Laboratorio Virtual de Física Electromagnética: Ley de Coulomb, Resistencias y Condensador, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física

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Departamento de Física

Guías de

LABORATORIO VIRTUAL

DE FISICA

ELECTROMAGNETICA

Cúcuta, 2020

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Ley de Coulomb

DEPARTAMENTO DE FISICA

LABORATORIO VIRTUAL FISICA ELECTROMAGNETICA

LEY DE COULOMB Objetivo General: Verificar experimentalmente la ley de Coulomb. Objetivos específicos

1. Establecer la relación entre la fuerza eléctrica y la carga.
2. Establecer la relación entre la fuerza eléctrica y la distancia entre las cargas
3. Determinar una constante eléctrica. Teoría Figura 1 Mediante una balanza de torsión, Coulomb encontró que la fuerza de atracción o repulsión entre dos cargas puntuales (cuerpos cargados cuyas dimensiones son despreciables comparadas con la distancia r que las separa) es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa: 𝐹 = 1 4 𝜋𝜀 0 𝑞 1 𝑞 2 𝑟^2 El valor de la constante de proporcionalidad ε 0 (permisividad eléctrica) depende de las unidades en las que se exprese F , q 1 , q 2 y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida su valor es: ε 0 = 8.85 x 10-^12 C^2 / Nm^2 Es importante tener en cuenta:
4. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.
5. Cuando un cuerpo transfiere carga a otro, uno de los cuerpos queda con exceso de carga positiva y el otro, con exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia.
6. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen y los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen.

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Ley de Coulomb Tabla 2

8. Represente en una gráfica los valores de la fuerza frente a la carga de prueba. ¿Qué conclusión obtienes?
9. Fija la carga fija en 90 μC , la carga móvil en 90 μC , ve modificando la distancia y completa la tabla 3 : Tabla 3
10. Representa en una gráfica los valores de la fuerza frente a la distancia. ¿Qué conclusión obtienes?
11. Representa en una gráfica los valores de la fuerza frente al cuadrado del inverso de la distancia entre las cargas ¿Qué conclusión obtienes?
12. Enuncie de manera formal la ley de coulomb para dos cargas puntuales.
13. ¿cuál de estas dos fuerzas pueden ser de repulsión y de atracción: la fuerza gravitacional o la fuerza eléctrica? Explique
14. Las fuerzas gravitacionales dependen de la propiedad que llamamos masa ¿Qué propiedad comparable subyace a las fuerzas eléctricas?
15. ¿Cuál es la diferencia entre los protones y los electrones en cuanto a carga eléctrica?
16. ¿Qué tiene más masa: un protón o un electrón?
17. ¿Qué significa que la carga se conserva?
18. ¿En qué se parece la ley de coulomb a la ley de gravitación de newton? Bibliografia
19. S. Hurtado, “LEY DE COULOMB”. http://labovirtual.blogspot.com/search/label/Ley%20de%20Coulomb
20. Cecilio Mendoza, “Guías de Laboratorio de Física electromagnetica,” 2 018. q (μC) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 F (N) d(m) 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2. F (N)

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Ley de Coulomb

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Código de colores Resistencias La norma internacional actual, por la que se rigen estos componentes y que define los códigos de marcado para resistencias y condensadores es IEC 60062: 2016 y EN 60062: 2016. Ahora, dejemos la parte de historia, y entremos en lo interesante. Veamos cómo funciona el código de colores de las resistencias. QUE ES EL CÓDIGO DE COLORES DE RESISTENCIAS ELECTRICAS. Los colores impresos sobre las resistencias no son ni más ni menos que su valor, es la manera que emplean los fabricantes para decirte cuantos Ohmios tiene, cada banda de color representa un parámetro, según la posición que ocupe te estará indicando que representa. Los parámetros que se definen por el código de colores son:

