Guía de laboratorio No. 3 para la materia:  Electricidad y Magnetismo

Ciencias Básicas

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1  UNIVERSIDAD DON BOSCO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS LABORATORIO DE FÍSICA ASIGNATURA: ELECTRICIDAD Y  MAGNETISMO                       LABORATORIO 3:                         CAMPO ELÉCTRICO Y POTENCIAL ELÉCTRICO  I. OBJETIVOS    Determinar la relación entre la intensidad del campo eléctrico E en un punto fijo con respecto a la diferencia de potencial, manteniendo una distancia r fija medida desde el centro de una esfera conductora.  Determinar la relación entre la intensidad de campo eléctrico E y la distancia r, medida desde el centro de una esfera conductora, cuyo potencial eléctrico se mantendrá constante.   II. INTRODUCCIÓN  El campo eléctrico E, en un punto del espacio se define como la fuerza           eléctrica   F que actúan  sobre  una  carga  de  prueba  positiva  qo  colocada  en  ese  punto,  dividida  entre  la magnitud de la carga de prueba:                           Si una carga de prueba  qo, se coloca a una distancia r de una carga puntual q, la magnitud de la fuerza que actúa sobre aquella está dada por la ley de Coulomb:                                La magnitud del campo eléctrico en el punto donde se localiza la carga de prueba debe  ser:                                                               La dirección E es la misma que la de F; en la línea que une a q y qo, y señala hacia q, si ésta es negativa y en dirección contraria si ésta es positiva.    2  POTENCIAL ELECTRICO   La  fuerza  electrostática  es  conservativa,  por  lo  que  se  puede  calcular  el  cambio  de energía  potencial  cuando  la  carga  qo  pasa  de  un  punto  “a”  a  otro  “b”  de  un  campo eléctrico. El cambio de energía potencial es igual al trabajo en contra del campo eléctrico producido por q cuando qo se mueve de “a” a “b”.                             ; Ecuación 4                                                                                                         Si el punto “a” se ubica en el infinito, (a una distancia tal que el campo producido por q no  es perceptible) entonces se define el potencial eléctrico en el punto “b” como:  Por definición la diferencia de potencial entre los puntos “a” y “b” es:                                                     El potencial eléctrico en un punto cualquiera situado a una distancia r de una carga puntual q es:                                                            POTENCIAL ELECTRICO DE UNA ESFERA CONDUCTORA   En todo conductor eléctrico la carga eléctrica se distribuye sobre su superficie; el campo eléctrico en su interior es cero y el trabajo neto efectuado sobre una carga de prueba por la superficie para cualquier trayectoria interior será cero.   Esto significa que en el interior de la esfera el potencial eléctrico es constante e igual al de su  superficie.  Para  una  esfera  conductora  de  radio  R,  con  carga  distribuida  Q,  el potencial  eléctrico  en  su  superficie  (y  en  su  interior)  se  puede  determinar  mediante  la  expresión:                                                       3  Para distancias mayores que R, (r > R) la esfera se comporta como una carga puntual y  el potencial eléctrico resulta ser:                                              RELACION   (Vr y E)   La magnitud E del campo eléctrico se relaciona con el potencial eléctrico  así:                                                                       Obsérvese que para un punto a una distancia r del centro de una esfera conductora de radio R, donde r > R, se tendrá que:                                                                                         CARGA EN UNA ESFERA CONDUCTORA   La carga en una esfera conductora se determina a partir de su capacitancia. La capacitancia se  define  como  la  razón  entre  la  magnitud  de  la  carga  y  la  magnitud  de  la  diferencia     de   Potencia aplicada.                                       La capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica. Para una esfera la capacitancia viene dada por:                               Donde                     Relacionando  la  ecuación  14  con  15  se  puede  obtener  una  nueva  relación  para  determinar la carga en la esfera. Donde V representa la diferencia de potencial que se le aplica a la esfera.                                   4  III. TAREA PREVIA  1.  Defina y explique los siguientes conceptos:   a) Carga puntual.   b) Gradiente de potencial  c) Campo eléctrico                   d) Carga de prueba.    e) Líneas de campo eléctrico f) Vector de campo eléctrico.   g) Potencial eléctrico.   h) Superficies equipotenciales.             2.  Mencione 3 propiedades características  de las líneas de campo eléctrico. Dibuje el bosquejo de las configuraciones de líneas de campo eléctrico para los siguientes casos:  a) Una carga puntual positiva.  b) Una carga puntual negativa.  c) Un dipolo eléctrico.    d) La región entre dos placas de cargas                                                                iguales y signos opuestos.    3.  Una carga de -8µC colocada en un punto P, en un campo eléctrico, experimenta una fuerza hacia abajo de     6x10-3N. ¿Cuál  será la magnitud y dirección del campo en dicho punto?    IV. EQUIPO Y MATERIAL   1 Medidor de campo eléctrico 1 Placa de capacitor 1 Fuente de alto voltaje 0-25KV 1 Esfera conductora de 4 cm de diámetro 1 Varilla aislante 1 Multímetro - Cables de conexión 1 Fuente de voltaje CD 0-15V     V. PROCEDIMIENTO  5  PARTE  A: RELACION  V(R) y E. Intensidad de campo eléctrico E y potencial eléctrico aplicado a una esfera conductora 1. El equipo experimental se dispone tal como se muestra en la siguiente figura.               