Potencial Electrico PDF

Preview

Summary

Medicion y observacion de cualidades de campos electricos generados por 1 o mas cargas electricas estaticas...

Description

Laboratorio Nº2 Potencial eléctrico

Física II Grupo 10 ISI-A Blanco Liotti, Ignacio Cabrera Romani, Lucas Lezcano, Rafael Romero Artaza, Agustina Vilalta, Tomás F. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Resistencia 2020

Resumen En este trabajo medimos y observamos las diferentes características de los campos eléctricos generados a través de la interacción de 1 o más cargas eléctricas. Observamos las intensidades de los campos eléctricos, sus múltiples direcciones, la invariancia del voltaje en puntos equidistantes a una carga única, como su variación ante una carga negativa. A su vez observamos además la relación lineal entre campo eléctrico y voltaje al aumentar la carga. Introducción: Potencial eléctrico Dada una carga eléctrica de prueba, la misma desarrolla una energía potencial electrostática cuando está en presencia de otra carga. Teniendo en cuenta esta relación, podemos definir a la relación entre la fuerza y el campo eléctrico como potencial eléctrico con una carga denominada q1 a una distancia r:

Energía eléctrica: Una carga de prueba situada en un punto tendrá energía potencial, la cual se define como:

Diferencia de potencial, trabajo y campo eléctrico: Si sumamos los potenciales creados por cargas fuente, obtendremos el potencial eléctrico en un punto particular. Podemos expresar el trabajo realizado por una fuerza en función de su diferencia de potencial:

De esta manera, podemos obtener la relación entre campo eléctrico y la diferencia de potencial entre dos puntos:

Podemos concluir de esta expresión que en una región del espacio donde el potencial es constante, su campo eléctrico será nulo. Para calcular el campo eléctrico a partir del potencial se utiliza el operador gradiente:

Actividades 1. Encienda el computador y acceda al enlace.

2. Traslade distintas cargas al escenario de trabajo y active las opciones para mostrar solo la dirección del campo eléctrico en alta resolución. (Fig. 2.1)

Fig. 2.1 3. Reinicie la simulación y active la opción de la rejilla, ahora coloque una carga positiva (+) en un punto central de su área de trabajo y observe el campo E. describa lo que observa, como es el campo con respecto a la carga, y qué sucede con la intensidad si sobrepone más carga positivas sobre la carga inicial, active las opciones para mostrar solo la dirección del campo eléctrico en alta resolución, a partir de la observación qué puede concluir. (Fig. 3.1)

Si colocamos una carga positiva (1nC) en un punto central del área de trabajo podemos ver los distintos vectores del campo eléctrico que tiene origen en la carga. Podemos observar que El campo producido por una carga puntual positiva apunta en una dirección que se aleja de la carga. El Vector de color rojo indica la intensidad y dirección del campo en ese punto (5.73V/m) (Fig. 3.1) Al sobreponer más cargas positivas sobre la carga inicial, la intensidad del campo en el mismo punto aumenta considerablemente (28.7 V/m)(Fig. 3.2)

(Fig. 3.2)  aaaaaaaaaa Al observar el simulador podemos concluir que la intensidad del campo eléctrico es una cantidad vectorial,directamente proporcional a la intensidad de la carga; y que apunta en una dirección opuesta a la carga. 4. Ahora se va a hacer uso del sensor de superficies equipotenciales, para ello reinicie la simulación y ubique una carga positiva de 5 nC (sobreponiendo las cargas de 1nC) en el centro del entorno de trabajo, luego habilite la opción “mostrar números” o puede estar también como “valores” posteriormente ubique el sensor de superficies equipotenciales y muévalo a algún punto de la pantalla de trabajo y presione dibujar superficie equipotencial, indique cómo es la superficie encontrada, desplácese sobre la misma e indique que observa en el dato numérico. (Fig. 4.1)

Lo que podemos ver en la imagen anterior es que la carga de 5nC genera un campo eléctrico, y un área en forma de círculo y esta es la superficie equipotencial. Si no movemos por la superficie mencionada nos damos cuenta que el voltaje no varía, esto es la consecuencia de que las superficies equipotenciales se encuentran en una posición perpendicular al campo eléctrico producido por la carga que mencionamos al principio 5. Reinicie la simulación y ubique un dipolo eléctrico, una carga positiva de 5 nC y otra de -5 nC sobre una misma línea recta, separadas 2 metros. 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. ¿Qué observa y que concluye en esta situación?. En la figura 5.1 podemos observar el campo eléctrico creado por un dipolo eléctrico. En la figura 5.2 podemos observar las superficies equipotenciales, si movemos el sensor observamos que este aumenta cuando la distancia a la carga que se encuentra se hace más pequeña.

