Guias Fisica III 2013

7/24/2019 Guias Fisica III 2013

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO

FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES Y MATEMATICA

LABORATORIO DE FSICA

GUIAS DE LABORATORIO DE FISICA III

2013


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PRESENTACION

Desde hace mucho tiempo el hombre ha tratado de liberarse de lostrabajos manuales. La idea fundamental por la cual hubo la necesidadde inventar lo que hoy llamamos la computadora, no fue otra que la dereducir laboriosas tareas a una serie de tareas repetitivas sencillas paracompletar grandes proyectos. En la actualidad el uso de lacomputadora personal para realizar grficas sobre datos recogidos deuna observacin, facilita el proceso de anlisis; sin embargo, esimportante que el experimentador domine las tcnicas para escoger la

ms conveniente segn los resultados buscados; en nuestro caso, larealizacin de experimentos en fsica requiere no solo la recoleccin degrandes cantidades de datos sino tambin que los mismos seanexactos.

El software Data Studio sobre el cual trata este trabajo permite realizarmediciones de forma rpida y con mucha mayor precisin con respectoa los mtodos comnmente empleados en el trabajo cientfico. Lacantidad de datos que se pueden registrar es mayor y en

consecuencia, se puede describir mejor el fenmeno en estudio.


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INDICE

1. Introduccin al Software Data Studio

2. Carga Elctrica

3. Densidad de Carga y Campo Elctrico

4. Condensadores y Dielctricos

5. Ley de Ohm

6. Circuitos de Corriente Continua

7. Campo Magntico

8. Campo Magntico Terrestre

9. Ley de Faraday

10. Auto induccin y Capacidad

11. Circuito de Corriente Alterna12. Reflexin y Refraccin

13. Lentes


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I. INTRODUCCIN

Actualmente la ciencia y la tecnologa han revolucionado los mtodos para realizarexperimentos en fsica. En esta sesin trataremos acerca del manejo del software DataStudio, que funciona con un computador, una interface y ciertos transductores (sensores). Elsistema permite realizar mediciones de forma rpida y con mayor precisin que los mtodostradicionales. La cantidad de datos que registra es mayor y permite analizar de formaadecuada el fenmeno en estudio.

II. OBJETIVOS

El objetivo es familiarizar al estudiante con las principales herramientas que proporciona elprograma informtico Data Studio, para esto es necesario conocer y comprender elfuncionamiento del software y los equipos electrnicos y mecnicos Pasco, en ese sentido seplantea alcanzar los siguientes objetivos:

Entender el procedimiento para montaje y puesta en marcha del sistema. Adquirir los conocimientos bsicos de operacin del software. Comprender y aplicar los procesos de configuracin, creacin y edicin de

experiencias en fsica utilizando un computador y sensores.

III. DESCRIPCIN Y MANEJO DEL SOFTWARE

El programa Data Studio provee las herramientas para registrar y analizar datos procedentesde fenmenos reales, adquiridos mediante un conjunto de sensores y dispositivoselectrnicos, los cuales se adaptan y se configuran dependiendo de la experiencia a realizar.

En general para trabajar eficientemente con el sistema se requieren los siguientesimplementos electromecnicos, computacionales y de hardware:

Computadora personal microprocesador 80486 superior.

Sistema operativo Windows 95/98/2000/XP. Tarjeta de adquisicin de datos SCSI instalada. Interface Science Workshop 750 con fuente de alimentacin. Conjunto de sensores especficos segn la experiencia a realizar (sesor de

carga, sensor de campo magntico, sensor de voltaje, electrmetro, etc.). Accesorios especficos segn la experiencia a realizar (esferas conductoras,

cubeta de faraday, bobinas, etc.). Software Data Studio instalado.

Seguidamente hacemos una descripcin detallada de los principales componentes del

sistema, para iniciar posteriormente el anlisis de su funcionamiento.

1. INTRODUCCION AL DATA STUDIO


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III.1 Descripcin de Componentes

Los componentes del sistema se clasifica en tres grupos:

Software, referido al programa Data Studio, versin 1.5. Hardware, formado por la tarjeta SCSI, interface Science Workshop 750 y el

conjunto de sensores. Accesorios, es el conjunto de elementos fsicos adicionales que facilitan la

toma de datos (probadores planos, cubeta de faraday, cables de conexin,etc.).

Software.- El programa Data Studio esta diseado para usarse en el entorno Windows, sirvede medio de comunicacin con el usuario y facilita el anlisis de los datos adquiridos. Seresume su funcin en el siguiente listado.

- Provee un medio de comunicacin con los dispositivos electrnicos de

recoleccin de datos.- Proporciona las herramientas para realizar anlisis estadsticos y grficos de

la informacin adquirida.- Permite acceso rpido a datos y facilita su transporte.

Los requerimientos mnimos para instalacin son:

- Procesador 80486, Pentium I ( superior).- 50 MB de espacio libre en disco.- 16 MB de memoria RAM disponible.

- Lectora de CD-ROM.

Hardware.- Los medios fsicos necesarios son los siguientes:

I nterf ace Science Workshop 750, es un convertidor de seales diseado parala recoleccin de datos, sus caractersticas principales son:

- El modelo CI-7500, provee tres canales para ingreso de seales analgicas,con un registro mximo de 250,000muestras por segundo.

- Cuatro canales para registro de seales digitales de 12 Bytes, utilizando

amplitudes AC ajustables, con un mximo de 2.4mV.- Amplificador de potencia interno de corriente continua, que permite generarfunciones de onda arriba de los 300mA.


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Figura (1).Interface Science Workshop 750.

Tar jeta de adquisicin de datos SCSI, traduce la informacin recolectada porla interface al computador, permitiendo su procesamiento con Data Studio.

Sensores, se les denomina tambin transductores son aquellos dispositivoselectrnicos, cuya funcin es transformar parmetros fsicos, qumicos ybiolgicos en magnitudes elctricas,. Existe una gran variedad de sensoresreconocidos por el software; no obstante, nos limitaremos a estudiar los que

son de importancia para el desarrollo del presente laboratorio.

1. Sensor de Voltaje, transductor analgico encargado de proveer una simpleconexin entre la interface y un circuito elctrico. Especificaciones:+/-10 VAC/DC

2. Sensor de corriente, mide la corriente en un circuito. Especificaciones: corrientemxima d entrada 1.5A, diferencia de voltaje mximo 1.5V. Resolucin 5mA(1Xgain),0.5mA(10Xgain).

Figura (2). Sensor de corriente. Cdigo: CI-6556

3. Sensor de Carga, mide la carga elctrica esttica de un cuerpo electrizado.Especificaciones : resistencia de entrada de 1012 ohmios ,voltaje mximo deentrada

150V.Ganancias 1X 5X 20XVoltaje +/-10V +/-2V +/-0.5VCarga +/-0.1 C +/-02 C +/-0.005C

El modo de operacin es atravs de una conexinserial con la tarjeta SCSI.Permite adicionalmentegenerar ondas de corrientealterna, con frecuencias

mayores a los 50 KHz.


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Figura (3).Sensor de Carga elctrica. Cdigo: CI-6555

Figura (4). Sensor de campo magntico. Cdigo: CI-6520A

5. Electrmetro, mide carga electrosttica de un cuerpo por medio del voltajeasociado a la carga electrosttica; adems determina el signo de la carga. Suimpedancia de entrada es 1014ohmios y cuenta con un selector de rango de 3,10,30 y100 V.

a. FUENTES

1. Amplificador de potencia II , este equipo trabaja como fuente y generador de sealque conectado a la interface y ste al computador se controla por medio del SofwareData Studio, especficamente en la ventana de control llamada generador de seal

.Especificaciones : Salida +/- 10V 1A, conector de 8-pin DIN.

Figura (5). Amplificador de potencia

4. Sensor de Campo Magntico:Mide la intensidad de campo magntico,tanto en su componente radial y axial,cuenta con una escala de rango de 10

,100,1000 Gauss. Mide desde el campomagntico de la tierra hasta fuertescampos magnticos


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2. Fuente de poder, fuente de tensin 18 VDC, 5 A puede trabajar en serie y enparalelo con otra fuente. Serie SE-9720A.

LASER

Caja de Rayo Lser, genera rayo lseres de He-Ne con una potencia 0.5 mW y longitud

de onda 632.8 nm.

Figura (6). Caja de RayosLser

Accesorios.- Son el conjunto formado por los dispositivos mecnicos adicionales tales

como: cables, conectores, adaptadotes, tableros etc. En nuestros trabajos ser necesarioutilizar un tablero de Laboratorio de electrnica AC/DC. Cdigo: EM 8656.

Figura (7). Tablero de Laboratorio de Electrnica AC/DC

III.2 Manejo del Software

Existe una secuencia de pasos necesarias para iniciar el desarrollo de una sesin, desdeinicializar el sistema pasando por las operaciones de montaje y desmontaje de los equipos ysensores, hasta lograr la adquisicin y anlisis de datos. A continuacin se explican las

actividades que el software permite realizar y los pasos a seguir para dar inicio a una sesiny la toma de registros con Data Studio.

III.2.1 Inicio de una Actividad.- para ingresar a la ventana debienvenidase hace doble clic sobre el icono acceso directo Data Studioque se muestra en el escritorio una vez instalado el software. Existen dosmodalidades de operacin con interface y sin interface,seguidamente mostraremos las actividades que se pueden realizar en cada

modalidad.


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Ventana de bienvenida, se activa al ingresar al sistema, y en ella aparecencuatro iconos que corresponden a las actividades que se pueden realizar tal ycomo se muestra en la Figura (8), esta aparecer siempre que est activada lacasilla de verificacin que se ubica en la parte inferior de la ventana, lascuatro actividades son:- Abrir actividad.- Introducir datos.

- Representar grficamente una ecuacin.- Crear experimento.

Figura (8). Ventana de bienvenida de Data Studio.

Trabajo sin interface, permite ejecutar las tres primeras actividades (noincluye la creacin de experimentos); sin embargo, es necesario especificar elarchivo ASPI.DLL de la interface correspondiente en nuestro caso ser elSW750(predeterminado).

