

11

12

13

14

15

16

Distancia(cm)

Tabla 2. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el primer voltaje a 10 voltios.

En esta segunda grafica la línea se intenta ubicar entre 14 cm a 15 cm del origen del montaje, sin embargo, aún no se puede evidenciar una línea homogénea entre el conjunto de puntos, aunque se puede ver un patrón más evidente que la grafica anterior.

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 5

INFORME DE LABORATORIO Física II

Distancia (cm)

Primer Montaje 15 volt 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10

15

20

25

Distancia (cm)

Tabla 3. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el primer voltaje a 15 voltios.

En esta tercera grafica hay rango entre 21 cm a 23 cm, es una brecha grande ya que no es para nada uniforme los puntos ubicados. La variación se puede presentar por el equipo utilizado ya que no es de gran precisión o por fallos en la toma de datos ya que la superficie del agua no era 100% uniforme. En el segundo montaje como objeto de referencia es una figura circular y otra figura de forma rectangular como se muestra en la siguiente imagen.

Ilustración 6. Montaje 2 Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 6

INFORME DE LABORATORIO Física II

La práctica nos brindó los siguientes resultados Segundo montaje

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 voltios x y 6 9.5 6 17 6 8 5.5 4.5 5.5 9.5 6 9 5.5 4 6 1.5 5.5 16 5.5 8.5

10 voltios x y 13.5 15 13 9.5 14 6.5 13.5 1 13.5 5 13.5 9 13.5 15.5 14 17 13.5 1.5 13 9

15 voltios x y 22.5 16 19.5 10 19.5 7 21.5 4 21.5 1.5 20 9.5 20.5 12.5 20.5 13 21.5 15 19.5 9

Con los datos obtenidos en este segundo montaje se encontraron las siguientes líneas equipotenciales, modificando únicamente el voltaje del montaje.

Segundo Montaje 5 volt 18 16

Distancia (cm)

14 12 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Distancia (cm)

Tabla 4. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el segundo voltaje a 5 voltios.

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 7

INFORME DE LABORATORIO Física II

Segundo Montaje 10 volt 18 16

Distancia (cm)

14 12 10 8 6 4 2 0 10

11

12

13

14

15

Distancia (cm)

Tabla 4. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el segundo voltaje a 10 voltios.

Segundo Montaje 15 volt 18 16

Distancia (cm)

14 12 10 8 6 4 2 0 10

12

14

16

18

20

22

24

Distancia(cm)

Tabla 5. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el segundo voltaje a 15 voltios

Se puede evidenciar en cada una de las tablas mostradas anteriormente que cada uno de los puntos se están comportando como una línea que intenta ser uniforme, aunque no es lo más homogénea posible, los puntos muestran que la línea están en un rango de 2 cm aproximadamente lo que nos indica un margen de error entre los datos medidos y la forma de las líneas.

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 8

INFORME DE LABORATORIO Física II

Al seguir con el tercer y último montaje se realiza con ambas barras rectangulares para poder comparar con las figuras anteriores.

5

Ilustración 7. Montaje 3

Con el montaje realizado se recolectaron los siguientes datos Tercer montaje

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

5 voltios x y 6 0 6 1.5 6 3 6 5 5.5 14 5.5 17.5 5.5 7.5 6 10 6 13 6 1

10 voltios x y 13 0 13 1.5 13 3 13 5 13 7 13 9 13 0.5 13 18 13 12 13.5 12

15 voltios x y 20 0 20 2 20.5 6.5 20.5 13 20.5 9 20.5 16 20.5 11.5 20.5 7 20.5 16.5 20.5 1

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 9

INFORME DE LABORATORIO Física II

Distancia (cm)

Tercer Montaje 5 voltios 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0

1

2

3

4

5

6

7

Distancia (cm)

Tabla 6. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el tercer voltaje a 5 voltios

Distancia (cm)

Tercer Montaje 10 voltios 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 10

10.5

11

11.5

12

12.5

13

13.5

14

Distancia (cm)

