FS-200 Fısica General II UNAH

Universidad Nacional Autonoma de HondurasFacultad de Ciencias

Escuela de Fısica

Laboratorio Virtual de Electrostatica

Elaborado por: Raquel Mejıa, Eros Rivera y Oscar Hernandez.

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Seccion : Instructor:

Introduccion

La siguiente practica se trabajara con un applet (aplicaciones Java o animaciones Flash que sepueden ejecutar en el contexto de un navegador web) que modelara una practica de laboratorio enla cual se observara el comportamiento las lıneas de campo electrico y las superficies equipotencialesque se forman segun la configuracion de las cargas que se este estudiando. Se recomienda alestudiante ver el video de instrucciones de la simulacion cargas y campos (https://youtu.be/uEzgTscaAyw) para familiarizarse con el uso de la misma, ası como repasar los conceptosde fuerza electrica y campo electrico antes de avanzar con la guıa.

Objetivos

1. Observar el comportamiento de las superficies equipotenciales y lıneas de campo electricogeneradas por diferentes configuraciones de carga electrica.

2. Calcular la permitividad del vacıo aplicando el concepto de campo electrico.

Marco Teorico

En este marco teorico debera responder las siguientes preguntas usando la bibliografıa sugerida enel apartado de referencias y una vez se haya familiarizado con el applet sobre cargas y campos.

1. ¿Que son las cargas electricas? Mencione los tipos de cargas electricas que existen.

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2. ¿Que es una carga puntual? Ademas, enumere tres configuraciones (espaciales) tıpicas decargas puntuales.

3. ¿Que establece la Ley de Coulomb? Escriba la expresion matematica correspondiente a estaley.

4. Investigue que es el campo electrico y escriba su expresion matematica.

5. ¿Como se relaciona matematicamente el campo electrico y la fuerza electrica? Recuerde queambas cantidades son vectoriales.

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6. ¿Que es el potencial electrico?

7. ¿Como se relacionan matematicamente el campo electrico y el potencial electrico?

8. Describa que son las superficies equipotenciales y cual es su analogo en el calculo diferencial.

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PARTE I: Superficies Equipotenciales

Procedimiento experimental

1. Ingrese al link de la simulacion cargas y campos (https://phet.colorado.edu/es/simulation/charges-and-fields).

2. Presione el boton play para iniciar la simulacion cargas y campos.3. Colocar una carga positiva en el centro de la simulacion, esta configuracion se conoce como

monopolo. Utilizar la herramienta equipotencial para dibujar al menos cuatro superficiesequipotenciales alrededor de dicha carga.

Figura 1: Superficies equipotenciales generadas en la configuracion Monopolo

4. Elija una de las superficies equipotenciales dibujadas y mida el valor de voltaje en diferentespuntos arbritarios de una misma superficie equipotencial. Observe como son estos valores devoltaje.

5. Ahora forme la configuracion conocida como dipolo, para ello coloque dos cargas, una deellas positiva y la otra negativa como se muestra en la figura (2).

Figura 2: Configuracion Dipolo

6. De igual forma que con el monopolo, dibuje las superficies equipotenciales para esta configu-racion, mida el voltaje en diferentes puntos de la misma superficie y observe como son estosvalores.

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7. Finalmente, debera formar la configuracion conocida como cuadrupolo, para ello, colocarados cargas positivas y dos negativas en forma cruzada como se muestra en la siguiente figura.

Figura 3: Configuracion Cuadrupolo

8. Dibuje las superficies equipotenciales y observe los valores de voltaje en diferentes puntos deuna misma superficie.

Preguntas de Analisis

En esta seccion deberan responder las siguientes preguntas de analisis apoyando sus respuestas conlos valores de voltaje medidos en las superficies equipotenciales para las diferentes configuracionesde cargas electricas.

1. ¿Como son los valores del potencial electrico (voltaje) a medida se aleja de una carga puntual?Considere el caso en que la carga sea positiva y en el caso que sea negativa.

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2. ¿Como cambiarıan las superficies equipotenciales, si en lugar de hacer una configuracion dedipolo (una carga positiva y una carga negativa) coloca ambas cargas positivas?