Trabajo con interface, cuando se dispone de una interface ser posiblerealizar las cuatro actividades que ofrece el programa.

III.2.2 Abrir Actividad.- Hacer clic sobre el icono Abriractividad, en la ventana de bienvenida, luego localizar elarchivo que contiene la informacin (con extensin DS) y elprograma carga automticamente, el sistema mostrar todos losgrficos y configuraciones empleadas en la puesta en marcha

de los sensores.


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III.2.3 Introducir Datos.- Para acceder a esta opcin se hace clicsobre el icono Introducir datos en la ventana de bienvenida.Mediante esta actividad el programa permite al usuario realizar unanlisis grfico de los datos previamente adquiridos u obtenidos enla ejecucin de algn experimento; al activar, se muestra pordefecto un grfico en blanco y una tabla (sin datos) tal como semuestra en la Figura (9),esta tabla nos permite introducir datos por

teclado y se visualiza la grfica en la ventana correspondiente. El software permite modificarlos encabezados, unidades y la precisin para los registros tabulados.

Figura (9). Ventanas mostradas al ingresar a la actividad Introducir datos.

III.2.4 Representar Grficamente una Ecuacin.- En staactividad el usuario podr visualizar en pantalla las grficas y los

puntos tabulados de las funciones matemticas, y pueden sereditadas utilizando la aplicacin para introducir ecuaciones que seactiva automticamente. La sintaxis de escritura es similar al usopara elaborar ecuaciones en una hoja de clculo, como el caso

anterior esta permitido colocar ttulos, encabezados que permiten una presentacinadecuada, la Figura (10) muestra el cuadro de dilogo para editar ecuaciones y la tablagenerada con su respectiva grfica.


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Figura (10). Estas ventanas se muestran cuando se ingresar a la actividadRepresentar grficamente una ecuacin.

III.2.5 Crear Experimento.- En sta etapa el usuario deberealizar la seleccin, configuracin y calibracin de los sensores ymontaje de los accesorios segn el experimento a realizar,comprende lo siguiente:

a) Conexin de la interface y puesta en marcha del programa , se debe realizar lossiguientes pasos:

- Con el monitor y el CPU apagados conectar la interface con la tarjeta SCSI,la cual debe estar insertada en la Mainboard del CPU (se hace uso el cablesegn corresponde).

- Conectar la interface a la fuente de alimentacin de 12Vy esta a su vez a lared domestica de 220V.

- Colocar en la posicin de encendido el interruptor ubicado en la parte

trasera de la interface luego encender el CPU y el monitor, en ese orden.


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- Hacer doble clic en el icono de acceso directo a Data Studio.- En la ventana de bienvenida se escoger la opcin Crear experimento.

finalizado el paso (a)el programa mostrar la ventana que se muestra en laFigura (11).

Figura (11). Ventana de configuracin de la interface Science Workshop 750.

b) Seleccin de Sensores, Configuracin y Calibracin, dependiendo delexperimento a realizar el usuario seleccionar los sensores, la configuracin espropio de cada sensor, los pasos es el siguiente:

- Establecer el sensor a utilizar, eligindo de la ventana de configuracin delexperimento, donde se muestran los sensores disponibles (activarlohaciendo doble clic en el icono segn corresponde), la Figura (12)muestrael contenido de la ventana.

- Automticamente el programa indicar a que terminales deben conectarse

los cables para transmisin de datos (analgico digital).- El siguiente paso es establecer los valores a registrar y cuantos datos porsegundo se anotaran, esto se puede realizar en el cuadro de dialogopropiedades del sensor, tal como se muestra en la Figura (12).

- Se establece cuantos grficos vamos a utilizar, cada uno corresponder aalgn parmetro medido, registrando su variacin con respecto al tiempo.Los grficos se activan arrastrando el icono de grfico en la ventanaresumen hasta el icono perteneciente a la cantidad medida.

- Data Studio permite de modo adicional generar grficos mltiples oindividuales, es decir la superposicin de grficas y el intercambio de


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parmetros medidos por eje coordenado, as como hacer una presentacinpersonalizada de los grficos.

Figura (12), Ventana de configuracin del experimento, mostrando el cuadro dedialogo propiedades del sensor.

c) Montaje de accesorios, en este punto se ensambla la estructura que nos permitirejecutar la toma de datos, escoger el sensor adecuado y componentes adicionalescomo bobinas, cables de conexin, resistencias, condensadores, etc.

d) Ejecucin del experimento, la toma de datos se inicia cuando se hace clic en laopcin inicioque se ubica en la barra de herramientas de la ventana principal, sedetiene la ejecucin haciendo clic nuevamente en la misma opcin (detener).

III.3 Herramientas de Anlisis

Las herramientas proporcionadas por el software Data Studio para analizar datos se localizanen la barra de herramientas de los grficos y tablas generados; a continuacin se explica losms importantes:

Escala de pantalla y Zoom,permite variar de manera rpida y sencilla la escalapara los valores mostrados en cada uno de los ejes coordenados; losbotones de acercamiento facilitan la magnificacin de toda o parte de la grfica,segn el nmero de registros seleccionados.

Herramienta Ajustar,esta utilidad se activa oprimiendo el botn ajustar, en labarra del grfico presentada por Data Studio; de inmediato se despliega un men

indicando los ajustes posibles (lineal, cuadrtico, polinmico, etc.).


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Herramientas Estadsticas, se oprime el icono de sumatoria en la barra delgrfico del sistema. Establece como activados desactivados los clculosestadsticos sobre los datos seleccionada (media, mximo, mnimo, rea, etc.).

Herramienta para ubicacin de coordenadas (herramienta inteligente), facilitarealizar un anlisis dato por dato de los valores tanto en el eje de las abcisas como

en el de las ordenadas, permitiendo estudiar pormenorizadamente lainformacin registrada.

Herramienta para clculo de pendiente,calcula la pendiente de la recta tangentea una porcin seleccionada de la curva graficada, esto sobre un punto escogido porel sistema, el cual puede variarse a voluntad del usuario.

Herramienta calculadora, funciona de manera similar al editor, en la actividadrepresentar grficamente una ecuacin y permite evaluar datos registradossegn alguna funcin usando combinaciones de uno ms parmetros medidos.

Botn de ajuste de curvas, permite introducir una ecuacin de ajuste para losdatos seleccionados, bien puede seleccionarse una predefinida.

Figura (13). Herramientas de anlisis

IV. EQUIPOS Y MATERIALES

N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 1

3 Programa Data Studio


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V. PROCEDIMIENTO Y ACTIVIDADES

Procedimiento para configuracin de equipos y accesorios

a. Verifique la conexin y estado de la fuente de alimentacin de la interface, luego

proceda a encenderla.b. Encender el computador (CPU y monitor).c. Ingresar al programa Data Studio haciendo doble clic en el icono ubicado en el

escritorio.

Primera actividad (Representar grficamente una ecuacin)

a. Seleccione la actividad Representar grficamente una ecuacin, en la ventanade bienvenidade Data Studio.

b. Haga clic con el mouse sobre el botn resumen.

c. En el casillero definicindel cuadro de dialogo calculadora, digite la siguienteexpresin:

tQq exp*

0,para =0.25, Q0=0.001C, luego haga clic en aceptar.

d. En el mismo cuadro de dialogo defina la variable t (en toda la escala).

e. Haciendo clic en el botn propiedades, asigne el nombre carga para la variabledependiente, luego tiempo para la variable independiente, modifique la precisin acinco decimales e indique coulomb (C) para las unidades de carga y segundos(s)para las unidades de tiempo, seguidamente haga clic en aceptar.

f. Arrastre una tabla desde la subventana pantallashasta el icono valoresen lasubventana datosde la ventana resumen.

g. En la ventana calculadora haga clic sobre el botn nuevo, luego repita los pasosdesde (c) hasta (f) para las siguientes funciones:

2*cos

*

0

t

L

VI

, considere0V =3.0V, =6.25rad/s,L = 2 Volt.seg./Amp.

t

eII 10

, considereIo = 5.0A , =0.35, considere t en toda la escala.

Para estos casos se deber adicionar un grfico extra.h. En la opcin archivodel men principal, seleccione guardar actividad como,

luego elija la carpeta y el nombre para guardar la actividad.

Segunda actividad (Introducir datos)

1. Seleccione la actividad Introducir datos, en la ventana de bienvenidadeData Studio.

2. Haga clic con el mouse sobre el botn resumen.


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3. En la tabla que aparece por defecto, ingrese los datos, que se muestran en la Tabla(1).

Tabla (1) Datos tomados de corriente segn la variacin de resistencia.

I (A) 0.0895 0.173 0.256 0.563 0.83 1.22 1.36 2.92 4.12

R() 62.1 32.1 21.7 9.88 6.7 4.56 4.09 1.90 1.35

d. Realice las modificaciones correspondientes a los encabezados y la precisin delas unidades registradas.

e. Hallar el voltaje utilizado haciendo el ajuste correspondiente.f. Seleccione la ventana grfico 1y en la opcin Pantalladel men principal

elija exportar imagen, guarde esta grfica en el archivo corriente-res.bmp, enla carpeta seleccionada.

g. Seleccione la ventana tabla 1y en la opcin Pantalladel men principal elijaexportar datos, guarde los registros en el archivo corriente-res.txt, en la

carpeta seleccionada.h. En la opcin archivodel men principal, seleccione guardar actividad como,

luego elija la carpeta y el nombre para guardar la actividad.

Tercera actividad (Abrir actividad)

a. Seleccione la actividad grabada previamente en la segunda actividad.b. Verifique las tablas y datos previamente almacenados.c. Adicionalmente en la opcin Archivo del men principal elija importar

datos, luego adicione una grfica.

d. Sobre los datos registrados calcule los valores mximos y mnimos, adems de lamedia correspondiente.