 La Resistencia

 La tolerancia

 La clasificación de vatios

Si la resistencia es lo suficientemente grande, podrás encontrar estos parámetros escritos en el propio cuerpo del componente, y en caso, de que el tamaño no lo permita lo verás representado por las bandas de color. Estas bandas pintadas de colores es lo que se conoce como código de color de resistencias y es el método empleado para indicar cuantos Ohms tiene una resistencia. COMO LEER EL CÓDIGO DE COLORES DE RESISTENCIAS. Para leer y calcular el valor de cada resistencia según las bandas de color impresas en ellas, es necesario hacer uso de una tabla de códigos de colores como la que tienes más abajo y debes colocar la resistencia de una forma determinada. Las bandas de colores se leen siempre de izquierda a derecha, y la banda de tolerancia (de ancho mayor) tienes que colocarla en el lado derecho. De este modo estarás haciendo coincidir cada banda de color con una columna de la tabla de códigos de colores. Ahora solo tendrás que ir sustituyendo cada banda de color por el valor que veas en la tabla de colores de resistencias, repite esto hasta tener todos los valores obtenidos. El significado de cada banda es este:

 1ª banda: La primera cifra significativa del valor del componente (lado izquierdo)

 2ª banda: La segunda cifra significativa del valor del componente.

 3ª banda: El multiplicador decimal (número de ceros finales)

 4ª banda: Si está presente, indica la tolerancia del valor en porcentaje (ninguna banda

significa 20%)

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Código de colores Resistencias En la imagen anterior, las bandas son:

 1ª banda roja

 2ª banda verde

 3ª banda roja

 4ª banda dorada

Ahora hay que pasar los colores a su valor, para ello hacemos uso de la tabla de colores:

 1ª banda roja: 2

 2ª banda roja: 5

 3ª banda marrón (multiplicador): 10^2 Ohm

 4ª banda dorada:5%

Valor de la resistencia: 25 x 10^2 ±5% Ω = 2.500 ±5% Ω La tolerancia de la resistencia es una medida de la desviación en % respecto a su valor resistivo especificado y es una consecuencia del proceso de fabricación. Las tolerancias típicas para las resistencias de película varían de 1% a 10%, mientras que las de carbono tienen tolerancias de hasta 20%, si tienen una tolerancia inferior al 2% se denominan de precisión y suelen ser más caras. COLOR VALOR MULTI TOL % CT Negro 0 1 200 Marrón 1 101 ±1 100 Rojo 2 102 ±2 50 Naranja 3 103 15 Amarillo 4 104 25 Verde 5 105 ±0. Azul 6 106 ±0. 5 10 Violeta 7 107 ±0.1 5 Gris 8 1 Blanco 9 Oro 0.1 ± Plata 0.01 ± Sin color ±

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas

DEPARTAMENTO DE FISICA

LABORATORIO VIRTUAL FISICA ELECTROMAGNETICA

CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS Objetivo General: Analizar el funcionamiento de un condensador elemental. Objetivos específicos

1. Analizar la relación entre la capacidad de un condensador de placas paralelas, el área de sus placas y la distancia de separación entre ellas.
2. Analizar la relación entre la energía almacenada por un condensador de placas paralelas y la diferencia de potencial entre sus placas. Teoría Se llama condensador a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El condensador está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. Los condensadores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna, lo cual lo convierte en dispositivo muy útil cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Para un condensador se define su capacidad, como la razón entre la carga que posee uno de los Conductores y la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es proporcional a la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial: C =

Q

V

Condensador de placas paralelas. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (-Q) y la otra positivamente (+Q) y sus cargas son iguales, la carga neta del sistema es 0. Sin embargo, se dice que el condensador se encuentra cargado con una carga Q. Las dos placas paralelas tienen igual área A y están separadas una distancia d como en la figura 1.

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas Figura 1 La carga por unidad de área en cada placa es σ = Q/A. Si las placas están muy cercanas una de la otra, podemos despreciar los efectos de los extremos y suponer que el campo eléctrico es uniforme entre las placas y cero en cualquier otro lugar. La capacidad del condensador está dada por: C = 𝜀 0 𝐴 𝑑 ε 0 es la constante de permisividad eléctrica del vacío. La energía eléctrica almacenada U entre las placas del condensador, está relacionada con la diferencia de potencial eléctrico V entre ellas y la distancia de separación de las mismas, así: U = ½ CV^2 Procedimiento.

