Manual de laboratorio de electricidad y magnetismo by Rafael Diosdado Zambrano Mora

UNIVERSIDAD TÉCNICA DE MANABÍ

Manual de laboratorio Prácticas de laboratorio de electricidad y magnetismo INSTITUTO DE CIENCIAS BÁSICAS

Descripción de los experimentos practicados para Laboratorio de Física-3

Universidad Técnica de Manabí Instituto de Ciencias Básicas Departamento de Física

LABORATORIO DE FÍSICA

Experimentos practicados para Laboratorio de Física-3

Ing. Rafael Diosdado Zambrano Mora Técnico Docente

PORTOVIEJO – 2020

CONTENIDO EQUIPAMIENTO DE LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ....................................................... 6 1. MATERIALES DE LABORATORIO ............................................................................................................... 6 2. EQUIPOS DE LABORATORIO .................................................................................................................... 7 3. INSTRUMENTOS DE LABORATORIO ......................................................................................................... 10 PRÁCTICA N° 1 – INSTRUMENTACIÓN Y DESEMPEÑO EN LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO ....... 13 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 13 General .............................................................................................................................................. 13 Específicos ......................................................................................................................................... 13 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 13 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 13 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 13 Actividad 1 – Materiales de laboratorio ............................................................................................ 14 Actividad 2 – Equipos de laboratorio ................................................................................................. 15 Actividad 3 – Instrumentos de medición ............................................................................................ 16 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 17 CARGA ELÉCTRICA ....................................................................................................................................... 18 4. CARGA ELÉCTRICA .............................................................................................................................. 18 5. OBSERVACIONES SOBRE LA INTERACCIÓN DE LAS CARGAS ............................................................................ 18 6. AISLANTES Y CONDUCTORES ................................................................................................................. 19 7. FENÓMENOS ASOCIADOS A LA PRESENCIA DE CARGA .................................................................................. 20 PRÁCTICA N° 2 – CARGA ELÉCTRICA, AISLANTES Y CONDUCTORES ............................................................ 21 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 21 General .............................................................................................................................................. 21 Específicos ......................................................................................................................................... 21 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 21 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 21 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 21 Actividad 1 – Carga eléctrica ............................................................................................................. 22 Actividad 2 – Aislantes y conductores ................................................................................................ 23 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 24 ELECTRIZACIÓN ........................................................................................................................................... 25 1. ELECTRIZACIÓN .................................................................................................................................. 25 2. MECANISMOS DE ELECTRIZACIÓN .......................................................................................................... 25 3. CONDICIONES QUE FAVORECEN LA ELECTRIZACIÓN..................................................................................... 25 4. MANIFESTACIONES DE LA ELECTRIZACIÓN ................................................................................................ 26 5. GESTIÓN DEL RIESGO DEBIDO A LA ELECTRIZACIÓN ..................................................................................... 28 6. APLICACIONES DEL FENÓMENO DE LA ELECTRIZACIÓN ................................................................................. 28 PRÁCTICA N° 3 – ELECTRIZACIÓN Y FENÓMENOS ELECTROSTÁTICOS ......................................................... 30 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 30 General .............................................................................................................................................. 30 Específicos ......................................................................................................................................... 30 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 30 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 30 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 31 Actividad 1 – Manifestaciones físicas de la electrización................................................................... 31 Actividad 2 – Fenómenos electrostáticos ........................................................................................... 32 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 33 CAMPO ELÉCTRICO ..................................................................................................................................... 34 1. CAMPO ELÉCTRICO DE UNA CARGA PUNTUAL ............................................................................................ 34 2. LÍNEAS DE CAMPO O LÍNEAS DE FUERZA ................................................................................................... 34 3. POTENCIAL ELÉCTRICO ......................................................................................................................... 35 4. LÍNEAS EQUIPOTENCIALES .................................................................................................................... 35

PRÁCTICA N° 4 – CAMPO ELÉCTRICO, LÍNEAS DE CAMPO Y LÍNEAS EQUIPOTENCIALES ............................. 36 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 36 General .............................................................................................................................................. 36 Específicos ......................................................................................................................................... 36 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 36 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 36 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 37 Actividad 1 – Líneas de campo y líneas equipotenciales .................................................................... 37 Actividad 2 – Campo eléctrico de láminas de Zn y láminas de Cu ...................................................... 38 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 40 CAÍDA DE POTENCIAL .................................................................................................................................. 41 1. CAMPO ELÉCTRICO DE LÁMINAS PARALELAS ............................................................................................. 41 2. RELACIÓN ENTRE EL CAMPO ELÉCTRICO Y EL POTENCIAL ELÉCTRICO ................................................................ 41 3. PRINCIPIO DE SUPERPOSICIÓN DE CAMPOS ELÉCTRICOS............................................................................... 42 PRÁCTICA N° 5 – POTENCIAL ELÉCTRICO, CAÍDA DE POTENCIAL (VOLTAJE) Y CAMPO ELÉCTRICO ............. 43 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 43 General .............................................................................................................................................. 43 Específicos ......................................................................................................................................... 43 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 43 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 43 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 44 Actividad 1 – Potencial eléctrico y diferencia de potencial ................................................................ 44 Actividad 2 – Diferencia de potencial y campo eléctrico .................................................................... 45 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 46 CAPACITANCIA ............................................................................................................................................ 47 1. CONEXIÓN DE CAPACITORES EN SERIE ..................................................................................................... 47 2. CONEXIÓN DE CAPACITORES EN PARALELO ............................................................................................... 47 3. CIRCUITOS R-C .................................................................................................................................. 48 4. CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR ................................................................................................... 48 PRÁCTICA N° 6 – CAPACITANCIA, CONEXIÓN, CARGA Y DESCARGA DE CAPACITORES ............................... 50 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 50 General .............................................................................................................................................. 50 Específicos ......................................................................................................................................... 50 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 50 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 50 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 51 Actividad 1 – Conexión de capacitores en serie y paralelo ................................................................ 51 Actividad 2 – Voltaje de carga y descarga del capacitor ................................................................... 52 Actividad 3 – Tiempo de carga del capacitor ..................................................................................... 53 5. EVALUACIÓN: ................................................................................................................................ 53 CORRIENTE ELÉCTRICA ................................................................................................................................ 54 1. RESISTIVIDAD .................................................................................................................................... 54 2. LEY DE OHM ..................................................................................................................................... 54 3. RESISTENCIA ELÉCTRICA ....................................................................................................................... 55 4. RESISTENCIA Y TEMPERATURA............................................................................................................... 56 5. IMPLICACIONES PRÁCTICAS ................................................................................................................... 57 PRÁCTICA N° 7 – RESISTENCIA Y CORRIENTE ELÉCTRICA, LEY DE OHM ....................................................... 59 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 59 General .............................................................................................................................................. 59 Específicos ......................................................................................................................................... 59 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 59 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 59 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 60 Actividad 1 – Resistencia eléctrica y características del conductor .................................................... 60 Actividad 2 – Resistencia eléctrica y ley de Ohm ............................................................................... 61

EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 63

CIRCUITOS DE CORRIENTE DIRECTA ............................................................................................................ 64 1. CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN SERIE ..................................................................................................... 64 2. CONEXIÓN DE RESISTENCIAS EN PARALELO ............................................................................................... 64 3. CIRCUITOS COMPLEJOS ........................................................................................................................ 64 4. REGLAS DE KIRCHHOFF ........................................................................................................................ 65 5. CIRCUITO “PUENTE WHEATSTONE” ....................................................................................................... 66 6. CÓDIGO DE COLORES DE LOS RESISTORES ................................................................................................. 67 PRÁCTICA N° 8 – CIRCUITOS DE CORRIENTE CONTINUA, PUENTE DE WHEATSTONE .................................. 68 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 68 General .............................................................................................................................................. 68 Específicos ......................................................................................................................................... 68 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 68 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 68 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 69 Actividad 1 – Resistencia obtenida según el código de colores y la resistividad ................................ 69 Actividad 2 – Resistencia obtenida usando el circuito “Puente Wheatstone” ................................... 70 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 72 CAMPO MAGNÉTICO .................................................................................................................................. 73 PRÁCTICA N° 9 – CAMPO MAGNÉTICO Y FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS .......................................... 78 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 78 General .............................................................................................................................................. 78 Específicos ......................................................................................................................................... 78 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 78 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 78 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 78 Actividad 1 – Campo magnético ........................................................................................................ 79 Actividad 2 – Corriente Inducida ........................................................................................................ 80 Actividad 3 – Electroimán .................................................................................................................. 81 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 82 APLICACIONES DEL ELECTROMAGNETISMO................................................................................................ 83 PRÁCTICA N° 10 – ELECTROMAGNETISMO, GENERADORES Y MOTORES ................................................... 86 1. OBJETIVOS .................................................................................................................................... 86 General .............................................................................................................................................. 86 Específicos ......................................................................................................................................... 86 2. MATERIALES Y EQUIPOS ................................................................................................................ 86 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL .................................................................................. 86 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: ................................................................................ 86 Actividad 1 – Sistema generador de corriente eléctrica..................................................................... 87 Actividad 2 – Sistema motor con imanes naturales ........................................................................... 88 Actividad 3 – Sistema motor con electroimanes ................................................................................ 89 5. EVALUACIÓN ................................................................................................................................. 90 APÉNDICE .................................................................................................................................................... 91 A1. HOJA DE DATOS TÉCNICOS ............................................................................................................... 92 A2. MÁQUINA DE INDUCCIÓN ................................................................................................................ 93 A3. GENERADOR DE VAN DE GRAAF ....................................................................................................... 94 A4. FUENTES DE ALIMENTACIÓN ............................................................................................................ 95 A5. SIMBOLOGÍA DE CIRCUITOS ............................................................................................................. 96 A6. CAMPO ELÉCTRICO Y GRAVITACIONAL ............................................................................................. 97 A7. CAMPO ELÉCTRICO DE LÁMINAS PARALELAS ................................................................................... 98 A8. CORRIENTE Y DENSIDAD DE CORRIENTE ........................................................................................... 99 A9. LEY DE OHM Y RESISTENCIA ELÉCTRICA .......................................................................................... 100 A10. CORRIENTE, RESISTENCIA Y CONDUCTOR ..................................................................................... 101 A11. MODELO DE DISTRIBUCIÓN DE CORRIENTE .................................................................................. 102

A12. CÓDIGO DE COLORES DEL RESISTOR ............................................................................................. 103 A13. CONEXIÓN DE CAPACITORES ........................................................................................................ 104 A14. CONEXIÓN DE RESISTORES ........................................................................................................... 105 A15. REGLAS DE KIRCHHOFF ................................................................................................................. 106 A16. FUERZA MAGNÉTICA .................................................................................................................... 107 A17. FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS ............................................................................................ 108 A18. PRINCIPIO DEL GENERADOR ELÉCTRICO ....................................................................................... 109 A19. PRINCIPIO DEL MOTOR ELÉCTRICO ............................................................................................... 110 BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................................... 111

Equipamiento de laboratorio de electricidad y magnetismo El laboratorio de electricidad y magnetismo está equipado con una serie de conjuntos experimentales con la ayuda de los cuales se desarrollan distintas prácticas de acuerdo al plan académico de la asignatura. A continuación se presentan algunos de los más importantes clasificados por grupos. 1. Materiales de laboratorio Kit de electrostática El kit comprende un conjunto de componentes con características adecuadas para el uso en experimentos de electrostática. Permite la observación del comportamiento de la carga en materiales aislantes y conductores, particularmente en los que poseen poca masa haciendo visible el efecto de la fuerza eléctrica citada en la ley de Coulomb.

Figura 1 – Componentes del kit de electrostática

Componentes de circuitos eléctricos y electrónicos Dentro de estos componentes encontramos resistores y capacitores de los cuales se habla detalladamente en la sección correspondiente a las prácticas donde se usan. Básicamente los resistores permiten regular la corriente ya que impiden el paso de la carga y los capacitores funcionan como acumuladores de carga. En el apéndice A2 y A3 puede observar las máquinas electrostáticas de inducción y de Van de Graaf con la que se usan estos accesorios. En este grupo encontramos los cables conductores, cajas de conexión y otros accesorios como interruptores y conmutadores los cuales permiten reproducir los circuitos de experimentación. 6

En la siguiente tabla se muestra una breve lista de los materiales usados en las prácticas descritas en este manual: Tabla 1 – Descripción de los accesorios usados en laboratorio Accesorio

Función

Composición

Usos

Cuidados

Kit electrostática

Interacción con la carga

Electroscopios de distintos diseños

Electrostática

Cuerpos frágiles; Descargas

Electrodo

Punto de suministro de potencial eléctrico o corriente

Metales (Cu, Zn, Pb, Fe, etc.)

Circuitos de corriente

Capacitor

Dispositivo acumulador de carga

De electrolito; de láminas; etc.

Circuitos de corriente

Cable de conexión

Conducir la corriente adecuada

Metales con revestimiento aislante

Conducción de carga eléctrica

Resistencia

Restringir el paso de corriente

De grafito; de metál; etc.

Circuitos de corriente

Caja de conexión

Conectar elementos en un circuito

Puntos de conexión

Circuitos de corriente

Puente

Paso directo de corriente

Cable o alambre conductor

Circuitos de corriente

Mecanismo de paso y corte de corriente

Circuitos de corriente

Mecanismo de derivación de corriente

Circuitos de corriente

Interruptor

Conmutador

Activa y desactiva el suministro de corriente Suministro de corriente a dos vías no simultáneas

Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas

Imán

Fuente natural de campo magnético

Material magnético

Electricidad y magnetismo

Radiación magnética

Bobina

Fuente de carga; y de campo magnético

Envoltura de alambre

Electricidad y magnetismo

Fuente de calor; Radiación magnética

En el apéndice puede observar ilustraciones del uso de los accesorios en algunas de las prácticas experimentales descritas en este manual. 2. Equipos de laboratorio Máquina de Wimshurst También conocida como máquina de inducción electrostática (Apéndice A2), es un generador de alta tensión útil para realizar una gran variedad de experimentos electrostáticos sin peligro. El conjunto de accesorios de electrostática permite una demostración didáctica e ilustrativa de una serie de fenómenos electrostáticos. La distancia disruptiva es ajustable, para incrementar la cantidad de carga, deben conectarse en paralelo a la distancia disruptiva los condensadores integrados de alta tensión o botellas de Leyden. 7

Tabla 2 – Características de máquina de Wimshurst

Longitud máxima de distancia disruptiva

70 mm

Voltaje máximo

160 kV

Diámetro de disco

300 mm

Corriente máxima de corto circuito permanente

0,5 μA

Dimensiones (mm)

300 x 200 x 385

Figura 2 – Componentes de la máquina de Wimshurst

Generador de Van de Graaf Este generador es un equipo accionado eléctricamente para generar tensiones continuas extremadamente altas para realizar una amplia variedad de experimentos electrostáticos sin peligro. Posee una esfera conductora extraíble con conexión de 4 mm para dispositivos de conexión o de acoplamiento directo (Apéndice A3).

Figura 3 – Componentes del generador de Van de Graaf

Tabla 3 – Características del generador de Van de Graaf

Diámetro de la esfera conductora: Capacidad

210 mm 15 pF

Voltaje de máximo de salida (limitado a distancia disruptiva)

150 kV

Voltaje de suministro de potencia

230 V ~

Fuentes y transformadores Estos sistemas son usados para el suministro de carga (corriente o potencia) a los equipos para su normal funcionamiento. Están compuesto por sistemas de transformación de corriente a corriente directa o alterna según el requerimiento y con voltajes fijos o variables para el ajuste según la necesidad (Apéndice A4). A continuación en la imagen se muestran las características de algunos de estos equipos.