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I. INTRODUCCIN

Electrosttica es la ciencia que estudia las propiedades y accin recproca de las cargaselctricas en reposo con respecto al sistema inercial de referencia elegido para su estudio. Elelectromagnetismo clsico trata de las cargas estticas y en movimiento; sin embargo, todosestamos familiarizados con los efectos de la electricidad esttica, incluso algunas personasson ms susceptibles que otras a su influencia. Para explicar como se origina la electricidadesttica, hemos de considerar que la materia est hecha de tomos, y los tomos de partculascargadas, un ncleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra,tiene el mismo nmero de cargas positivas y negativas. La teora atmica moderna explica elpor qu de los fenmenos de electrizacin y hace de la carga elctrica una propiedad

fundamental de la materia en todas sus formas.

II. OBJETIVOS

Mediante el desarrollo de esta experiencia es posible demostrar lo siguiente:

Verificar la atraccin repulsin de cuerpos cargados elctricamente. Determinar experimentalmente la cantidad de carga transferida por contacto y por

induccin, mediante el uso del sensor de carga, el electroscopio y la cubeta de

Faraday. Verificar que la cantidad de carga depende de la naturaleza de los materiales y delrea de la superficie que entra en contacto.

Comprobar que en cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la cargatotal o neta no cambia.

III. FUNDAMENTO TERICO

III.1 Carga y materia

Los tomos son agrupaciones de partculas subatmicas, estas son tres: el electrn (e), elprotn (p) y el neutrn (n), as:

1 tomo = Ncleo (p + n) + Electrones (e)

Los nmeros de protones, neutrones y electrones dependen del tomo en referencia. Aqu elprotn es una partcula con carga positiva igual en magnitud a la carga de un electrn y conuna masa 1840 veces mayor. El neutrn no tiene carga pero su masa es aproximadamenteigual a la del protn.

2. CARGA ELCTRICA


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Partcula Carga(C) Masa(Kg.)electron 1.6x10-19 9.1x10-31

protn 1.6x10-19 1.67x10-27

neutron 0 1.67x10-27

Se debe notar que la masa del tomo es prcticamente la masa del ncleo y que en un tomoelctricamente neutro, el nmero de electrones alrededor del ncleo, igualara al nmero deprotones en el mismo.

III.2 Electrizacin por friccin, contacto e induccin

Un tomo normal que no haya sido perturbado, es llamado tomo neutro, es decir posee elmismo nmero de cargas positivas y negativas, sin embargo existe siempre la posibilidad deque cualquier cuerpo se cargue ya sea ponindolo en contacto con otro cuerpo cargado acercndolo simplemente a este. Cuando un electrn logra escapar de la influencia delncleo, pierde la neutralidad elctrica y se convierte en un in positivo, al poseer un nmero

de protones superior al de electrones. Lo contrario sucede cuando un electrn adicional esincorporado a un tomo neutro. Entonces el in formado es negativo, a continuacinveremos las tres formas de cargar un objeto.

Mediante la electri zacin por f ri ccin, los electrones externos de los tomos del pao defranela son liberados y cedidos a la barra de mbar, con lo cual sta queda cargadanegativamente y aqul positivamente. En trminos anlogos puede explicarse la electrizacindel vidrio por la seda. En cualquiera de estos fenmenos se pierden o se ganan electrones,pero el nmero de electrones cedidos por uno de los cuerpos en contacto es igual al nmerode electrones aceptado por el otro.

La electri zacin por contacto, es considerada como la consecuencia de un flujo de cargasnegativas de un cuerpo a otro. Si el cuerpo cargado es positivo es porque suscorrespondientes tomos poseen un defecto de electrones, que se ver en parte compensadopor la aportacin del cuerpo neutro cuando ambos entran en contacto. El resultado final esque el cuerpo cargado se hace menos positivo y el neutro adquiere carga elctrica positiva.An cuando en realidad se hayan transferido electrones del cuerpo neutro al cargadopositivamente, todo sucede como si el segundo hubiese cedido parte de su carga positiva alprimero. En el caso de que el cuerpo cargado inicialmente sea negativo, la transferencia decarga negativa de uno a otro corresponde a una cesin de electrones.

La electri zacin por induccin, es un efecto de las fuerzas elctricas; debido a que, stas seejercen a distancia, un cuerpo cargado positivamente en las proximidades de otro neutroatraer hacia s a las cargas negativas, con lo que la regin prxima queda cargadanegativamente. Si el cuerpo cargado es negativo entonces el efecto de repulsin sobre loselectrones atmicos convertir esa zona en positiva. En ambos casos, la separacin de cargasinducida por las fuerzas elctricas es transitoria y desaparece cuando el agente responsablese aleja suficientemente del cuerpo neutro.


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III.3 Ley de conservacin de las cargas elctricas

La suma algebraica de las cargas elctricas de un sistema aislado es constante. La cargaelctrica de cualquier cuerpo consta de una serie de cargas elementales, la mnima partculaestable con carga elemental negativa se denomina electrn, la mnima partcula estable concarga positiva se denomina protn. Los electrones y los protones son partes componentes delos tomos de cualquier cuerpo. En un cuerpo neutral (sin carga) hay cargas de signos

contrarios, pero de igual magnitud absoluta. Se considera a las cargas elctricas comopuntuales, si las dimensiones de los cuerpos en que se concentran estas cargas, sonmuchsimo menores que la distancia que los separa.

III.4 Ley de Coulomb

Mediante una balanza de torsin, Coulomb encontr que la fuerza de atraccin repulsinentre dos cargas puntuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que lassepara, matemticamente esto se expresa como:.

r

2r

qq'KF

En la practica cuando se trabaja en el sistema M.K.S., conviene definir una constantedenominada permitividad del vaco en la forma K 4/1

0

su valor experimental es:

Nm

Cx

2

12

0 10854.8

2

2

9109C

NmxK

III.5 El electroscopio

El electroscopio consta de dos elementos metlicos que estn fijos y que pasan a travs de unsoporte aislante. Cuando se toca la esfera del electroscopio con un cuerpo cargado, la hoja yla varilla adquieren carga del mismo signo y se repelen siendo su divergencia una medida dela cantidad de carga que ha recibido. La fuerza de repulsin electrosttica se equilibra con elpeso de los elementos.

Figura (1) Electroscopio.


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Si se aplica una diferencia de potencial entre la esfera y la caja soporte del mismo, loselementos tambin se separan. Se puede calibrar el electroscopio trazando la curva que nosda la diferencia de potencial en funcin del ngulo de divergencia.

IV. MATERIALES Y EQUIPOS

N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD

1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 13 Electroscopio SF-9069 14 Kit de materiales electrostticos * SF-9068 15 Electrmetro ES-9078 16 Probadores planos * ES-9057B 17 Cubeta de Faraday ES-9042A 18 Esferas conductoras * ES-9059B 19 Fuente de voltaje electrosttica ES-9077 110 Sensor de carga CI-6555 111 Regla metlica de 30 cm 1

* la cantidad mencionada se refiere al contenido en la caja correspondiente.



a. Verificar la conexin y encendido de la interface.b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.c. Seleccionar el electrmetro bsico de la lista de sensores y efectuar la conexin

usando los cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.d. Efecte la calibracin para este sensor indicando una frecuencia de muestreo de 20 Hz

en rango predeterminado.e. Seleccionar el sensor de carga de la lista de sensores y efectuar la conexin usando

los cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.f. Efecte la calibracin para este sensor indicando una frecuencia de muestreo de 20 Hz

en rango predeterminado.g. Escoja la posicin 5xen el switch de ganancia del sensor y en la opcin medida en la

ventana propiedades del sensor.h. Genere una grfica para cada uno de los parmetros registrados por los sensores

elegidos (voltaje y carga).

Primera actividad (Carga por friccin Atraccin y repulsin de cuerpos cargados)

a. Frote la varilla de acrlico con una pieza de piel durante 1 minuto aproximadamente,tenga cuidado de no poner la varilla en contacto con otro cuerpo.

b. Verifique la existencia de carga en ste elemento, acercando el extremo libre al plato deprueba del electroscopio (variacin del ngulo entre la lmina y la varilla de aluminio),no toque el extremo de prueba, ver Figura (2a).

c. Coloque la varilla de PVC en el soporte de giro libre del kit SF-9068.


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d. Acerque la vara de acrlico frotada a la varilla de PVCmontada en el soporte de girolibre, tome nota de lo ocurrido, ver Figura (2b).

e. Ponga en contacto ambas varillas, luego separar y repita el paso (d) esta vez frotandocon franela, y luego con seda tome nota de lo ocurrido.

Figura (2) Disposicin de equipos y accesorios primera actividad.

Segunda actividad (Carga por Induccin Conservacin de la carga)

a. Mida con ayuda de la regla el dimetro de las lminas en la cubeta de Faraday, luegodetermine el radio interno (

ar ) y el radio externo (

br ), en metros.

b. Realice la conexin de equipos y accesorios tal como se muestra en la Figura (3).c. Frote el probador azul con el probador blanco durante aproximadamente 30 segundos,

separe ambos elementos, evitando el contacto entre ellos.d. Calibre el electrmetro en la escala mxima (100V) y pulse el botn Zero, para

eliminar cualquier carga residual.e. Pulse el botn inicio, en la barra principal del programa Data Studio.f. Introduzca el probador azul al interior de la cubeta de Faraday, sin tocar las paredes de

metal, mantenga esa porcin al menos 5 segundos y retire el probador.g. Repita el proceso desde (d) hasta (f) para el probador de color blanco.h. Detenga la toma de datos.

i. Usando la calculadora de Data Studio genere una grfica de carga vs. tiempo, haciendouso de la siguiente ecuacin:

)ln(b

a

r

rK

VQ

Donde: V, es la diferencia de potencial registrada al introducir el probador azul elprobador blanco en la cubeta de Faraday.K, es la constante electrosttica igual a 9109Nm2/C2.

a

r

, es el radio del cilindro interno en la cubeta.


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br , es el radio del cilindro externo en la cubeta.

j. Determine la magnitud y signo de la carga inducida al introducir cada uno de losprobadores, anote sus resultados.

Figura (3) Disposicin de equipos y accesorios segunda actividad.