Tabla 6. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el tercer voltaje a 10 voltios

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 10

INFORME DE LABORATORIO Física II

Tercer Montaje 15 volt 18 16

Distancia(cm)

14 12 10 8 6 4

2 0 10

12

14

16

18

20

22

Distancia(cm)

Tabla 7. Conjunto de puntos que conservan el voltaje para el tercer voltaje a 15 voltios

En esta oportunidad si se puede evidenciar de forma más clara las líneas equipotenciales para este último esquema realizado, puede intervenir el tipo de producto, ya que el material es rectangular sus líneas equipotenciales son más homogéneas que los montajes anteriores además de que la toma de datos fue más precisa ya que las barras horizontales facilitaban la ubicación de datos en el plano.

4. CONCLUSIONES ●

● ●

Las líneas equipotenciales alrededor de los electrodos, se basan principalmente en diferentes configuraciones geométricas en este caso placas y discos, a diferencia de las líneas de campo eléctrico que mostraran únicamente un campo eléctrico. En las líneas equipotenciales el potencial eléctrico será el mismo en todos los puntos Al comparar las líneas equipotenciales con las de campo eléctrico, se puede concluir que empezaran siempre a partir de cargas positivas y terminaran en cargas negativas y que el número de líneas serán proporcionales a las magnitudes

5. CUESTIONARIO A. Justifique la afirmación número 4 del marco teórico. “Bajo condiciones electrostáticas, las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales” las líneas equipotenciales representan el área para las cuales el potencial eléctrico se mantiene constante, es decir para las cuales los niveles de energía se mantienen constantes, debido a esto las líneas equipotenciales suelen ubicarse paralelas a la superficie de donde emana el campo, mientras que el campo eléctrico siempre tendrá líneas abiertas, indicando el sentido de crecimiento o decremento del campo, siempre perpendicular a la superficie que lo emana. Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 11

INFORME DE LABORATORIO Física II

B. En la figura 1 suponga que se coloca un electrón cerca de la placa negativa. Describa lo que sucederá posteriormente

Cuando se coloca un electrón cerca de la placa negativa se puede observar que las líneas de campo eléctrico cerca del electrón cambian su dirección. El electrón al ser una carga puntual genera líneas equipotenciales diferentes a las generadas por el condensador, como dos líneas equipotenciales no se pueden interceptar, las líneas equipotenciales de la figura 1 pasaran cerca del electrón.

C. ¿Se puede interceptar dos líneas equipotenciales diferentes? Explique. Las líneas equipotenciales nunca se pueden cruzar porque son paralelas unas de las otras, lo que sucede es que un punto no puede tener dos valores diferentes al mismo tiempo, estas se pueden ir alejando o acercando entre sí pero pueden llegar a estar muy cercanas entre sí pero nunca cruzarse, estas son siempre perpendiculares al campo eléctrico.

6. BIBLIOGRAFIA Francis Weston Sears, A. Lewis Ford, Roger A. Freedman 2005. Física Universitaria: con física moderna Vol. 2. De la torre Zermeño. J; Flores. A 2003. El mundo de la física 2.Universidad Nacional Autónoma de México- Instituto Politécnico Nacional. Editorial progreso S.A de C.V. México D.F

Universidad Tecnológica de Pereira S.f. Lineas Equipotenciales. Pereira, Colombia. http://media.utp.edu.co/facultadciencias- basicas/archivos/contenidos-departamento-de-fisica/guia-lineas-equipotenciales.pdf Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 12

INFORME DE LABORATORIO Física II

Perez D.2015 Superficies equipotenciales y campo electrico. https://prezi.com/kmpjztnrmf5f/superficie s-equipotenciales-y-campo-electrico/ Cheng. D 1993. Fundamentos de electromagnetismo para ingeniería. Col. Industrial Atoto. Naucalpn de Juárez, Edo. De México

Universidad central – Física II [email protected], [email protected]@ucentral.edu.co3, [email protected] 13