Figura 4 – Características de las fuentes y transformadores

En el apéndice A5 se muestra un detalle de la simbología convencional de los elementos que componen un circuito eléctrico, entre los cuales están las fuentes de suministro de voltaje. Puente de Wheatstone y panel de resistencias Ambos sistemas son empleados en experimentos con corriente para demostrar principios como la ley de Ohm y las reglas de Kirchhoff. Mientras que en el puente de Wheatstone el componente principal es una regla con un alambre sobre ella, el panel de resistencias comprende 6 alambres de distintos calibres y materiales (constantán y latón). 9

Grupo galvanómetro El galvanómetro (Apéndice A18) consta de una bobina, a la que se sujeta un mecanismo de medición hecho de un imán permanente conectado a un puntero o aguja sobre una escala graduada. Grupo motor y generador Estos sistemas tienen funciones reciprocas (Apéndice A18 y A19), ambas con relación a la transformación de la energía. El motor es un sistema que transforma la energía que toma de la fuente de voltaje como corriente eléctrica en energía mecánica de movimiento del eje del rotor. Por su parte el generador usa la energía mecánica proveniente de una fuente de movimiento (como el viento o un río) para convertirla en energía eléctrica. En la siguiente tabla se muestra una breve lista de los equipos usados en las prácticas descritas en este manual: Tabla 4 – Detalle de los equipos de laboratorio Equipo

Función

Máquina de Wimshurst

Máquina electrostática

Generador de Van de Graaff

Máquina electrostática

Fuente de alimentación

Suministro de corriente

Puente Wheatstone

Derivación de la corriente

Panel de resistencias de alambre

Presenta características de alambres Combinar campo magnético y corriente para medir Transformar la corriente en movimiento

Grupo Galvanómetro Grupo Motor Grupo Generador

Transformar el campo en corriente

Composición Sistema manual de inducción electrostática Sistema de inducción electrostática Transformador Alambre sobre regla con deslizador 5 alambres de constantán y 1de latón Bobina, aguja, imán, escala Bobina rotor, imán estator o bobina estator Bobina rotor, imán estator o bobina estator

Usos

Cuidados

Electrostática

Descargas

Electrostática

Descargas

Circuitos de corriente Circuitos de corriente Circuitos de corriente

Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas Conexión; Fuente de calor; Descargas

Electromagnetismo

Fuente de calor; Descargas

Electromagnetismo

Fuente de calor; Descargas

Electromagnetismo

Fuente de calor; Descargas

3. Instrumentos de laboratorio Multímetro analógico El multímetro analógico es aquel cuyo sistema de indicación está basado en el mecanismo de un galvanómetro, el cual indica el valor medido por medio de una aguja indicadora encima 10

de una escala preestablecida. Puede medir las magnitudes eléctricas fundamentales de un sistema eléctrico, tales como: tensión eléctrica, corriente eléctrica, resistencia eléctrica Tabla 5 - Ventajas y desventajas de los instrumentos analógicos

Ventajas ‡ Bajo Costo.

Desventajas ‡ Tienen poca resolución, típicamente no

‡ En algunos casos no requieren de energía de alimentación.

proporcionan más de 3 cifras. ‡ El error de paralaje limita la exactitud a

‡ Diseño eléctrico simple

± 0.5% a plena escala en el mejor de los

‡ Presentan con facilidad las variaciones

casos.

de los parámetros para visualizar si el ‡ Las lecturas se presentan a errores valor aumenta o disminuye. ‡ Es sencillo adaptarlos a diferentes tipos de escalas no lineales.

graves cuando el instrumento tiene varias escalas. ‡ La rapidez de lectura es baja.

Multímetro digital El multímetro digital tiene como elemento de indicación un display o pantalla con dígitos numéricos ya sean del tipo LED o de cristal líquido. En la actualidad estos tienen la capacidad de medir no solo las magnitudes eléctricas fundamentales capacitancia, temperatura, inductancia, ganancia de transistores, prueba de diodos.

Figura 5 – Multímetro digital (izquierda) y analógico (derecha)

Las funciones de medición, así como la calidad de fabricación de un multímetro varían de un modelo a otro. No obstante se mantiene la esencia de parámetros a medir y usabilidad. Existen multímetros con autorango y de selección manual de rango. El de autorango ajusta automáticamente el rango más ideal para obtener la medida con una elevada exactitud. 11

Figura 6 – Selección manual de rango (izquierda) y autorango (derecha)

Sin embargo, en el de selección manual hay que ajustar manualmente la perilla de selección al campo de medida más idóneo. Tabla 6 - Ventajas y desventajas de los instrumentos digitales

Ventajas

Desventajas

‡ Tienen alta resolución y exactitud

‡ El costo es elevado.

‡ No están sujetos al error de paralaje.

‡ Son complejos en su construcción

‡ Pueden eliminar la posibilidad de ‡ Las escalas no lineales son difíciles de errores por confusión de escalas.

introducir.

‡ Tienen una rapidez de lectura que puede ‡ En todos los casos requieren de fuente superar las 1000 lecturas por segundo.

de alimentación.

Para manipular los multímetros digitales durante la medición de algún parámetro es necesario seguir básicamente los siguientes pasos: ‡ Reconocer la magnitud o parámetro que se va a medir; ‡ Constatar que el rango está dentro de los medibles por el equipo y seleccionar la escala; ‡ Corroborar que la conexión sea la adecuada para la medición del parámetro en el rango. En la siguiente tabla se muestra una breve lista de los instrumentos usados en las prácticas descritas en este manual: Tabla 7 – Descripción de los instrumentos de medición Instrumento

Función

Composición

Electroscopio

Comprobar la existencia de carga acumulada

Multímetro analógico

Medir magnitudes eléctricas

Elementos de interacción y soporte Sistema galvanómetro de medición

Multímetro digital

Medir magnitudes eléctricas y más

Sistemas digitales de medición

Usos

Cuidados

Electrostática

Cuerpos frágiles; Descargas

Medición

Parámetro; Conexión; Rango Parámetro; Conexión; Rango

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 1 – Instrumentación y desempeño en laboratorio de electromagnetismo 1. OBJETIVOS General ‡ Conocer el equipamiento básico de laboratorio, instrumentos, accesorios y equipos, la función que desempeña, el modo de uso y sus características. Específicos ‡ Adquirir nociones básicas sobre las funciones y el manejo de los distintos accesorios usados en las prácticas de laboratorio; ‡ Asimilar designación y el modo de operación de equipos usados en prácticas de laboratorio; ‡ Estudiar las características y funciones de los instrumentos de medición usados en las prácticas de laboratorio. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ Equipos de electrostática (generadores, electrodos, capacitores); ‡ Equipos de corriente y resistencia (regla puente, panel de resistencias); ‡ Equipos de campo magnético y electromagnetismo (imanes, bobinas); ‡ Elementos de circuito (fuentes; cables; interruptores, conmutadores); ‡ Instrumentos de medición (electroscopios, multímetros, cronómetros). 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL Realice el montaje con la ayuda del técnico y las siguientes recomendaciones: ‡ Es necesario que el ambiente sea libre de humedad. El calor puede crear un ambiente húmedo. ‡ Se recomienda ejecutar el proceso dentro de un aula con aire acondicionado ya que este mantiene el ambiente libre de humedad; ‡ Mantenga desconectados los equipos luego de su uso; ‡ No manipule los equipos sin la guía del docente; ‡ No realizar ninguna maniobra innecesaria con los equipos de laboratorio; ‡ Todos los procedimientos se deben realizar bajo supervisión del técnico de laboratorio responsable de la actividad. 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Las características de los equipos de laboratorio que indique el técnico de laboratorio. 13

Actividad 1 – Materiales de laboratorio 1. Identificar y clasificar los accesorios usados en laboratorio de acuerdo a la función que desempeñan usando los criterios de la Tabla 8: Tabla 8 – Descripción de los accesorios usados en laboratorio

Nº

Accesorio

Función

Composición

Usos

Cuidados

‡ 1 ‡ 2 ‡ 3 ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

Actividad 2 – Equipos de laboratorio 1. Realizar una descripción de los equipos de laboratorio de acuerdo a la función que desempeñan usando los criterios de la Tabla 9: Tabla 9 – Detalle de los equipos de laboratorio

Nº

Equipo

Función

Composición

Usos

Cuidados

‡ 1 ‡ 2 ‡ 3 ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

Actividad 3 – Instrumentos de medición 1. Enlistar los equipos de laboratorio de acuerdo a la función que desempeñan usando los criterios de la Tabla 10: Tabla 10 – Descripción de los instrumentos de medición

Nº

Instrumento

Función

Composición

Usos

Cuidados

‡ 1 ‡ 2 ‡ 3 ‡ ‡ ‡ ‡

Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Qué materiales pueden usarse para experimentar la carga eléctrica? 2. ¿Qué fenómenos puede producir un imán? 3. ¿Qué se puede observar mediante un electroscopio? 4. ¿Cómo funciona un electroscopio? 5. ¿Cómo se opera un multímetro? 6. ¿Qué cuidados se debe tener en el uso de un multímetro cualquiera? 7. ¿Qué diferencia existe entre un multímetro digital y uno analógico? 8. ¿Qué cuidados se debe tener en el uso del multímetro digital? 9. ¿Cómo se opera el generador de Van de Graaf? 10. ¿Qué cuidados se debe tener en el uso de las fuentes de voltaje? 11. ¿Cómo se opera la máquina de Wimshurst? 12. Cite alguna observación que usted considere relevante.

Carga eléctrica 4. Carga eléctrica La carga eléctrica es un atributo de la materia; una propiedad física de la materia como lo son la masa, la densidad, etc. El electrón es el elemento de carga. La carga eléctrica está presente en todos los cuerpos (materia o masa) al ser parte constitutiva del átomo, por lo tanto la carga no se genera. La estructura de los átomos se describe en términos de tres partículas: el electrón, con carga negativa; el protón, cuya carga es positiva; y el neutrón, sin carga. Los protones y los neutrones en un átomo forman el núcleo, pequeño y muy denso. Los electrones rodean al núcleo. Si un átomo midiera algunos kilómetros de diámetro, su núcleo tendría el tamaño de una pelota de tenis. Los electrones cargados negativamente se mantienen dentro del átomo gracias a fuerzas eléctricas de atracción que se extienden hasta ellos, desde el núcleo con carga positiva. Los protones y los neutrones permanecen dentro del núcleo estable de los átomos, debido al efecto de atracción de la fuerza nuclear fuerte, que vence la repulsión eléctrica entre los protones. La fuerza nuclear fuerte es de corto alcance, por lo que sus efectos no llegan más allá del núcleo. La carga negativa del electrón tiene exactamente la misma magnitud que la carga positiva del protón. En un átomo neutral, el número de electrones es igual al número de protones en el núcleo; en tanto que la carga eléctrica neta (la suma algebraica de todas las cargas) es exactamente igual a cero. Un cuerpo cargado positivamente es aquel que ha perdido electrones de su complemento normal (perdiendo así masa), y si ha ganado electrones es un cuerpo cargado negativamente (ganando así masa). Cuando hablamos de la carga de un cuerpo, siempre nos referimos a su carga neta. 5. Observaciones sobre la interacción de las cargas En una sucesión sistemática de experimentos un tanto simples se encuentra que existen dos tipos de cargas eléctricas a las cuales Benjamín Franklin (1706-1790) les dio nombre de positiva y negativa. Para demostrar este hecho, considérese que se frota una barra dura de caucho contra una piel y a continuación se suspende de un hilo no metálico. Cuando una barra de vidrio frotada con una tela de seda se acerca a la barra de caucho, esta será atraída hacia la barra de vidrio. Por 18

otro lado, si dos barras de caucho cargadas (o bien dos barras de vidrio cargadas) se aproximan una a la otra la fuerza entre ellas será de repulsión. Esta observación demuestra que el caucho y el vidrio se encuentran en dos estados de electrificación diferente; con base en estas observaciones podemos concluir que cargas iguales se repelen y cargas diferentes se atraen. Usando la convención sugerida por Franklin la carga eléctrica en la barra de vidrio se llama positiva y la de la barra de caucho se llama negativa. Las interacciones electrostáticas se rigen por una relación sencilla que se conoce como ley de Coulomb, y es mucho más conveniente describirlas con el concepto de campo eléctrico. 6. Aislantes y conductores Los aislantes son materiales en los que no ocurre ningún movimiento libre de los electrones porque el material no tiene electrones que puedan escapar de sus átomos y moverse con libertad por todo el material. Incluso cuando una carga externa se coloca sobre un aislante, no puede moverse de manera apreciable. Esto hace que tiendan a mantener o acumular carga por un cierto tiempo debido a su mala conductividad, a estos elementos podríamos llamar objetos de carga o de acumulación de carga. Algunos aislantes típicos son el vidrio, el plástico y la tela, el aire, entre otros. Los conductores poseen una estructura que permite el movimiento libre de algunos electrones. Esto hace que no acumulen carga sino que la distribuyan o transfieran rápidamente debido a su buena conductividad. Las cargas positivas de los átomos de un material conductor no se mueven, puesto que residen en los núcleos pesados. Algunos conductores sólidos típicos son los metales. El cobre, por ejemplo, es un muy buen conductor usado en cables eléctricos. Los fluidos y el tejido orgánico también sirven como conductores. El agua pura destilada no es un muy buen conductor. Sin embargo, cuando se disuelve sal común (NaCl) en agua, la conductividad mejora sustancialmente, ya que los iones de sodio con carga positiva (Na+) y los iones de cloro con carga negativa (Cl–) pueden moverse dentro del agua para conducir electricidad. En los líquidos, a diferencia de los sólidos, los portadores de carga positiva, así como negativa, son móviles. El tejido orgánico no es muy buen conductor, pero al tener agua en su estructura conduce electricidad lo suficientemente bien como para hacer que grandes corrientes sean peligrosas para los seres humanos. 19

A los elementos que se caracterizan por su buena conductividad podríamos llamarles objetos de descarga o de distribución de carga. La tierra es casi un reservorio infinito de carga neutralizada, capaz de neutralizar eficazmente objetos con carga eléctrica que estén en contacto con esta. Este apropiamiento de carga se denomina conexión a tierra, y se dice “poner o conectar a tierra” para referirse a la conexión eléctrica con la tierra. 7. Fenómenos asociados a la presencia de carga La electrización es un proceso que puede no percibirse a simple vista pero puede tener efectos claramente visibles y perceptibles. Este fenómeno se debe a la electricidad estática de los cuerpos. Se trata de la transferencia de carga (electrones) de un cuerpo a otro o de su distribución en un mismo cuerpo, de tal modo, que se acumula carga de un mismo tipo creando una especie de campo eléctrico, el cual crece o se mantiene hasta que alcanza a otro cuerpo de mayor masa que le redistribuye la carga neutralizando el campo. A este último efecto lo llamamos descarga y en algunos casos va acompañado de un destello de luz con sonido con mayor o menor intensidad de acuerdo a la magnitud de la carga. Prácticamente es el proceso en el que se observa la transferencia y acumulación de carga en un cuerpo (aislante o de poca masa) que termina con una descarga sobre otro (conductor) que hace las veces de tierra.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 2 – Carga eléctrica, aislantes y conductores 1. OBJETIVOS General ‡ Estudiar las propiedades eléctricas de la materia observando la naturaleza de la carga eléctrica que posee para asimilar la elemental diferencia entre conductores y aislantes. Específicos ‡ Estudiar el comportamiento de la carga eléctrica en diversos tipos de materia; ‡ Observar en la práctica experimental las formas básicas de electrización; ‡ Analizar el patrón de comportamiento que clasifica la materia en aislante o conductor. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ Kit de electrostática (Electroscopio, cirio, rueda , escobilla, barras, paños, etc); ‡ Generador de Van de Graaff; ‡ Máquina de inducción de Wimshurst; 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL Realice el montaje con la ayuda del técnico y las siguientes recomendaciones: ‡ Es necesario que el ambiente sea libre de humedad. El calor puede crear un ambiente húmedo. ‡ Se recomienda ejecutar el proceso dentro de un aula con aire acondicionado ya que este mantiene el ambiente libre de humedad; ‡ Utilice de forma combinada el electroscopio y el kit de electrostática con las máquinas electrostáticas para alcanzar una mejor apreciación de la naturaleza de los fenómenos asociados a la electrostática; ‡ Todos los procedimientos se deben realizar bajo supervisión del técnico de laboratorio responsable de la actividad. 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Los elementos que componen el kit de electrostática usado para la práctica.

