UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDERESCUELA DE FISICA

LABORATORIO DE FISICA IIEXPERIENCIA No.2L4. EFECTO DE UNA FUERZA EN LOS CAMPOS ELECTRICOS.LIZETH DANIELA PARDO HEREDIA2132546

1. INTRODUCCIN

EN esta prctica vamos a definir una cantidad llamada campo elctrico que existe cuando existe una carga y representa el vnculo entre sta y otra carga al momento de determinar la interaccin entre ambas y las fuerzas ejercidas. Tiene carcter vectorial (campo vectorial) y se representa por medio de lneas de campo. Si la carga es positiva, el campo elctrico es radial y saliente a dicha carga. Si es negativa es radial y entrante. Tambin nos ayudara a conocer la relacin entre las direcciones de las lneas equipotenciales y la direccin de la mayor diferencia de potencial (voltaje), las propiedades de las lneas de campo elctrico tomando en cuenta la direccin de las mismas y ms aun a saber cmo se encuentra distribuido el potencial elctrico de la regin. La ley de coulomb es vlida solo cuando no hay movimiento de las cargas o, como aproximacin cuando el movimiento se realiza a velocidades bajas y en trayectorias rectilneas uniformes. Es por eso llamada fuerza electroesttica.

2. OBJETIVOS

2.2 OBJETIVOS GENERALES

Describir los efectos y los cambios que efecta la fuerza electrosttica en un campo elctrico. Estudiar el comportamiento del campo elctrico a travs de la observacin de lneas de campo y equipotenciales.

2.3 OBJETIVOS ESPECIFICOS Comprobar que se cumplan las igualdades relacionadas con fuerza y carga. Comprender como las lineas de campo elctrico pueden usarse para determinar la magnitud y direccin del campo elctrico en una pequea regin del espacio. Instruirse sobre como calcular el campo elctrico y la fuerza elctrica asociado con las cargas que se distribuyen a travs de un objeto.

3. RESUMEN TERICOUna tensin V aplicada a un condensador de placas da lugar a un campo elctrico homogneoE = V/d (1)d: distancia entre las placas.Este campo se genera por las cargas Q y -Q en las placas del condensador. Por otro lado, el campo ejerce una fuerza en las cargas. Sin embargo, entre ms se penetra en la placa, el campo ms se atena. En la superficie de las placas la intensidad del campo es E, pero dentro de l es cero. En promedio, slo la mitad de la intensidad del campo E/2 acta en las cargas. Por lo tanto, las placas se atraen entre s con la fuerzaF = 1/2 QE (2)La carga Q en las placas esQ = O . A/d . v (3)0 = 8.8510-12 [As/Vm] = permitividad del espacio libre, A: rea de las placas.As de (1) y (2) se sigue:F = o A/d . V (4)Donde F, A, d y V son cantidades directamente medibles. La ec. (4), por consiguiente, puede considerarse como la ecuacin de la determinacin de la permitividad del espacio libre 0. Este es el principio de la balanza de tensin de Kirchhoff, la configuracin de la cual es el objetivo del presente experimento. La proporcionalidadF = V2 /d 2 (5)Que se indica por la ec. (4), se confirmar experimentalmente.Por induccin electrosttica (desplazamiento de cargas), una carga puntual Q a una distancia d de una placa de metal a tierra genera un exceso de carga de signo contrario en la superficie de la placa de metal. Sobre la carga Q, por lo tanto, acta una fuerza atractiva hacia la placa de metal.En el caso de equilibrio, las lneas del campo elctrico que empiezan en Q se encuentran en la placa de metal perpendicularmente porque un componente del campo paralelo a la superficie de la placa llevara a un desplazamiento de la distribucin de carga en la placa de metal que no puede ocurrir en un estado de equilibrio. La misma forma de las lneas del campo se genera por un espejo la carga -Q es la imagen del espejo del punto dnde Q se localiza con respecto a la placa.En el experimento, sin embargo, la induccin electrosttica mutua entre la esfera y la placa de metal conduce a un desplazamiento de las cargas en la esfera tal como lo que aparece sobre todo en las pequeas distancias d. Este desplazamiento tiene el mismo efecto que una reduccin de la distancia d que pueda ocurrir, y que conduce a un aumento de la fuerza F.4. TEMAS DE CONSULTA

FUERZA ELCTRICAEntre 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.

