Laboratorio: Superficies Equipotenciales y Líneas de Campo Eléctrico

Laboratorio: Superficies Equipotenciales y Líneas de Campo Eléctrico
Materiales:
Batería de 1.5 V o un “power supply” de 10V
Amperímetro
Papel conductivo
Tachuelas
Tabla de Datos
Introducción
En esta actividad investigaremos ls configuraciones de campo eléctrico debido a
varias distribuciones de carga. La comprensión de las superficies equipotenciales será
utilizada para deducir conclusiones relacionadas con los campos eléctricos asociadas con
dichas distribuciones. Todas las fuentes, pero especialmente las discusiones con los
compañeros de laboratorio serán utilizadas en la formulación de respuestas.
Objetivos:
1.
Fortalecer el entendimiento de campos eléctricos, líneas de campo y su relación
con superficies de potencial constante.
2. Utilizar este entendimiento para determinar las propiedades de campos eléctricos
de otras distribuciones de carga en dos y tres dimensiones.
3. Trazar superficies equipotenciales
4. Visualizar los mapas de superficies equipotenciales asociados con varias
distribuciones de cargas simples
5. Visualizar cualitativamente patrones de campo eléctrico asociados con ciertas
distribuciones de cargas
6.
Describir la relación entre las líneas de campo eléctrico y los vectores de campo
eléctrico
7. Familiarizarse con las reglas para dibujar líneas de campo eléctrico
8. Explicar el significado de flujo de campo eléctrico y discutir la ley de Gauss.
Pre-lab:
Antes de realizar este laboratorio usted deberá poder definir y explicar los siguientes
términos:
a. Superficie equipotencial
b. Línea de campo electrico
c. Debe poder explicar el porque las líneas de campo electrico al ser trazadas deben
cruzar las líneas equipotenciales a ángulos de 90˚ utilizando la siguiente igualdad


dV ( x, y, z)  V  dr
d. Explicar como utilizando argumentos de simetría relacionados con la
distribución de carga pueden ser utilizados para trazar líneas equipotenciales y
líneas de campo eléctrico.
e. La superficie de un conductor en equilibrio electroestático constituye una
superficie equipotencial.
f. Conocer las reglas para dibujar líneas de campo electrico
g. Conocer la relación entre las líneas de campo electrico y el campo eléctrico
Reglas para trazar líneas equipotenciales
1. Las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales y
señalan desde las regiones de potencial alto hacia las regiones de potencial bajo
2. El número de líneas de campo eléctrico asociadas con una distribución de cargas
debe ser proporcional a la magnitud de la carga
3. Las líneas de campo eléctrico no pueden cruzarse
Relación entre las líneas de campo eléctrico y el campo eléctrico
a. El campo eléctrico es tangente a la línea de campo eléctrico en cada punto
b. La magnitud del campo eléctrico es grande cuando las líneas están próximas entre
si y es pequeño cuando las líneas están separadas.
Procedimiento:
1. Monte el equipo según se ilustra en la Fig. 1
2. Establezca una diferencia de potencial ( V = 8.0 Voltios o según sea indicado por el
instructor) entre los electrodos de la configuración asignada e identifique el electrodo
positivo.
Nota: a menos que se le indique lo contrario en este laboratorio trabajaremos con
a) Dos configuraciones con simetría esférica
b) Una con simetría esférica y lo otra con simetría plana
3. En la configuración ( a) identifique los siguientes potenciales de referencia
n  V
Vn =
, n = 1,2, …7
8
4. Con la punta del común del voltímetro en V1 , utilice la otra punta para identificar al
menos nueve (uno en el eje horizontal de simetría y no menos de 4 puntos distribuidos
uniformemente a ambos lados del eje de simetria) puntos de la línea equipotencial
correspondiente a al potencial V(x,y) = V1 ( Nota: Argumentos de simetría relacionados
con las distribuciones de carga utilizados para trazar líneas equipotenciales tienen que ser
debidamente que justificados)
5. Repita el paso 4, para cada uno de los potenciales de referencia para determinar la
correspondiente línea equipotencial.
6. Trace al menos nueve líneas de campo electrico ( o las necesarias para que
inequívocamente se manifieste la configuración del campo eléctrico correspondiente a las
distribuciones asignadas) de campo eléctrico asociada con esa distribución de carga
7. Utilice otra configuración (la configuración b) de cargas y repita los pasos del 1 al 6.
Preguntas:
1. Las direcciones de los campos son indicadas por las líneas de campo, ¿por qué no
hay dirección indicada en las líneas equipotenciales?
2. Para la configuración de un dipolo, ¿en que región o regiones el campo eléctrico
tiene mayor intensidad? Explica como lo puedes saber viendo tu mapa.
3. Utiliza los resultados de tu experimento para trazar cualitativamente las líneas
equipotenciales y la configuración de líneas de campo eléctrico correspondientes
a dos configuraciones de carga con simetría plana y asume que el tamaño de la
configuraciones es mucho mayo que la separación entre las mismas y explica
porque deberían las superficies equipotenciales deberían lucir de esa manera.
4. Traza cualitativamente las superficies equipotenciales y la configuración de líneas
de campo eléctrico correspondientes a dos configuraciones de carga positiva con
simetría esférica y explica porque deberían lucir de esa manera.
http://www.mta.ca/faculty/science/physics/suren/FieldLines/FieldLines.html
5. Trazar cualitativamente la configuración de líneas de campo eléctrico
correspondientes a dos configuraciones de carga con simetría esférica una con
carga 2 Q y la otra con carga -Q. explica porque deberían lucir de esa manera
Referencias:
Physics Laboratory Experiments, Fields and Equipotentials, p.295-303, Jerry D. Wilson
http://physics.usask.ca/~pywell/p111/Exercises.html
http://physics.usask.ca/~pywell/p111/Exercises.html#Ex17