GUÍA DE LABORATORIO DE FÍSICA III
ELECTRICIDAD Y MAGTNETISMO
UNIVERSIDAD ANTONIO
RUIZ DE MONTOYA
UNIVERSIDAD JESUITA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y GESTIÓN
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA INDUSTRIAL
LIMA - PERÚ
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Contiene una guía para laboratorio de física iii
Tipo: Resúmenes
2018/2019
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GUÍA DE LABORATORIO DE FÍSICA III
ELECTRICIDAD Y MAGTNETISMO
UNIVERSIDAD ANTONIO
RUIZ DE MONTOYA
UNIVERSIDAD JESUITA
FACULTAD DE INGENIERÍA Y GESTIÓN
ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE
INGENIERÍA INDUSTRIAL
LIMA - PERÚ
CONTENIDO
EXPERIENCIA N° 01: CARGAS ELECTRICAS Y CUERPOS ELECTRIZADOS
EXPERIENCIA N° 02: CAMPO ELECTRICO
EXPERIENCIA N° 03: LEYES DE KIRCHOFF
EXPERIENCIA N° 04: USO DEL OSCILOSCOPIO Y CURVAS CARACTERISTICAS
VOLTAJE – CORRIENTE
EXPERIENCIA N° 05: ANÁLISIS DE CIRCUITOS RC Y RCL
EXPERIENCIA N° 06: INDUCCIÓN ELECTROMAGNETICA
eléctricamente. Los átomos o grupos de átomos con carga eléctrica positiva o negativa se denominan iones (del griego "ion", esto es, que se desplaza). Mucho antes de que se tuviera conocimiento de la existencia de los electrones, la teoría desarrollada a partir de las observaciones sobre la electricidad generada por frotamiento indicaba que existían dos tipos de carga eléctrica. Si, por ejemplo, con una barra de goma dura se frota un trozo de lana, la primera absorbe electrones de la lana y obtiene, de esta manera, una carga negativa, mientras que la lana, debido a la pérdida de electrones, se carga positivamente. La carga más pequeña posible (carga elemental e) es, por tanto, la carga de un electrón que (arbitrariamente) se designa como negativa. Es válido lo siguiente:
En esta ecuación, la unidad "C" designa la carga expresada en coulomb, en honor a Coulomb, físico francés. En general, la carga se describe por medio del símbolo "Q". De esta manera, la carga de un coulomb contiene 1/e = 6,25·1018 electrones. Entre las cargas se generan fuerzas que se mueven en un sentido que depende de la naturaleza misma de las cargas. Es válido lo siguiente:
La intensidad de la fuerza F depende, por una parte, de la magnitud de las cargas que Intervienen pero, por otra parte, también de la distancia que separa a los cuerpos entre sí. Para dos cargas puntuales Q1 y Q2, separadas entre sí por una distancia r, es válida la ley de Coulomb.
La fuerza es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa ambas cargas. La magnitud ε 0 = 8,85·10-12^ As/Vm es la denominada constante eléctrica de campo, la magnitud εr es el índice dieléctrico, el cual depende del material que circunda las cargas puntuales. Si, en este caso, una de las cargas tiene el valor de 0, entones no aparece ninguna fuerza. El sentido de la fuerza (atrayente o repelente) depende de la polaridad de ambas cargas.
El electrón es el portador de la carga elemental negativa. Ésta es igual a. e = ±1.602·10-^19 C.
Los cuerpos con igual carga se repelen, mientras que los que tienen distintas cargas se atraen.
𝑟^2
La siguiente animación ilustra esta relación. Someta ambas esferas, correspondientemente, a cargas diferentes, para lo cual debe arrastrar con el ratón las cargas colocándolas encima de las esferas. ¡Observe lo que acontece!
IV. PROCEDIMIENTO
- Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles
CAMPO ELÉCTRICO.
EXPERIENCIA N° 2
I. OBJETIVOS.
- Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos).
- Calcular la diferencial de potencial entre dos puntos.
- Calcular la intensidad media del campo eléctrico.
- Estudiar las características principales del campo eléctrico.
II. EQUIPOS Y MATERIALES.
- Cubeta de vidrio.
- Fuente de voltaje de CD.
- Voltímetro.
- Electrodos de cobre.
- Sal.
- Papeles milimetrados.
- Cables de conexión.