La fuerza entre dos cargas se calcula como:

q1, q2 = Valor de las cargas 1 y 2d = Distancia de separacin entre las cargasFe = Fuerza elctrica

La fuerza es una magnitud vectorial, por lo tanto adems de determinar el mdulo se deben determinar direccin y sentido.-Direccin de la fuerza elctricaSi se trata nicamente de dos cargas, la direccin de la fuerza es colineal a la recta que une ambas cargas. -Sentido de la fuerza elctricaEl sentido de la fuerza actuante entre dos cargas es de repulsin si ambas cargas son del mismo signo y de atraccin si las cargas son de signo contrario.-Fuerzas originadas por varias cargas sobre otraSi se tienen varias cargas y se quiere hallar la fuerza resultante sobre una de ellas, lo que se debe hacer es plantear cada fuerza sobre la carga (una por cada una de las otras cargas). Luego se tienen todas las fuerzas actuantes sobre esta carga y se hace la composicin de fuerzas, con lo que se obtiene un vector resultante.El campo elctrico de una carga puntual se puede obtener de la ley de coulomb:

CARGA ELECTRICA

La carga elctrica es una propiedad de la materia que permite cuantificar la prdida o ganancia de electrones.La carga elctrica q puede clasificarse como carga elctrica positiva (protones) y carga elctrica negativa (electrones). Los fenmenos elctricos se atribuyen a la separacin de las cargas elctricas del tomo y su movimiento. Por esta razn el concepto de carga elctrica es la base para definir los fenmenos elctricos.

La carga elctrica de un cuerpo u objeto se establece a partir de la relacin entre el nmero de protones y el nmero de electrones existentes en el. Si esta relacin es de igualdad se dice que el cuerpo no est cargado. Si el nmero de electrones es mayor al nmero de protones, afirmamos que el cuerpo est cargado negativamente. Si el nmero de electrones es menor que el nmero de protones afirmamos que el cuerpo est cargado positivamente.Cargar un cuerpo negativa o positivamente es consecuencia de la ganancia o prdida de electrones respectivamente. Es de resaltar que los elementos con capacidad de transferirse son los electrones.

POTENCIAL ELECTRICO

Se define el potencial se define como el trabajo realizado para trasladar un objeto de un punto a otro. En particular, para el caso elctrico, definimos el potencial elctrico del punto A al punto B, como el trabajo realizado para trasladar una carga positiva unitaria q de un punto a otro, desde B hasta A.

Combinando esta expresin con la de E para una carga puntual se obtiene:

Escogiendo el punto de referencia A en el infinito, esto es, haciendo que, considerando queen ese sitio y eliminando el subndice B, se obtiene:

Esta ecuacin muestra claramente que las superficies equipotenciales para una carga puntual aislada son esferas concntricas a la carga puntual.

Superficies equipotenciales producidas por una carga puntual

Las unidades para el potencial elctrico son de (Joules/Coulombs o Volts). Ntese adems que el trabajo que hemos sustituido en la ecuacin proviene de la construccin de trabajo elctrico.Si consideramos que hemos construido la nocin de potencial elctrico en base a la construccin de un campo conservativo, esto del hecho de suponer una fuerza que tienda a contrarrestar la fuerza del campo para mantener la partcula cargada en equilibrio esttico.. ENERGA POTENCIAL ELECTRICAEnerga potencial elctrica, o energa potencial electrosttico, es una energa potencial que resulta de las fuerzas de Coulomb conservadoras y se asocia con la configuracin de un conjunto particular de cargas puntuales dentro de un sistema definido. Un objeto puede tener energa potencial elctrica en virtud de dos elementos clave: su propia carga elctrica y su posicin relativa a otros objetos cargados elctricamente.El trmino "energa potencial elctrica" se utiliza para describir la energa potencial en los sistemas con campos elctricos variantes en el tiempo, mientras que el trmino "energa potencial electrosttico" se utiliza para describir la energa potencial en los sistemas con campos elctricos invariantes en el tiempo.

LINEAS DE CAMPOEl concepto de lneas de campo (o lneas de fuerza) fue introducido por Michael Faraday (1791-1867). Son lneas imaginarias que ayudan a visualizar cmo va variando la direccin del campo elctrico al pasar de un punto a otro del espacio. Indican las trayectorias que seguira la unidad de carga positiva si se la abandona libremente, por lo que las lneas de campo salen de las cargas positivas y llegan a las cargas negativas:

Las lneas de campo creadas por una carga positiva estn dirigidas hacia afuera; coincide con el sentido que tendra la fuerza electrosttica sobre otra carga positiva.Adems,el campo elctrico ser un vector tangente a la lneaen cualquier punto considerado.