2. El centro de la esfera conductora se coloca a una distancia r=15 cm con respecto a la placa de capacitor del medidor de campo eléctrico.   3. Verifique que la fuente de alimentación del medidor de campo eléctrico se encuentre en su posición MINIMA, luego poco a poco aumente el voltaje hasta alcanzar aproximadamente 15 voltios (voltaje de trabajo del medidor de campo).   4. Verifique que los led ubicados en la parte trasera del medidor de campo eléctrico se estabilicen, quedando únicamente uno encendido. De no lograr que el medidor se estabilice, consulte con su docente.  5. Seleccione la escala de 10kV/m en el medidor de campo eléctrico (para ello presione el bot n blanco “RANGE”  ubicado en la parte trasera del medidor, presi nelo hasta posicionarse de la escala deseada).  6. Ajustar el medidor de campo eléctrico, manipulando la perilla plateada que se encuentra situado en la parte superior derecha del aparato hasta que el voltímetro llegue a cero.   7. Utilizando la fuente de alto voltaje proporcionar a la esfera un potencial eléctrico de    V(R) = 0.2 kV y leer el potencial eléctrico (Vr) censado por el  voltímetro.   8. Manteniendo constante el valor de r, repetir el paso anterior para V(R) =  0.3, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 Kv, y obtener los valores respectivos de Vr en el voltímetro.  9. Con los datos obtenidos para cada medición,  y los cálculos que considere necesarios, complete la tabla 1 de la sección hoja de datos y análisis de resultados.  PARTE B: RELACION E(r) y r.  6     1. Realice los pasos del 3 al 6 de la parte A. 2. Coloque la esfera  a una distancia de r=14 cm de la placa del capacitor que contiene el medidor de campo eléctrico (medida desde el centro de la esfera).   3. Proporcione  a  la  esfera  conductora  un  potencial  V(R)=0.3kV  y  lea  el  potencial eléctrico Vr  en el voltímetro.  4. Sin variar V(R), aleje la esfera 2 cm más, de la placa del capacitor del medidor de campo eléctrico. Es decir r=16 cm. Lea el potencial eléctrico Vr en el voltímetro y anote el resultado en la tabla 2.  5. Repita el paso 4 para valores de r=(18, 20, 22, 24, y 26) cm. 6. Con la información obtenida determine la magnitud del campo eléctrico para cada una de las mediciones realizadas. Complete la tabla 2.   VI. HOJA DE DATOS Y ANALISIS DE RESULTADOS    V(R)  (kV) Vr (Voltios) E (kV/m) 0.2   0.3   0.4   0.6   0.8   1.0   Tabla 1         r (m) Vr (Voltios) E (kV/m) 7  0.14   0.16   0.18   0.20   0.22   0.24   0.26   Tabla 2  PARTE A:   1. Construya la gráfica de VR vrs E (papel milimetrado) trazando la gráfica que mejor describa la tendencia que sugieren los puntos de los datos experimentales.   2. ¿Qué tipo de relación existe entre VR y E (proporcional directa, proporcional inversa, exponencial, logarítmica, etc.)? ¿Es la gráfica que esperaba? Justifique su respuesta.  3. ¿El gráfico anterior pasa por el origen? Explique y justifique su respuesta.  4. Determine la pendiente del gráfico con sus respectivas unidades.   5. Determine la ecuación experimental que relaciona las variables.  6. A partir de las expresiones  E = KQ/r2   y  VR= KQ/R, demuestre que  E=(R/r2)VR.  PARTE B:   1. Construya  la  gráfica  de  E  vrs.  r  (papel  logarítmico)  con  escalas  de  ciclos  de  igual tamaño.  En  este  caso  trace  una  línea  recta  que  mejor  describa  la  tendencia  de  los puntos.   2. Haciendo uso directo de la gráfica determine la ecuación experimental que relaciona las variables. ¿Cuáles son las unidades de la pendiente de dicha ecuación?  3. Si E = KQ / r2, esto es E = KQ r -2, haciendo KQ = C (constante) se puede expresar 8  E = Cr -2, al transformar logarítmicamente esta última expresión se obtenía log E = log C – 2 log r. Esto último significa que al graficar en escalas logarítmicas  E vrs r,  debe obtenerse una recta con pendiente igual a –2. ¿Es este el valor obtenido en el numeral 2?  4. Asumiendo que el valor teórico de la pendiente es -2, determine el % de error en relación al valor de la pendiente que determino en el numeral 2.  5. Cuáles considera usted, en base el equipo y los procedimientos empleados en el experimento, que fueron los factores que contribuyeron a la obtención de ese porcentaje de error. Explique y justifique su respuesta.   PARTE C:  Investigue y explique en base al fenómeno físico analizado: ¿Qué es el rayo? ¿Qué función desempeña un pararrayos?                      9  Departamento: Ciencias Básicas Laboratorio: Física                            Asignatura: EMA                                                                                      NOTA  Campo Eléctrico y Potencial Eléctrico. Nº Apellidos Nombres Carné Firma G.T 1      2      3      4      5              Nº Criterios a evaluar % asignado % obtenido Observaciones 1 Presentación  5   2 Cálculos de campo eléctrico para cada medición.  5   3 Gráfica  VR  vrs. E 5   4 Tipo de gráfico y relación  VR vrs E 5   5 ¿La grafica pasa por el origen? Explique. 5   6 Pendiente del gráfico y unidades  10   7 Ecuación experimental y unidades.  10   8 Demostrar que E=R/r2*VR 5   10 ¿Qué representa la pendiente? 10   11 Gráfico E vrs. r 5   12 Ecuación experimental que relaciona E y r 5   13 Pendiente del gráfico y porcentaje de error 10   14 Posibles causas de error 5   15 Aplicación de conceptos.  15    Total de puntos 100    Docente de laboratorio: GL: Fecha: Mesa: Electricidad y Magnetismo. Laboratorio Nº 3. Hoja de criterios de evaluación de los resultados experimentales 

Campo eléctrico y potencia eléctrico

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