Actividad 1 – Carga eléctrica 1. Tome una barra de material aislante pasando lentamente la mano por todo su volumen, acérquela a las barras en los soportes y registre los efectos en la Tabla 11. 2. Frote rápidamente la misma barra con un paño y acérquela nuevamente a las barras en los soportes registrando lo que sucede en la Tabla 11. 3. Finalmente pase la mano por toda la barra cargada y acérquela a las barras en los soportes. Observe y registre los efectos en la Tabla 11. Tabla 11 – Transferencia de carga por frotación, inducción y contacto Acción

Resultado de la interacción

Tipo de transferencia

Pasando la mano por el volumen de la barra Frotando la barra con un paño Acercando la barra a las otras Pasando la mano nuevamente Observaciones:

4. Con la ayuda de un conductor transfiera la carga del generador de Van de Graaff a un electroscopio y registre en la Tabla 12 lo que sucede antes y durante el proceso explicando la causa de los efectos observados; Tabla 12 – Observaciones sobre los efectos que se producen en el electroscopio Antes de la conexión

Durante la conexión

Observaciones:

Actividad 2 – Aislantes y conductores 1. Acerque el electroscopio de aluminio y la escobilla de papel de seda al generador de Van de Graaff mientras este está encendido y luego de apagar el generador toque con su mano estos objetos y registre las observaciones en la Tabla 13; Tabla 13 – Observaciones sobre los efectos que se producen en los objetos Cerca del generador de carga

Al tocarlos con la mano

Observaciones:

2. Con el generador de Van de Graaff encendido acerque los objetos indicados en la Tabla 14 a la esfera de aluminio e identifique los aislantes y los conductores; Tabla 14 – Clasificación de la materia en aislantes y conductores Objetos

Aislante/Conductor

Objetos

Barra de caucho

Paño de tela

Barra de vidrio

Barra de plástico

Cable con aislante

Barra metálica

Carne fresca

La mano

Agua

Fuego

Aislante/Conductor

Observaciones:

Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Qué cuerpos tienen carga y cuáles no? 2. ¿Cómo se comporta la carga eléctrica? 3. ¿Cuál es la naturaleza de los conductores respecto a la carga? 4. ¿Cuál es la naturaleza de los aislantes respecto a la carga? 5. ¿Qué hace que algunos materiales y las personas reciban descarga eléctrica? 6. ¿Cómo se comporta la carga en un medio húmedo (agua) y por qué? 7. ¿Cómo se comporta la carga en el cuerpo humano y por qué? 8. ¿Cómo podemos evitar una transferencia de carga? 9. ¿Por qué fuego interactúa con la carga? 10. Cite alguna observación que usted considere relevante.

Electrización 1. Electrización Como vimos en la práctica anterior, la electrización es un proceso que puede no percibirse a simple vista pero puede tener efectos claramente visibles y perceptibles. Este fenómeno se debe a la electricidad estática de los cuerpos. Se trata de la transferencia de carga (electrones) de un cuerpo a otro o de su distribución en un mismo cuerpo, de tal modo, que se acumula carga de un mismo tipo creando una especie de campo eléctrico, el cual crece o se mantiene hasta que alcanza a otro cuerpo de mayor masa que le redistribuye la carga neutralizando el campo. A este último efecto lo llamamos descarga y en algunos casos va acompañado de un destello de luz con sonido con mayor o menor intensidad de acuerdo a la magnitud de la carga. Prácticamente es el proceso en el que se observa la transferencia y acumulación de carga en un cuerpo (aislante o de poca masa) que termina con una descarga sobre otro (conductor) que hace las veces de tierra. 2. Mecanismos de electrización Cuando se dice que un cuerpo “está cargado”, en realidad pasó por un proceso de electrización y está electrizado. Los mecanismos de electrización son los siguientes: Electrización por contacto. Se conoce al así proceso en el cual un objeto cede una carga eléctrica neta a otro al estar en contacto con este quedando así electrizado. Electrización por frotación. Es una forma de electrización por contacto en la que interviene el movimiento entre los objetos que pueden ceder o recibir una carga eléctrica neta quedando así electrizados. Electrización por inducción. Se conoce al así proceso en el cual un objeto cede una carga eléctrica neta a otro no estando en contacto con este quedando así electrizado. 3. Condiciones que favorecen la electrización Pueden electrizarse muchos objetos y materiales dependiendo de algunos factores como los siguientes: ‡ En aislantes: Las telas, variedades de plásticos, vidrios, el caucho, hule o goma, el aire, y muchos otros compuestos al ser aislantes pueden electrizarse por algún mecanismo, lo que hace probable que al poner en contacto con ellos algún metal o la piel reciba descarga perceptible al tacto, la visión y el oído. Esto explica por qué el calzado, la ropa y artefactos como la aspiradora, la lavadora, el televisor, la refrigeradora, y muchos más 25

pueden muchas veces estar electrizados a la espera de un objeto que redistribuya la carga (tierra). ‡ En conductores: Los objetos metálicos cuando tengan relativamente poca masa y esté distribuida lineal o superficialmente es muy probable que se puedan electrizar a pesar de su conductividad. Es lo que sucede con la esfera hueca del generador de Van de Graaff, la cual es metálica, pero pierde electrones por el efecto de la banda de caucho que se mueve dentro de ella y los transporta permanentemente a un objeto que los recibe (tierra). ‡ El agua no favorece la electrización debido a su conductividad, consecuentemente la humedad del ambiente impide la electrización y favorece la descarga a tierra. Un ambiente caluroso que favorece la transpiración y la formación de vapor que dan paso a la humedad impide la observación del fenómeno. Un ambiente con sistema de aire acondicionado favorece la electrización ya que mantiene el ambiente seco y libre de humedad. ‡ El movimiento de unos cuerpos con respecto a otros así como la frotación de estos cuando tienden a ganar o perder carga son factores que favorecen la electrización de los mismos. 4. Manifestaciones de la electrización Entre los objetos electrizados se puede observar un comportamiento extraño, como si estos quedaran revestidos de una materia invisible pero perceptible en la interacción (atracción o repulsión) de cuerpos livianos o partículas ionizadas (como en el caso de una llama encendida) con los cuerpos electrizados por un tiempo determinado, hasta que las cargas queden nuevamente equilibradas y los cuerpos dejan de moverse. Todo esto sin una manifestación visible del paso de las cargas de un cuerpo a otro. Es lo que sucede en el experimento al frotar los paños de lana, seda y el fragmento de piel de animal con las barras de caucho, vidrio y plástico respectivamente. Se puede observar la electrización al pasar un peinador por el cabello, la frotación hace que tanto el cabello como el peinador queden con la carga neta modificada y los cabellos sean atraídos hacia el peine y viceversa, en algunos casos produciendo un chasquido. Este tipo de experimentos funcionan mejor durante días secos, porque el exceso de humedad en el aire hace que cualquier carga que usted acumule en su cuerpo se fugue hacia tierra. El viento en contacto con un cuerpo, así como el movimiento de los cuerpos expuestos al aire libre (como al viajar en un vehículo) hace que estos queden cargados. Es por eso que 26

nuestra piel y cabello se erizan cuando termina el movimiento, en algunos casos se siente un hormigueo en la piel. Asimismo los vehículos quedan cargados, y en el caso de los camiones que transportan combustible se torna indispensable la conexión a tierra a fin de evitar la formación de una chispa. Una medida similar se toma cuando se carga con combustible a un avión. La descarga eléctrica inesperada que usted siente cuando frota sus zapatos contra una alfombra, y luego toca una perilla metálica o a una persona dentro de un ambiente frío y seco, se debe a partículas de carga que saltan de su dedo a la perilla o a la persona. También puede suceder lo mismo mientras manipula algún artefacto electrodoméstico. Bajo condiciones adecuadas, verá una chispa y podrá escuchar un chasquido durante el efecto de la descarga. Un rayo es un fenómeno similar a una escala mucho mayor. Para ilustrar el fenómeno podemos decir que las grandes masas de aire, que están continuamente en movimiento, mantienen permanentemente la atmosfera con carga acumulada que no puede llegar a tierra tan fácilmente, como si acumulara más carga de la que puede liberar a tierra por el medio, ya que el aire es un mal conductor. Esta carga se liberaría más rápido en un medio conductor, así que cuando el ambiente está cargado de humedad se convierte en el medio ideal para descargar a tierra. Es lo que sucede cuando las partículas de vapor de agua se unen para formar las gotas que caen durante la lluvia, cuando se producen las tormentas eléctricas. En pocas palabras el cielo se sobrecarga, el agua es el conductor y la tierra recibe la descarga (redistribuye y neutraliza la carga). Pero la lluvia, mientras cae, transporta en sí toda la carga acumulada, y esta se liberará en el primer objeto sobre la tierra que se encuentre durante su caída, entre los cuales elije los mejores conductores y de ellos los objetos más altos porque los encuentra primero, provocando serios daños debido a la magnitud de la carga acumulada. Algunos de ellos son: ‡ Las grandes elevaciones sobre la tierra (montañas, etc.); ‡ Los árboles frondosos que durante la lluvia han acumulado gran cantidad de agua; ‡ Las antenas levantadas sobre las casas, edificios, ciudades o montañas, así como las estructuras de la red eléctrica; ‡ Las casas o edificios y hasta las personas. Algunos de los efectos característicos de la electrización, a más de la fuerza (que impacta en la descarga) son el sonido y el destello de luz que se van a manifestar con mayor o menor 27

intensidad dependiendo de la cantidad de carga acumulada. Tendremos mayor carga acumulada en un cuerpo si mientras acumula se encuentra a mayor distancia de un objeto de descarga o tierra. De la misma manera el sonido puede variar desde un pequeño chasquido, o el sonido de una palmada hasta el de un rayo. La fuerza del impacto durante la descarga se asemeja al golpe de una liga de goma cuando hay relativamente poca carga acumulada, si hay mayor carga puede hacer contraer los músculos en el cuerpo humano, provocando un movimiento involuntario, y así mientras mayor es la carga puede llegar a destruir objetos más grandes como sucede con los árboles y otros cuerpos. 5. Gestión del riesgo debido a la electrización Dado que este fenómeno, que en algunos casos es imperceptible, llega a ser realmente destructor es necesario, conociendo su naturaleza, contrarrestar sus efectos negativos con una conexión a tierra. Al ser capaz de crear una chispa se convierte en un agente comburente para cualquier tipo de combustible, por lo que se torna necesario manipular combustible asegurando una buena conexión a tierra. Cuando la carga eléctrica pasa por el cuerpo humano puede provocar desde pequeñas molestias hasta serios daños en el organismo. Cuando el cuerpo humano recibe descargas de alguna fuente se debe más a que es el único objeto de descarga cercano a la fuente, así que podemos ubicar una conexión a tierra que sustituya al cuerpo humano. Un rayo, durante una tormenta eléctrica, al caer sobre una antena o sobre el tendido eléctrico puede llegar, por estas vías, a los edificios y las casas antes de llegar a tierra. Esto puede provocar daños en los artefactos conectados a la red eléctrica, o hasta un incendio, por lo que es necesario que tanto los artefactos como la red eléctrica estén provistos de una instalación correcta con sus respectivas conexiones a tierra. Este principio se usa en la construcción de estructuras altas y edificios, dotándolos de un sistema, cuyo origen se atribuye a Benjamín Franklin, denominado pararrayos, un dispositivo metálico que, debido a su conductividad, literalmente absorbe la carga para conducirla a tierra protegiendo así las estructuras. 6. Aplicaciones del fenómeno de la electrización Los principios de la electrostática han sido la base para el desarrollo de diversos dispositivos con diferentes aplicaciones, entre los cuales encontramos:

‡ Generadores electrostáticos entre los que podemos citar la máquina de inducción electrostática de Wimshurst y el generador de Van de Graaf usados para acelerar partículas elementales; ‡ Precipitadores electrostáticos, tubos de descarga y filtros electrostáticos utilizados para reducir la contaminación; ‡ Sistemas de aspersión electrostática y pintura electrostática; ‡ La xerografía (serigrafía) o impresión láser.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 3 – Electrización y fenómenos electrostáticos 1. OBJETIVOS General ‡ Estudiar la naturaleza del fenómeno de la electrización y sus manifestaciones observando los procesos que permiten controlar sus efectos. Específicos ‡ Experimentar la interacción de los cuerpos en los que se observa la electrización para conocer la naturaleza de este fenómeno; ‡ Observar en la práctica experimental las formas básicas de electrización con la ayuda de aparatos electrostáticos; ‡ Analizar fenómenos asociados a la electrización observados en el medio para alcanzar un criterio técnico del manejo de situaciones relacionadas con los mismos. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ Kit de electrostática (Electroscopio, cirio, rueda, escobilla, barras, paños, etc.); ‡ Generador de Van de Graaf; ‡ Máquina de inducción de Wimshurst; 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL Realice el montaje con la ayuda del técnico y las siguientes recomendaciones: ‡ Es necesario que el ambiente sea libre de humedad. El calor puede crear un ambiente húmedo. ‡ Se recomienda ejecutar el proceso dentro de un aula con aire acondicionado ya que este mantiene el ambiente libre de humedad; ‡ Utilice de forma combinada el electroscopio y el kit de electrostática con las máquinas electrostáticas para alcanzar una mejor apreciación de la naturaleza de los fenómenos asociados a la electrostática; ‡ Todos los procedimientos se deben realizar bajo supervisión del técnico de laboratorio responsable de la actividad.

4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Los elementos que componen el kit de electrostática usado para la práctica. Actividad 1 – Manifestaciones físicas de la electrización 1. Use la máquina de Wimshurst conectando los accesorios indicados en la Tabla 15 y registre el comportamiento de ellos. Realice la misma acción invirtiendo la conexión; Tabla 15 – Comportamiento de objetos sometidos a un campo eléctrico (electrización) Accesorio

Campo de la esfera 1

Campo contrario de la esfera 2

Escobilla de papel Eje de puntas Esfera metálica Observaciones:

2. Use la máquina de Wimshurst acercando el cirio encendido a una y a otra esfera del explosor por separado. Registre en la Tabla 16 el comportamiento de la llama; Tabla 16 – Comportamiento de la llama en las esferas del explosor Campo de la esfera 1

Campo de la esfera 2

Observaciones:

3. Use la máquina de Wimshurst conectando los accesorios indicados en la Tabla 17 y registre el comportamiento de ellos. Realice la misma acción invirtiendo la conexión; Tabla 17 – Efectos posteriores a la electrización Accesorio

Efecto

Panel de iluminación Soporte de timbre Observaciones:

Actividad 2 – Fenómenos electrostáticos 1. Use las máquinas electrostáticas para valorar las manifestaciones físicas de la descarga indicadas en la Tabla 18. Analice cada fenómeno en función de la distancia entre los objetos de carga y descarga y registre en qué casos fue alto o bajo. Tabla 18 – Manifestaciones físicas de los fenómenos electrostáticos según la distancia Manifestaciones

Distancia menor

Distancia mayor

Carga neta acumulada Fuerza de impacto durante la descarga Intensidad del sonido durante la descarga Intensidad luminosa durante la descarga

2. Cite en la Tabla 19 algunos ejemplos de situaciones reales en las que se observe el fenómeno con mayor o menor magnitud. Tabla 19 – Casos reales en las que se observa el fenómeno Electrización de mayor magnitud

Electrización de menor magnitud

3. Use la máquina de Wimshurst colocando entre las esferas del explosor los objetos indicados en la Tabla 20 y describa como se da la descarga durante el proceso. Tabla 20 – Clasificación de la materia en aislante y tierra (masa, conductor o puente) Objeto

Aislante/Tierra

Descripción de la descarga en las esferas

Barra metálica maciza Barra plástica maciza Cable con aislante Carne fresca Fuego Agua

Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿En qué condiciones se da la electrización de los cuerpos? 2. ¿Cómo se manifiesta la electrización en un objeto o cuerpo? 3. ¿Qué cosas (objetos, equipos, aparatos, etc.) podrían electrizarse? 4. ¿Cómo influye la humedad (agua) en el proceso de electrización y por qué? 5. ¿Puede la electrización afectar directamente la vida humana? 6. ¿Cómo impedir que un objeto se electrice? 7. ¿Cuál es la principal característica de “tierra” o “masa”? 8. ¿Qué manifestaciones físicas puede tener la descarga? 9. ¿Qué cosas podrían actuar como tierra y recibir descargas? 10. Cite alguna observación que usted considere relevante.