Lneas de campo causadas por una carga positiva y una negativa.Las propiedades de las lneas de campo se pueden resumir en: El vector campo elctrico es tangente a las lneas de campo en cada punto. Las lneas de campo elctrico son abiertas; salen siempre de las cargas positivas o del infinito y terminan en el infinito o en las cargas negativas. El nmero de lneas que salen de una carga positiva o entran en una carga negativa es proporcional a dicha carga. La densidad de lneas de campo en un punto es proporcional al valor del campo elctrico en dicho punto. Las lneas de campo no pueden cortarse. De lo contrario en el punto de corte existiran dos vectores campos elctricos distintos. A grandes distancias de un sistema de cargas, las lneas estn igualmente espaciadas y son radiales, comportndose el sistema como una carga puntual.

SUPERFICIES EQUIPOTENCIALESLas superficies equipotenciales son aquellas en las que el potencial toma un valor constante. Por ejemplo, las superficies equipotenciales creadas por cargas puntuales son esferas concntricas centradas en la carga, como se deduce de la definicin de potencial (r = cte).

Superfices equipotenciales creadas por una carga puntual positiva (a) y otra negativa (b)Si recordamos la expresin para el trabajo, es evidente que: cuando una carga se mueve sobre una superficie equipotencial la fuerza electrosttica no realiza trabajo, puesto que la V es nula.

Por otra parte, para que el trabajo realizado por una fuerza sea nulo, sta debe ser perpendicular al desplazamiento, por lo que el campo elctrico (paralelo a la fuerza) es siempre perpendicular a las superficies equipotenciales. En la figura anterior (a) se observa que en el desplazamiento sobre la superficie equipotencial desde el punto A hasta el B el campo elctrico es perpendicular al desplazamiento.Las propiedades de las superficies equipotenciales se pueden resumir en:A) Las lneas de campo elctrico son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipotenciales y se dirigen hacia donde el potencial disminuye.B) El trabajo para desplazar una carga entre dos puntos de una misma superficie equipotencial es nulo.C) Dos superficies equipotenciales no se pueden cortar.

5. RESUMEN PROCEDIMIENTO

MEDICION DE LA FUERZA ENTRE LAS PLACAS CARGADAS DE UN CONDENSADOR DE PLACAS :

a) La fuerza F como funcin de la tensin V: Primero que todo procedemos a hacer la nivelacin del newtometro a cero, encendemos la fuente de alta tensin y luego seleccionar el voltaje inicial de salida como 2[kV] hasta llegar al punto de 5[kV] para as calcular la fuerza F desde el instrumento e ir registrando cada una de las lecturas de fuerza manteniendo constate el radio de la placa del condensador y la distancia entre placas.

b) La fuerza F en relacin constante con la tensin V y la distancia d entre las placas: Repetir el primer paso del procedimiento anterior al poner todo en ceros, para as proceder a ajustar la alta tensin a 5[kV] con una distancia de 2[mm] y registrar la fuerza, luego ajustarla a una tensin de 4[kV} reduciendo la distancia d entre las placas a 16[mm], tambin registrndola y por ultimo repetimos el proceso pero en este caso con una tensin de 3[kV] con una distancia de 12[mm] y en 2[kV] con 8[mm], leemos las fuerzas F y las registramos en la tabla; en cada caso debemos asegurarnos de que las placas del condensador y el anillo cribado nunca se toquen.

MEDICION DE LA FUERZA ENTRE ESFERA CARGADA Y UNA PLACA DE METAL:

a) La fuerza F como una funcin de la distancia d:

- Hacer la compensacin cero del newtometro.- Cargue la varilla de plstico por roce con el cuero.- Cargue la esfera (a) por toque con la varilla de plstico.- Lea la fuerza F y antela junto con la distancia d.- Aumente la distancia d con el tornillo de ajuste de altura (c) en pasos de 2,5mm hasta d = 45mm. En cada caso, lea la fuerza en el instrumento de medida de fuerza y antelo junto con la distancia.

b) La fuerza F como una funcin de la carga Q:- Ajuste la distancia d a 35mm.- Hacer de nuevo la compensacin cero del newtometro.- Recargue la varilla de plstico por el roce con la piel, y cargue la esfera (a) tocndola con la varilla de plstico.- Lea la fuerza del newtometro y regstrelo como F(Q).- Reduzca a la mitad la carga tocando la esfera (a) con la esfera (e), que tiene el mismo tamao.- Lea la fuerza de nuevo y regstrela como F(Q/2).- Calcule la relacin de las dos fuerzas.- Descargue las dos esferas en la placa de condensador, y repita el experimento varias veces.

6. BIBLIOGRAFA Alonso - Finn; Fsica, Tomo II, Cap. 16. http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/equipot.html http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/potencial.html http://es.slideshare.net/faduvaldes88/31-energa-potencial-elctrica http://www.fisicapractica.com/carga-electrica-2.php http://es.wikipedia.org/wiki/Energ%C3%ADa_potencial