Tercera actividad (Carga por Contacto y Separacin de cargas)

a. Conecte los terminales del sensor de carga a los cilindros interno (rojo) y externo

(negro) de la cubeta de Faraday.b. Calibre a cero el sensor de carga pulsando el botn ubicado en la parte superior del

sensor.c. Conecte la terminal de +3000V de la fuente electrosttica a una de la esferas (utilice el

cable rojo).d. Conecte la fuente de poder a la red domestica 220V y encienda el interruptor.e. Ubique la esfera cargada a 50cm de la cubeta de Faraday.f. Verifique que la disposicin de equipos sea tal como se muestra en la Figura (4).

Figura (4) Disposicin de equipos y accesorios tercera actividad.


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g. Haga contacto con la esfera cargada usando el probador de aluminio duranteaproximadamente 30 segundos (toque la superficie de manera tangente).

h. Inicie la recoleccin de datos pulsando el botn inicio, en la barra de herramientas deData Studio.

i. Introduzca el probador haciendo contacto dentro de la cubeta de Faraday y registre lamagnitud y signo de la carga transferida al probador.

j. Acerque la segunda esfera hasta aproximadamente 1 cm. de la esfera cargada, espere

aproximadamente 1 minuto, luego seprelas 50 cm.k. Acerque el probador de aluminio a la segunda esfera y repita los pasos desde (g) hasta

(i), anote sus resultados.l. Ponga en contacto ambas esferas durante 1 minuto y luego seprelas 50 cm. Luego

acerque el probador de aluminio a la esfera libre y repita los pasos desde (g) hasta (i),anote sus resultados.

Nota: Recuerde descontar la carga residual medida por el sensor de carga.

VI. CUESTIONARIO

1. En la carga del electroscopio por induccin, Cul es el signo de la carga residual?2. En la carga por friccin, que determina el signo de la carga adquirida por un

determinado material?, explique.3. Para la segunda actividad, dado que se conoce la magnitud y signo de la carga

inducida, determine el nmero de electrones removidos por friccin.4. De lo obtenido en la segunda actividad, dira usted que la carga se conserva?,

explique.5. Al poner en contacto la esfera cargada con otra descargada del mismo radio, al

separarlas ambas esferas tendrn la mitad de la carga que tenia la primera esferainicialmente?, explique.

6. En la tercera actividad la magnitud de la carga transferida variara si el radio de laesfera conductora descargada fuera mayor a la de la esfera cargada?

7. En la polarizacin de cargas ocurrida al acercar el cuerpo cargado al cuerpodescargado la fuerza de repulsin es de la misma magnitud para ambos elementos?,explique.

8. Cmo explica usted la descarga elctrica atmosfrica durante una tormenta?,explique.

9. En el experimento de Millikan para demostrar que la carga elctrica esta cuantizada,

de que manera se cargan elctricamente las gotas de aceite?, explique.10. Explique el funcionamiento de un generador de Van de Graff.


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21

I. INTRODUCCIN

En esta sesin realizaremos el estudio de la distribucin de carga inducida transferida porcontacto para materiales de geometra conocida; esto, se basa en conclusiones que se llegen los experimentos para determinacin de la cantidad de carga inducida transferida porfriccin y contacto. Veremos que la densidad y distribucin depende de la naturaleza de losmateriales y del rea de la superficie que entra en contacto y verificaremos de maneraexperimental la relacin entre las cargas y los campos elctricos, familiarizndonos con suspropiedades fundamentales.

II. OBJETIVOS

Mediante el desarrollo de esta experiencia es posible lograr lo siguiente:

Determinar la densidad y distribucin de las cargas en un conductor de geometraconocida.

Obtencin de las lneas de campo y equipotenciales para diversas configuracionespuntuales de cargas elctricas.


III.1 Densidad y distribucin de cargas

Un cuerpo electrizado en las proximidades de otro neutro es atrado y se polarizan las cargasen regiones prximas, lo cual da como resultado la aparicin de fuerzas atractivas, si dichoscuerpos entran en contacto se neutralizan las cargas negativas y ambos tendrn cargas delmismo signo por lo que se repelern enseguida.

Dos esferas conductoras en contacto una cargada y otra descargada inicialmente, tendrn alsepararlas la mitad de la carga que tenia la primera inicialmente, pero Cmo seria ladistribucinfinal de cargas?; es posible responder esta pregunta si se conoce la densidad decargaen todo su volumen superficie.

III.1.1 Densidad de carga superficialCuando una carga elctrica es distribuida en toda una regin del espacio (sea elcaso de un metal conductor) podemos definir la densidad de carga elctricapromediocomo la carga total en la regin dividida por el rea de la superficie. Ladensidad de carga se simboliza como y tiene unidades de Coulomb/m2, ascundo el rea Acontiene la carga total qt, entonces la densidad de carga promedioes:

3. DENSIDAD DE CARGA Y CAMPO ELCTRICO


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22

A

q

t

pro m

(1)

En la interaccin entre cargas, supongamos que lleguen a un arreglo equilibrado enel cual la fuerza neta actuando en cada carga sea cero; por lo tanto es frecuenteencontrar distribuciones de cargaque no son uniformes, es decir que la densidad

de cargas depende de la posicin, esto ocurre generalmente para cuerpos nohomogneos de geometra irregular.

III.2 Campo elctricoCuando una carga elctrica experimenta una fuerza de atraccin repulsin (en ausencia decampos gravitacionales y magnticos) en una regin del espacio, existe un campo elctricoen esa regin. La magnitud del campo elctrico depender de la magnitud de la carga deprueba. La fuerza elctrica puede ser generada por cargas aisladas o por una distribucin decargas.

Supongamos que la fuerza se debe a una carga aislada, entonces tericamente la atraccin repulsin sobre la carga de prueba es radial y podemos dibujar lneas radiales a la carga quenos representen grficamente la direccin de repulsin atraccin, estas lneas radiales seconocen como lneas de campo, las cuales salen en las cargas positivas y entran a las cargasnegativas como se muestra en la Figura (1).

Figura (1) Direccin del campo para una carga puntual

En un punto cualquiera del espacio en donde est definido un campo elctrico se coloca unacarga de prueba o carga testigo, se observar la aparicin de fuerzas elctricas, es decir, deatracciones o de repulsiones sobre ella, matemticamente se expresa como:

)/(0

CNq

FE

(2)

Donde la direccin del campo es la direccin de la fuerza, ver Figura (1), empleando la leyde Coulomb, si tenemos una carga puntual q y a una distancia r se encuentra una carga deprueba q0, obtenemos que:

rq

FE

00

2r

q

4

1

(3)

De la ecuacin (3) se ve que el campo elctrico depende slo de la carga que origina elcampo.


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23

III.2.1 Dipolo elctricoSe llama dipolo elctrico un sistema de dos cargas iguales de signo contrario

separadas por una distancia pequea, como se muestra en la Figura (2), se establece laconfiguracin que se conoce como dipolo elctrico.

Figura (2)Dipolo elctrico.

Suponiendo que r >> a, el campo elctrico producido por las dos cargas en un punto pes lasuma vectorial de los campos producidos por cada una de ellas y por la distribucinsimtrica de las cargas con respecto al eje y, las componentes verticales se anulan y lashorizontales deben sumarse, obteniendo la siguiente ecuacin matemtica.

xr

0

3/222 )r(a

2aq

4

1E

(4)

Se define como momento del dipolo elctrico al vectorP

cuyo mdulo es 2aq.

III.2.2 Lneas de campo y equipotencialesLas lneas de campotambin se conocen como lneas de fuerza, son muy tiles en

el aspecto cuantitativo de un problema, especialmente cuando existen complicacionesgeomtricas y su propiedad fundamental es que el vector intensidad del campo es tangente alas lneas de fuerza.

El vector del campo elctrico en un punto sobre un diagrama equipotencial es perpendicularal equipotencial a travs de dicho punto y tiene una magnitud inversamente proporcional ala distancia entre curvas cerca del punto, como se muestra en la Figura(3)

Figura (3)Equipotencial y el vector de intensidad de campo elctrico.


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24

Para una carga puntual las lneas de fuerza son lneas rectas que pasan por la carga, lasequipotenciales son superficies esfricas concntricas, segn se muestra en la Figura (4).

Figura (4. Lneas de campo y equipotenciales para una carga puntual.

En las Figuras (5) y (6) se pueden ver las lneas de fuerza y las equipotenciales para doscargas iguales de signos opuestos y dos cargas del mismo valor y positivas.

Figura (5) Dipolo de cargas iguales y de signos opuestos

Figura (6) Dos cargas puntuales del mismo valor y positivas.


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25

III.2.3 Clculo del campo elctrico a partir de potencial

Si dos puntos estn separados una distancia infinitesimal, es posible utilizar lasiguiente ecuacin:

2

12

l.dEVl.dEdV

__

1

__ V (5)

El potencial en un punto del campo elctrico, es el trabajo realizado por unidad de carga,contra la fuerza ejercida por el campo elctrico sobre la carga de prueba, cuando se trae estadesde el infinito hasta el punto en cuestin.

Si el potencial depende de las tres coordenadasx,y,z se tiene.

),,( zyxVE

zyx r

z

Vr

y

Vr

x

V (6)

El segundo miembro de la ecuacin (6) se denomina gradiente del potencial.


N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 13 Kit para mapeo de campo elctrico.* ES-9060 14 Electrmetro ES-9078 15 Probadores planos (Aluminio) ES-9057B 16 Cubeta de Faraday ES-9042A 17 Esferas conductoras ES-9059B 18 Fuente de voltaje electrosttica ES-9077 1

9 Sensor de carga CI-6555 110 Calibrador Vernier 1

* la cantidad mencionada se refiere al contenido en la caja correspondiente.



a. Verificar la conexin y encendido de la interface.

b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.c. Seleccionar el sensor de carga de la lista de sensores y efectuar la conexin usandolos cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.

d. Efecte la calibracin para este sensor indicando una frecuencia de muestreo de 50 Hzen rango predeterminado.

e. Escoja la posicin 1x, en el switch de ganancia del sensor y en la opcin medidaen laventanapropiedades del sensor.

f. Genere una grfica para cada uno de los parmetros registrados por los sensoreselegidos (voltaje y carga).

g. Conecte la fuente electrosttica de voltaje a la red domestica de 220V.


