Practica Nº 3-Campo y potencial eléctrico PDF

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PRÁCTICANº3:CAMPO Y POTENCIAL ELÉCTRICOA. COMPETENCIAS∙Evalúa la relación entre la intensidad del campo y potencialeléctrico debido a dos cargas eléctricas separadas, observa las superficies equipotenciales de la interacción de estas dos cargas usando éticamente un simulador interactivo.B. INFORMACI...

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Electricidad y magnetismo

PRÁCTICA Nº 3: CAMPO Y POTENCIAL ELÉCTRICO

A. COMPETENCIAS ∙ Evalúa la relación entre la intensidad del campo y potencial eléctrico debido a dos cargas eléctricas separadas, observa las superficies equipotenciales de la interacción de estas dos cargas usando éticamente un simulador interactivo.

B. INFORMACIÓN TEÓRICA B.1 Campo y potencial eléctrico de una carga puntual Una carga eléctrica puntual crea un campo eléctrico a su alrededor con su sola presencia, la cual es un campo de fuerza de atracción o repulsión dependiendo de la naturaleza eléctrica de la carga que lo genera. El potencial eléctrico es la energía de potencial por unidad de carga y nos sirve para determinar el campo eléctrico. La componente del campo eléctrico en cualquier dirección, es el negativo de la rapidez de cambio del potencial en esa dirección. En coordenadas rectangulares quedaría expresado de la siguiente manera.

(1)

En esta práctica trataremos el caso en una sola dimensión, por lo que integrando la primera expresión de la ecuación (1) tendremos.

(2)

Donde: V: Es el potencial medido E: Es el campo eléctrico x: Es la posición respecto a la carga B.1 Superficies equipotenciales Las superficies equipotenciales son lugares en el espacio en donde el potencial eléctrico toma un valor constante, las superficies equipotenciales creadas por cargas puntuales son esferas concéntricas centradas en la carga, cuando hay presencia de dos o más cargas estas superficies se distorsionan.

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Figura 1: Superficies equipotenciales de dos cargas puntuales [1]

C. MATERIALES Y ESQUEMA 01 programa de simulación de laboratorio de electricidad (Phet.Colorado). https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and fields_es_PE.html

Figura 2: Representación de las superficies equipotenciales de dos cargas puntuales en el simulador.

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Figura 3: Representación de las superficies equipotenciales de dos placas paralelas en el simulador.

D. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ∙ Cargas puntuales 1. Acceda al link proporcionado en el apartado C. 2. Coja la cinta métrica proporcionada en el simulador y estírela 100 cm. 3. Posicione las cargas positiva y negativa del simulador en los extremos de la cinta métrica. 4. Marque la casilla voltaje y trace 5 superficies equipotenciales con ayuda del botón de la herramienta proporcionada en el simulador (equipotencial). Anote sus observaciones.

Vemos que la simulación separa, con ayuda de la cinta, la carga positiva de la negativa en 1 metro, también podemos ver que al activar el voltaje, se da el flujo entre ambos, además de que al aplicar 5 superficies equipotenciales, nos muestra distintas capas de nuestro flujo, las cuales rodean a las únicas cargas presentes. 5. Mida la distancia desde una de las cargas hacia una superficie equipotencial 5 veces en diferentes direcciones y anote sus observaciones. Vemos, que la distancia entre la carga y un punto de cualquiera de las cinco superficies, se va aumentando a medida que se aleja de la carga opuesta, en cambio mientras dicho punto esté más cerca de la carga opuesta, la distancia es menor.

