INTRODUCCION:

En este taller trabajamos con el concepto de campo elctrico homogneo que se utiliza para determinar la fuerza en una carga de prueba como resultado neto de la presencia de otras cargas y de esta manera ser posible conocer la relacin entre las direcciones de las lneas equipotenciales, la direccin de la mayor diferencia de potencial, las propiedades del campo elctrico y comprender la distribucin del potencial elctrico en una regin.

Para ello se realizan dos experimentos, en el primero se busca medir la fuerza entre las placas cargadas de un conductor de placas. De este modo, la medicin se realiza tomando en cuenta la distancia entre las placas y la tensin para una determinada superficie. Por lo tanto, el propsito es comprobar la proporcionalidad F 1/d y F, as como el establecimiento de la magnitud de la constante dielctrica en el vaco.

En el segundo experimento se busca verificar el principio de la carga imagen. Por lo tanto, se mide la fuerza de atraccin de una esfera cargada que se encuentra delante de una placa metlica. As, se mide la fuerza sobre una carga determinada en funcin de la distancia. De este modo, se intenta constatar las proporcionalidades Fd y F.

OBJETIVOS

OBJETIVOS GENERALES: Determinar los efectos y alteraciones que causa la electroesttica en un cuerpo elctrico. Analizar el comportamiento de un cuerpo elctrico a travs del estudio de las lneas de campo y equipotenciales Estudiar experimentalmente el principio de la carga imagen, aplicndolo en la medicin de la fuerza entre una esfera y una placa.

OBJETIVOS ESPECFICOS: Aprender como calcular el campo elctrico y la fuerza elctrica asociados con las cargas que se distribuyen a travs de un objeto. Verificar que se cumplan las igualdades relacionadas con fuerza y carga Entender como las lneas de campo elctrico pueden usarse para describir la magnitud y direccin del campo elctrico en una pequea regin del espacio. Calcular el campo elctrico y la fuerza elctrica asociado con las cargas que se distribuyen a travs de un objeto. Determinar la permitividad o del espacio libre.

TEMAS DE CONSULTA

Fuerza Elctrica: La fuerza elctrica que acta sobre una carga puntual q1 como resultado de la presencia de una segunda carga puntual q2 est dada por la ley de Coulomb:

donde 0 = permitividad del vaco

Entre dos o ms cargas aparece una fuerza denominada fuerza elctrica cuyo mdulo depende del valor de las cargas y de la distancia que las separa, mientras que su signo depende del signo de cada carga. Las cargas del mismo signo se repelen entre s, mientras que las de distinto signo se atraen.

Note que esto satisface la tercera ley de Newton porque implica que sobre q2, acta exactamente la misma magnitud de la fuerza. La ley de Coulomb es una ecuacin vectorial e incluye el hecho de que la fuerza acta a lo largo de la lnea de unin de las cargas. Cargas iguales se repelen y cargas distintas se atraen. La ley de Coulomb describe una fuerza de alcance infinito que obedece la ley del inverso del cuadrado, y es de la misma forma que la ley de la fuerza de la gravedad.

Una fuerza negativa implica una fuerza atractiva. La fuerza est dirigida a lo largo de la lnea de unin de las dos fuerzas. Como la fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto adems de determinar el mdulo se deben determinar direccin y sentido.

Campo Elctrico: Se define como la fuerza elctrica por unidad de carga. La direccin del campo se toma como la direccin de la fuerza que ejercera sobre una carga positiva de prueba. El campo elctrico est dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa.

El campo elctrico de una carga puntual se puede obtener de la ley de Coulomb:

El campo elctrico est dirigido radialmente hacia fuera de una carga puntual en todas las direcciones. Los crculos representan superficies equipotenciales esfricas.

El campo elctrico de cualquier nmero de cargas puntuales, se puede obtener por la suma vectorial de los campos individuales. Un campo dirigido hacia fuera se toma como positivo; el campo de carga negativa est dirigido hacia el interior de la carga.

Carga Elctrica

La unidad de carga elctrica es el Culombio (abreviado C). La materia ordinaria est hecha de tomos que tienen un ncleo cargado positivamente y electrones cargados negativamente rodeando al ncleo. La carga est cuantizada en mltiplo de la carga del electrn o protn:

Las influencias de las cargas estn caracterizadas en funcin de las fuerzas entre ellas (ley de Coulomb), y el campo elctrico y el voltaje producidos por ellas. Un Culombio de carga es la carga que fluira a travs de una lmpara de 120 vatios (120 voltios de AC) en un segundo. Dos cargas de un Culombio cada una, separada por una distancia de un metro, se repelern entre ellas con una fuerza de alrededor de 1 milln de toneladas!La tasa de flujo de la corriente elctrica se llama intensidad de corriente y se mide en Amperios.