III. FUNDAMENTO TEORICO
CAMPO ELÉCTRICO. Las fuerzas ejercidas entre sí por las cargas eléctricas se deben a un campo eléctrico que rodea a cada cuerpo sometido a carga y cuya intensidad está dada por la intensidad de campo E. Si ahora se encuentra una carga Q dentro de un campo eléctrico (producido por otra carga), entonces actúa sobre la primera una fuerza F. Para la relación entre intensidad de campo y fuerza es válida la fórmula:
La intensidad de la fuerza, por lo tanto, está dada por la ecuación:
La fuerza que se ejerce sobre una carga en el campo eléctrico es mayor mientras mayor sea la intensidad del campo eléctrico, y mayor sea la misma carga. No obstante, el campo eléctrico no sólo se ve determinado por la magnitud de la fuerza que actúa sobre la carga, sino también por su sentido. Por tanto, los campos eléctricos se representan en forma de líneas de campo, que indican el sentido del campo. La forma de un campo eléctrico está aquí determinada por la forma geométrica de las cargas que generan el campo, al igual que por la posición que adopten entre ellas. Las líneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la fuerza eléctrica. Al respecto, las siguientes imágenes muestran el campo eléctrico de una carga puntual positiva (izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha). Las líneas de campo se desplazan en este caso en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la carga. El sentido de las líneas de campo (indicado por las flechas) señala, de acuerdo a la convención establecida, el sentido de la fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeñas cargas puntuales en las imágenes); esto significa que las líneas de campo parten cada vez de una carga positiva (o del infinito) y terminan en una carga negativa (o en el infinito). El espesor de las líneas de campo indica correspondientemente la intensidad del campo eléctrico; aquí, ésta decrece al alejarse de la carga puntual.
Si se encuentran cargas positivas y negativas repartidas uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a frente, en paralelo, como es el caso del condensador de placas que observaremos más adelante con mayor exactitud, entre ambas placas se generan líneas de campo paralelas, como se muestra en la imagen siguiente. Estas líneas de campo parten de la placa que recibe la carga positiva y terminan en la que tiene la carga negativa. Dado que el espesor de las líneas de campo, al interior del condensador, es igual en todas partes, la intensidad de campo eléctrico E de las placas es también
Estas líneas de fuerza deben dibujarse de tal manera que la densidad de ellas sea proporcional a la magnitud del campo.
Dos puntos A y B en un campo electrostático tienen una diferencia de potencial V, si se realiza trabajo para mover una carga de un punto a otro, este trabajo es independiente de la trayectoria o recorrido escogido entre estos dos puntos.
Sea un campo eléctrico Ē debido a la carga Q. Otra carga q+^ en cualquier punto A del campo se soportará una fuerza. Por esto será necesario realizar un trabajo para mover la carga q+^ del punto A a otro punto B a diferente distancia de la carga. La diferencia de potencial entre los puntos de A y B en un campo eléctrico se define como:
𝑞+^
Donde 𝑉𝐴𝐵: diferencia de potencial entre los puntos A y B 𝑊𝐴𝐵: Trabajo realizado por el agente externo 𝑞 +: Carga que se mueve entre A y B
Sabemos que.
𝐵 𝐴
= −𝑞+^ ∫ 𝐸̅𝑑𝑙⃗
𝐵 𝐴
= −𝑞+^ ∫ 𝐸𝑑𝑙⃗
𝐵 𝐴
𝑐𝑜𝑠180°^ = 𝑞+𝐸𝑑 … … … … … … … … … (𝛽)
De (α) y (β):
IV. PROCEDIMIENTO
- Arma el circuito del esquema. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en la punta de prueba.
- Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de echar la solución electrolítica, preparada anteriormente en un recipiente común.
- Con el voltímetro, mida la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de prueba.
- En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un sistema de coordenadas XY, ubicando el origen en la parte central de la hoja, dibuje el contorno de cada electrodo en las posiciones que quedarán definitivamente en la cubeta
- Situé una de las hojas de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio. Esta servirá para hacer las lecturas de los puntos de igual potencial que irá anotando en el otro papel.
- Eche la solución electrolítica en el recipiente fuente de vidrio.
- Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de potencial entre ellos acercando el electrodo de prueba a cada uno de los otros dos casi por contacto y tomando nota de las lecturas del voltímetro.
∆𝑉𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 = 𝑉𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑜𝑑𝑜𝑠 𝑎𝑛𝑖𝑙𝑙𝑜
𝑝𝑙𝑎𝑐𝑎
- Seleccione aproximadamente 5 líneas equipotenciales.