Campo eléctrico Un cuerpo con carga produce un campo eléctrico en el espacio que lo rodea, y así como los objetos con masas son acelerados por las fuerzas gravitatorias, los objetos con carga son acelerados por las fuerzas eléctricas. La fuerza eléctrica sobre un cuerpo cargado es ejercida por el campo eléctrico que otros cuerpos cargados originan. Entonces un campo eléctrico existe si una carga de prueba en reposo situada en un punto experimenta una fuerza eléctrica. El campo eléctrico puede definirse por la fuerza eléctrica Fe que actúa sobre una carga de prueba qo, al igual que el campo gravitacional se define por la fuerza gravitacional FG que actúa sobre la masa mo que experimenta el campo (Apéndice A6). En la Figura 7 se muestran las características principales de ambos fenómenos para alcanzar una mejor apreciación de sus similitudes y una comprensión más amplia de su naturaleza.

Figura 7 – Campo gravitacional y campo eléctrico de cargas puntuales

1. Campo eléctrico de una carga puntual Una carga puntual Q produce un campo eléctrico E en todos los puntos del espacio. La intensidad del campo disminuye conforme la distancia aumenta (ver Figura 7).

E

Fe Q k 2; q0 r

2. Líneas de campo o líneas de fuerza El científico inglés Michael Faraday (1791-1867) introdujo por primera vez el concepto de líneas de campo. Las llamó “líneas de fuerza”, aunque es preferible el término “líneas de campo”. Entre sus cualidades básicas podemos citar las siguientes: 34

‡ Dan la dirección del campo eléctrico en cualquier punto; ‡ Se originan en cargas positivas y van hacia las cargas negativas; ‡ Se trazan de modo que el número de líneas indique la magnitud del campo. 3. Potencial eléctrico Cuando se necesita determinar un campo eléctrico, a menudo es más fácil determinar primero el potencial. Se define el potencial V en cualquier punto en el campo eléctrico como la energía potencial U por unidad de carga asociada con una carga de prueba qo en ese punto. La Figura 8 muestra una ilustración del comportamiento de la energía potencial en los puntos a y b entre dos láminas paralelas (Apéndice A7).

U a  Fra  Energía potencial en a; U a  Fra  Energía potencial enb; Ua   Potencial en a;  q0  Vab  Vb  Va  Diferencia de potencial o voltaje. Ub Vb   Potencial enb;   q0 Va 

Figura 8 – Energía potencial de una carga positiva desplazándose a) a favor del campo b) en contra

4. Líneas equipotenciales Las líneas o superficies equipotenciales son representaciones gráficas similares al concepto de líneas de campo, pero esas se basan en el potencial eléctrico. Entre sus cualidades básicas podemos citar las siguientes: ‡ Se forman por puntos donde el potencial eléctrico tiene el mismo valor; ‡ Son perpendiculares a la dirección del campo eléctrico en cualquier punto; ‡ Generalmente forman contornos que rodean una carga de fuente.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 4 – Campo eléctrico, líneas de campo y líneas equipotenciales 1. OBJETIVOS General ‡ Asimilar definiciones básicas de la teoría de campo eléctrico estudiando el campo eléctrico entre láminas paralelas. Específicos ‡ Observar la naturaleza de las líneas de campo y las líneas equipotenciales; ‡ Estudiar el comportamiento del campo entre láminas paralelas; ‡ Comprobar experimentalmente que el campo entre láminas paralelas se mantiene constante. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ ‡ ‡ ‡

Kit de campo eléctrico entre láminas paralelas Electrodos de cobre y zinc; Multímetro digital; Fuente de voltaje 12V, 2A. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL

Realice el montaje (ver Figura 9) con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones: ‡ Montar los electrodos a los porta-electrodos y estos con la fuente; ‡ Montar los porta-electrodos sobre el recipiente transparente, uno en cada extremo separados por el lado más largo del mismo;

Figura 9 – a) Esquema del circuito b) Montaje del circuito

‡ Conectar el multímetro al porta-electrodo negativo dejando el polo positivo libre (para medir el voltaje en los puntos); ‡ Ubicar la hoja graduada debajo del recipiente transparente haciendo coincidir el lado izquierdo con el polo negativo. ‡ Todos los procedimientos se deben realizar bajo supervisión del técnico de laboratorio responsable de la actividad.

4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Una ilustración de las láminas paralelas con sus cargas positiva y negativa;  Los puntos de mayor y menor potencial en el esquema;  La dirección de las líneas de campo dentro de las láminas paralelas. Actividad 1 – Líneas de campo y líneas equipotenciales

Figura 10 – Esquema para caracterizar las líneas de campo y las equipotenciales

1. Suministre el voltaje de fuente al circuito para caracterizar el potencial eléctrico entre las láminas (electrodos); 2. Usando el esquema de la Figura 10, tome el voltaje en los puntos encerrados en recuadros y registre la medición sobre el mismo esquema tomando dos cifras significativas; Tabla 21 – Variación del potencial dentro de las láminas Dirección

Hay variación (si/no)

Tipo de línea

Horizontal Vertical

3. Use la Tabla 21 para identificar el tipo de línea (de campo o equipotencial) según la variación del potencial; 4. Ilustre sobre el esquema de la Figura 10 la ubicación de las líneas equipotenciales y la dirección de las líneas de campo.

Actividad 2 – Campo eléctrico de láminas de Zn y láminas de Cu 1. Tome el voltaje sobre los puntos indicados sobre el esquema de la Figura 11, usando los electrodos cobre, después los de zinc y registre los valores en la Tabla 22;

Figura 11 – Esquema para la toma de voltaje Tabla 22 – Resultados de la medición del voltaje e intensidad del campo Puntos n

1º

2º

3º

4º

5º

Distancia x, m

0,015

0,035

0,055

0,075

0,095

Láminas de Cobre Voltaje Vab, V Intensidad E, V/m Observación:

Láminas de Zinc Voltaje Vab, V Intensidad E, V/m Observación:

2. Calcule y registre en la Tabla 22 el valor de la intensidad del campo eléctrico:

V V En  V  n1 n , x xn1  xn

n  1...4;

3. Registre en la Tabla 22 el comportamiento del campo eléctrico de cada conjunto de láminas definiendo cuál generó mayor campo eléctrico; 4. Con los valores obtenidos en la Tabla 22 obtenga en Excel (o software afín) las gráficas de la variación del potencial con la distancia para las láminas de cobre y para las láminas de zinc; 5. Obtenga y registre en la Tabla 23 la intensidad del campo usando la fórmula de la pendiente m y tomando dos puntos referenciales A(xa; ya), B(xb; yb) de las gráficas obtenidas experimentalmente;

y y m  y  b a ; x xb  xa Tabla 23 – Campo eléctrico según la gráfica Láminas de Cobre Pendiente mCu, V/m Láminas de Zinc Pendiente mZn, V/m Observación:

Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. Explique con qué fenómeno físico se asocia el fenómeno campo eléctrico describiendo el principio que rige a cada fenómeno; 2. Al desplazar la carga q por el campo de una carga puntual desde el punto con mayor carga (+) al punto con menos carga (–), cómo y porqué varían: a) La intensidad del campo eléctrico E (E = k q / r2); b) La fuerza del campo eléctrico F (F = E q); c) El potencial eléctrico V (V = k q / r); 3. Al desplazar la carga q por el campo de láminas paralelas desde el punto con mayor carga (+) al punto con menos carga (–), cómo y por qué varían: a) La intensidad del campo eléctrico E (E = σ / εo); b) La fuerza F; c) El potencial eléctrico V; 4. ¿Qué diferencia fundamental existe entre el campo eléctrico de una carga puntual y el campo eléctrico entre láminas paralelas? 5. ¿A qué se conoce como líneas de fuerza del campo eléctrico y cómo están dispuestas (qué dirección toman)?; 6. ¿A qué se conoce como líneas o superficies equipotenciales del campo eléctrico y cómo están dispuestas (qué dirección toman)?; 7. Describa cómo desde la gráfica se puede ver la variación del campo eléctrico entre láminas paralelas. 8. ¿Cuál de las láminas generó mayor campo eléctrico y a qué se debe esta diferencia?

Caída de potencial Anteriormente se dijo que cuando se necesita determinar un campo eléctrico, a menudo es más fácil determinar primero el potencial. La Figura 8 muestra una ilustración del comportamiento de la energía potencial en los puntos a y b entre dos láminas paralelas. 1. Campo eléctrico de láminas paralelas Se considera lámina infinita con carga a aquella cuyas dimensiones son mucho mayores que la distancia entre esta y un punto del espacio donde se desea conocer la intensidad del campo. El campo eléctrico de una lámina infinita con carga superficial uniforme no depende del radio de acción sino únicamente de la permitividad del espacio libre y de la distribución de carga de la superficie, por lo tanto para un mismo material se mantiene constante. E  2 k 

 ; 2 0

  Distribución superficial de carga;  0  Permitividad del espacio libre. Al tener dos láminas infinitas de un mismo material pero con cargas opuestas, en los puntos ubicados entre las láminas existirá un campo eléctrico constante que resultará en la suma de los campos de ambas láminas tal como se ilustra en la figura obteniendo la siguiente expresión: E  E1  E2 

 . 0

Figura 12 – Campo eléctrico de láminas paralelas

2. Relación entre el campo eléctrico y el potencial eléctrico Se puede obtener el campo eléctrico a través del potencial eléctrico si se toma en cuenta las relaciones antes mostradas correspondientes a la energía potencial en un punto U, el potencial eléctrico V en ese punto y la definición de campo eléctrico E así:

El potencial V está definido como: V 

U ; q0

A su vez la energía potencial U se define por: U  Fr; Mientras el campo eléctrico define a la fuerza así: E 

Entonces: U  Fr  Eq0 r; V 

U Eq0 r   Er; q0 q0

F  F  Eq0 ; q0

V  E r  E 

V . r

Así el campo eléctrico en la región ubicada entre las láminas puede determinarse a partir de la diferencia de potencial (voltaje o tensión) entre dos puntos si se conoce la distancia a la cual se encuentran ubicados. 3. Principio de superposición de campos eléctricos El principio de superposición de campos eléctricos establece que el campo eléctrico de cualquier combinación de cargas es la suma vectorial de los campos producidos por las cargas individuales como se ilustra en la figura.

E  E1  E2  ...  En ;

Figura 13 – Principio de superposición de campos eléctricos

Una línea de campo eléctrico es una recta o curva trazada de modo que la tangente en cualquier punto está en la dirección del vector del campo eléctrico de ese punto.

Figura 14 – Dirección del campo E tangente a la línea de campo

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 5 – Potencial eléctrico, caída de potencial (voltaje) y campo eléctrico 1. OBJETIVOS General ‡ Estudiar la relación existente entre el potencial eléctrico, la caída de potencial (voltaje) y el campo eléctrico como fenómenos asociados a la interacción de cargas. Específicos ‡ Observar la variación horizontal y vertical de potencial eléctrico entre las láminas paralelas estableciendo el sentido de la caída de potencial y la dirección del vector campo eléctrico; ‡ Obtener las líneas de campo eléctrico dentro y fuera de las láminas paralelas usando el principio de superposición con las componentes obtenidas; ‡ Comprobar experimentalmente que el campo entre láminas paralelas se mantiene constante y fuera de las láminas se torna variable según el potencial eléctrico. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ ‡ ‡ ‡

Kit de campo eléctrico entre láminas paralelas Electrodos de cobre y zinc; Multímetro digital; Fuente de voltaje 12V, 2 A. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL

Realice el montaje (ver Figura 15) con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones: ‡ Montar los electrodos a los porta-electrodos y estos con la fuente; ‡ Montar los porta-electrodos sobre el recipiente transparente, uno en cada extremo separados por el lado más largo del mismo;

Figura 15 – a) Esquema del circuito b) Montaje del circuito

‡ Conectar el multímetro al porta-electrodo negativo dejando el polo positivo libre (para medir el voltaje entre los puntos); ‡ Ubicar la hoja graduada debajo del recipiente transparente haciendo coincidir el lado izquierdo con el polo negativo. ‡ Todos los procedimientos se deben realizar bajo supervisión del técnico de laboratorio responsable de la actividad. 43

4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Un diagrama de la hoja indicando los valores medidos y los puntos indicados para la medición;  Una ilustración de las láminas paralelas con sus cargas, líneas de fuerza y líneas equipotenciales. Actividad 1 – Potencial eléctrico y diferencia de potencial 1. Usando el esquema de la Figura 16 tome el potencial en los puntos sombreados con colores y registre la medición en los casilleros en la Tabla 24 y Tabla 25;

Figura 16 – Esquema para la toma de datos Tabla 24 – Intensidad del campo - Componentes horizontales Ex

Puntos Distancia x, m A’’

1º 0,015

2º 0,035

3º 0,055

4º 0,075

5º 0,095

V, V Ex, V/m V, V

A’

A C

Ex, V/m V, V Ex, V/m V, V Ex, V/m

Tabla 25 – Intensidad del campo - Componentes verticales Ey

0,00

Ey, V/m

0,02

V, V

Ey, V/m 0,00

V, V

0,04

Ey, V/m

A’

V, V

0,00

Ey, V/m

0,05

V, V

A’’

5º

Ey, V/m

4º

V, V

3º

Distancia y, m

2º

Puntos

1º

0,00

Actividad 2 – Diferencia de potencial y campo eléctrico 1. Calcule y registre el valor de las componentes horizontal Ex y vertical Ey del campo eléctrico entre punto y punto usando la expresión correspondiente:

Ex 

V V V Vx Vn1  Vn  ; Ey  y  m1 m ; x xn1  xn y xm1  xm

2. Usando una escala apropiada trace, sobre el esquema de la Figura 2, los vectores correspondientes a las componentes horizontal Ex y vertical Ey de campo eléctrico, partiendo de cada punto y en la dirección de la caída de potencial; 3. En cada punto aplique el principio de superposición con las componentes horizontal Ex y vertical Ey para obtener el vector campo eléctrico E en el esquema; 4. Dibuje sobre el esquema líneas continuas que pasen de una lámina a otra en la dirección de los vectores E obtenidos. Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. Explique con qué fenómeno físico se asocia el fenómeno campo eléctrico describiendo el principio que rige a cada fenómeno; 2. ¿A qué se debe la aparición de campo eléctrico en la dirección vertical en la zona fuera de las láminas paralelas?; 3. ¿Qué indica la componente vertical del campo eléctrico fuera de las láminas paralelas?; 4. ¿Cómo se obtiene el campo eléctrico en un punto si se conocen sus componentes vertical y horizontal?; 5. ¿Cómo se traza una línea de campo eléctrico en el espacio en donde están definidos los vectores de campo eléctrico?; 6. ¿A qué se conoce como líneas de fuerza del campo eléctrico y cómo están dispuestas (qué dirección toman)?; 7. ¿A qué se conoce como líneas o superficies equipotenciales del campo eléctrico y cómo están dispuestas (qué dirección toman)?; 8. ¿Qué indica la diferencia o caída de potencial V (V = Vb – Va) entre dos puntos de un campo eléctrico y cómo se denomina?