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26

Primera actividad (Determinacin de la densidad de carga)

a. Conecte los terminales del sensor de carga a los cilindros interno (con cable rojo) yexterno (con cable negro) de la cubeta de Faraday.

b. Calibre a cero elsensor de cargapulsando el botn Zero ubicado en la parte superiordel sensor.

c. Conecte la terminal de +3000V de la fuente electrostticaa una de la esferas (utilice el

cable rojo).d. Ubique en la posicin de encendido el interruptor de lafuente electrosttica.e. Ubique la esfera cargada a 50 cm. de la cubeta de Faraday.f. Mida el rea del probador de aluminio y el rea superficial de la esfera.g. Verifique la disposicin de equipos tal como se muestra en la Figura (7a)h. Seleccione 10 puntos equidistantes sobre la superficie de la esfera para efectuar

mediciones.i. Haga contacto con la esfera cargada usando el probador de aluminio durante

aproximadamente 30 segundos (toque la superficie de manera tangente en la posicinde medicin 1).

j. Inicie la recoleccin de datos pulsando el botn inicio, en la barra de herramientas deData Studio.k. Introduzca el probador sin hacer contacto dentro de la cubeta de Faraday y registre la

magnitud y signo de la carga transferida al probador.l. Registre sus datos en la Tabla (1).m. Repita la operacin (pasos desde (i) hasta (l)) para los nueve puntos de medicin

restantes.n. Realice el clculo de carga total para la esfera cargada y determine el tipo de

distribucin.o. Repita los pasos desde (a) hasta (n) para una superficie conductora plana, tal como se

muestra en la Figura(7b).registe sus datos en la Tabla (2).



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27

Tabla (1) Datos de magnitud y densidad de carga en conductor esfrico.

Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Carga(C)carga

(C/m2)Densidadpromedio decarga (C/m2)

rea superficial de laesfera (m2)

Carga total(C)

Tipo de distribucin(uniforme/no

uniforme)

Tabla (2) Datos de magnitud y densidad de carga en conductor plano.

Punto 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10Carga (C)carga

(C/m2)Densidadpromedio decarga (C/m2)

rea superficial delplano (m2)

Carga total (C) Tipo de distribucin(uniforme/no

uniforme)

Segunda Actividad (Mapeo de Campo Elctrico)

a. Encienda y conecte el electrmetro a la interface 750, generando adicionalmente unmedidor digital para lectura de voltaje.

b. Calibre a cero el electrmetro pulsando el botn Zero ubicado en la parte lateral delsensor.

c. Conecte la terminal de +30V de la fuente electrosttica a uno de las circunferenciasdibujadas sobre el papel conductor, la terminal negativa (tierra) debe hacer contacto conla otra circunferencia, esta configuracin corresponde a dipolos opuestos Conecte la

fuente electrosttica a la red domestica 220V y ubique en la posicin de encendido elinterruptor.

d. La salida a tierra del electrmetro debe conectarse a tierra de la fuente electrosttica.e. Conecte el probador de color rojo al electrmetro en la terminal correspondiente.f. Verifique la disposicin de equipos tal como se muestra en la Figura (8).g. Pulse el botn inicio en la barra principal de Data Studio.h. Inicie el mapeo de las lneas equipotenciales anotando las coordenadas sobre el plano

que muestren el mismo voltaje en la lectura del medidor digital, tanto en las cercanasdel electrodo positivo como en las proximidades del electrodo negativo, tome comoreferencia de bsqueda la Figura (5).


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28

i. Tomando como base las lneas equipotenciales determine las lneas de fuerza teniendocomo referencia de bsqueda la Figura (5).

j. Grafique los puntos recogidos empleando el papel cuadriculado proporcionado.k. Repita los pasos desde (c) hasta (j) para el caso de dipolos de cargas de igual signo

(referencia Figura (6)), placas planas, placas planas con conductor y fuente puntual,para este ultimo caso tome como referencia la Figura (4).


Figura (9). Papel para mapeo de campo elctrico.


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29

VI. CUESTIONARIO

1. En el experimento para medicin de la densidad de carga en una esfera, Cmo severificara la conservacin de la carga?, explique.

2. De que manera se obtendra una distribucin no uniforme de carga, para el caso deun conductor esfrico?

3. Explique de que manera se podra calcular la carga total en una esfera dielctrica deradio R si se sabe que su densidad de carga volumtrica es constante.4. En la segunda parte de la primera experiencia, De que manera seria diferente la

densidad de carga si el papel conductor tuviese rea infinita?5. Es posible determinar la relacin entre las distancias del probador plano al punto de

carga y la densidad de carga?, explique.6. Cual seria el efecto de remover una seccin de papel conductor entre los electrodos

para el caso de un dipolo de cargas opuestas?7. Cul es la relacin entre la direccin de mximo valor de gradiente de campo y una

lnea equipotencial en el mismo punto?8. En el experimento del dipolo de cargas de igual signo, Cul es la distorsin

ocasionada por el electrodo alrededor del permetro del papel?9. Usando el fundamento terico visto para el caso del dipolo elctrico, podra usted

calcular el momento dipolar P, en las coordenadas (14,0), del papel grficoproporcionado?

10. Explique el procedimiento a seguir para calcular la diferencia de potencial entre dospuntos al interior de un capacitor de placas planas.


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30

I. INTRODUCCIN

Los condensadores encuentran mltiples aplicaciones en los circuitos elctricos. Se lesutiliza para eliminar la chispa que se produce al interrumpir sbitamente un circuito queposee autoinduccin. El sistema de encendido de los motores de automvil tiene para estefin un condensador. Los condensadores se usan en los circuitos de radio para sintonizar yallanar la corriente rectificada proporcionada por el generador de energa. En esta sesinrealizaremos el estudio de la capacitancia, siendo uno de los tpicos ms importantes elestudio de los condensadores como elemento de un circuito, y veremos de qu manera varaesta al introducir un elemento dielctrico. Se demostrara que es posible el almacenamientode carga en un condensador y efectuaremos la determinacin experimental de la constantedielctrica y la capacidad especfica de induccin.

II. OBJETIVOS


Demostrar experimentalmente la relacin entre la diferencia de potencial y la cargaalmacenada en un condensador.

Verificar la relacin entre la capacitancia y los factores geomtricos delcondensador.

Determinar la capacidad especifica de induccin y la constante dielctrica para la

mica.


A partir del teorema de Gauss sabemos que el vector intensidad de campo elctrico E

(habitualmente llamado campo elctrico) creado en el vaco por un plano infinito en unpunto Pno depende de la distancia de dicho punto al plano. Slo depende de la densidad decarga superficial (carga por unidad de superficie) con la que est cargado el plano infinito.El mdulo del vector intensidad de campo elctrico viene dado por:

0

E (1)

y su direccin es perpendicular al plano. En la ecuacin anterior, 0 es la permitividaddielctrica del vaco y es una constante universal. Si el plano est inmerso en un mediodielctrico diferente al vaco, entonces es la permitividad dielctrica del medio .En general, la permitividad dielctrica nos mide con qu eficacia un material dielctrico escapaz de apantallar el vector intensidad de campo elctrico que crea una distribucin decarga,

4. CONDENSADORES Y DIELCTRICOS


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31

Un condensador de placas plano-paralelas est constituido por dos placas conductorasfinitas, cargadas con la misma densidad de carga pero de signo contrario, y separadas unadistancia d lo suficientemente pequea comparada con las dimensiones de las placas, deforma que podamos suponer que el campo elctrico creado por cada una de las placas esaproximadamente el campo que produce un plano infinito.

Ya que el campo elctrico es constante, la diferencia de potencial V entre las placas del

condensador se calcula inmediatamente de la definicin :

2

12

l.dEV

__

1

V (2)

De las ecuaciones (1) y (2) y haciendo uso de la definicin de capacidad se obtiene lacapacidad del condensador de placas paralelas.

d

AC 0

sin

(3)

Si el espacio entre las placas del condensador estuviera ocupado completamente con undielctrico de permitividad , entonces la capacidad es:

d

AC

con

(4)

Observa que la relacin entre las capacidades del mismo condensador cuando no haydielctrico y cuando s lo hay viene dada por:

0sinC

Ccon

(5)

donde:

0

se denomina constante dielctrica y es siempre mayor que 1.

Figura (1)Condensador plano con dielctrico y sin dielctrico.

En la Tabla (1), se da el valor de para algunos materiales que comnmente se usan comodielctricos.


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Tabla (1)Constantes dielctricas

Material Valor deVaco 1.0000Aire 1.0006

Parafina 2.1000Petrleo 2.2000

Poliestireno 2.6000Papel 3.5000

Vidrio Pirex 4.5000Mica 6.0000

Porcelana 6.5000


N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 13 Capacitor Variable Bsico ES-9079 14 Electrmetro ES-9078 15 Probadores planos (Aluminio) ES-9057B 16 Cubeta de Faraday ES-9042A 17 Esferas conductoras ES-9059B 18 Fuente de voltaje electrosttica ES-9077 19 Sensor de carga CI-6555 1

10 Calibrador Vernier 111 Tapa circular de mica 20cm de

dimetro1


Procedimiento para Configuracin de Equipos y Accesorios

a. Verificar la conexin y encendido de la interfase.b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.

c. Seleccionar el electrmetro bsico de la lista de sensores y efectuar la conexinusando los cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.d. Efecte la calibracin para este sensor indicando una frecuencia de muestreo de 50 Hz

en rango predeterminado.e. Seleccionar el sensor de carga de la lista de sensores y efectuar la conexin usando

los cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado por Data Studio.f. Efecte la calibracin para este sensor indicando una frecuencia de muestreo de 50 Hz

en rango predeterminado.g. Escoja la posicin 1x, en el switch de ganancia del sensor y en la opcin medidaen la

ventanapropiedades del sensor.


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h. Genere una grfica para cada uno de los parmetros registrados por los sensoreselegidos (voltaje y carga).

i. Conecte lafuente electrostticade voltaje a la red domestica de 220V.