1. Ingrese al siguiente link donde visualizará la interfaz gráfica como lo muestra la Figura 2: https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab- basics_es.html y seleccione la opción “capacitance”. Figura 2.

Capacitancia del condensador de placas paralelas

2. Desconecte el condensador de la pila como muestra la Figura 3.

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas

Energía almacenada en el condensador

1. Conecte ahora el condensador a la pila. (Figura 1)
2. Haga clic en todos los cuadros de datos para observar los valores que se muestran.
3. Separe las placas en la máxima distancia de 10 mm y el área de la placa a 100 mm^2
4. Traslade el medidor de voltaje (Voltímetro) cerca de las placas. (dar clic sobre el medidor y arrastrarlo).
5. Arrastre la punta del cable color naranja hasta la placa superior y la punta del cable negro hasta la placa inferior para que el medidor de voltaje tome la lectura. (Figura 4) Figura 4
6. Varíe el potencial de la pila (para ello se desplaza el botón de Voltaje de la pila hacia arriba y abajo), observe el condensador y los diferentes valores que genera el programa. a. Observando el valor de la Capacitancia. ¿Varía? ¿Porqué? b. Observando el valor de la Carga en las placas del condensador. ¿Varía? ¿Porqué? c. Observando el valor de la Energía almacenada. ¿Varía? ¿Porqué?
7. Varíe el potencial de la pila a 0.25V (para ello se desplaza el botón de Voltaje de la pila hacia arriba). Visualice el valor de le energía eléctrica almacenada U, la carga Q y la Capacidad del condensador y lleve estos valores a la Tabla 3. Tabla 3 V (V) U(pJ) Q(pC) V^2 (V^2 ) C(pf)

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas

8. Complete la tabla 3 con los valores de V^2.
9. Elabore una gráfica de la energía almacenada (U) vs Diferencia de potencial en las placas (V) con los datos de la tabla 3. (tome U en el eje vertical)
10. ¿Cómo es la variación de la Energía del condensador de placas paralelas con respecto a la diferencia de potencial aplicada a las placas?
11. ¿La capacitancia de un condensador depende de la carga que almacena?
12. Linealice la gráfica obtenida en el numeral 8. Grafique U vs V^2 con los datos de la tabla
    3. (tome U en el eje vertical)
13. ¿Podría encontrar el valor de la Capacitancia, a partir de este gráfico? ¿Cómo?
14. Elabore una gráfica de la carga eléctrica almacenada (Q) vs Diferencia de potencial en las placas (V) con los datos de la tabla 3. (tome Q en el eje vertical)
15. ¿Podría encontrar el valor de la Capacitancia, a partir de este gráfico? ¿Cómo?
16. ¿Si se hubiese tomado datos con una distancia entre las placas del condensador diferente, cambiaría la pendiente de esta gráfica? Explique.
17. Si las placas de un condensador cargado, se acercan entre sí. ¿Qué sucede con la diferencia de potencial, la carga, la capacidad y la energía almacenada?
18. ¿Para qué sirve un condensador? Bibliografía [1] C. Mendoza, “GUIAS DE LABORATORIO DE FÍSICA ELECTROMAGNETICA,” 2018. [2] https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab- basics_en.html.

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Asociación de Condensadores expulsada de la placa izquierda de C 2 y esta placa izquierda resulta con un exceso de carga positiva. La carga negativa que sale de la placa izquierda de C 2 hace que se acumulen cargas negativas en la placa derecha de C 1. Como resultado, todas las placas derechas terminan con una carga - Q y las izquierdas con una carga + Q. Por lo tanto, las cargas de los condensadores conectados en serie son iguales. Q 1 = Q 2 = Q donde Q es la carga que se movió entre un alambre y la placa exterior conectada de uno de los condensadores. La capacitancia equivalente Ceq para un sistema serie de condensadores está dado por la relación: 1 Ceq = 1 C 1