Capacitancia El campo eléctrico en cualquier punto de la región entre dos conductores es proporcional a la magnitud Q de carga en cada conductor. La diferencia de potencial (o tensión) Vab entre los conductores también es proporcional a Q. Si se duplica la magnitud de la carga en cada conductor, también se duplican la densidad de carga en cada conductor y el campo eléctrico en cada punto, al igual que la diferencia de potencial entre los conductores; sin embargo, la razón entre la carga y la diferencia de potencial no cambia. Esta razón se llama capacitancia C del capacitor (Apéndice A13). C

Q ; Vab

La función de un capacitor consiste básicamente en almacenar una carga que ha de ser utilizada luego en el circuito de manera similar a que lo hace un tanque de presión en un circuito hidráulico, esta analogía nos permite asociar el voltaje Vab con la presión del fluido y la corriente I con el caudal del mismo. 1. Conexión de capacitores en serie El circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los capacitores se conectan secuencialmente. 2. Conexión de capacitores en paralelo El circuito en paralelo es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de entrada de todos los capacitores coinciden entre sí al igual que sus terminales de salida.

Figura 17 – Esquema y características del circuito de capacitores en serie

Figura 18 – Esquema y características del circuito de capacitores en paralelo

3. Circuitos R-C En un circuito R-C el voltaje, la corriente y potencia del circuito cambia con el tiempo, a diferencia de los circuitos de resistencia, en los que estas características permanecen invariables con el tiempo.

Figura 19 – Esquema de un circuito R-C

Muchos dispositivos importantes incorporan circuitos en los que un capacitor se carga y descarga alternativamente. Estos incluyen marcapasos cardíacos, semáforos intermitentes, luces de emergencia de los automóviles y unidades de flash electrónico. 4. Carga y descarga de un capacitor Si tenemos un capacitor C descargado (VC =0) dentro de un circuito R-C este se puede cargar suministrando corriente al circuito. En un momento inicial (t =0) el voltaje VR de la resistencia R será igual al voltaje de la fuente (según la regla de Kirchhoff) obteniendo una corriente I0 (por la ley de Ohm). A medida que el capacitor se carga aumenta su voltaje VC haciendo que en el resistor el voltaje VR disminuya. I0 

VR ; R

Figura 20 – Variación del voltaje de un capacitor: a) durante la carga; b) durante la descarga

Cuando un capacitor C ha adquirido carga y se desconecta de la batería suministrando corriente al circuito, este se descarga a través del resistor. En un momento inicial (t =0) el capacitor C tendrá una carga Q0 (debida a la carga de voltaje) dando una corriente I0. I0 

Q0 ; RC

La gráfica muestra que el voltaje, durante la primera parte del tiempo de carga, aumenta rápidamente y luego su incremento es lento. Es decir, que en la mitad del tiempo la carga supera sustancialmente el 50% del total. De la misma manera se observa que durante la descarga el voltaje disminuye rápidamente, en la primera parte del tiempo, y luego su disminución es lenta. Entonces en la mitad del tiempo ha descargado más del 50% de su capacidad. Volviendo a la analogía del tanque a presión, la variación en el proceso de carga de un capacitor es similar al proceso de llenado de un tanque a presión, donde inicialmente el volumen de fluido bajo presión llena rápidamente el espacio y después, aumenta lentamente. De la misma manera durante la descarga el volumen de fluido se libera rápidamente en la primera parte del tiempo con mayor presión y después fluye lentamente.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 6 – Capacitancia, conexión, carga y descarga de capacitores 1. OBJETIVOS General ‡ Observar en la práctica experimental las características de un circuito con capacitores estudiando el comportamiento de los capacitores durante la carga y descarga. Específicos ‡ Estudiar la variación de las características del circuito de capacitores conectados en combinaciones en serie y paralelo estudiando las posibles aplicaciones de cada conexión; ‡ Obtener las líneas de carga y descarga de los capacitores estableciendo una relación de la variación del potencial con el tiempo que permita emitir un criterio de ambos procesos; ‡ Estudiar la variación del tiempo de carga en función del capacitor y en función de la resistencia. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

1 Caja de Conexión azul; 1 Conmutador; 2 Resistor de carbón 100kΩ / 47kΩ (82kΩ / 10kΩ); 2 Cables conectores l = 50cm, rojo y azul 4 Cables conectores l = 25cm, rojo y azul 4 Capacitores 470μF, 16V / 47μF, 63V / 0,22μF, (10nF) / 0,47μF, (47nF); 1 Fuente 12V, 2A; 2 Multímetros digitales; 1 Cronómetro digital. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL

Realice el montaje (ver Figura 21) con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones:

Figura 21 – Descripción del esquema para el circuito experimental

‡ Conectar a la fuente la resistencia R y el capacitor C como se indica en el esquema del circuito (Figura 21); ‡ Conectar el multímetro en paralelo con el capacitor para la medición de la tensión de carga; ‡ Conectar con el conmutador el capacitor con una salida a la resistencia y la otra con el polo positivo de la fuente. 50

â&#x20AC;Ą â&#x20AC;Ą â&#x20AC;Ą â&#x20AC;Ą

La tensiĂłn de la fuente de alimentaciĂłn es de 10V de corriente directa; Verificar la polaridad de los capacitores antes de conectarlos al circuito; Configure el multĂmetro para medir voltaje a la escala correspondiente; Tener presente que para iniciar el proceso de mediciĂłn es necesario activar simultĂĄneamente el circuito y el cronĂłmetro 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS:

En la hoja de datos tĂŠcnicos registre: ď&#x192;ź Los valores de resistencia R y capacitancia C para cada experimento; ď&#x192;ź El esquema y las caracterĂsticas de la conexiĂłn de capacitores en serie y en paralelo; ď&#x192;ź La capacitancia equivalente del circuito en serie y en paralelo; Tabla 26 â&#x20AC;&#x201C; Valores de los parĂĄmetros R y C Actividad 1 NÂş

Actividad 2 C, ___F

R, kÎŠ

C, ď F

470

Actividad 1 â&#x20AC;&#x201C; ConexiĂłn de capacitores en serie y paralelo 1. Use las fĂłrmulas de la Tabla 27 para obtener la capacitancia equivalente en serie y paralelo de los capacitores designados para esta actividad en la Tabla 26; Tabla 27 â&#x20AC;&#x201C; Capacitancia equivalente segĂşn el tipo de conexiĂłn En serie

1 đ??śđ??¸đ?&#x2018;&#x17E;

1 đ??ś1

En paralelo

1 đ??ś2

đ?&#x2018;Şđ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x2019; = đ?&#x2018;Şđ?&#x;? + đ?&#x2018;Şđ?&#x;?

C1 C1

C2 C2

đ??śđ??¸đ?&#x2018;&#x17E; đ??ś1 đ?&#x2018;Şđ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x2019; =

1 đ??ś2

đ?&#x2018;Şđ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x2019; = đ?&#x2018;Şđ?&#x;? + đ?&#x2018;Şđ?&#x;? = đ?&#x2018;Şđ?&#x2018;Źđ?&#x2019;&#x2019; =

2. Registre los resultados en la Tabla 28 y describa cĂłmo cambiĂł la capacitancia equivalente con respecto a los capacitores conectados: Tabla 28 â&#x20AC;&#x201C; Capacitancia equivalente obtenida mediante fĂłrmula ConexiĂłn

CEq , ___F

AumentĂł / DisminuyĂł

En serie En paralelo

3. Use una caja de conexión y el multímetro para medir la CEq de los capacitores conectados en serie y paralelo, compare con los resultados de la fórmula y registre las observaciones en la Tabla 29; Tabla 29 – Comparación de los resultados de la medición y de la fórmula

CEq , ___F Conexión

Valor de la Fórmula

Observaciones

Valor del Multímetro

En serie En paralelo

Actividad 2 – Voltaje de carga y descarga del capacitor 1. En el circuito de carga y descarga conecte la resistencia R 1 y el capacitor C1 designados para esta actividad en la Tabla 26; 2. Con el conmutador en la posición de descarga (hacia la resistencia R) lleve el multímetro a cero (cortocircuite el capacitor de ser necesario); 3. Pulse el conmutador a la posición de carga (hacia la fuente) y comenzando en cero tome el voltaje de carga VC en el capacitor cada 10 segundos; 4. Al llegar a 60 segundos regrese el conmutador a la posición inicial y tome el voltaje de descarga VD cada 10 segundos, registre la medición en la Tabla 30; Tabla 30 – Carga del capacitor C1 conectado a la resistencia R1

t, s

VC, V

VD , V

5. Usando los datos de carga y descarga de la Tabla 30 trace las gráficas de voltaje de carga y voltaje de descarga en función del tiempo;

Actividad 3 – Tiempo de carga del capacitor 1. Cargue los capacitores en las combinaciones mostradas en la Tabla 31, mida y registre en la tabla el tiempo que le toma al capacitor llegar a V C = 9V. Tabla 31 – Tiempo de carga de capacitores con distintas resistencias Combinación

R, kΩ

CEq , µF

R1 C 1

470

R1 C 2

R2 C 2

R2 C 1

470

t, s

2. Usando los datos de la Tabla 31 establezca la relación entre el tiempo de carga, la resistencia y el capacitor. Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN: 1. ¿Cómo funciona el capacitor en un circuito? 2. Al conectar capacitores en paralelo cómo varía: a. La capacitancia equivalente; b. El voltaje en cada capacitor; c. La carga de cada capacitor. 3. Al conectar capacitores en serie cómo varía: a. La capacitancia equivalente; b. El voltaje en cada capacitor; c. La carga de cada capacitor. 4. Describa la variación del voltaje de carga con el tiempo; 5. Describa la variación del voltaje de descarga con el tiempo; 6. ¿Cómo varía el tiempo de carga en el circuito al cambiar solo el capacitor?; 7. ¿Cómo varía el tiempo de carga en el circuito al cambiar solo la resistencia?

Corriente elĂŠctrica Una corriente elĂŠctrica es todo movimiento de carga de una regiĂłn a otra y se define como la carga neta que fluye a travĂŠs del ĂĄrea de secciĂłn de un conductor por unidad de tiempo. La unidad del SI para corriente elĂŠctrica es el ampere A (un coulomb por segundo, 1C/s). đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;&#x201E; đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą La corriente por unidad de ĂĄrea A de secciĂłn transversal de un conductor (ApĂŠndice A8) se đ??ź=

denomina densidad de corriente J: đ??˝=

đ??ź đ??´

1. Resistividad En un sentido perceptible la resistividad caracteriza la propiedad de uno u otro material de oponerse al flujo de la corriente elĂŠctrica. La resistividad Ď de un material se define como la razĂłn de las magnitudes del campo elĂŠctrico E y la densidad de corriente J y sus unidades en el SI son VÎ&#x2021;m /A o tambiĂŠn ÎŠ/m: đ?&#x153;&#x152;=

đ??¸ đ??˝

2. Ley de Ohm Para algunos materiales, especialmente los metĂĄlicos a una temperatura dada, el campo elĂŠctrico E es casi directamente proporcional a la densidad de corriente J, y la razĂłn entre estas magnitudes es constante (ApĂŠndice A9). Este es un modelo idealizado que describe muy bien el comportamiento de ciertos materiales, pero no es una descripciĂłn general de toda la materia. Un material que obedece razonablemente bien la ley de Ohm se llama conductor Ăłhmico o conductor lineal.

Figura 22 â&#x20AC;&#x201C; Modelo del conductor de secciĂłn transversal A

Debido a que la corriente I y la diferencia de potencial V son mucho mĂĄs fĂĄciles de medir que J y E y se pueden relacionar entre sĂ. 54

Si las magnitudes J y E son uniformes a travĂŠs del conductor, la corriente total estĂĄ dada por I=JA, y el voltaje entre los extremos es V=EL. đ?&#x2018;&#x2030; đ??ź đ??ż =đ?&#x153;&#x152; â&#x;šđ?&#x2018;&#x2030;=đ?&#x153;&#x152; đ??ź đ??ż đ??´ đ??´ Esto demuestra que cuando la resistividad es constante, la corriente es proporcional al đ??¸ =đ?&#x153;&#x152;â&#x2C6;&#x2122;đ??˝ â&#x;ş

voltaje. Esta expresiĂłn suele identificarse con la ley de Ohm. El contenido real de la ley de Ohm es la proporcionalidad directa (para ciertos materiales) de V con respecto a I, o de J con respecto a E. 13 12

Voltaje, Vab (V)

11 10 9 8

Resistor

Bombillo

6 5 0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

0.11

0.12

Corriente, I (A) Figura 23 â&#x20AC;&#x201C; Dependencia de V con respecto a I en un resistor y en un bombillo

3. Resistencia elĂŠctrica La razĂłn de V a I para un conductor particular se llama resistencia elĂŠctrica R, la unidad en el SI para esta magnitud es el ohm (1ÎŠ=1V/A). đ?&#x2018;&#x2030; đ??ź La resistencia estĂĄ relacionada con la resistividad del material conductor, su longitud y el đ?&#x2018;&#x2026;=

ĂĄrea de secciĂłn que atraviesa la corriente al pasar por ĂŠl (ApĂŠndice A10). AsĂ si un conductor mĂĄs largo ofrece mĂĄs resistencia que uno corto, y un conductor mĂĄs grueso ofrece menos resistencia que uno angosto de acuerdo a la siguiente relaciĂłn. đ?&#x2018;&#x2026;=đ?&#x153;&#x152;

đ??ż đ??´

Figura 24 â&#x20AC;&#x201C; RelaciĂłn entre la longitud, el diĂĄmetro y la resistencia elĂŠctrica

En forma anĂĄloga una manguera angosta ofrece mĂĄs resistencia al flujo que una ancha, y una manguera larga tiene mĂĄs resistencia que una corta. Se puede incrementar la resistencia al flujo si se rellena la manguera con algodĂłn o arena; esto equivale a aumentar la resistividad. La tasa de flujo del agua (caudal) es aproximadamente proporcional a la diferencia de presiĂłn entre los extremos de la manguera. La tasa de flujo es anĂĄloga a la corriente, y la diferencia de presiĂłn es anĂĄloga a la diferencia de potencial (voltaje). 4. Resistencia y temperatura Como la resistividad de un material varĂa con la temperatura, la resistencia de un conductor especĂfico tambiĂŠn cambia con la temperatura. Cuando se suministra voltaje la corriente crece proporcionalmente, segĂşn la ley de Ohm, hasta que alcanza un lĂmite donde la potencia del voltaje suministrado se vuelve calor en el conductor. Al aumentar la temperatura la ley de Ohm queda sin efecto y la dependencia de V con respecto a I no es proporcional. El filamento de un bombillo incandescente es una resistencia que experimenta este fenĂłmeno. Para intervalos de temperatura que no son demasiado elevados, esta variaciĂłn sigue aproximadamente una relaciĂłn lineal, anĂĄloga a la siguiente ecuaciĂłn: đ?&#x2018;&#x2026; = đ?&#x2018;&#x2026;0 [1 + đ?&#x203A;ź (đ?&#x2018;&#x2021; â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;&#x2021;0 )] Donde R es la resistencia a la temperatura T y R0 es la resistencia a la temperatura T0.

5. Implicaciones prácticas La ley de Ohm explica situaciones relacionadas con el uso de conductores para distribución de corriente en diversos circuitos, lo que permite tener una configuración efectiva, de los elementos que componen un circuito, para la función que desempeña. Podemos citar, por ejemplo, el caso de un circuito doméstico elemental (Apéndice A11), donde una de las tareas es suministrar la potencia P necesaria para el funcionamiento de las partes conectadas, que básicamente son el alumbrado y los tomacorrientes. Sabemos que la potencia es proporcional a la corriente (P = V·I). La potencia del circuito de alumbrado se define por la potencia de las lámparas conectadas a él, y está en el orden de los 100W. Así, para encender una lámpara de 60W con el voltaje referencial de 110V se requiere una corriente menor a 1A. Entonces según la ley de Ohm para que pase menos corriente I se debe poner más resistencia y elegimos un cable más angosto (de mayor calibre o calibre fino). La potencia de los tomacorrientes se define por la potencia de los equipos conectados a él, y está en el orden de los 1000W. Entonces, para conectar una plancha con el voltaje referencial de 110V se requiere una corriente cercana a los 10A. Entonces necesitamos que pase más corriente, según la ley de Ohm esto se consigue con menos resistencia y elegimos un cable más grueso (de menor calibre o calibre grueso).