Primera Actividad (Determinacin de la capacitancia)

a. Mida con ayuda del vernierel dimetro de las placas y calcule el rea superficial.

b. Conecte los terminales del electrmetroa las placas del condensador plano, las cualesdeben tener una separacin de 2 mm;.

c. Calcule la capacitancia terica del condensador usando la ecuacin (3).d. Calibre a cero el electrmetropulsando el botn Zero ubicado en la parte superior del

sensor, a fin de eliminar carga residual.e. Conecte elsensor de cargaa las terminales de las placas del capacitor.f. Conecte la terminal de +3000V de la fuente electrostticaa una de la esferas (utilice el

cable rojo).g. Ubique en la posicin de encendido el interruptor de lafuente electrosttica.h. Ubique la esfera cargada por lo menos a 50 cm. del condensador plano.

i. Verifique la disposicin de equipos tal como se muestra en la Figura (2).j. Inicie la recoleccin de datos pulsando el botn Inicio, en la barra de herramientas deData Studio.

k. Haga contacto con la esfera cargada usando el probador de aluminio duranteaproximadamente 10 segundos (toque la superficie de manera tangente).

l. Toque con el probador la placa positiva del capacitor y registre en la Tabla (2), lamagnitud del voltaje y la carga medidos en las grficas.

m. Repita la operacin (pasos desde (j) hasta (l)) cinco veces.n. Usando Data Studio realice la grfica q vs. V.o. Determine la pendiente y compare el valor de la capacitancia con el obtenido

tericamente; luego, calcule el error absoluto y porcentual.



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Tabla (2)Datos de carga y voltaje capacitor sin dielctrico.

Medicin 1 2 3 4 5Carga(C)Voltaje (V)Capacitancia

Terica (F)

Capacitancia

Experim.(F)

Error

Porcentual

Segunda Actividad (Determinacin del coeficiente dielctrico)

a. Introduzca entre las placas del capacitor la tapa de mica.b. Conecte el sensor de carga y el electrmetro a las terminales de las placas del

capacitor.c. Calibre a cero elsensor de cargapulsando el botn Zero ubicado en la parte superior

del sensor, a fin de eliminar carga residual en las placas, repita el mismo procedimiento

para el electrmetro.d. Ubique en la posicin de encendido el interruptor de lafuente electrosttica.e. Verifique la disposicin de equipos tal como se muestra en la Figura (2).f. Inicie la recoleccin de datos pulsando el botn Inicio, en la barra de herramientas de

Data Studio.g. Repita los pasos desde (k) hasta (n) de la primera actividad.h. Registre sus datos en la Tabla (3).i. Determine la pendiente y calcule el coeficiente dielctrico usando la ecuacin (5) y los

resultados vistos en la Tabla (2);luego, compare este resultado con el valor conocidodado en la Tabla (1) y calcule el error porcentual.

Tabla (3)Datos de carga y voltaje capacitor con dielctrico.

Medicin 1 2 3 4 5Carga(C)Voltaje (V)CoeficienteDielctricoTerico (F)

CoeficienteDielctricoexperiment.

()

ErrorPorcentual

VI. CUESTIONARIO

1. Para el caso del capacitor analizado, calcule el lmite mximo de voltaje que puedeaplicrsele antes de que ocurra un cortocircuito.

2. A que se debe la aparicin de un campo elctrico uniforme entre las placas de uncondensador plano?, explique.


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3. Realice un listado de las aplicaciones de los capacitares en electrnica.4. Es conservativo el campo elctrico entre las placas de un condensador?, Por qu?,

explique.5. Calcule el rea de las placas en un condensador plano para que la capacitancia sea 1

Faradio.6. Considerando una separacin entre placas de 5mm para el condensador analizado,

Cul ser la variacin en la capacitancia si se coloca porcelana entre las placas?,

explique.7. En que medida afecta el empleo de 0en lugar de para el experimento realizado?,

explique.8. El incremento de la capacitancia, es directa indirectamente proporcional al rea de

las placas?, explique.9. Qu entiende por efectos de borde?10. Realice un grfico de las lneas de fuerza en un capacitor de placas planas y un

capacitor cilndrico.


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I. INTRODUCCIN

En los problemas puramente electrostticos, como los considerados en las sesionesanteriores, nos hemos ocupado principalmente de las fuerzas ejercidas entre las cargas, delestado final estacionario de distribucin de carga producidas por estas fuerzas. En esta sesintrataremos del movimiento de cargas en un conductor cuando se mantiene un campoelctrico dentro del mismo y definiremos una propiedad del conductor, llamada resistividad.

II. OBJETIVOS


Verificar experimentalmente que la resistencia de un conductor es directamenteproporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a laintensidad de corriente que circula por esta (Ley de Ohm).


Cuando los extremos de un hilo metlico se conectan a dos puntos mantenidos a potencialesfijos pero distintos, como los bornes de una pila se establece una corriente en el hilo, pero elpotencial de cada punto del mismo permanece constante con el tiempo. Ahora porconveniencia la direccin de la corriente va ser la direccin de la carga positiva las cuales semueven en la direccin del campo con una velocidad que se conoce cono velocidad dearrastre; la Figura (1) muestra el desplazamiento de carga positiva en un conductor delongitud L.

Figura (1) Desplazamiento de cargas positivas en la direccin del campo elctrico.

III.1 Resistencia y resistividad

Si se aplica una diferencia de potencial Ventre los extremos de un trozo de conductor, seproduce una corriente elctrica de intensidad Ia lo largo del mismo. Para muchos materialesconductores, se observa experimentalmente que la intensidad I de corriente que circula atravs del conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial Vque existeentre los extremos del conductor. Esto es,

5. LEY DE OHM


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37

cteVI

V

RI

1 (1)

Este hecho experimental se conoce como la Ley de Ohm, y a la constante deproporcionalidad se escribe en la forma

R

1 , siendo R una constante llamada resistencia.

Los materiales que cumplen esta ley, entre los que se incluyen la mayor parte de los metalesse denominan conductores hmicos o lineales, que para estos materiales los resultadosexperimentales muestran que el vector densidad de corriente J

es directamente

proporcional al campo E

dentro del conductor.

EJ

(2)

donde ,para un conductor istropo , es una constante denominada conductividadelctrica y al inverso de conductividad se denomina resistividad .

Adems se sabe:A

IJ

, donde A es el rea de la seccin transversal del conductor y

teniendo en cuenta las definiciones anteriores se obtiene la siguiente ecuacin.

A

LR (3)


N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 13 Amplificador de potencia CI-6552A 14 Laboratorio electrnico-AC/DC EM-8656 15 Resistencia de 10 16 Cables de conexin 27 Multimetro 1



a. Verificar la conexin y encendido de la interfase.b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.c. Seleccionar el amplificador de potencia de la lista de sensores y efectuar la conexin

a la interface usando los cables para transmisin de datos de acuerdo a lo indicado porData Studio.


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d. Efecte la calibracin para este sensor indicando salida de voltaje continuo con unavariacin de 0.1V y una frecuencia de muestreo de 50Hz en voltaje y corriente.

e. Genere una grfica para cada uno de los parmetros registrados por el amplificador(voltaje y corriente).

Primera Actividad (Medicin de voltaje y corriente con resistencia constante)

a. Conecte los terminales del amplificador en las entradas del laboratorio AC/DC.b. Cierre el circuito con una resistencia de 10, realizando el montaje segn la Figura

(2).Con el amplificador de potencia encendido, pulse el botn inicio para iniciar la tomade datos, realice la medicin durante cinco segundos y luego vari el voltaje engenerador de

c. seales aumentando 0.1V por vez; repita, este proceso hasta alcanzar 1.0V. y detener latoma de datos.

d. Registre sus datos en la Tabla (1).e. Genere una grfica voltaje vs. corriente y calcule el valor de la pendiente.

f. Con el valor generado en el paso anterior y el valor conocido, calcule el error absolutoy porcentual para la resistencia empleada.


Tabla (1),Datos de corriente y voltaje.

Voltaje(Voltios)

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

Corriente(Amperios)Resistencia

experimental ()Resistencia

conocida ()Error Absoluto Error porcentual


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Segunda Actividad (Variacin de corriente y resistencia a voltaje constante)

a. Conecte los terminales del amplificador en las entradas del laboratorio electrnicoAC/DC.

b. Cierre el circuito con el potencimetro de 3.3, empleando para ello los cables deconexin proporcionados.

c. Realice el montaje tal como se muestra en la Figura (3).

d. Ubique la perilla del potencimetro en la posicin mnima (verifquelo con unmultitester).

e. El selector de voltaje del amplificador debe colocarse a 2.0 voltios de corrientecontinua.

f. Empleando la calculadora genere la grfica resistencia vs. tiempo, para ello use laecuacin (1).

g. Con el amplificador de potencia encendido, pulse el botn inicio para iniciar la tomade datos, realice la medicin durante cinco segundos y luego vari el valor de laresistencia girando la perilla del potencimetro aproximadamente 10 grados por vez,repita el proceso diez veces y detener la toma de datos.

h. Anote sus datos en la Tabla (2).i. Finalizada la toma de registros, genere la grfica 1/I vs. resistencia.j. Determine la pendiente y verifique el valor del voltaje con el conocido, luego calcule el

error absoluto y porcentual.


Tabla (2)Corriente y resistencia.

1/I (Amperios-1)

Resistencia(Ohmios)Voltaje verificadoexperimentalmente

(Voltios)

Voltaje conocido(Voltios)

Error Absoluto Error porcentual


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VI. CUESTIONARIO

1. De que forma se manifiesta la perdida energtica de los electrones durante el procesode conduccin elctrica?, explique.

2. Cual es la naturaleza microscpica del grupo intermedio de materiales conocidos

como semiconductores?, de dos ejemplos.3. Cul es la razn para que la resistividad de un conductor vare con la temperatura?,explique.

4. La resistividad de los metales, Aumenta con la disminucin de la temperatura?, Porqu?

5. En que consiste el fenmeno de superconductividad?, Quin lo explico por primeravez?

6. Cul es principio de funcionamiento de los llamados termmetros de resistencia?,explique.

7. En un material las imperfecciones en la red cristalina por la introduccin de tomosextraos (impurezas), Puede modificar la conductividad?, explique.