- El salto de potencia entre línea y línea será.
LEYES DE KIRCHOFF
I. EXPERIENCIA N° 3
II. OBJETIVOS.
- Comprobar de forma experimental el cumplimiento de las Leyes de Kirchhoff.
- Obtener destreza en el armado de circuitos simples sobre un protoboard.
- Obtener destreza en el uso del multímetro para medir corriente, voltaje y resistencia.
III. EQUIPOS Y MATERIALES.
- Multímetro digital.
- Resistencias con valores de 1k y 10k
- Fuentes de voltaje
- Protoboard
- Cables de conexión
IV. FUNDAMENTO TEORICO.
LEYES DE KIRCHHOFF.
Las leyes (o Lemas) de Kirchhoff fueron formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845, mientras aún era estudiante. Son muy utilizadas en ingeniería eléctrica para obtener los valores de la corriente y el potencial en cada punto de un circuito eléctrico. Surgen de la aplicación de la ley de conservación de la energía.
Estas leyes nos permiten resolver los circuitos utilizando el conjunto de ecuaciones al que ellos responden. Sistema de ecuaciones que genera un circuito eléctrico.
LA PRIMERA LEY DE KIRCHOFF.
La corriente entrante a un nodo es igual a la suma de las corrientes salientes. Del mismo modo se puede generalizar la primera ley de Kirchhoff diciendo que la suma de las corrientes entrantes a un nodo es iguales a la suma de las corrientes salientes.
La razón por la cual se cumple esta ley se entiende perfectamente en forma intuitiva si uno considera que la corriente eléctrica es debida a la circulación de electrones de un punto a otro del circuito. Piense en una modificación de nuestro circuito en donde los resistores tienen un valor mucho más grande que el indicado, de modo que circule una corriente eléctrica muy pequeña, constituida por tan solo 10 electrones que salen del terminal positivo de la batería. Los electrones están guiados por el conductor de cobre que los lleva hacia el nodo 1. Llegados a ese punto los electrones se dan cuenta que la resistencia eléctrica hacia ambos resistores es la misma y entonces se dividen circulando 5 por un resistor y otros 5 por el otro. Esto es totalmente lógico porque el nodo no puede generar electrones ni retirarlos del circuito solo puede distribuirlos y lo hace en función de la resistencia de cada derivación. En nuestro caso las resistencias son iguales y entonces envía la misma cantidad de electrones para cada lado. Si las resistencias fueran diferentes, podrían circular tal vez 1 electrón hacia una y nueve hacia la otra de acuerdo a la aplicación de la ley de Ohm.
Mas científicamente podríamos decir, que siempre se debe cumplir una ley de la física que dice que la energía no se crea ni se consume, sino que siempre se transforma. La energía eléctrica que entrega la batería se subdivide en el nodo de modo que se transforma en iguales energías térmicas entregadas al ambiente por cada uno de los resistores. Si los resistores son iguales y están conectados a la misma tensión, deben generar la misma cantidad de calor y por lo tanto deben estar recorridos por la misma corriente; que sumadas deben ser iguales a la corriente entregada por la batería, para que se cumpla la ley de conservación de la energía.
En una palabra, que la energía eléctrica entregada por la batería es igual a la suma de las energías térmicas disipadas por los resistores. El autor un poco en broma suele decir en sus clases. Como dice el Martín Fierro, todo Vatio que camina va a parar al resistor. Nota: el Vatio es la unidad de potencia eléctrica y será estudiado oportunamente.
En un circuito eléctrico, es común que se generen nodos de corriente. Un nodo es el punto del circuito donde se unen más de un terminal de un componente eléctrico. Si lo desea pronuncie “nodo” y piense en “nudo” porque esa es precisamente la realidad: dos o más componentes se unen anudados entre sí (en realidad soldados entre sí).
En la figura 1 se puede observar el más básico de los circuitos de CC (corriente continua) que contiene dos nodos.
V. PROCEDIMIENTO.
A. Con ayuda del multímetro en modo ohmímetro, mida la resistencia de cada uno de los resistores que se le han proporcionado. Verifique que el valor medido se encuentre dentro del rango de tolerancia indicado en el cuerpo del resistor a través del código de colores del mismo. Asigne aleatoriamente un código de referencia R1 a R6 a cada una de estas resistencias y complete la Tabla 1.
