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Laboratorio I. 2020-09-11. Programas:Ingenieria Industrial, Ingenieria Electronica, Ingenieria en Sistemas. Docente: James Andres Barrera

CAMPOS Y POTENCIAL ELECTRICOS Electric fields and potential RESUMEN En el laboratorio desarrollado se emplearon cargas positivas y negativas las cuales se pusieron en un campo eléctrico para poder observar el comportamiento del mismo al ponerlas a interactuar a diferentes distancias para lo cual se observó la dirección del campo y los cambios del mismo, igualmente se usaron sensores y voltímetro para medir el voltaje de la carga y del campo en diferentes partes según la simulación propuesta.

JHON JAIBER GALLEGO Cód. 1110552297 [email protected]

Palabras clave: campo eléctrico,carga eléctrica, diferencia de potencial, entorno, intensidad, interacción, sensor, simulación, potencial, voltímetro,

YERSON BASTIDAS Cód. 1004743626 [email protected]

CHRISTIAN GARCIA Cód. 1088031767 [email protected]

ABSTRACT In the laboratory we did we used positive and negative charges, we put these charges in an electric field to observe their behavior and interaction at different distances for which the direction of the field and its changes were observed we also use sensors to measure the voltage of the load and the field in different parts of the field according to the proposed simulation. . Keywords: electric charge, electric field, environment, intensity, interaction, potential, potential difference, sensor, simulation, voltmeter 

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WAB =A ∫BF dl = A ∫ BqE dl = −q∆V

OBJETIVOS



● Calcular la diferencia de potencial de dos o más cargas con respecto a un punto ● Describir la fuerza y dirección del campo eléctrico alrededor de un cuerpo cargado ● Lograr interactuar con la plataforma 1. FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA El potencial eléctrico creado por una carga q en un punto a una distancia r se define como: V = k qr (1) Por lo que una carga de prueba q situada en ese punto tendrá una energía potencial U dada por: U = qV(2) El trabajo realizado por la fuerza electrostática para llevar una carga q desde un punto A al punto B se puede expresar en función de la diferencia de potencial entre dos puntos A y B. WAB = UA − UB = qVA − qVB =

∆V = VB − VA=-A ∫ BE dl (3) Las superficies equipotenciales son aquellas en las que el potencial toma un valor constante y la fuerza electrostática no realiza trabajo, puesto que ΔV es nulo. 2. PROCEDIMIENTOS Inicialmente se desarrollaron actividades de reconocimiento en interacción con el escenario experimental, luego se realizó un dipolo eléctrico para observar la intensidad y dirección del campo eléctrico para lo cual se dibujaron una serie de superficies equipotenciales, seguidamente se midió el voltaje y el potencial eléctrico a través de un sensor y un equipotenciador, donde se observó que el sensor apunta en la misma dirección que las líneas del campo apuntan respecto a la carga puntual, adicional a lo anterior , el equipotenciador registra una misma intensidad de energía potencial a lo largo de la superficie equipotencial trazada presentando variación cuando la medición se realizaba aledaña a la carga contraria del dipolo.

−q∆V Al momento de simular un escenario con una distribución uniforme de cargas positivas a lo largo de una horizontal

imaginaria en un plano se pudo observar que las líneas direccionales del campo toman dos sentidos opuestos al eje, es decir, las líneas salen en dirección del eje y positivo y negativo 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ¿Identifique completamente el entorno de trabajo y las variables que maneja el paquete, cuáles son? Cargas (positivas y negativas) Sensor de superficies Medidor de voltaje Metro Traslade distintas cargas al escenario de trabajo y active las opciones para mostrar solo la dirección del campo eléctrico en alta resolución.

Reinicie la simulación y active la opción de la rejilla, ahora ubique una carga + en un punto central de su área de trabajo y observe el campo eléctrico E, describa lo que observa y analiza cómo es el campo con respecto a la carga, y qué sucede con la intensidad de él si sobrepone más cargas positivas sobre la carga inicial, active las opciones para mostrar solo la dirección del campo eléctrico en alta resolución. Al ubicar una carga positiva se observa que las líneas de campo salen de la carga, apuntando en dirección contraria a ella, en el momento que sobreponemos más cargas positivas sobre la carga inicial vemos que las líneas de campo no se modifican, siguen siendo las mismas pero notamos que si hay un cambio en la intensidad del campo, aumentando el valor de este . Ahora se va a hacer uso del sensor de superficies equipotenciales, para ello ubique una carga positiva de 5 nc en el centro del entorno de trabajo, luego habilite la opción “mostrar números” posteriormente ubique el sensor de superficies equipotenciales y muévalo a algún punto de la pantalla de trabajo cercano a la carga y presione dibujar superficie equipotencial, ¿cómo es la superficie encontrada ?, desplácese sobre la misma e indique que observa en el dato numérico. Y determine qué sucede con el valor mostrado en la superficie equipotencial si aumenta el valor de la carga.