Figura 25 – Esquema básico de distribución de la corriente en circuitos domésticos

Es claro que mientras más potencia requiera un aparato, más gruesos serán los cables del circuito que suministra corriente. Aunque el aumento de potencia también se consigue 57

aumentando el voltaje, como es el caso de los circuitos de 220V, al que se conectan aparatos con una potencia del orden de 10000W y que necesitarían una corriente cercana a los 50A. Si se elige un cable más fino que el necesario el circuito, no se suministra la potencia requerida por el aparato y podría causar daños. También se calentará el cable y podría provocar un cortocircuito. Si se elige un cable más grueso que el requerido suministrará más corriente de la necesaria y podría quemar el aparato. Para que los componentes del circuito no se quemen debe instalar a cada línea el interruptor automático adecuado para la corriente que suministra, de otro modo no se activará y quemará los equipos si el fusible es de mayor amperaje, o se activará impidiendo el paso del amperaje requerido por los aparatos conectado al circuito.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 7 – Resistencia y corriente eléctrica, ley de Ohm 1. OBJETIVOS General ‡ Estudiar la resistencia eléctrica de los conductores verificando el efecto de la ley de Ohm mediante la comparación de las resistencias obtenidas directamente (con instrumento) e indirectamente (con fórmulas). Específicos ‡ Caracterizar la resistencia de los elementos del panel de resistencias mediante la medición directa (con instrumento); ‡ Obtener mediante medición indirecta (con fórmulas) las resistencias de cada elemento del panel usando las características geométricas de los conductores (longitud y área de sección) y luego las del circuito eléctrico (voltaje e intensidad); ‡ Evaluar los valores obtenidos en las diferentes mediciones demostrando la veracidad de la ley de Ohm. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

1 Caja de conexión azul; 1 Interruptor; 1 Resistor de carbón 100Ω; 1 Bombillo12 V, 100 A; 1 Fuente 12V, 2 A; 3 Multímetros digitales; 1 Panel de Resistencias; 6 Cables conectores l = 50 cm, 3 azules y 3 rojos; 1Cable conector l = 100 cm, rojo. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL

Realice el montaje (ver Figura 26 y Figura 27) con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones:

Figura 26 – Esquema del circuito

‡ Use los cables rojos para conectar el interruptor con el polo positivo de la fuente y con un extremo del panel de resistencias; ‡ Use los cables azules para conectar el otro extremo del panel, con uno de los multímetros en serie hacia el polo negativo de la fuente para medir amperaje; 59

â&#x20AC;Ą Conecte el segundo multĂmetro en paralelo para la mediciĂłn del voltaje usando el cable rojo de 100cm y uno azul de 50cm. â&#x20AC;Ą En la caja de conexiĂłn montar la resistencia de 100ÎŠ y el bombillo, ambos en secciones separadas para la caracterizaciĂłn individual de la resistencia de estos elementos.

Figura 27 â&#x20AC;&#x201C; Montaje del circuito

4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos tĂŠcnicos registre: ď&#x192;ź Las caracterĂsticas de los alambres del panel de resistencia (Material, resistividad, diĂĄmetro, longitud); Actividad 1 â&#x20AC;&#x201C; Resistencia elĂŠctrica y caracterĂsticas del conductor 1. Mida previamente con el multĂmetro el RM valor de las resistencias de los alambres del panel, del resistor y del bombillo, luego registre los valores en la Tabla 32; Tabla 32 â&#x20AC;&#x201C; Valores medidos y calculados de las resistencias de prueba

NÂ° 1 2 3 4 5 6 7 8

Elemento Resistor

Resistencia DiĂĄmetro Resistividad medida de secciĂłn đ??&#x2020;, đ?&#x203A;&#x20AC;đ?&#x2019;&#x17D; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;´ , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;Ť, đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x17D;

ConstantĂĄn

49 x10 â&#x20AC;&#x201C; 8

LatĂłn Resistor Bombillo

6,7 x10 â&#x20AC;&#x201C; 8

1 0,5 0,7 0,7 0,35 0,5

Ă rea de secciĂłn đ?&#x2018;¨, đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;?

Longitud đ?&#x2018;ł, đ?&#x2019;&#x17D;

Resistencia teĂłrica đ?&#x2018;ł đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť = đ??&#x2020; , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;¨

1 1 1 2 1 1

Los cables de los comprobadores del multĂmetro tambiĂŠn ofrecen resistencia. Esto influye al medir la resistencia en los alambres, pues son de poca resistencia.

2. Calcule y registre en la Tabla 32 el valor teĂłrico de la resistencia de cada uno de los alambres RT en funciĂłn de su longitud y ĂĄrea A de secciĂłn: đ?&#x2018;¨=đ??&#x2026;

đ?&#x2018;Ťđ?&#x;? đ?&#x;&#x2019;

, đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x;? ;

đ?&#x2018;ł

đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť = đ??&#x2020; đ?&#x2018;¨ , đ?&#x203A;&#x20AC;.

Actividad 2 â&#x20AC;&#x201C; Resistencia elĂŠctrica y ley de Ohm 1. Mida y registre, para los voltajes de fuente Vab propuestos en la Tabla 33, la caĂda de potencial VMult y la intensidad de corriente IMult en las resistencias; 2. Obtenga y registre en la Tabla 33 el valor RÎŠ de la resistencia de cada elemento usando la ley de Ohm: Tabla 33 â&#x20AC;&#x201C; Resistencia de los elementos obtenida a partir del voltaje y la intensidad

NÂ°

Elemento

ConstantĂĄn

LatĂłn

Resistor

Bombillo

Voltaje de fuente đ?&#x2018;˝đ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x192; , đ?&#x2018;˝

Voltaje en la resistencia đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022; , đ?&#x2018;˝

Intensidad de corriente đ?&#x2018;°đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022; , đ?&#x2018;¨

Resistencia calculada Resistencia đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022; promedio đ?&#x2018;šđ?&#x203A;&#x20AC; = ,đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;šđ?&#x203A;&#x20AC; , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;°đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;

6 9 12 6 9 12 6 9 12 6 9 12 6 9 12 6 9 12 6 9 12 6 9 12

3. De acuerdo a la resistencia calculada mediante la ley de Ohm, explique en quĂŠ elementos de resistencia se cumple esta ley y obtenga un promedio; 4. Mediante los datos obtenidos en la Tabla 33 realice una grĂĄfica de la variaciĂłn del voltaje VMult con la intensidad de corriente IMult para el resistor y/o para el bombillo analizando cĂłmo varĂa la resistencia en cada caso. Tabla 34 â&#x20AC;&#x201C; EvaluaciĂłn de resultados obtenidos por la mediciĂłn y cĂĄlculo

NÂ°

Elemento

Resistencia Resistencia teĂłrica medida đ?&#x2018;ł đ?&#x2018;šđ?&#x2018;´ , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť = đ??&#x2020; , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;¨

Resistencia calculada đ?&#x2018;˝đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022; đ?&#x2018;šđ?&#x203A;&#x20AC; = ,đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;°đ?&#x2018;´đ?&#x2019;&#x2013;đ?&#x2019;?đ?&#x2019;&#x2022;

Diferencia đ?&#x153;šđ?&#x2018;ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;´ ,%

Diferencia đ?&#x153;šđ?&#x2018;ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x203A;&#x20AC;,%

1 2 3

ConstantĂĄn

4 5 6

LatĂłn

5. EvalĂşe y registre el error absoluto de la mediciĂłn directa e indirecta para las resistencias mostradas en la Tabla 34: |đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;´ | â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D;%; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť |đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;šđ?&#x203A;&#x20AC; | = â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D;%; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;ť

đ?&#x153;šđ?&#x2018;ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;´ = đ?&#x153;šđ?&#x2018;ťâ&#x2C6;&#x2019;đ?&#x203A;&#x20AC;

Realice un anĂĄlisis de la informaciĂłn obtenida durante la prĂĄctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Qué se entiende por resistividad del conductor? 2. Partiendo de los resultados de la Tabla 32 describa la variación de la resistencia: a) Al variar la longitud L del conductor; b) Al variar el diámetro de sección D del conductor; 3. ¿Qué parámetro influye más el diámetro o la longitud y por qué? 4. Partiendo de los resultados de la Tabla 33 describa la variación de la resistencia de: a) Los alambres de constantán; b) El alambre de latón; c) El resistor; d) El bombillo. 5. Proponga un fundamento teórico que explique por qué la resistencia en el bombillo aumenta considerablemente; 6. Explique la relación entre el aumento de voltaje y el aumento de temperatura en el bombillo; 7. Observando las gráficas del resistor y el bombillo ¿Qué tipo de dependencia se observa entre V e I? 8. Si tomamos un cable calibre 14 y un cable calibre 12 ¿cuál ofrece mayor resistencia y por qué? 9. Recomiende un calibre para: a) Circuitos de alumbrado doméstico sustentando su propuesta en base a la relación entre resistencia y amperaje (o potencia); b) Circuitos domésticos de tomacorrientes sustentando su propuesta en base a la relación entre resistencia y amperaje (o potencia). 10. Describa algunas características y aplicaciones del constantán y el latón.

Circuitos de corriente directa Son circuitos de corriente directa (CD) aquellos en los que el sentido de la corriente no cambia con el tiempo, como sucede en las linternas, los sistemas eléctricos de automóviles y algunos otros aparatos a batería. La energía eléctrica doméstica se suministra en forma de corriente alterna (CA) donde la corriente oscila hacia adelante y hacia atrás. Los principios para analizar redes se aplican a ambas clases de circuitos (Apéndice A14) 1. Conexión de resistencias en serie El circuito en serie es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de los resistores se conectan secuencialmente. 2. Conexión de resistencias en paralelo El circuito en paralelo es una configuración de conexión en la que los bornes o terminales de entrada de todos los capacitores coinciden entre sí al igual que sus terminales de salida.

Figura 28 – Esquema y características del circuito de resistencias en serie

Figura 29 – Esquema y características del circuito de resistencias en paralelo

3. Circuitos complejos Algunos circuitos no se pueden reducir a combinaciones sencillas en serie y en paralelo. Además de estos tenemos los circuitos “puente”, que se utilizan en muchos tipos diferentes de medición y sistemas de control. El análisis de esta clase de circuitos se hace posible si se utilizan dos principios conocidos como reglas de Kirchhoff (Apéndice A15). A continuación se ilustra una fuente de voltaje con fuerza electromotriz (fem, ε1) que carga una batería con una fem menor (ε2) y que suministra corriente a un bombillo caracterizado con una resistencia R.

Figura 30 â&#x20AC;&#x201C; Esquema y caracterĂsticas de un circuito con puente

4. Reglas de Kirchhoff La regla de las uniones afirma que la suma algebraica de las corrientes en cualquier uniĂłn es igual a cero. Una uniĂłn en un circuito es el punto en que se unen tres o mĂĄs conductores, estas tambiĂŠn reciben el nombre de nodos o puntos de derivaciĂłn. đ?&#x2019;?

â&#x2C6;&#x2018; đ?&#x2018;°đ?&#x2019;&#x160; = đ?&#x;&#x17D;:

đ?&#x2018;°đ?&#x;? + đ?&#x2018;°đ?&#x;? + â&#x2039;Ż + đ?&#x2018;°đ?&#x2019;? = đ?&#x;&#x17D;

đ?&#x2019;&#x160;=đ?&#x;?

De manera anĂĄloga al flujo de agua que entra en un sistema cerrado sale en el mismo volumen, la corriente elĂŠctrica que entra a una uniĂłn es igual a la que sale.

Figura 31 â&#x20AC;&#x201C; AnalogĂa de la tuberĂa de agua para la regla de Kirchhoff de las uniones

La regla de las espiras afirma que la suma algebraica de las tensiones (voltajes) en cualquier espira, incluso las asociadas con las fem y las de elementos con resistencia, debe ser igual a cero. Una espira en un circuito es cualquier trayectoria cerrada de conducciĂłn. Estas tambiĂŠn reciben el nombre de mallas. En la siguiente figura se presenta la convenciĂłn de signos para la aplicaciĂłn de la regla de las mallas, donde se toma como referencia la relaciĂłn entre el sentido de la corriente y la orientaciĂłn del recorrido establecido para la suma de los voltajes.

Figura 32 â&#x20AC;&#x201C; ConvenciĂłn de signos para las fem y para los resistores

5. Circuito “Puente Wheatstone” El circuito “Puente Wheatstone” es una configuración de resistencias que usa una resistencia variable conectadas de tal manera que permite valorar la resistencia de un elemento determinado

Figura 33 – Esquema para la conexión de las resistencias en el circuito

Figura 34 – Esquema para el análisis de las mallas y las uniones

Aplicando la regla de las espiras al esquema Aplicando la regla de las uniones al circuito del circuito cuando voltaje en el puente se y considerando que si no hay voltaje no hay vuelve nulo, se obtienen dos ecuaciones:

corriente se obtienen dos ecuaciones más:

V

i

 0:

Si Vcd  0 :

Espira ADC Rx ix  Vcd  R1i1  0

 0:

Si Vcd  0 :

Unión C:  Rx ix  R1i1 ;

Espira BDC R2 i2  Vcd  Rc ic  0

ix  iv  ic  0

 ix  ic ;

Unión D:  R2 i2  Rc ic ;

i1  iv  i2  0

 i1  i2 ;

Para resolver el sistema de ecuaciones se sustituyen las corrientes y se obtiene;

Rx i2   R1 ic  Rx Rc R    Rx  Rc 1 ;  R i R1 R2 R2 Rc ic  R2 i2  c  2  R2 ic   Rx ic  R1i2 

Las resistencias 1 y 2 son de un mismo Al

sustituir las resistencias por las

conductor y por lo tanto solo difieren en respectivas longitudes se obtiene: longitud;

L1   L1 A L1 R1  A    ;  L2  R2  L2 A L2 R2   A  R1  

Rx  Rc

L1 ; L2

Obtenemos así la fórmula para el cálculo de la resistencia RX usando la metodología propuesta con la ayuda del circuito puente de Wheatstone. 6. Código de colores de los resistores Un resistor es un dispositivo hecho para tener un valor específico de resistencia. La resistencia se indica con un código estándar que usa tres o cuatro bandas de colores cerca de un extremo (Apéndice A12). Las primeras dos bandas (comenzando por la banda más cercana a un extremo) son dígitos, y la tercera es un multiplicador. Si la cuarta banda está presente, indica la precisión (tolerancia); la ausencia de banda significa ±20%, una banda plateada quiere decir ±10%, y una dorada indica ±5%. Otra característica importante de un resistor es la energía eléctrica máxima que es capaz de disipar sin sufrir daños.