8. A que se debe que los buenos conductores elctricos como los metales sean tambinbuenos conductores del calor?, explique.

9. Cmo se denomina a los materiales que no cumplen la Ley de Ohm?, A que se debeesto?, de dos ejemplos.

10. Es la resistencia de un conductor independiente de los potenciales aplicados?, De queparmetros depende?


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I. INTRODUCCIN

Las resistencias elctricas pueden ser usadas para diversos fines, tales como, divisores depotencial, calentadores elctricos, conductores de electricidad asociadas convenientementeen la constitucin interna de instrumentos de medida de voltajes y corrientes. Las redes deresistencias y generadores de f.e.m. en las que no hay agrupaciones sencillas, presentanproblemas complejos que se resuelven por medio de las reglas de Kirchhoff.

II. OBJETIVOS


Determinar experimentalmente las resistencias equivalentes en circuitos en serie yen paralelo.

Analizar el comportamiento de voltaje y corriente en redes de resistencias quecontienen f.e.m.

Realizar la verificacin experimental de las leyes de Kirchhoff aplicados acircuitos simples de agrupamiento de resistencias.


Para iniciar el estudio de las reglas de Kirchhoff es necesario definir algunos conceptos

importantes tales como:

Nudo: Punto de la red donde se unen tres mas conductores.Malla: Sucesin de ramas que forman un conductor cerrado.Rama: Es el conjunto de aparatos situados entre dos nudos consecutivos.

En la Figura (1), se identifica a los puntos CyFcomo nudos; luego, el nmero de mallas estres y se pueden representar en este caso particular por las letrasABCFA,FCDEFyABDFA.

Figura (1) Circuito de corriente continua.

6. CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA


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III.1 Reglas de Kirchhoff

Las redes en las cuales las resistencias no forman agrupaciones sencillas en serie enparalelo, en las que existen generadores de f.e.m. en paralelo, no pueden resolverse, engeneral, por el mtodo de la resistencia equivalente. Gustav Robert Kirchhoff (1824-1887)enunci por primera vez dos reglas que permiten resolver tales problemas sistemticamente.

III.1.1 Regla de los nudosLa suma de las intensidades de las corrientes que llegan a un nudo es igual a la

suma de las corrientes que salen de el, es decir:

0ik

(1)

III.1.2 Regla de las mallasLa suma algebraica de las elevaciones y las cadas de potencial en cualquier

recorrido cerrado (malla) en un circuito es cero, teniendo en cuenta esto se puede escribir:

0IR (2)

III.2 Agrupamiento de resistencias

La mayor parte de los circuitos elctricos no contienen un solo generador y una solaresistencia exterior, sino que comprenden cierto nmero de f.e.m., resistencias y otroselementos tales como condensadores, motores, etctera, conectados entre si de un modo mas menos complicado. El trmino general aplicado a tales circuitos es el de red. Acontinuacin consideraremos algunos de los tipos ms sencillos.

III.2.1 Resistencias en serie

Cuando varios conductores de resistencias R1, R2,......, Rn, estn conectados enserie tal como se ve en la figura (2), ellos estn recorridos por la misma corriente I.

Figura (2).Agrupamiento de resistencias en serie.

Pero la diferencia de potencial V en los bornes del conjunto es la suma de la diferencia de

potencial entre las extremidades de cada conductor, sea:

IRRRRIRIRIRIRVnn

)....(.......321321

(3)

Donde:

n

1i

iRR (4)

Por tanto una resistencia equivalente ser la suma algebraica de las magnitudes de lasresistencias conectadas en serie.


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III.2.2 Resistencias en paraleloPara el caso donde n resistencias R1, R2, R3,., Rnse encuentran conectadas en

paralelo entre dos puntos A y B tal como se muestra en la figura (3). De acuerdo al carcterconservativo de la corriente, la intensidad I que llega al punto A por el hilo principal es iguala la suma de las intensidades I1, I2, I3,.., Inque parten de A en las diferentes derivaciones,es decir:

I = I1+ I2+ I3+.+ In (5)

Figura (3) Agrupamiento de resistencias en paralelo.

Como las resistencias se encuentran sometidas a la misma diferencia de potencial V = VAVB, entonces:

I1= V/R1, I2= V/R2, I3= V/R3,., In= V/Rn (6)

Luego usando la ecuacin (5), se tiene:

RRRRRV

I

R

V

R

V

R

V

R

VI

nn

11......

111.....

321321

(7)

Esto demuestra que el conjunto de conductores es equivalente a una resistencia nica R, talque:

n

1i iR

1

R

1 (8)

III.3 Redes de resistencias que contienen f.e.m.

La disposicin de dos ms generadores de f.e.m. no queda definida nicamente diciendoque estn conectados en serie en paralelo; por ejemplo: dos pilas en serie pueden

conectarse como se muestra en la Figura (4a) bien como en (4b). La conexin segn (4a)es la asociacin en serie propiamente dicha; la conexin segn (4b)es en oposicin. Unaagrupacin como la de la Figura (4c)se denomina en paralelo, con los polos iguales unidos,y la de (4d), en paralelo, con los polos distintos unidos.


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Figura (4) Agrupamiento de f.e.m.

Aunque las pilas de los esquemas (c) y (d) se hallan en paralelo en cuanto concierne al restodel circuito, cada una de estas agrupaciones en si misma forma un circuito cerrado, con laspilas en oposicin en el primer caso, y en serie propiamente dicha en el segundo. Por lotanto, las expresiones en serie y en paralelo no se excluyen mutuamente. En cada caso laf.e.m. equivalente es la suma algebraica de cada una de las f.e.m., y la resistencia interna

equivalente es la suma aritmtica de las resistencias internas; luego la intensidad de corrientese calcula de:

rRi

(9)

Cuando varios generadores cuyas f.e.m. son iguales se conectan en paralelo, con los polosiguales unidos, en la forma que muestra la Figura (4c)la f.e.m. equivalente es igual a la deun solo generador y la resistencia interna equivalente se calcula por el mtodo usual para lasresistencias en paralelo. Cuando los generadores tienen f.e.m. distintas estn conectados

como en la Figura (4d), el problema se complica y su resolucin requiere mtodos msgenerales.


N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 13 Amplificador de potencia CI-6552A 14 Laboratorio electrnico AC/DC EM-8656 15 Sensor de voltaje CI-6503 16 Fuente de voltaje SE-9720 17 Resistencias (10/ 560/ 100/

330)2, 1, 1, 1

8 Cables de conexin 4


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a. Verificar la conexin y encendido de la interfase.b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.

c. Seleccionar el amplificador de potencia de la lista de sensores y efectuar la conexina la interface usando cables para transmisin de datos segn indicado por Data Studio.

d. Efecte la calibracin para este sensor indicando salida de voltaje continuo con unavariacin de 0.1V y una frecuencia de muestreo de 50Hz en voltaje y corriente.

e. Genere una grfica para cada uno de los parmetros registrados por el amplificador(voltaje y corriente).

Primera Actividad (agrupamiento de resistencias)

a. Conecte los terminales del amplificador en las entradas del laboratorio AC/DC.

b. Cierre el circuito con dos resistencias de 10conectadas en serie, tal como se muestraen la Figura (5a),empleando para ello los cables de conexin proporcionados.

c. Con el amplificador de potencia encendido, pulse el botn Inicio para iniciar la tomade datos, realice la medicin durante cinco segundos y luego vari el voltajeaumentando 0.1V por vez; repita, este proceso hasta alcanzar 1.0 Voltios y detener latoma de datos.

d. Registre sus datos en la Tabla (1).e. Genere una grfica voltaje vs. corriente y determine el valor de la pendiente.f. Calcule el valor de la resistencia equivalente.g. Realice las operaciones correspondientes y obtenga el error absoluto y porcentual

respecto al valor terico obtenido con la ecuacin (4).



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Tabla (1) Datos de corriente y voltaje agrupamiento de resistencias en serie.

Voltaje (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Corriente(A)

Resistenciaequivalente terica

()

Resistenciaequivalente

experimental

()Error Absoluto Error porcentual

h. Cierre el circuito con dos resistencias de 10 conectadas en paralelo, tal como semuestra en la Figura (5b), empleando para ello los cables de conexin proporcionados.

i. Con el amplificador de potencia encendido, pulse el botn Inicio para iniciar la tomade datos, realice la medicin durante cinco segundos y luego vari el voltajeaumentando 0.1V por vez; repita, este proceso hasta alcanzar 1.0 Voltios.

j. Registre sus datos en la Tabla (2).k. Genere una grfica voltaje vs. corriente y determine el valor de la pendiente.l. Calcule el valor de la resistencia equivalente.m. Realice las operaciones correspondientes y obtenga el error absoluto y porcentual

respecto al valor terico obtenido con la ecuacin (8).

Tabla (2)Datos de corriente y voltaje agrupamiento de resistencias en paralelo.

Voltaje (V) 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0Corriente(A)

Resistencia

equivalente terica()

Resistenciaequivalente

experimental()

Error Absoluto Error porcentual

Segunda Actividad (Agrupamiento de resistencias y f.e.m.)

a. Realice el montaje de resistencias y generadores de f.e.m. segn se muestra en laFigura (6);luego, conecte los terminales del amplificador de potencia en las entradasdel laboratorio AC/DC.

b. Del mismo modo y respetando la polaridad del circuito conecte los terminales de lafuente de alimentacin adicional (SE-9720).

c. En la ventana de configuracin de Data Studio elija el sensor de voltaje, de la lista desensores e indique una frecuencia de registro de 10Hz.

d. Genere un medidor digital para voltaje.e. Regule el amplificador de potencia para salida de 2.5Vde C.C.f. Regule la fuente (SE-9720) para una salida de 5.0V.g. Pulse el botn Inicio y realice la lectura del medidor digital variando la posicin de

los terminales del sensor de voltaje tal como se muestra en la Figura (7).h. Registre sus datos en la Tabla (3).


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i. Determine, usando la ley de Ohm la intensidad de corriente que circula por cadaresistor.

j. Usando las leyes de Kirchhoff, calcule el valor terico de las corrientes y determine elerror porcentual de cada una de ellas.

k. Anote sus datos en la Tabla (3).