Fig. 5.1 (arriba); Fig 5.2 (abajo)

6. Reinicie la simulación y ubique diferentes cargas positivas continuas a lo largo de una línea recta horizontal intentando formar una línea infinita de carga. Anexo con su informe la imagen obtenida mostrando la intensidad y dirección del campo eléctrico. A partir de lo resultados que puede concluir. A partir de los resultados podemos concluir las líneas de campo nacen en las cargas positivas, además si observamos los sensores de intensidad, podemos ver que a medida que nos alejamos de las cargas disminuye la intensidad del campo eléctrico, como se ve en la imagen, en el punto más cercano al sensor se tiene una intensidad de 123 V/m, en el caso de la carga del medio, se tiene una intensidad de 31.3 V/m, en la carga más alejada se posee una intensidad de 17.5 V/m Las líneas del campo eléctrico a diferencia de en una carga puntual (la cual genera unas líneas alejándose de la carga en todas las direcciones) genera líneas paralelas en sentido contrario a la linea infinita de carga.

7. Reinicie la simulación y ubique diferentes cargas positivas continuas, formando una circunferencia de diámetro de 1m intentando mostrar un anillo o distribución circular de carga positiva. Anexe con su informe la imagen obtenida mostrando la intensidad y dirección del campo eléctrico. A partir de los resultados qué puede concluir. (Fig.7.1)aaaaaaaa Observando la imagen vemos que dentro de la distribución de carga, es mucho menor el campo eléctrico que si es externa a esta. Como conclusión se puede decir que dicho campo mencionado anteriormente interior al círculo es insignificante. Externo a este su sentido depende del signo que posean las cargas y su dirección es radial. Además , si vemos la parte externa al círculo y las superficies equipotenciales y la dirección y sentido del campo posee muchas similitudes con los de una sola carga puntual.

8. Reinicie la simulación y ubique las cargas de acuerdo a la figura 2. Anexe con su informe la imagen obtenida mostrando las superficies equipotenciales cada 0.50 metros, la intensidad y dirección del campo eléctrico. A partir de los resultados qué puede concluir.

Si observamos el campo eléctrico formado en la imagen, lo primero que puede notarse es la dirección de los vectores de campo eléctrico, que se dirigen desde las cargas positivas hacia las cargas negativas. Por otro lado, las superficies equipotenciales formadas por ambos conjuntos de cargas difieren según la cercanía a las cargas positivas o negativas.

Análisis cuantitativo y cualitativo 1. Reinicie la simulación, habilite las opción “rejilla o grilla” y “Mostrar números o valores” y ubique una carga positiva de 1nC en el vértice de un recuadro, posteriormente a una distancia de 2 metros 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 sobre ponga otra carga de 1nC y repita el ejercicio hasta llegar a una carga de 6 nC TABLA 1: Relación entre V y E Blanco Liotti Ignacio d=2m

V (Voltios) 4,5

8,949

13,4

17,9

22,5

27

E (V/m)

4,5

6,76

9,01

11,3

13,5

2,26

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

2. Reinicie la simulación habilite la opción "rejilla o grilla" y "mostrar números o valores" y ubique una carga negativa de -1nC en el vértice de un recuadro, posteriormente a una distancia de 2 metros 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 -6nC.  ABLA 2 : relación entre V y E T Blanco Liotti Ignacio d=2m

V (Voltios) -4.5

-9.07

-13.59

-18.11

-22.64

-27.16

E (V/m)

4.5

6.73

8.96

11.2

13.4

2.25

C  on los datos encontrados en la tabla 2. Realice la gráfica de Campo eléctrico E (eje y) vs V x) en papel milimetrado

(eje

Conclusión: En este laboratorio pudimos comprobar conceptos como las líneas de campo las cuales tienen como fuente a las cargas positivas, también se verificaron las expresiones de campo eléctrico para las diferentes distribuciones de carga (individuales, circunferencia, dipolo, aproximación a una línea

infinita de carga). También pudimos observar que en una superficie equipotencial el voltaje se mantiene constante y que la intensidad del campo eléctrico disminuye cuando nos alejamos de la carga. También comprobamos que la relación entre el potencial eléctrico y el campo eléctrico es lineal. Para cargas positivas, la relación del campo eléctrico y el potencial eléctrico es directamente proporcional. A su vez, para cargas negativas la relación entre las mismas es tambien lineal, solamente que su grafico es el de una pendiente negativa ya que el valor del campo del sensor en la simulación esta dado en magnitud y sentido hacia la carga.

Bibliografía ● ● ●

Fisica - Serway 7ma Edición - Volumen 2 Física - Tipler - 6ta Edición - Volumen 2 Fisica II para ciencias e Ingeniería - Giancoli...