Overview
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Potencial eléctrico, también conocido como "voltaje", mide la energía potencial eléctrica por carga de la unidad. Campo eléctrico es una cantidad escalar y es fundamental para muchos efectos eléctricos. Como energía potencial, lo que es físicamente significativa es la diferencia de potencial eléctrico. Por ejemplo, la variación espacial en el potencial eléctrico está relacionado con el campo eléctrico, que da lugar a la fuerza eléctrica sobre una carga. La diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos de una resistencia conduce la corriente eléctrica.
Este experimento utiliza un voltímetro y un tubo fluorescente para demostrar el potencial eléctrico (más exactamente, la diferencia de potencial entre dos puntos en el espacio) generado por una esfera cargada. El experimento demostrará el concepto de superficies equipotenciales, que son perpendiculares a los campos eléctricos.
Principles
Una carga punto Q situado en el origen (r = 0) produce un potencial eléctrico:
(Ecuación 1)
en cualquier punto en el espacio con una distancia r de la carga (en el origen r = 0). Ecuación 1 también describe el potencial eléctrico producido por una esfera uniformemente cargada (centrado en r = 0) con carga total Q en el espacio fuera de la esfera (figura 1). En ambos casos, el punto de "referencia" (donde el potencial es cero) está en la distancia infinita de la carga. El potencial eléctrico varía a lo largo de la dirección radial, que es la dirección del campo eléctrico.
Para dos puntos P1 y P2 con distancia r1 y r2 del origen (centro de la carga), respectivamente, la diferencia de potencial entre estos dos puntos es:
(Ecuación 2)
Si el punto P2 es en el infinito (→∞), esto reduce la ecuación 2 en la ecuación 1. Por lo tanto, hay una diferencia de potencial entre dos puntos y sólo si estos dos puntos tienen una distancia diferente del origen (centro de la carga). En este caso, una superficie esférica centrada en el origen es una "superficie equipotencial". Nota en este caso, que el campo eléctrico (a lo largo de la dirección radial) es perpendicular a la superficie equipotencial (esfera). Esto resulta para ser generalmente cierto: la superficie equipotencial es perpendicular a la dirección del campo eléctrico.
Figura 1: Diagrama que muestra una esfera cargada conectada a un generador eléctrico. Se utiliza un voltímetro para medir el potencial eléctrico en un punto "A" (con la distancia r desde el centro de la esfera).
Procedure
1. eléctrico potencial debido a una esfera cargada
- Obtener un generador de van der Graff, que puede poner la carga en una esfera de metal. El centro de la esfera se define como el origen de este experimento.
- Obtener un voltímetro. Conectar (mediante cables conductores) su "−" terminal a la tierra o referencia terminal en el generador de van der Graff, o a un campo eléctrico (como un gran tubo conductor) lejos (por lo menos varios metros) de la. Conecte su terminal "+" a un cable del voltímetro con una punta de tensión que se puede mover alrededor. La conexión esquemática se muestra en la figura 1.
- Gire la manivela del generador por menos de 10 vueltas para cargar la esfera.
- Con el voltímetro activado, coloque la punta de la sonda de voltaje (conectada al terminal "+" del voltímetro) unos 0,5 m de origen. Utilice una regla para medir o marcar la distancia de antemano, si lo desea. Registrar la tensión de la lectura del voltímetro. Mueva la punta pero mantener la distancia del origen. Observar la lectura del voltímetro.
- Repita el paso anterior con la punta de la sonda de tensión colocada en cerca de 1 m y 1,5 m, respectivamente.
- Obtener un tubo de fluorescencia (de mano). Llevar el tubo a unos 0,5 m del centro de la esfera cargada ( Figura 2a). En primer lugar, orientar el tubo de modo que a lo largo de la dirección radial de la esfera. Observar el tubo (vuelta apaga las luces para facilitar la observación en la oscuridad relativa). Entonces gire el tubo de 90 grados para que sea perpendicular a la dirección radial ( figura 2b). Observar el tubo otra vez.
Figura 2: diagrama que muestra una esfera cargada conectada a un generador eléctrico. Un tubo de fluorescencia se utiliza para indicar la diferencia de potencial entre los dos extremos del tubo. En el caso de (a) el tubo esté orientado en la dirección radial; y (b) el tubo orientado perpendicularmente a la dirección radial.
Potencial eléctrico define la energía de una partícula cargada. Da lugar a la fuerza eléctrica y campo eléctrico y es la base de muchos fenómenos eléctricos.
El término potencial eléctrico se denota por el símbolo griego Φ. Es una cantidad escalar con signo y magnitud. Cualquier cargo crea potencial eléctrico en el espacio alrededor de él. Es diferente del término tensión, aunque ambas estas cantidades físicas se miden en voltios.
Aquí, en primer lugar explicaremos lo que son estos términos, discutir los parámetros que afectan a Φ y luego demuestran la medición del potencial eléctrico alrededor de una esfera cargada.
Como comentamos en la energía y el trabajo video, energía potencial de cualquier objeto de masa m bajo la influencia de la aceleración gravitatoria g es igual a la cantidad de trabajo necesaria para mover el objeto por una altura h del suelo. Matemáticamente, es dada por la fórmula mgh y cuenta con la unidad de julios.
Asimismo, en el campo eléctrico E en una superficie cargada positivamente, la energía potencial eléctrica en un punto específico respecto a un punto de referencia es la cantidad de trabajo necesario para mover una carga de prueba positiva +q desde la referencia hasta ese punto específico. La distancia entre los dos puntos se denota por la letra d. Análogo a la energía potencial gravitatoria, la energía potencial eléctrica es el producto de q, E y dy tiene las unidades de julios.