Tabla de valores de resistencia. CÓDIGO DE REFERENCIA
COLORES VALOR
NOMINAL
VALOR
MEDIDO
ERROR
R
R
R
R
R
R
B. Arme, en el protoboard, el circuito que se muestra en las Figuras anteriores. Tenga cuidado de colocar en cada posición la resistencia correcta de acuerdo al código que se le ha asignado. Asigne arbitrariamente a las fuentes V1, V2.
VI. CUESTIONARIO.
a. ¿Coinciden los valores obtenidos de la solución teórica con los valores medidos? ¿Cuánto es la diferencia porcentual en cada caso? b. ¿Cuáles podrían ser las razones de estas posibles diferencias? c. A partir de análisis teórico y de la dirección de la corriente y los signos del voltaje de cada componente, ¿cuáles de estos componentes están “entregando” energía (subida de potencial) y cuáles la están “disipando” (caída de potencial)? d. ¿Qué conclusiones pueden derivarse de los resultados de este experimento?
USO DEL OSCILOSCOPIO Y CURVAS CARACTERISTICAS VOLTAJE- CORRIENTE
Experiencia N° 4
I. OBJETIVOS.
1.- Manejar adecuadamente el instrumento de medida e identificar las distintas graficas de voltaje continuo y alterno y medir su amplitud, periodo y frecuencia de diferentes funciones.
II. EQUIPOS Y MATERIALES
- Osciloscopio
- Un generador de funciones.
- Multímetro digital.
- Fuente de voltaje de corriente alterna y continúa.
- Cables de conexión.
III. FUNDAMENTO TEORICO
Osciloscopio
Es un instrumento para la visualización grafica de señales eléctricas variables en el tiempo.
¿Cómo funciona un osciloscopio?
Para entender el funcionamiento de los controles que posee un osciloscopio es necesario detenerse un poco en los procesos internos llevados a cabo por este aparato. Empezaremos por el tipo analógico ya que es el más sencillo.
Los osciloscopios tipo analógico trabajan directamente con la señal aplicada, está una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla.
Corriente alterna (AC): L a corriente alterna por su parte es diferente ya que la misma varia su valor entre 0 y un valor máximo determinado, luego disminuye hasta llegar nuevamente a 0. Cambia el sentido de circulación aumentando desde 0 hasta llegar hasta su valor máximo determinado y nuevamente decrece hasta llegar a cero para cambiar nuevamente de sentido. En la gráfica el tiempo (t) se encuentra en el eje de las x y la corriente (I) en eje de las y. Cada variación de intensidad entre un valor 0, su valor máximo y su valor nuevamente 0 se denomina hemiciclo.
De esta manera tendremos un hemiciclo positivo y un hemiciclo negativo. La reunión de los dos hemiciclos se denomina ciclo. El tiempo que demora un ciclo, se denomina período. La cantidad de ciclos que acontecen en una unidad de tiempo (segundo) se denomina Frecuencia. La frecuencia se mide en ciclos por segundo o Herz y podrá encontrar representada la magnitud como Hz. Si en un circuito encontramos solo uno de los hemiciclos, decimos que la corriente no es alterna ni continua sino que se denomina pulsante.
1 Valor eficaz(rms)
2 Valor pico pico(vpp)
3 valor de pico(vp)
ONDAS DE FASE:
x(t) = Xp*sen(𝜔t+𝜃)
x(t): Valor instantáneo de la señal x.
Xpp: Valor pico a pico de la señal x.
Xp: Valor pico o amplitud de la señal x.
Xms: Valor eficaz o valor rms de la señal x.
𝜔: Frecuencia angular en radianes/segundo.
𝑡: Tiempo en segundos.
𝑓: Frecuencia de la señal en Hertz = ciclos/segundo.
T: Periodo de la señal en segundos.
𝜃: Angulo de fase en radianes o grados.
Tipos de señales y formas de onda
IV. PROCEDIMIENTO
- Identifique todo los controles e interruptores del osciloscopio y del generador de funciones.
- Con ayuda de un multímetro mida el voltaje de salida y tierra, luego conecte una de las sondas a la salida de voltaje y tierra.
- Haga un análisis de las gráficas de las funciones periódicas conseguidas en el osciloscopio. ¿Qué tipo de onda se consiguió?
- Conecte el osciloscopio al generador de Funciones y observe lo que sucede.
- Determine amplitud, periodo, vpp, etc.
- Haga una captura de pantalla de cada una de las gráficas en el osciloscopio y haga un análisis detallado de estas. ¿Cuál es la función que la describe?