Realice un bosquejo de las superficies equipotenciales para esta configuracion.

3. ¿Como cambiarıan las superficies equipotenciales, si hace una configuracion en la que juntevarias cargas positivas muy cerca una de la otra y en el extemo opuesto junte varias cargasnegativas?

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Realice un bosquejo de las superficies equipotenciales para esta configuracion.

PARTE II: Campo Electrico

Procedimiento experimental

1. Reiniciar la simulacion, en la vineta de opciones desactivar la opcion Campo Electrico yactivar las opciones Valores y Grilla.

2. Colocar una carga positiva en un extremo de la simulacion alineada con la cuadrıcula.3. Colocar cinco sensores de campo, el primero se debe ubicar a 1.5 m de la carga positiva,

luego colocar lo demas separados 0.5 m entre si tal como se muestra en la figura (4).

Figura 4: Ubicacion de los sensores de campo respecto de la carga puntual positiva.

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4. Anotar los valores de campo electrico que se encuentran en la parte superior de cada sensorde campo en la tabla (1).

5. Registrar los valores de distancia a la cual se encuentra cada sensor de campo y el valor dela carga positiva q en la tabla (1) .

Tabla de Datos

N° Campo Electrico E (V/m) Distancia r (m) Carga q (C)

1

2

3

4

5

Tabla 1: Campo Electrico vs. Distancia

Tratamiento de datos experimentales

Haciendo uso de la ecuacion (1) realizar una regresion lineal con el siguiente modelo de ajustey = ax donde:

E =1

4πε0

q

r2(1)

y = E, x =1

r2, a =

q

4πε0

Anotar sus tablas en la siguiente tabla.

N° x y a ∆a Correlacion

1

2

3

4

5

Tabla 2: Resultados de Ajuste Lineal

Calcular ε0 por medio de:

ε0 =q

4πa

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Calcular el error de ε0 por medio de:

∆ε0 = ε0∆a

a

Reportar el resultado de la formaε0 = ε0 ±∆ε0

Con ayuda de una hoja de calculo hacer un grafico de los datos medidos junto con la curvade ajuste obtenida.

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Analisis de resultados

1. ¿A medida aumenta la distancia a partir de la carga positiva el valor de la magnitud delcampo electrico aumenta o disminuye? Explique su respuesta tomando en cuenta la defini-cion de campo electrico.

2. Tomando como valor teorico de la permitividad de vacıo ε0,teorico = 8.8542× 10−12 C2/N m2.Calcule el error porcentual para determinar la exactitud del resultado obtenido en la seccionanterior.

%ε =ε0,teorico − ε0ε0,teorico

× 100

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Cuestionario

1. Investigue que interpretacion fısica tiene la permitividad del vacıo ε0.

2. Considerando:

La definicion de superfices equipotenciales.La relacion entre el potencial electrico y el campo electrico.La relacion entre el campo electrico y la fuerza electrica.La relacion entre el trabajo que se requiere para llevar una carga desde el punto A hasta

el punto B y fuerza electrica (WAB =∫ B

A

−→F ·−→dl).

Figura 5: Lıneas de campo electrico generadas por una carga positiva

Muestre que las lıneas de campo son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipo-tenciales. (Sugerencia: recuerde como se relaciona la fuerza con el vector de desplazamientocuando en un proceso el trabajo es nulo). Con base en el resultado anterior, ¿Es posible quedos superficies equipotenciales se intercepten?

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Conclusiones

1.

2.

Referencias

Resnick, H., y Krane. (2001). Fısica (4.a ed., Vol. II). Compania Editorial Continental.Sears, y Zemansky. (2009). Fısica universitaria con fısica moderna (13.a ed., Vol. II). Pearson

Educacion de Mexico.Serway, y Jewett. (2009). Fısica para ciencias e ingenierıa con fısica moderna (7.a ed., Vol. II).

CENGAGE Learning.Taylor. (2014). Introduccion al analisis de errores (2.a ed.). Editorial Reverte.

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