En la introduccin de una de las propiedades fundamentales de la materia, es oportuno sealar que, aunque utilizamos esquemas y montajes simplificados para introducir los conceptos, hay inevitablemente mucho ms que decir. No hay ningn significado aadido a los crculos que representan el protn y el electrn, en el sentido de atribuirle tamaos relativos e incluso objetos materiales slidos de forma esfrica, solo son una representacin til de conceptos. La idea ms importante es que estos tiene desde el punto de vista elctrico una propiedad llamada "carga", que es del mismo tamao o valor pero de polaridad opuesta entre el electrn y el protn. El protn tiene una masa 1.836 veces mayor que la masa del electrn, pero una carga exactamente de igual tamao al electrn, solo que es positiva en vez de negativa. Incluso los trminos "positivo" y "negativo", son arbitrarios aunque bien arraigados trminos histricos. El comportamiento esencial es que el protn y el electrn se atraen fuertemente; el histrico arquetipo de "los polos opuestos se atraen". Dos protones o dos electrones se repelern fuertemente entre s. Una vez que Ud. haya establecido esas ideas bsicas de la electricidad de "cargas iguales se repelen, cargas opuestas se atraen", ya tiene el fundamento para la electricidad y puede ampliarse a partir de ah.

A partir de la precisa neutralidad de la materia ordinaria, as como de detallados experimentos microscpicos, sabemos que el protn y el electrn tiene la misma magnitud de carga. Todas las cargas observadas en la Naturaleza, son mltiplos de estas cargas fundamentales. Aunque el modelo estndar del protn, se representa construido por partculas de carga fraccionaria llamadas quarks, esas cargas fraccionarias no han sido observadas aisladamente, sino siempre en combinaciones que producen +/- la carga del electrn.

Una simple carga elctrica aislada se llama "monopolo elctrico". Dos cargas iguales, una positiva y otra negativa, colocadas cerca una de la otra, constituye un dipolo elctrico. Dos dipolos orientados opuestamente y cerca uno del otro, constituye un cuadrupolo elctrico. Puede continuar este proceso, para cualquier nmero de polos, pero aqu se mencionan solo los dos primeros, porque estos encuentran significativas aplicaciones en fenmenos fsicos.

Una de las simetrias fundamentales de la Naturaleza es la conservacin de la carga elctrica. Ningn proceso fsico produce un cambio neto de carga elctrica.

La carga elctrica es una propiedad de los cuerpos. Cualquier trozo de materia puede adquirir carga elctrica. La electricidad esttica es una carga elctrica que se mantiene en estado estacionario (en reposo) sobre un objeto, causada por la prdida o ganancia de electrones. Todo cuerpo se compone de tomos, cada uno de los cuales posee igual nmero de electrones y protones. Los electrones poseen una carga negativa, y los protones una carga positiva. Estas cargas se contrarrestan unas a otras, para que el objeto resulte neutro (no cargado).

Potencial elctrico

El potencial elctrico o potencial electrosttico en un punto, es el trabajo que debe realizar un campo electrosttico para mover una carga positiva desde dicho punto hasta el punto de referencia,1 dividido por unidad de carga de prueba. Dicho de otra forma, es el trabajo que debe realizar una fuerza externa para traer una carga positiva unitaria q desde el punto de referencia hasta el punto considerado en contra de la fuerza elctrica a velocidad constante. Matemticamente se expresa por:

Energa Potencial Elctrica

La energa potencial se puede definir como la capacidad para realizar trabajo que surge de la posicin o configuracin. En el caso elctrico, una carga ejercer una fuerza sobre cualquier otra carga y la energa potencial potencial surge del conjunto de cargas. Por ejemplo, si fijamos en cualquier punto del espacio una carga positiva Q, cualquier otra carga positiva que se traiga a su cercana, experimentar una fuerza de repulsin y por lo tanto tendr energa potencial. La energa potencial de una carga de prueba Q en las inmediaciones de esta fuente de carga ser:

Donde k es la constante de Coulomb.

En electricidad, normalmente es ms conveniente usar la energa potencial elctrica por unidad de carga, llamado expresamente potencial elctrico o voltaje.

Lneas de campo

Cada lnea est dibujada de forma que el campo es tangente a la misma en cada punto de sta y las puntas de las flechas indican la direccin del campo (Suponiendo una carga positiva). El espacio entre ellas indica el valor del campo. En las regiones en donde las lneas estn muy juntas este es muy grande, mientras que donde estn muy separadas es muy pequeo.

De aqu se deduce que la densidad de lneas es proporcional al campo. As, un campo uniforme estar representado por lneas de campo igualmente espaciadas, rectas y paralelas.

