Experiencia 2 12 El campo eléctrico y las líneas equipotenciales Hacia cada punto del espacio cercano a la superficie de la tierra se le puede asociar un vector de campo gravitacional g (la aceleración debida a la gravedad); dicho campo corresponde a la aceleración gravitatoria que experimenta un cuerpo de prueba en un punto del espacio y dejado en libertad, el campo gravitacional es un ejemplo típico de campo vectorial. El flujo de agua en un canal, el cual se le conoce con el nombre de campo de flujo, constituye otro ejemplo de campo vectorial. Introducción De igual manera ocurre lo mismo con la Electrostática: si colocamos una carga de prueba en una zona cercana a una varilla cargada, aquella experimenta una fuerza electrostática. Entonces, podemos hablar de un campo eléctrico en este espacio. De igual forma, se habla de un campo magnético que rodea a una barra de imán. Los conceptos de campo eléctrico y campo magnético son realmente básicos en la teoría clásica del electromagnetismo. En realidad, la noción de campo eléctrico surge como una necesidad de dar forma matemática al fenómeno natural propio. El campo eléctrico representa la perturbación del espacio que rodea a una partícula cargada eléctricamente. Si se conoce E (campo eléctrico) en todos los puntos del espacio, entonces se pueden trazar las líneas de campo eléctrico (o líneas de fuerza, a las que Michel Faraday llamó); y con todo esto es posible trazar una familia de equipotenciales trazando superficies perpendiculares a éstas, y viceversa. Las superficies equipotenciales son aquellas en donde el potencial eléctrico es el mismo. En la figura 1 se presentan algunos casos en donde pueden trazarse una familia de líneas equipotenciales, y en consecuencia, las líneas de campo eléctrico. Profesor Alexis .Alveo Universidad Latina De Panamá Figura 1 Representación gráfica de las líneas equipotenciales. 1 Esta experiencia persigue aclarar algunos conceptos fundamentales en Electrostática, como el campo eléctrico, la carga eléctrica, el potencial eléctrico y las líneas equipotenciales. Identificar, mediante el trazado de las líneas equipotenciales, las líneas de campo eléctrico. Objetivos _________________________________________________________ Materiales Una fuente de corriente directa (DC), cables de conexión, hojas blancas, papel milimetrado, puntas de prueba, un multímetro digital, estarcido electrónico, bolígrafo electrónico, papel carbón y tachuelas. _________________________________________________________ Procedimiento Para un par de cargas puntuales y barras metálicas 1) Pegue una hoja blanca sobre la mesa, con cinta adhesiva; encima de esta, coloque el papel carbón (adhiéralo también a la mesa con cinta adhesiva). 2) Coloque sobre todo el sistema que acaba de armar, el estarcido electrónico (vea la figura 2 de la siguiente página). Figura 2 Montaje del sistema para el estudio del campo eléctrico para un par de cargas puntuales. multímetro fuente DC A papel electrónico B papel carbón Figura 1 3) Coloque una punta de prueba, desde la terminal negativa de la fuente a un punto fijo sobre el estarcido electrónico (punto A en la figura). 4) La otra punta de prueba (que sale del terminal positiva), colóquela sobre el otro extremo del estarcido electrónico (punto B en la figura). 5) Ahora coloque junto al punto A otra punta de prueba que sale del terminal negativo del multímetro. Profesor Alexis .Alveo Universidad Latina De Panamá 2 Con otra punta de prueba (que sale del terminal positivo de dicho multímetro), desplácela entre los puntos A y B, y marque (con una pequeña cruz), los puntos en donde el voltaje es el mismo. Repita esto para diferentes puntos sobre el papel. 6) Una vez terminada esta parte de la experiencia, retire el estarcido electrónico y el papel carbón. Inmediatamente una los puntos que tengan el mismo valor del potencial eléctrico con líneas suaves. 7) Si las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las líneas equipotenciales, entonces trácelas siguiendo este principio. 8) Repita todos los pasos anteriores, pero ahora dibujando dos lineas paralelas, con el bolígrafo electrónico, de tal manera que se simule el montaje con barras metálicas (ver figura 3). Cuál es la forma de las líneas equipotenciales y de campo eléctrico? Figura 2 Figura 3 Montaje del sistema para el estudio del campo eléctrico para un par de placas paralelas cargas. multímetro fuente DC papel electrónico Tubos de aluminio papel carbón Relación del Potencial y el Campo Eléctrico 9) Conservando el último arreglo (con las barras metálicas), mida el potencial eléctrico cada 5 cm medidos a partir de la barra que está conectada al terminal negativo de la fuente DC. 10) Confeccione una tabla de datos de Voltaje (V) versus posición (x) y grafique estos valores y encuentre la expresión matemática que relaciona estas variables. Profesor Alexis .Alveo Universidad Latina De Panamá 3 Tabla V vs x Gráfico de V vs x 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Discusión 1. ¿Cuál es la definición física de campo eléctrico? 2. En el punto 8, ¿qué forma tienen las líneas equipotenciales y las líneas de campo eléctrico? 3. Para el caso de las barras metálicas paralelas, explique el por qué de la forma de las líneas equipotenciales y de campo eléctrico. 4. ¿Cuál es la naturaleza del gráfico de V vs x obtenido en la segunda fase de esta experiencia? ¿Qué representa físicamente la constante de proporcionalidad en la expresión matemática calculada? Explique. 5. Nombre algunos tópicos referentes al cuerpo humano, que se relacionen estrechamente con el concepto de campo eléctrico. ¿Por qué es importante el estudio de este concepto en ciencias de la vida? Explique. Profesor Alexis .Alveo Universidad Latina De Panamá 4