Figura (6) Montaje del circuito para la segunda actividad.

Figura (7) Puntos de registro con el sensor de voltaje.

Tabla (3)Datos de voltaje y corriente para los puntos de registro.Magnitud Punto (1) Punto (2) Punto (3)

Voltaje (V)Corriente(A)

Corriente exp.Punto (1)

Corrienteterica

Punto (1)

Errorporcentua

l

Corriente exp.Punto (2)

Corrienteterica

Punto (2)

Errorporcentua

lCorriente

exper.Punto (3)

Corrienteterica

Punto (3)

Errorporcentua

l


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Anlisis del circuito con las leyes de Kirchhoff

Consideremos las corrientes I1, I2e I3a travs del nudo c, tal como se muestra en la Figura(8), entonces segn la regla de los nudos:

0321

III

Ahora segn la regla de las mallas, y efectuando el anlisis por cada malla, tenemos lo

siguiente:

Malla abcda: 03305600.531

II

Malla cfgdc: 03301005.232

II

Figura (8) Circuito mostrando mallas y nudos.

Con las ecuaciones obtenidas se determinan los valores de las corrientes:

A00327.0I

A01421.0I

A01086.0I

3

2

1

VI. CUESTIONARIO

1. El error cometido en la determinacin experimental de la resistencia equivalente en laasociacin de resistencias en paralelo esta dentro de la tolerancia admitida por elfabricante?

2. Experimentalmente se verifica que la resistencia equivalente para un agrupamiento enparalelo siempre es ms pequea que cualquiera de las resistencias individuales?

3. Es siempre posible encontrar una sola resistencia que pueda reemplazar a unacombinacin de resistencias en cualquier circuito dado, sin modificar la corriente en elcircuito?, explique.


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4. Si la potencia absorbida por cualquier porcin de un circuito entre dos puntos a y b estadado por:

abiVP

Cul ser la potencia absorbida por la resistencia de 330, en el circuito empleadopara desarrollar la segunda actividad?, podra tener signo negativo?, explique.

5. Usando el resultado de la pregunta anterior, Es el valor de potencia mayor menorque el establecido por el fabricante para la resistencia de 330?, Qu ocurrir si sesobrepasa el valor de potencia predeterminado?, explique.

6. Si la potencia absorbida es numricamente igual a la cantidad de calor desarrollada porunidad de tiempo, Cunto calor disipa la resistencia de 330en una hora?

7. El valor de la fuerza electromotriz de un generador se define como la cantidad deenerga convertida de la forma elctrica a la no elctrica, Por qu?

8. Cundo se puede denominar a un dispositivogenerador de fuerza electromotriz?9. Explique el principio de funcionamiento del puente de Wheatstone, Cul es su

utilidad?

10. De que manera puede usarse un puente de Wheatstone para determinar valores paracapacitores?, explique.


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. INTRODUCCIN

El estudio del magnetismo se inicia analizando fenmenos que son comunes en la vidacotidiana, tales como las desviaciones que experimenta una barra magntica (imn) enpresencia de otra la atraccin de pedazos de hierro por un imn. En la actualidad y graciasa los experimentos de Ch. Oesterd se define al campo magntico como la regin del espaciodonde un imn experimenta una atraccin repulsin. En esta sesin estudiaremos de modoexperimental el vector campo magntico y su representacin grafica; asimismodeterminaremos el flujo magntico en bobinas.

II. OBJETIVOS

Mediante el desarrollo de esta experiencia se logra lo siguiente:

Calcular experimentalmente la intensidad de polo de una barra magntica. Obtener el mapa de las lneas de induccin para el caso de una barra magntica. Determinar experimentalmente el flujo magntico en una bobina.


Un campo magntico es el espacio alrededor de un cuerpo en el cual se manifiesta suinfluencia magntica. El detector ms comn de los campos magnticos es una brjula aguja magntica.La direccin de un campo magntico en un punto dado esta definida por la direccin en lacual un polo norte aislado se movera si fuera colocado en dicho punto. La trayectoria de

este polo norte aislado revelara la direccin del campo en todos los puntos por donde pasoen su movimiento. A esta se le conoce como lnea de fuerza lnea de induccin. Elespaciamiento relativo de las lneas de fuerza nos da una idea de la intensidad del campomagntico en diferentes puntos. As, un campo magntico intenso esta representado porlneas de fuerza prximas, mientras que un campo magntico dbil estar representado porlneas muy alejadas.

En la prctica, no se consigue un polo norte aislado. De tal manera, que la direccin delcampo magntico esta dado por la direccin a la cual apunta el polo norte de una agujamagntica. La fuerza sobre un polo magntico definida en funcin del campo magntico es:

BmF

(1)

Donde m es la intensidad de polo magntico (masa magntica) cuyas unidades son Amperio-metro, y la fuerza entre dos polos magnticos m y m, separados una d istancia r, es:

7. CAMPO MAGNTICO


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51

rr

mmkF

'2

(2)

Donde k = 0/4en el sistema internacional tiene el valor 10-7Weber/Amperio-metro.

III.1 Lneas de induccin

El campo magntico se representa por las lneas de induccin, las cuales son tiles en elanlisis cuantitativo, ver Figura (1).

Figura (1) Lneas de induccin magntica.

El nmero de lneas de induccin por unidad de rea seccin transversal en una regin estaen relacin directa a la magnitud del campo magntico y estas nunca se cruzan, ademsparten del polo norte al polo sur.

III.2 Flujo magntico

Las unidades del campo magntico en el sistema MKS es Teslaque tambin se conoce comoWeber/m2, lo que equivale a:

TeslamAmpere

Newton

m

Weber1

112

El Weber es la unidad de flujo magntico, esto quiere decir que mide la integral de superficiesobre la componente normal, con la propiedad de que el flujo magntico para superficiescerradas es cero; matemticamente, esto se expresa como:

sdBm

. (3)

Lo cual establece que no existen polos magnticos aislados y el nmero total de lneas deinduccin que atraviesan una superficie se denomina flujo magntico a travs de lasuperficie y se representa por m, en el caso especial en que B es uniforme y normal al reafinitaAes.

BAm (4)


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III.3 Campo magntico en una bobina

La bobina es un arreglo geomtrico de conductores con corriente que nos pueden generar uncampo magntico uniforme. Si hacemos pasar corriente por una espira esta nos da un campomagntico como se muestra en la Figura (2), en el cual podemos dibujar de acuerdo a ladireccin del campo B, el polo norte y el polo sur. Si juntamos varias espiras, conectadasentre si, de un mismo radio y colocadas como se muestra en la Figura (3)formaremos una

bobina que tiene una longitud grande comparada con el radio de las espitas que la forman,este arreglo se conoce como solenoide.

Figuras (2), (3) Campo en una espira ,Solenoide y lneas de induccin pasar corriente porel solenoide se genera un campo magntico uniforme, excepto en los bordes, donde el campoempieza a abrirse. Esto debido que a medida que juntemos las espiras el campo magnticodentro se har uniforme e intenso mientras que en el exterior tendera a disminuir. por lotanto segn de la Ley de Ampere tenemos:

inBdB

0.

(5)

De donde el campo magntico dentro del solenoide es:niB

0 (6)

Donde:

N

n

, es el nmero de vueltas(N) por unidad de longitud(l)

La ecuacin (6), se puede utilizar para calcular campos magnticos en puntos internos cercadel centro, para bobinas reales con una aproximacin muy buena. En el clculo del campomagntico para los bordes de un solenoide real la ecuacin (6) no es aplicable.


N DESCRIPCION CODIGO CANTIDAD1 Computadora personal 12 Interfase Science Workshop 750 1

3 Amplificador de potencia CI-6552A 14 Barras magnticas SE-8604 15 Sensor de campo magntico CI-6520A 16 Compases transparentes SE-8681 27 Bobinas SE-8653 18 Papel milimetrado 20 x 20 cm. 29 Regla milimetrada 110 Calibrador vernier 111 Cables de conexin 2


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a. Verificar la conexin y encendido de la interfase.b. Ingresar al programa Data Studio y seleccionar crear experimento.c. Activar el amplificador de potencia.

d. Seleccionar el sensor de campo magntico de la lista de sensores y efectuar laconexin a la interface usando los cables para transmisin de datos de acuerdo a loindicado por Data Studio.

e. Efecte la calibracin para este sensor indicando la medicin de campo magntico enTeslas, con una frecuencia de muestreo de 10Hz en ganancia 1x.

f. Genere una grfica para Teslas vs. tiempo.g. Genere una grafica corriente vs. tiempo.

Primera Actividad (Determinacin de las lneas de induccin de una barra magntica)

a. Examine su equipo y verifique el funcionamiento de las agujas magnticas a utilizar(compases magnticos con 19mm de dimetro). Determine el polo norte de la agujas

magnticas, para esto tenga en cuenta que estas debe apuntar al norte geogrfico quecorresponde al sur magntico.b. Aleje todo cuerpo magntico metlico de la mesa y con ayuda de los compasesdetermine la direccin del campo magntico terrestre.c. Alinee la regla en la direccin del campo magntico terrestre (meridiano magnticoNorte-Sur) y para que posteriormente pueda trabajar con facilidad, levante la regla a unaaltura de 3 4 cm.

d. Fije la barra magntica al centro de una hoja de papel milimetrado usando cintaadhesiva y trace sobre el papel el perfil de la barra.e. Determine el polo norte de la barra magntica y ubquela de tal forma que la direccinde su campo sea opuesta a la del campo magntico terrestre.f. Acerque un comps al polo norte de la barra magntica y observe la orientacin de laaguja.g. Oriente el papel milimetrado de tal forma que la direccin de la aguja sea paralela a ladireccin del campo magntico terrestre, representado por la regla.h. Marque con un lpiz, en el papel milimetrado, los extremos de la aguja magntica.i. Desplace el comps de tal manera que uno de sus extremos coincida con uno de los

puntos marcados anteriormente, tal como se muestra en la Figura (4). Nuevamente debeorientar el papel milimetrado de tal

Guias Fisica III 2013

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