1 C 2

1 C 3

• ⋯ + 1 Cn Combinación en paralelo Dos condensadores conectados como se muestra en la figura 2 a se conocen como combinación en paralelo de condensadores. La figura 2 b muestra un diagrama de circuito para esta combinación de condensadores. Las placas izquierdas de los condensadores se conectan a la terminal positiva de la batería mediante un alambre conductor y debido a eso están con el mismo potencial eléctrico que la terminal positiva. Del mismo modo, las placas derechas se conectan a la terminal negativa y, por tanto, están con el mismo potencial que la terminal negativa. En consecuencia, las diferencias de potencial individuales a través de condensadores conectados en paralelo son las mismas e iguales a la diferencia de potencial aplicada a través de la combinación. Es decir, ΔV 1 = ΔV 2 = ΔV donde ΔV es el voltaje de terminal de la batería. Figura 2 Después que la batería se une al circuito, los condensadores rápidamente alcanzan su carga máxima. Sean las cargas máximas en los dos condensadores Q 1 y Q 2 , La carga total Qtot es: Qtot = Q 1 + Q 2

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Asociación de Condensadores La capacitancia equivalente Ceq para un sistema serie de condensadores está dado por la relación: Ceq = C 1 + C 2 + C 3 + …….Cn Procedimiento Ingrese con el link: https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/capacitor-lab/latest/capacitor- lab.html?simulation=capacitor-lab&locale=es para visualizar la Figura 1. Figura 1 Combinación en serie

1. Active la pestaña “Varios capacitores”. Pulse los botones que de muestran para obtener La configuración mostrada en la Figura 2. Figura 2

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Asociación de Condensadores

2. Los tres condensadores tienen capacidad variable. Sólo es necesario mover la escala ubicada a la derecha de cada uno. Para medir las diferencias de potencial, se deben colocar los cables del Voltímeto en los extremos del elemento a medir.
3. Varíe la Capacitancia de los tres condensadores de forma que queden con valores diferentes. Consigne estos valores y el valor de la Capacitancia equivalente en la Tabla 2 C 1 C 2 C 3 Ceq C (f) V (V) Q (C) Tabla 2
4. Coloque el Voltímetro en los extremos del sistema de condensadores y aplique un voltaje de 1.5 V con la Pila.
5. Mida con el Voltímerto la diferencia de potencial a través de cada uno de los condensadores. Lleve estos datos a la Tabla 2.
6. Determine el valor de la carga en cada condensador con los valores registrados de C y V para cada condensador en la Tabla 2. Utilice la expresión: Q = C V
7. ¿La carga en cada uno de los condensadores es la misma? Explique
8. ¿Qué relación hay entre el voltaje entregado por la pila y los voltajes en cada condensador?
9. ¿Qué relación existe entre las cargas calculadas en cada condensador conectado en paralelo y la carga calculada con el condensador equivalente?
10. La suma de las energías que almacena un grupo de condensadores conectados bien sea en serie o en paralelo, ¿es igual a la energía que almacena su respectivo condensador equivalente? Explique. Bibliografía [1] C. Mendoza, “GUIAS DE LABORATORIO DE FÍSICA ELECTROMAGNETICA,” 2018. [2] https://phet.colorado.edu/sims/cheerpj/capacitor-lab/latest/capacitor- lab.html?simulation=capacitor-lab&locale=es

Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Ley de Ohm

DEPARTAMENTO DE FISICA

LABORATORIO VIRTUAL FISICA ELECTROMAGNETICA

LEY DE OHM Objetivo General: Determinar la relación entre el voltaje y la corriente para diferentes resistencias. Objetivos específicos

1. Determinar el valor de la resistencia eléctrica de un conductor mediante la relación Voltaje- Corriente.
2. Comparar el valor de las resistencias leído con el código de colores, con el valor obtenido experimentalmente con la ley de Ohm. Teoría La Ley de Ohm establece que la intensidad de corriente que circula por un conductor, circuito o resistencia, es inversamente proporcional a la resistencia (R) y directamente proporcional a la tensión (V). (Figura 1) Figura 1. La ecuación matemática que describe esta relación es: I =

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto, y R es la resistencia. Específicamente, la ley de Ohm dice que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente. Cuando la razón V/I permanece constante para distintos voltajes y corrientes, el material se denomina óhmico y, la relación lineal

V = IR