Al colocar el sensor de líneas equipotenciales cerca a la carga positiva que tenemos que en este caso es de 5 nc, se observa que se dibuja una circunferencia en la cual el valor del voltaje es el mismo sobre esa misma carga. Al momento de aumentar el valor de la carga, la línea generada por el sensor desaparece y cambia el voltaje de la superficie. Reinicie la simulación y ubique un dipolo eléctrico, una carga positiva de 5 nC y otra de -5nC sobre una misma línea recta, separadas 1 cuadrícula, anexe la imagen obtenida mostrando la intensidad y dirección del campo eléctrico, dibuje 5 superficies equipotenciales alrededor de cada carga, y haga un testeo con un sensor de campo moviéndolo sobre una superficie equipotencial luego indique qué observó y qué concluye en esta situación.

Al momento de dibujar las líneas equipotenciales y hacer un testeo con el sensor de campo se observa que la dirección del sensor es la misma que la de las líneas de campo, observando así que cuando se recorre alguna de las líneas de la carga positiva el sensor toma dirección contraria de la carga y cuando la carga es negativa toma dirección de la carga, en cuanto al valor del campo sobre las líneas equipotenciales se observa que se trata de mantener pero cuando se acerca a la otra carga aumenta el valor del campo. Reinicie la simulación y ubique diferentes cargas positivas continuas a lo largo de una línea recta horizontal intentando formar una línea infinita de carga. Anexe con su informe la imagen obtenida mostrando la intensidad y dirección del campo eléctrico, además a partir de sus resultados qué puede concluir.

De lo anterior podemos concluir que al momento de distribuir las cargas en una línea recta de manera horizontal podemos concluir que las líneas de campo solo toman dos direcciones de forma vertical (arriba o abajo) y que la la intensidad del campo aumenta ya que las últimas líneas de campo son modificadas por la distribución de las cargas

Reinicie la simulación y ubique diferentes cargas positivas continuas formando una circunferencia de diámetro media cuadrilla intentando formar un anillo o distribución circular de carga positiva. Anexe con su informe la imagen obtenida mostrando la intensidad y dirección del campo eléctrico dentro y fuera de la distribución de carga, además a partir de sus resultados qué puede concluir.

TABLA 1: Relación entre V y E V (voltios)

4,507

9,013

15,520

18,030

22,530

27,040

31,550

36,070

E (V/m)

2,270

4,550

6,820

9,100

11,400

13,600

15,900

18,200

d= 2 m

X Con los datos encontrados en la tabla 1. Realice la gráfica de Campo eléctrico E (eje y) vs V (eje x) en papel Excel.

Dada la distribución de las cargas, al tener una circunferencia de cargas positivas, la líneas de campo fuera de esta distribución toman dirección contraria a cada de una de estas cargas. Por otro lado dentro de la distribución de cargas podemos ver que se forma un efecto de brújula ya que al mover alguna de las cargas las líneas de campo se mueven en dirección contraria a la carga que se está moviendo

Reinicie la simulación, habilite la opción “rejilla” y “Mostrar números” y ubique una carga negativa de -1nC en el vértice de un recuadro, posteriormente a una distancia de 2 cuadrillas dibuje una superficie equipotencial ubique el valor mostrado en la tabla 2. Y sobre ese mismo punto ubique un sensor de campo eléctrico E. Manteniendo la distancia constante sobre ponga otra carga de -1nC y repita el ejercicio hasta llegar a una carga de -8 nC.

Gráficos Reinicie la simulación, habilite la opción “rejilla” y “Mostrar números” y ubique una carga positiva de 1nC en el vértice de un recuadro, posteriormente a una distancia de 2 cuadrillas dibuje una superficie equipotencial ubique el valor mostrado en la tabla 1. Y sobre ese mismo punto ubique un sensor de campo eléctrico E. Manteniendo la distancia constante sobreponga otra carga de 1nC y repita el ejercicio hasta llegar a una carga de 8 nC.

TABLA 2: Relación entre V y E

d= 2 m

V (voltios)

-4,492

-8,984

-13,460

-17,950

-22,440

-26,930

31,43 0

35,900

E (V/m)

2,240

4,480

6,740

8,990

11,220

13,500

15,70 0

18,000

Realice la gráfica de Campo eléctrico E (eje y) vs V (eje x) en papel Excel.

CONCLUSIONES Aquí se trata del análisis de los resultados obtenidos a la luz de los comportamientos o valores esperados teóricamente. Específicamente las conclusiones se hacen con base en la comparación entre los objetivos y los resultados obtenidos, exponiendo las causas de las diferencias y el posible origen de los errores. BIBLIOGRAFÍA James Andrés Barrera (Marzo 24 2020). GUÍA Laboratorio de Física 2 Virtual CAMPOS Y POTENCIAL ELÉCTRICOS. César Tomé López (Sf). La diferencia de potencial eléctrico. culturacientifica. Recuperado de: https://culturacientifica.com/2016/04/12/la-diferenciapotencial-electrico/#:~:text=La%20unidad%20de%20la %20diferencia,carga%2C%20o%20julios%20por %20culombio.&text=La%20diferencia%20de %20potencial%20el%C3%A9ctrico%20(o%20voltaje) %20entre%20dos%20puntos,desde%20un%20punto %20a%20otro.%E2%80%99 Simulaciones interactivas de ciencias y matemáticas. University of Colorado. Interactive Simulations. Phet. ‘https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-andfields/latest/charges-and-fields_es.html’...