Figura 35 – Código de colores para valorar la resistencia en resistores

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 8 – Circuitos de corriente continua, puente de Wheatstone 1. OBJETIVOS General ‡ Aplicar en la práctica experimental las características de circuitos combinados de resistencias y las leyes de Kirchhoff para el cálculo de resistencias desconocidas. Específicos ‡ Observar el principio de funcionamiento de un circuito Puente de Wheatstone para el cálculo de resistencias desconocidas; ‡ Analizar la solución de las ecuaciones del circuito para el cálculo de resistencias desconocidas; ‡ Comparar los valores medidos para cada resistencia, con los valores que teóricamente poseen. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡ ‡

1 Regla puente con deslizador de medición; 1 Caja de Conexión azul; 4 Resistor de carbón: 2 de 100 Ω; 2 de 470 Ω 3 Resistor de carbón 220 Ω; 4,7 kΩ; 10 kΩ 1 Conjunto de 5 resistores Rx; 1 Panel de resistencias de alambre; 1 Fuente 5V, 1A; 1 Multímetro digital; 2 Cables conectores l = 25 cm, azul y rojo; 4 Cables conectores l=100cm, 2 azules y 2 amarillos. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL

Realice el montaje (ver Figura 36 y Figura 37) con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones:

Figura 36 – Esquema del circuito

‡ Identifique previamente las resistencias RC de comparación y RX desconocidas; ‡ Conecte a la fuente de 5V/1A la caja de conexión que contendrá las resistencias RC y RX en la forma indicada; ‡ Conecte la caja de conexión con la regla que contiene las resistencias R1 y R2 en forma de alambre fino separadas por el deslizador; 68

‡ Conecte el multímetro (puente) con el deslizador y el punto entre las resistencias RC y RX en la forma indicada; ‡ Seleccione la escala de voltaje para corriente continua; ‡ Verifique que el polo positivo de la fuente está conectado con el inicio de la regla (alambre) y con la resistencia RX; ‡ Para medir las resistencias de los alambres del panel conéctelos en la caja usando los cables de conexión.

Figura 37 – Montaje del circuito

4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Las resistencias RX dadas para la experimentación;  El cálculo de la resistencia RC (o la combinación de resistencias conectadas en serie o en paralelo para obtener un valor de RC). Tabla 35 – Valores de las resistencias desconocidas RX

RX1, Ω

RX2, Ω

RX3, Ω

RX4, Ω

RX5, Ω

330

15000

4700

150

680

Actividad 1 – Resistencia obtenida según el código de colores y la resistividad 1. Use el código de colores para establecer los valores de las resistencias desconocidas y registre los datos en la Tabla 36; Tabla 36 – Valores de RX en los resistores según el código de colores

RX1, Ω Color

Valor

RX2, Ω Color

Valor

RX3, Ω Color

Valor

RX4, Ω Color

Valor

RX5, Ω Color

Valor

Dígito Dígito Multiplicador Tolerancia Total:

Total:

2. Obtenga mediante fórmula la resistencia de los alambres del panel en la Tabla 37:

Tabla 37 â&#x20AC;&#x201C; Valores de RX en los alambres del panel

Alambre Resistor

NÂ° RX6 RX7 RX8 RX9 RX10 RX11

Resistividad đ??&#x2020;, đ?&#x203A;&#x20AC;đ?&#x2019;&#x17D;

ConstantĂĄn

49 x10 â&#x20AC;&#x201C; 8

LatĂłn

6,7 x10 â&#x20AC;&#x201C; 8

DiĂĄmetro de secciĂłn đ?&#x2018;Ť, đ?&#x2019;&#x17D;đ?&#x2019;&#x17D;

Longitud đ?&#x2018;ł, đ?&#x2019;&#x17D;

1 0,5 0,7 0,7 0,35 0,5

1 1 1 2 1 1

Resistencia teĂłrica đ?&#x2018;ł đ?&#x2018;šđ?&#x2019;&#x2122; = đ??&#x2020; , đ?&#x203A;&#x20AC; đ?&#x2018;¨

Actividad 2 â&#x20AC;&#x201C; Resistencia obtenida usando el circuito â&#x20AC;&#x153;Puente Wheatstoneâ&#x20AC;? 1. La resistencia RC estĂĄ dada en la Tabla 34 como un solo valor o la combinaciĂłn de n resistencias en serie o paralelo. Cuando la resistencia RC sea la combinaciĂłn en serie o paralelo de un nĂşmero n de resistencias, use las fĂłrmulas siguientes: a. En serie n

RC ď&#x20AC;˝ ď&#x192;Ľ Ri ď&#x20AC;˝ R1 ď&#x20AC;Ť R2 ď&#x20AC;Ť ... ď&#x20AC;Ť Ri ď&#x20AC;Ť ... ď&#x20AC;Ť Rn ; i ď&#x20AC;˝1

b. En paralelo n 1 1 1 1 1 1 ď&#x20AC;˝ď&#x192;Ľ ď&#x20AC;˝ ď&#x20AC;Ť ď&#x20AC;Ť ... ď&#x20AC;Ť ď&#x20AC;Ť ... ď&#x20AC;Ť RC i ď&#x20AC;˝1 Ri R1 R2 Ri Rn

2. Realice para cada RX la conexiĂłn de las resistencias siguiendo la combinaciĂłn propuesta en la Tabla 34 para cada una de ellas; 3. Moviendo el deslizador obtenga y registre en la Tabla 34 la longitud L1 (cuando la corriente que pasa por el puente se anula) tomando en cuenta las siguientes indicaciones; a. El multĂmetro debe ser llevado a cero moviendo el deslizador; b. El puente ofrece mayor precisiĂłn de lectura en la parte central de la regla; c. La resistencia de comparaciĂłn RC debe ser del orden de magnitud de RX. 4. Obtenga y registre en la Tabla 34 la longitud L2 y a resistencia RX:

L2 ď&#x20AC;˝ LA ď&#x20AC; L1 ; RX ď&#x20AC;˝ RC ď&#x192;&#x2014;

L1 ; L2 ;

Tabla 38 â&#x20AC;&#x201C; EvaluaciĂłn de resultados obtenidos por la mediciĂłn y cĂĄlculo

Resistencia RC, ÎŠ

Resistencia RX, ÎŠ

ConexiĂłn

RX1

470

-----

En paralelo

RX2

10000

4700

220

En serie

RX3

10000

-----

RX4

470

220

-----

En paralelo

RX5

470

100

En serie

RX6

-----

En paralelo

RX7

-----

RX8

-----

En paralelo

RX9

-----

En serie

RX10

-----

RX11

-----

En paralelo

Longitud Longitud L1, mm L2, mm

Resistencia medida RX, ÎŠ

5. Obtenga una grĂĄfica de la variaciĂłn del cociente L1 / L2 en funciĂłn de L1 ; 6. Registre en la Tabla 39 los valores para RX obtenidos en la Tabla 36, Tabla 37 y Tabla 34 para evaluar el error absoluto. đ?&#x153;šđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x192;đ?&#x2019;&#x201D; =

|đ?&#x2018;šđ?&#x2018;¨đ?&#x;? â&#x2C6;&#x2019; đ?&#x2018;šđ?&#x2018;¨đ?&#x;? | â&#x2C6;&#x2122; đ?&#x;?đ?&#x;&#x17D;đ?&#x;&#x17D;% đ?&#x2018;šđ?&#x2018;¨đ?&#x;?

Tabla 39 â&#x20AC;&#x201C; ComparaciĂłn de los resultados de la mediciĂłn

Resistencia R, ÎŠ

Rx, 1ÂŞ Actividad đ?&#x2018;šđ??&#x20AC;đ?&#x;?

Rx, 2ÂŞ Actividad đ?&#x2018;šđ?&#x2018;¨đ?&#x;?

đ?&#x153;šđ?&#x2019;&#x201A;đ?&#x2019;&#x192;đ?&#x2019;&#x201D; , %

RX1 RX2 RX3 RX4 RX5 RX6 RX7 RX8 RX9 RX10 RX11

Realice un anĂĄlisis de la informaciĂłn obtenida durante la prĂĄctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Qué condición nos permite obtener la relación para calcular RX en el circuito Puente Wheatstone? 2. ¿Cómo variamos la resistencia RC para calcular una resistencia desconocida RX? 3. ¿Cómo variamos la longitud L1 para calcular una resistencia desconocida RX con una misma resistencia RC? 4. ¿Por qué es necesario que la diferencia de potencial sea nula en el puente? 5. ¿Qué relación o fórmula nos permite definir el comportamiento de la corriente en el puente? 6. ¿Qué forma tiene la gráfica de la variación de L1 / L2 en función de L1? 7. ¿Qué función cumple el factor L1 / L2 en la determinación de la resistencia desconocida? 8. ¿Qué ventajas y desventajas tiene el factor L1 / L2? Argumente su respuesta 9. Explique cómo cambia la resistencia equivalente: a. En una conexión en paralelo b. En una conexión en serie

Campo magnĂŠtico Para asimilar este fenĂłmeno partimos de la descripciĂłn de las interacciones elĂŠctricas de las cargas: Una distribuciĂłn de carga elĂŠctrica en reposo crea un campo elĂŠctrico E en el espacio circundante. Este campo elĂŠctrico ejerce una fuerza F sobre cualquier otra carga q que estĂŠ presente en el campo. Las interacciones magnĂŠticas se describen de manera similar: Una carga o corriente mĂłvil crea un campo magnĂŠtico B en el espacio circundante (ademĂĄs de su campo elĂŠctrico E). El campo magnĂŠtico ejerce una fuerza F sobre cualquier otra carga o corriente en movimiento presente en el campo. Fuerza magnĂŠtica sobre una carga en movimiento La fuerza magnĂŠtica sobre una carga que se mueve tiene cuatro caracterĂsticas esenciales: â&#x20AC;Ą Es proporcional a la magnitud de la carga (a mayor carga q, mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es proporcional a la magnitud del campo (a mayor campo B mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es proporcional a la velocidad de la partĂcula (a mayor velocidad v mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es perpendicular al campo B y a la velocidad v. Esto es muy diferente de lo que sucede con la fuerza del campo elĂŠctrico, que es la misma sin que importe si la carga se mueve o no. Una partĂcula cargada en reposo no experimenta fuerza magnĂŠtica. La fuerza magnĂŠtica se expresa como un producto vectorial asĂ: â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014; đ??šâ&#x192;&#x2014; = đ?&#x2018;&#x17E;đ?&#x2018;Łâ&#x192;&#x2014; Ă&#x2014; đ??ľ Fuerza magnĂŠtica sobre un conductor con corriente La fuerza magnĂŠtica sobre un conductor con corriente (ApĂŠndice A16) tiene cuatro caracterĂsticas esenciales: â&#x20AC;Ą Es proporcional a la magnitud de la corriente (a mayor corriente I, mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es proporcional a la magnitud del campo (a mayor campo B mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es proporcional a la longitud del conductor (a mayor longitud l mayor fuerza); â&#x20AC;Ą Es perpendicular al campo B y a la direcciĂłn del conductor l. La fuerza magnĂŠtica sobre un conductor de longitud l con corriente I se define asĂ: â&#x192;&#x2014;â&#x192;&#x2014; đ??šâ&#x192;&#x2014; = đ??źđ?&#x2018;&#x2122;â&#x192;&#x2014; Ă&#x2014; đ??ľ

Al tratarse de un producto vectorial la disposición de los vectores se puede determinar por la regla del producto vectorial (regla de la mano derecha).

Figura 38 – Disposición de los vectores campo magnético B y fuerza magnética F

Líneas de campo magnético Son líneas imaginarias (no son líneas de fuerza) que permiten ilustrar la dirección del campo magnético en un punto determinado, siendo que en cada punto de ellas el campo magnético es tangente. Cuanto más saturadas se encuentren más intenso es el campo magnético en ese punto y en cada punto las líneas apuntarían en la dirección que apuntaría una brújula, es decir, están dispuestas saliendo del norte N y entrando hacia el sur S.

Figura 39 – Líneas de campo magnético en un imán y entre dos imanes

Campo magnético de un conductor con corriente El campo magnético de una carga en movimiento hace que al pasar corriente eléctrica por un conductor, se forme un campo magnético en su alrededor. El campo magnético total generado por varias cargas en movimiento es la suma vectorial de los campos generados por las cargas individuales. En un conductor con corriente I el campo magnético dependerá de la distancia al punto r donde se determina el mismo (a mayor distancia menor campo):

đ??ľ=

đ?&#x153;&#x2021;0 đ??ź 2đ?&#x153;&#x2039;đ?&#x2018;&#x;

Figura 40 â&#x20AC;&#x201C; Campo magnĂŠtico de un conductor con corriente

Campo magnĂŠtico de una espira con corriente (ElectroimĂĄn) Al formar una espira de un conductor por el que pasa corriente elĂŠctrica (ApĂŠndice A17), el campo magnĂŠtico que lo rodea se concentra en el nĂşcleo de la espira produciendo el efecto de un imĂĄn natural. La direcciĂłn del campo magnĂŠtico sobre el eje de una espira portadora de corriente estĂĄ dada por la regla de la mano derecha. Si se cierran los dedos de la mano derecha alrededor de la espira en la direcciĂłn de la corriente, el pulgar derecho apunta en la direcciĂłn del campo.

Figura 41 â&#x20AC;&#x201C; Campo magnĂŠtico de una espira con corriente

En una espira de radio a con corriente el campo magnĂŠtico estĂĄ definido por la relaciĂłn: đ?&#x153;&#x2021;0 đ??ź 2đ?&#x2018;&#x17D; Si se tiene una bobina que consiste en N espiras, todas con el mismo radio a y la separaciĂłn đ??ľ=

entre ellas es tan pequeĂąa que el plano de cada una estĂĄ prĂĄcticamente el mismo. Cada espira contribuye por igual al campo, y el total es N veces el campo producido por una sola espira. đ?&#x153;&#x2021;0 đ?&#x2018; đ??ź 2đ?&#x2018;&#x17D; Este principio da origen a distintas aplicaciones electromagnĂŠticas basadas en el sistema de đ??ľ=

un electroimĂĄn, cuya funciĂłn bĂĄsicamente se centra en la formaciĂłn de campo magnĂŠtico.

Figura 42 – Modelo de un electroimán

Inducción de la corriente eléctrica En la figura se muestra una bobina de alambre está conectada a un galvanómetro. Cuando el imán cercano está inmóvil, el medidor no indica corriente. Esto no es sorprendente, pues en el circuito no hay fuente de fem. Pero cuando el imán se mueve y se acerca o se aleja de la bobina, el medidor indica corriente en el circuito, pero sólo mientras el imán se halla en movimiento.

Figura 43 – Demostración del fenómeno de inducción de corriente en una bobina

Si el imán permanece fijo y es la bobina la que se mueve, otra vez se detecta corriente durante el movimiento. Esto se llama corriente inducida, y la fem correspondiente que se requiere para generarla recibe el nombre de fem inducida.

Si el flujo magnĂŠtico a travĂŠs de un circuito cambia, se inducen una fem y una corriente en el circuito. Un campo magnĂŠtico que varĂa en el tiempo actĂşa como fuente de campo elĂŠctrico. La ilustraciĂłn muestra el modelo de inducciĂłn del movimiento de cargas por un conductor, o corriente elĂŠctrica inducida.

Figura 44 â&#x20AC;&#x201C; Modelo de inducciĂłn de corriente en un conductor

Un imĂĄn fijo no induce corriente en una bobina, la inducciĂłn de la corriente se darĂĄ en uno de los siguientes casos: moviendo una bobina con corriente con respecto a la otra; variando la corriente en la bobina con interruptor o moviendo el imĂĄn con respecto a una bobina Si se tiene una bobina con N espiras idĂŠnticas y si el flujo varĂa a la misma tasa a travĂŠs de cada espira, la tasa total de cambio a travĂŠs de todas las espiras es N veces mĂĄs grande que para una sola espira. La fem total en una bobina con N espiras es: â&#x201E;° = â&#x2C6;&#x2019;đ?&#x2018;

đ?&#x2018;&#x2018;ÎŚđ??ľ đ?&#x2018;&#x2018;đ?&#x2018;Ą

La direcciĂłn de la fem inducida tambiĂŠn se puede definir por la regla de la mano derecha con la diferencia de que el sentido serĂĄ contrario debido al signo, asĂ si la variaciĂłn de flujo magnĂŠtico es creciente en una direcciĂłn, la fem tendrĂĄ una direcciĂłn contraria.