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∙ Placas paralelas 1. Coja la cinta métrica proporcionada en el simulador y estírela 100 cm. 2. Posicione dos columnas de cargas eléctricas positivas y negativas en los extremos de la cinta métrica como se muestra en la figura 3. 3. Marque la casilla voltaje y trace 5 superficies equipotenciales con respecto a cada placa con ayuda del botón de la herramienta proporcionada en el simulador (equipotencial). Anote sus observaciones. Podemos ver que al igual que en las cargas puntuales, las superficies rodean a su respectiva carga, pero la diferencia reside en que ahora rodean a toda la columna de las cargas de nuestro flujo eléctrico. 4. Mida las distancias desde la placa positiva hacia las superficies equipotenciales y anótalas en la siguiente tabla. Tabla N°1: DISTANCIA ENTRE LA PLACA Y LAS SUPERFICIES Lectura

x ( cm )

Potencial ( V )

1

38,6

103,3

2

83,1

60

3

115,9

43,6

4

146,4

33,8

5

165,1

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E. ANÁLISIS DE DATOS ∙ Cargas puntuales

1. ¿Qué ángulo forman el campo eléctrico y la superficie equipotencial? Explique

Las superficies equipotenciales forman un ángulo recto con las líneas de fuerza; de otra forma el campo eléctrico tendría componentes sobre la superficie equipotencial y por ende realizaría trabajo sobre una partícula de prueba. Es obvio que esto no es posible por definición. Entonces, sobre una superficie equipotencial el trabajo realizado es nulo.

2. ¿Cómo varía el valor de la diferencia de potencial a medida que se aleja de cada carga?

En el caso de la carga positiva, el potencial va disminuyendo a medida que la superficie se aleja de la fuente de energía. Por el contrario, en el caso de la carga negativa, el potencial de la superficie va aumentando proporcionalmente al aumento de la distancia entre dicha superficie y la fuente de energía negativa.

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∙ Placas paralelas

3. Con los datos de la tabla 1 grafique V en función de x, determine la ecuación de la recta, pendiente e intercepto.

4. Usando los parámetros obtenidos de la ecuación de la recta. Determine el valor del campo eléctrico. ¿Qué significado físico representa el intercepto? 𝑉 =− 0, 573(𝑥) + 117

La ecuación de la gráfica de V en función a x: Y al compararla con la ecuación 2:

Podemos ver que la pendiente representa el valor del campo eléctrico: 𝐸 = 0, 573 𝑥

Al igual que hallamos el valor físico de la pendiente, hallamos el valor para el intercepto: 𝑉 = 117 𝑜

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F. CONCLUSIONES ● ● ●

La gráfica 1, V en función a x, tiene tendencia lineal y podemos compararla con la ecuación 2, presente en la práctica. La pendiente de nuestra gráfica, tiene valor físico, que es campo eléctrico. El intercepto tiene como valor físico, a compararlo con la ecuación 2, el potencial medido.

G. CUESTIONARIO FINAL 1. ¿Qué valor tiene el potencial eléctrico justo en el punto medio de separación de las placas? ¿Por qué? El valor del potencial eléctrico en dicho punto es cero, ya que al ser punto medio, se presenta un equilibrio eléctrico, haciendo que esa zona se quede sin carga eléctrica. 2. Si V= cte, ¿Cómo es E en esa región?; si E = 0¿Qué se puede afirmar de V ? Al darse el caso de que V es una constante, el campo eléctrico disminuiría como lo haría en el caso de que V no sea constante, pero lo haría a menor proporcionalidad a comparación de V no constante. En el caso de que el campo eléctrico sea 0, V seria igual al potencial medido. 3. ¿Qué relación existe entre el campo y el potencial eléctrico?

La relación matemática entre ambos conceptos se expresa diciendo que el campo es igual al gradiente (negativo) del potencial, y esto, limitando el análisis a una sola componente espacial, x, se reduce a:

𝐸 =− 𝑥

𝑑𝑉 𝑑𝑥

Expresión que supone que la magnitud de la componente del campo eléctrico en la dirección adoptada, x, equivale al ritmo de variación del potencial eléctrico con la distancia. El signo menos indica que la orientación del campo es la que coincide con el sentido hacia el que el potencial decrece. H. BIBLIOGRAFÍA ADICIONAL Autor Rodríguez, A.

Título Electricidad y Magnetismo

Edición 2ª

Año 2002

I. BIBLIOGRAFÍA DE REFERENCIA 1. Guías de Laboratorio de Física Básica, Departamento Académico de Física UNSA, Año 2016. 2. Physics Education Technology (PhET) Interactive Simulations, University of Colorado Boulder. https://phet.colorado.edu/

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