El campo elctrico ser un vector tangente a la lnea de fuerza en cualquier punto considerado. Una carga puntual positiva dar lugar a un mapa de lneas de fuerza radiales, pues las fuerzas elctricas actan siempre en la direccin de la lnea que une a las cargas interactuantes, y dirigidas hacia fuera porque las cargas mviles positivas se desplazaran en ese sentido (fuerzas repulsivas). En el caso del campo debido a una carga puntual negativa el mapa de lneas de fuerza sera anlogo, pero dirigidas hacia la carga central.Como consecuencia de lo anterior, en el caso de los campos debidos a varias cargas las lneas de fuerza nacen siempre de las cargas positivas y mueren en las negativas. Se dice por ello que las primeras son manantiales y las segundas sumideros de lneas de fuerza.

Propiedades de las lneas de campo[editar] La direccin del recorrido es el mismo que el del vector en cada punto. Pueden ser cerradas, como en el campo magntico; o abiertas, como en el campo gravitatorio. No se pueden cortar. Si son salientes, el punto de donde proceden se llama fuente. Si son entrantes, se llama sumidero. Si el campo es uniforme, son rectas paralelas e igualmente espaciadas. Cuando tienden a converger el campo es ms intenso. Son perpendiculares a las superficies equipotenciales

Superficies Equipotenciales

Las superficies equipotenciales son como las lneas de contorno de un mapa que tuviera trazada las lneas de igual altitud. En este caso la "altitud" es el potencial elctrico o voltaje. Las lneas equipotenciales son siempre perpendiculares al campo elctrico. En tres dimensiones esas lneas forman superficies equipotenciales. El movimiento a lo largo de una superficie equipotencial, no realiza trabajo, porque ese movimiento es siempre perpendicular al campo elctrico.

Lneas Equipotenciales: Campo Constante

En las placas conductoras como las de los condensadores, las lneas del campo elctrico son perpendiculares a las placas y las lneas unipotenciales son paralelas a las placas.

Lneas Equipotenciales: Carga Puntual

El potencial elctrico de una carga puntual est dada por

De modo que el radio r determina el potencial. Por lo tanto las lneas equipotenciales son crculos y la superficie de una esfera centrada sobre la carga es una superficie equipotencial. Las lneas discontinuas ilustran la escala del voltaje a iguales incrementos. Con incrementos lineales de r las lneas equipotenciales se van separando cada vez ms.

Lneas Equipotenciales: Dipolo

El potencial elctrico de un dipolo muestra una simetra especular sobre el punto central del dipolo. En todos los lugares siempre son perpendiculares a las lneas de campo elctrico.

Lnea de fuerza de dos cargas

a. +q+q

b. q-q

c. q+q

d. +2q+q

e. -2q+q

MARCO TEORICO

Un campo elctrico es generado por dos cargas iguales y de signo por dos cargas iguales en magnitud y con diferente signo que se encuentran en las placas de un condensador al cual se le est aplicando una tensin. La interaccin del campo elctrico y la placas genera que solo la mitad de la intensidad del campo actu sobre las cargas por lo cual hay una fuerza de atraccin reducida. La fuerza, la tensin y la distancia de las formulas son cantidades medibles por lo que se puede determinar la permitividad del espacio libre el cual es el principio de la balanza de tensin de Kirchhoff que a su vez nos determinar el objetivo de esta prctica, la proporcionalidad. Al desplazar una carga Q a una distancia d de una placa se genera un exceso de carga designo contrario y por tanto una fuerza de atraccin hacia la placa. La fuerza del campo se puede medir por un Newtometro el cual acta bajo el efecto de una carga cambiando su resistencia. El cambio de la resistencia es proporcional a la fuerza.

En esta parte del laboratorio emplearemos el principio de la balanza de tensin de Kirchhoff la cual vamos a representar con la ecuacin de la determinacin de la permitividad del espacio libre o.

Esta ecuacin se usa para medir fuerza entre las placas cargadas de un condensador y la fuerza entre una esfera cargada y una placa de metal. Esta medicin se hace en funcin de la distancia d entre las placas y la tensin V para una determinada superficie A

RESUMEN DE PROCEDIMIENTO:

En la primera parte del experimento se montara una balanza de Kirchhoff para medir la fuerza entre las placas de un condensador de placas. Dicha medicin se llevara a cabo en funcin de la distancia entre las placas y de la tensin aplicada para establecer la superficie A de las placas. Esto se hace con el fin de determinar y verificar la proporcionalidad y la constante dielctrica del vaco o.

En la segunda parte mediremos la fuerza entre una esfera cargada que est situada delante de una placa metlica para confirmar la proporcionalidad de la fuerza con la carga y con el inverso de la distancia al cuadrado.Finalmente se repite la medicin con media carga. El objetivo del ensayo es la verificacin de las proporcionalidades F d y F Q2.16