Entonces, el potencial eléctrico o Φ en ese momento en el campo es la energía potencial eléctrica dividida por 'q', la carga de la carga de la prueba. Por lo tanto, la unidad de Φ es julios por Culombio, AKA voltios.
Ahora, si consideramos otro punto en el campo, tendría un potencial eléctrico diferente; decir Φ0. El diferencia de potencial o Φdiff entre los dos puntos se conoce como voltaje. Este es el concepto detrás de una batería, donde el terminal positivo está a un potencial eléctrico más alto comparado con el polo negativo y la diferencia entre los dos potenciales es el voltaje de la batería.
Volviendo al potencial eléctrico, recordemos que es una cantidad escalar con signo y magnitud. El signo depende de la carga de la fuente. Alrededor de una carga positiva aislada, el potencial es positivo, mientras que alrededor de una carga negativa aislada es negativo.
La magnitud del potencial depende de la Q de la carga de la fuente produce el campo eléctrico, la distancia d de la carga de la fuente y la configuración.
Por ejemplo, el potencial eléctrico en cualquier punto alrededor de una punto de carga o de una esfera positiva uniformemente cargada con carga Q viene dada por esta fórmula. Es evidente que Φ es inversamente proporcional a la distancia de la esfera. Y el gráfico de magnitud potencial eléctrico contra distancia es una parcela cuadrada inversa con el valor potencial eléctrico, acercándose a cero en el infinito.
Esta dependencia en d también indica que todas las ubicaciones en el mismo radio de la esfera cargada tendría el mismo potencial. Esto significa que son equipotencial superficies de forma esférica alrededor de una esfera cargada.
Ahora que hemos explicado los conceptos de diferencia de potencial y potencial eléctrico, vamos a ver cómo validar estos principios experimentalmente usando una esfera cargada.
Este experimento utiliza un generador de Van der Graff para cargar una esfera de metal. Conecte el terminal negativo de un voltímetro al terminal de referencia o tierra del generador. Utilice un cable para conectar el terminal positivo del voltímetro a la punta de una sonda.
Gire la manivela del generador por lo menos 10 veces para cargar la esfera y luego encender el voltímetro y coloque la punta de la sonda de tensión alrededor de medio metro desde el centro de la esfera. Registrar la tensión medida en este lugar.
Mueva la punta de la sonda alrededor de la esfera mientras se mantiene un radio constante de medio metro desde el centro. Durante este tiempo, observar las medidas del voltímetro y observe cómo la lectura permanece constante, lo que indica una superficie esférica equipotencial.
Repita este procedimiento con la punta de la sonda a una distancia de un metro y uno y medio metros desde el centro de la esfera.
La trama del potencial medido versus distancia muestra una curva que disminuye inversamente con la distancia, que valida la relación teórica entre potencial eléctrico y la distancia, para una esfera cargada.
Potencial eléctrico es una de las magnitudes eléctricas más utilizadas y es fundamental para el almacenamiento y la liberación de la energía eléctrica.
Un microscopio electrónico utiliza una alta diferencia de potencial eléctrico para acelerar electrones en un Haz que bombardea la muestra bajo examinación. Estos electrones actúan como una luz en un microscopio óptico, pero con mucho menor longitud de onda y resolución espacial mucho mayor, permitiendo la capacidad de visualizar sub-micron de tamaño estructuras.
Potencial eléctrico es un componente importante de la electroforesis en gel - una técnica de biología molecular utilizada para separar las moléculas grandes, como el ADN, por su tamaño y carga. En esta técnica, material de la muestra se coloca en una placa de gel de agarosa y se aplica una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos. En el campo eléctrico resultante, las distintas moléculas y fragmentos moleculares se mueven con velocidades que dependen de la carga y peso molecular.
Sólo ha visto introducción de Zeus a potencial eléctrico. Ahora debe saber cómo medir el potencial eléctrico y entender cómo afecta a los cargos y se refiere a la energía potencial eléctrica. ¡Gracias por ver!
Results
En pasos 1.4-1.5, se observa el voltímetro para dar lecturas similares si la punta de la sonda se mantiene en similares Distancias desde el origen (es decir, en una superficie equipotencial). Sin embargo, las caídas de voltaje si la sonda se mueve más lejos del origen. La tensión medida a 1 m y 1,5 m será aproximadamente 1/2 y 1/3 de la lectura en 0,5 m, respectivamente. Si la tensión V medida versus el inverso de la distancia se traza (1/r), resulta una línea recta, como se esperaba de la ecuación 1.
Applications and Summary
Potencial eléctrico (voltaje) es omnipresente y tal vez los más utilizados cantidad de electricidad. A menudo es mucho más conveniente utilizar el potencial eléctrico (que es un escalar) de campo eléctrico (que es un vector), aunque los dos pueden estar relacionados entre sí. Diferencia de potencial eléctrico se utiliza para el accionamiento y control movimiento de carga (acelerar/decelerar/desviar cargas), por ejemplo en una pantalla de televisión o un microscopio electrónico. Diferencia de potencial eléctrico (lo que generalmente llamamos voltaje) es también actual flujo en un conductor. Cuando se mide un voltaje, se mide la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos (uno de los cuales es a veces un punto de referencia o tierra definida para tener cero potencial).
El autor del experimento agradece la ayuda de Gary Hudson para la preparación de material y Chuanhsun Li para la demostración de los pasos en el video.
