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.

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).

1. eléctrico potencial debido a una esfera cargada

1. 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.
2. 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.
3. Gire la manivela del generador por menos de 10 vueltas para cargar la esfera.
4. 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.
5. Repita el paso anterior con la punta de la sonda de tensión colocada en cerca de 1 m y 1,5 m, respectivamente.
6. 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.

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.

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.