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 9 – Campo magnético y fenómenos electromagnéticos 1. OBJETIVOS General ‡ Reproducir observaciones experimentales que dieron origen a las actuales teorías del electromagnetismo. Específicos ‡ Analizar la naturaleza y disposición de las líneas de campo magnético ; ‡ Observar el proceso de inducción de corriente mediante un campo magnético que pasa por una bobina; ‡ Observar los procesos de transformación de energía mecánica en eléctrica y viceversa. 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ Grupo campo magnético; ‡ Grupo galvanómetro; ‡ Limalla, bobinas, imanes naturales, brújulas, lámina de papel tamaño A3, platos contenedores, grapas.; ‡ Fuentes de 12V y 5V; ‡ Cables conectores; ‡ Multímetros digital y analógico; ‡ Yugos metálicos en “I” y en “U”. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL Realice el montaje con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones: ‡ Debido al uso de limalla (partículas metálicas) no lleve las manos a los ojos ni a la boca durante la práctica; ‡ Un uso prolongado de la corriente podría calentar las bobinas y/o deteriorarlas, verifique que todos los equipos estén apagados luego de la manipulación. 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  El objeto o fenómeno de estudio de cada actividad;  Los elementos que dan origen a cada uno de ellos;  El voltaje en la fuente para el galvanómetro.

Actividad 1 – Campo magnético Ilustración de las líneas del campo magnético creado por un imán natural. Objetivo: Observar la naturaleza de las líneas de campo magnético. Materiales: Limalla; Imanes naturales; Lámina de papel; Brújulas, Grapas. Procedimiento: 1. Colocar los imanes naturales bajo la lámina y esparciendo luego la limalla uniformemente sobre la lámina; 2. Observar la disposición de las líneas de campo magnético de un imán y entre dos imanes naturales experimentando las combinaciones de polaridad; 3. Ilustrar (dibujar) la disposición de las líneas de campo magnético; 4. Comprobar la disposición de las líneas moviendo las brújulas entorno a los imanes; 5. Registrar lo que observó en el proceso con respecto a la polaridad de los imanes y las líneas de campo magnético.

N S

Figura 45 – Ilustración de las líneas de campo magnético: a) En un mismo imán; b) Entres polos opuestos de dos imanes; c) Entre polos iguales de dos imanes

Actividad 2 – Corriente Inducida Inducción de corriente eléctrica mediante desplazamiento de un imán natural por una bobina (espira). Objetivo: Observar con la ayuda del multímetro la corriente inducida por un campo magnético de un imán natural que pasa por una bobina (espira). Materiales: Imán natural; Bobinas; Cables de conexión; Multímetro analógico. Procedimiento: 1. Usar los cables de conexión para conectar la bobina al multímetro, configurándolo a una escala que permita observar el amperaje de la corriente inducida; 2. Acercar el imán natural a la bobina y luego alejarlo observando el multímetro; 3. Examinar la corriente inducida en función de los parámetros indicados; 4. Realizar el esquema del circuito; 5. Registrar las observaciones para el informe. Intensidad de la corriente inducida por: Medición 1: a) Mayor embobinado; b) Menor embobinado Ia=

Ib=

Medición 2: a) Mayor campo; b) Menor campo Ia=

Ib=

Medición 3: a) Movimiento rápido; b) Movimiento lento Ia=

Ib=

Medición 4: a) Alambre grueso; b) Alambre fino Ia=

Ib=

Figura 46 – Esquema del circuito eléctrico para corriente inducida

Observaciones:____________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _____________________________________________________________________

Actividad 3 – Electroimán Generación de un campo magnético dentro de una bobina (espira) por la cual circula corriente. Objetivo: Crear un electroimán mediante la generación de campo magnético en un yugo macizo metálico ubicado en el interior de una bobina (espira) haciendo circular corriente por ella. Materiales: Bobinas; Yugos metálicos en “I” y en “U”; Cables de conexión; Fuentes de 12V y 5V; Grapas; Grupo galvanómetro. Procedimiento: 1. Usar los cables de conexión para conectar la bobina a la fuente de voltaje; 2. Observar el comportamiento de la bobina con y sin el yugo acercando las grapas; 3. Examinar el campo creado en función de los parámetros indicados; 4. Realizar el esquema del circuito en la hoja de datos técnicos; 5. Observe y explique la composición y funcionamiento del grupo galvanómetro; 6. Registrar las observaciones para el informe. Intensidad de la corriente inducida por: Medición 1: a) Mayor embobinado; b) Menor embobinado ________________

_________________

Medición 2: a) Más corriente; b) Menos corriente ________________

_________________

Medición 3: a) Alambre grueso; b) Alambre fino ________________

_________________

Figura 47 – Esquema del circuito eléctrico para electroimán

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Cómo están dispuestas las líneas de campo magnético? 2. ¿Qué elementos facilitan la inducción de la corriente? 3. ¿Por qué el mayor embobinado induce más carga en movimiento? 4. ¿Por qué un imán induce menos carga en movimiento y otro induce más? 5. ¿Cómo influye la velocidad del movimiento en la inducción de la corriente? 6. ¿Cuál es el principio de funcionamiento de un electroimán? 7. ¿Cómo influye el embobinado en la formación de campo magnético y por qué? 8. ¿Qué sucede con el campo magnético formado en la bobina si aumentamos la corriente? 9. ¿Cómo influiría el diámetro del alambre en la formación de campo magnético? 10. ¿Cuál es el mecanismo de funcionamiento de un galvanómetro?

Aplicaciones del electromagnetismo Generador eléctrico En una estación generadora de electricidad, hay imanes que se mueven con respecto a bobinas de alambre para producir en ellas un flujo magnético variable y, por lo tanto, una fem. El sistema de un generador eléctrico o planta eléctrica (Apéndice A18) permite la transformación de energía mecánica de una fuente de movimiento en eléctrica generando corriente inducida. Los sistemas de este tipo utilizan generalmente energía de diversas fuentes, de donde obtienen el nombre las plantas eléctricas: centrales hidroeléctricas (corrientes de agua), centrales eólicas (corrientes de aire), centrales térmicas (vapor de alta presión), entre otras.

Figura 48 – Esquema del fenómeno y modelo de un generador eólico

En la imagen se ilustra el modelo de una espira girando entre dos imanes, es decir, la bobina se encuentra dentro de un campo magnético, lo cual permitirá inducir corriente. El generador posee en su interior una bobina (o conjunto de espiras) que gira entre imanes para inducir corriente por el conductor.

Figura 49 – Demostración del fenómeno de generación de fem inducida

Motor eléctrico

El sistema de un motor eléctrico (Apéndice A19) permite la transformación de energía eléctrica en mecánica según el principio del electroimán para producir movimiento. En un motor, un par de torsión magnético actúa sobre un conductor que transporta corriente, y la energía eléctrica se convierte en energía mecánica. Si el campo magnético de una espira con corriente se introduce dentro de otro campo magnético como efecto de las fuerzas de campo la espira tiende a moverse.

Figura 50 – Modelo del fenómeno con imanes naturales

Si se coloca una bobina por la cual pasa corriente en un eje de rotación (rotor) y luego se la introduce en un campo magnético (estator) se puede crear un mecanismo para producir movimiento. Al colocar un imán de barra sobre el estator, se consigue un motor de corriente continua, cuyo sentido de giro depende de la dirección de la corriente así como la del campo magnético del imán. Al sustituir el imán de barra por un conjunto de bobinas como electroimán, tal como se representa en la figura, se consigue el mismo efecto de rotación. El sentido de giro depende de la dirección de la corriente.

Figura 51 – Modelo del fenómeno con electroimanes

Al suministrar corriente a la bobina del rotor forma un campo magnético que puede interactuar con el campo del estator Galvanómetro El galvanómetro consta de una bobina, a la que se sujeta un mecanismo de medición hecho de un imán permanente conectado a un puntero. Cuando la corriente pasa a través de la bobina se forma un campo magnético dentro de ella cuya fuerza depende directamente de la corriente. El campo magnético desvía el imán permanente del mecanismo de medición con puntero de su posición de descanso. La dirección del puntero y la fuerza dependen del sentido de la corriente.

Figura 52 – Funcionamiento del galvanómetro

GUÍA DE LABORATORIO Práctica N° 10 – Electromagnetismo, generadores y motores 1. OBJETIVOS General ‡ Observar la aplicación que encuentran los fenómenos electromagnéticos tanto en la generación de corriente eléctrica como de energía mecánica. Específicos ‡ Describir el principio y los mecanismos que intervienen en el funcionamiento de los diferentes sistemas observados; ‡ Observar el comportamiento de cada sistema al momento de variar las condiciones iniciales de trabajo; ‡ Obtener la información necesaria que permita explicar el funcionamiento de cada sistema y la diversidad de sus aplicaciones en el ámbito laboral profesional; 2. MATERIALES Y EQUIPOS Verifique la disponibilidad de los siguientes materiales y equipos: ‡ Grupo generador: Soporte de base múltiple, Conjunto dínamo, Ventilador; ‡ Grupo motor: Bobinas, Conmutador, Imanes naturales; ‡ Fuentes de 12V, y de 5V; ‡ Cables conectores; ‡ Multímetros digitales; ‡ Yugo metálico en “U”. 3. MONTAJE DE LA PRÁCTICA EXPERIMENTAL Realice el montaje con la ayuda del técnico y las siguientes indicaciones: ‡ Un uso prolongado de la corriente podría calentar las bobinas y/o deteriorarlas, verifique que todos los equipos estén apagados luego de la manipulación. 4. PROCEDIMIENTO Y TABULACION DE DATOS: En la hoja de datos técnicos registre:  Las distancias para la ubicación del generador frente al ventilador;  El voltaje que suministra la fuente al motor eléctrico.

Actividad 1 – Sistema generador de corriente eléctrica Generación de energía eléctrica (corriente inducida) mediante el movimiento de una bobina (espira) dentro de un campo magnético. Objetivo: Generar corriente eléctrica, aprovechando el movimiento provocado por el viento sobre un sistema eólico (generador eólico), el cual comprende una bobina instalada en un mismo eje con un conjunto de aspas que al recibir el viento giran juntamente con la bobina dentro de un campo magnético induciendo la corriente. Materiales: Grupo generador: Soporte de base múltiple, Conjunto dínamo, Ventilador; Fuente de voltaje 12V; Multímetro digital. Procedimiento: 1. Usar los cables de conexión para conectar el conjunto dínamo con el multímetro y el ventilador con la fuente de voltaje; 2. Usar el soporte de base múltiple para ubicar el generador eólico frente al ventilador; 3. Tomar el voltaje generado en tres distancias distintas; 4. Realizar el esquema del circuito; 5. Registrar las observaciones. Voltaje generado: Corta distancia V1= Media distancia V2= Larga distancia V3=

Figura 53 – Esquema del circuito eléctrico para energía eléctrica a partir de energía mecánica

Actividad 2 – Sistema motor con imanes naturales Generación de energía mecánica (movimiento) mediante la interacción de los campos magnéticos de un rotor electroimán y un estator imán natural. Objetivo: Observar el proceso de transformación de energía eléctrica en energía mecánica (movimiento) mediante la interacción de un electroimán con un imán natural. Materiales: Grupo motor; Imanes naturales; Cables de conexión; Fuente de voltaje 12V; Multímetro digital. Procedimiento: 1. Usar los cables de conexión para conectar el grupo motor a la fuente con el multímetro en serie; 2. Coloque el imán natural sobre el estator; 3. Suministrar voltaje al rotor con las debidas precauciones observando el multímetro; 4. Tomar el amperaje en el circuito antes y durante la rotación; 5. Realizar el esquema del circuito en la hoja de datos técnicos; 6. Registrar las observaciones para el informe. Amperaje en el circuito: Antes de la rotación I0= Durante la rotación I1=

Figura 54 – Esquema del circuito eléctrico para energía mecánica con electricidad e imanes permanentes

Observaciones:____________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _______________________________________________________

Actividad 3 – Sistema motor con electroimanes Generación de energía mecánica (movimiento) mediante la interacción de los campos magnéticos de un rotor electroimán y un estator electroimán. Objetivo: Reproducir el proceso de transformación de energía eléctrica en energía mecánica (movimiento) mediante la interacción de electroimanes solamente. Materiales: Grupo motor; Bobinas, Imanes naturales; Cables de conexión; Fuente de voltaje 12V; Multímetro digital; Yugo metálico en U. Procedimiento: 1. Usar los cables de conexión para conectar las bobinas a la fuente con el grupo motor y el multímetro en serie; 2. Colocar el yugo metálico en U dentro de las bobinas y este conjunto sobre el estator; 3. Suministrar voltaje al rotor con las debidas precauciones observando el multímetro; 4. Tomar el amperaje en el circuito antes y durante la rotación; 5. Realizar el esquema del circuito en la hoja de datos técnicos; 6. Registrar las observaciones para el informe. Amperaje en el circuito: Antes de la rotación I0= Durante la rotación I1=

Figura 55 – Esquema del circuito eléctrico para energía mecánica con electroimanes

Observaciones:____________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _________________________________________________________________________ _______________________________________________________ Realice un análisis de la información obtenida durante la práctica exponiendo sus observaciones en el apartado de conclusiones en base a los objetivos planteados.

5. EVALUACIÓN Compruebe los conocimientos adquiridos respondiendo a las preguntas planteadas a continuación: 1. ¿Cómo se puede transformar el movimiento en energía eléctrica? 2. ¿Qué factores intervienen en la cantidad de energía eléctrica generada? 3. ¿Qué elementos deben interactuar para producir el giro en un motor eléctrico? 4. ¿Qué hace que la corriente en el circuito del motor caiga mientras gira? 5. ¿Cómo se puede sustituir el imán natural en un motor eléctrico? 6. ¿Qué pasa con el motor cuando las bobinas y el rotor se conectan en serie? 7. ¿Qué pasa con el motor cuando las bobinas y el rotor se conectan en paralelo?

APÃ&#x2030;NDICE

A1. HOJA DE DATOS TÉCNICOS Docente de aula:

Carrera:

Paralelo:

Técnico de laboratorio:

Semestre:

Fecha:

Estudiante:

PRACTICA N°:

FECHA MÁXIMA DE RECEPCIÓN DEL INFORME:

. .

TÍTULO DE LA PRÁCTICA:

CALIFICACIÓN:

DATOS TÉCNICOS

- Llene esta hoja con bolígrafo, no se admite manchas ni borrones de datos. - Todo informe deberá contener obligatoriamente esta hoja. 92

A2. MÁQUINA DE INDUCCIÓN

A3. GENERADOR DE VAN DE GRAAF

A4. FUENTES DE ALIMENTACIÃ&#x201C;N

A5. SIMBOLOGÍA DE CIRCUITOS

A6. CAMPO ELÃ&#x2030;CTRICO Y GRAVITACIONAL

A7. CAMPO ELÉCTRICO DE LÁMINAS PARALELAS

A8. CORRIENTE Y DENSIDAD DE CORRIENTE

A9. LEY DE OHM Y RESISTENCIA ELÃ&#x2030;CTRICA

100

A10. CORRIENTE, RESISTENCIA Y CONDUCTOR

101

A11. MODELO DE DISTRIBUCIÃ&#x201C;N DE CORRIENTE

102

A12. CÃ&#x201C;DIGO DE COLORES DEL RESISTOR

103

A13. CONEXIÃ&#x201C;N DE CAPACITORES

104

A14. CONEXIÃ&#x201C;N DE RESISTORES

105

A15. REGLAS DE KIRCHHOFF

106

A16. FUERZA MAGNÃ&#x2030;TICA

107

A17. FENÓMENOS ELECTROMAGNÉTICOS

108

A18. PRINCIPIO DEL GENERADOR ELÃ&#x2030;CTRICO

109

A19. PRINCIPIO DEL MOTOR ELÃ&#x2030;CTRICO

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BIBLIOGRAFÍA Serway, R. A., & Jewett, Jr., J. W. (2008). Física para ciencias e ingeniería con física moderna (7 ed., Vol. 2). México: Cengage Learning. Young, H. D., & Freedman, R. A. (2009). Física universitaria, con física moderna volumen 2 (12 ed., Vol. 2). México: PEARSON EDUCACIÓN.

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Manual de laboratorio de electricidad y magnetismo

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Campo eléctrico y magnético