Superficies Equipotenciales

Objetivos

  • Comprender los conceptos de líneas equipotenciales y de campo eléctrico.
  • Usar las líneas equipotenciales para dibujar las líneas de campo eléctrico.

Fundamentación

Las líneas de campo nos ayudan a visualizar los campos eléctricos. De manera semejante, el potencial en diversos puntos de un campo eléctrico se puede representar gráficamente mediante superficies equipotenciales.

Una superficie equipotencial es una superficie tridimensional sobre la cual el potencial eléctrico V es el mismo en todos los puntos. En una región donde está presente un campo eléctrico se pueden construir superficies equipotenciales. En los diagramas se suele mostrar solo unos pocos potenciales representativos, a menudo con diferencias de potencial iguales entre superficies adyacentes.1

Como el potencial es constante sobre una superficie de este tipo, el cambio de potencial eléctrico cuando una carga de prueba experimenta un desplazamiento $\vec{dl}$ paralelo a la superficie es:

(1)
\begin{align} dV=-\vec{E}.\vec{dl}=0 \end{align}

Como $\vec{E}.\vec{dl}=$ es cero para cualquier $\vec{dl}$ paralelo a la superficie, las líneas de campo eléctrico deben ser perpendiculares a la superficie equipotencial. Las líneas de campo eléctrico y las superficies equipotenciales son siempre mutuamente perpendiculares.2

En esta práctica no usará sensor alguno para determinar la polaridad de los productores de carga. Medirá la cantidad de carga transferida a la hielera de Faraday, al ponerla en contacto con cada productor de carga. Finalmente, usará el sensor de carga para medir la carga por inducción del recipiente, y comparará la carga por contacto con la carga por inducción.

Equipo requerido

  • Fuente de corriente directa
  • Electrodos de varias formas
  • 3 láminas de Acrílico
  • 3 hojas de papel calcante
  • Secador
  • Voltímetro Análogo
  • Cubeta con agua
  • Lápiz
  • Cables de conexión

Procedimiento

Parte I. Configuración del equipo

1. Realice el montaje que muestra la Figura 1, usando las placas paralelas como electrodos. Verifique que el nivel del agua esté 2 mm por encima de la superficie del acrílico y que la fuente esté a una diferencia de potencial de 10 V.

Equipotenciales1.jpg

Parte II. Obtención de líneas equipotenciales

1. Utilizando la configuración de electrodos de placas planas paralelas marque con el lápiz puntos sobre el acrílico que estén a un mismo potencial. La unión de estos puntos determina una línea equipotencial.

2. Repita el paso anterior para obtener 5 líneas equipotenciales diferentes. Procure que la diferencia de potencial entre las líneas sea la misma. Sugerencia: Apague la fuente para pasar de una línea de equipotencial a otra.

3. Cambie el acrílico y repita la actividad para otras dos configuraciones de electrodos (ver ejemplos en la Figura 2).

Equipotenciales2.jpg

4. Seque los acrílicos teniendo cuidado de no borrar los puntos obtenidos.

5. Transcriba en papel calcante los puntos encontrados en las actividades 2, 3 y 4.

Análisis

Las preguntas que se dan a continuación no deben ser respondidas como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

Obtención de líneas equipotenciales

1. Dibuje las líneas equipotenciales. Indique el voltaje registrado en cada una de ellas.

2. Usando un color diferente, dibuje las líneas de campo eléctrico correspondientes.

3. Realice una gráfica voltaje vs. posición para los ejes indicados en la Figura 2 en cada configuración.

4. Realice una descripción cualitativa del comportamiento del voltaje cerca y lejos de los electrodos empleados.

Bibliografía

Caltech Physics. Physics 1bc Java Applets. Last Updated: May 22, 2006.
Electric Field
http://www.cco.caltech.edu/~phys1/java/phys1/EField/EField.html
Wolfgang Christian. Physlets (Physics Applets), 2005.
Fields, Field Lines, and Equipotential Curves
http://webphysics.davidson.edu/applets/efield4/field_potentials.html
Francis W. Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman. Física Universitaria con Física Moderna, volumen 2. Undécima edición, Pearson Educación, México, 2005.
Paul A. Tipler, Gene Mosca. Física para la Ciencia y la Tecnología, volumen 1. Reverté, Barcelona, 2005.
Pellissippi State Technical Community College. Physics 2020 (Online) Experiments. Last Updated: May 22, 2006.
Electric Field Mapping
http://www.pstcc.edu/departments/natural_behavioral_sciences/Experim%2001web.htm
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