Laboratorio de Física II: Ley de Coulomb, Condensadores y Campos Magnéticos, Guías, Proyectos, Investigaciones de Electromagnetismo

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Departamento de Física

Guías de

LABORATORIO DE FISICA

ELECTROMAGNETICA

Cecilio Mendoza Reyes

Cúcuta, 201 8

CONTENIDO

• Introducción
• Informe de laboratorio
• Mediciones eléctricas
• Ley de Coulomb
• Superficies equipotenciales
• Campo y potencial eléctrico
• Ley de Ohm
• Condensador de placas paralelas
• Asociación de resistencias
• Resistencia interna de un generador
• Resistividad eléctrica
• Carga y descarga de un condensador
• Leyes de Kirchooff
• Bobinas de Helmholtz
• Campo magnético terrestre

INFORME DE LABORATORIO

En el laboratorio de Física, los estudiantes no solo comprueban experimentalmente las

leyes fundamentales de la Física recibidas en sus actividades teóricas, sino que éste

tiene un papel importante en la formación educativa de los estudiantes. Dentro de las

tantas funciones del mismo, está la elaboración y discusión de un informe, donde los

estudiantes aplicarán los procedimientos y métodos del trabajo científico.

Para realizar un informe de laboratorio, se deben tener en cuenta los siguientes

aspectos:

1. Portada. Aquí se pondrá el título de la práctica que se está desarrollando. Se pondrá

el nombre y el código de quien o quienes participaron en la práctica.

3. Resumen. Se realizará un resumen del contenido del informe.

4. Objetivos. Es muy importante que queden bien declarados los objetivos que se

persiguen con el desarrollo de la práctica de laboratorio.

5. Desarrollo teórico. Se realizará un breve desarrollo teórico donde se fundamente

las leyes Físicas que serán demostradas en el laboratorio.

6. Detalles experimentales. En este punto, los estudiantes presentarán la metodología

usada para la adquisición de los datos experimentales. No debe reescribirse la guía.

7. Resultados experimentales. Acá se mostrarán los resultados obtenidos durante su

práctica de laboratorio de forma organizada, mediante tablas y resúmenes que indiquen

claramente las magnitudes medidas; así, como la incertidumbre de los instrumentos

usados para realizar las mediciones.

8. Procesamiento de datos. Los estudiantes procesarán los datos obtenidos en el

desarrollo de la práctica de laboratorio. Para esto utilizarán las ecuaciones de trabajo y

el método corroboración de resultados mediante el cálculo de errores.

9. Conclusiones. En las conclusiones de la práctica los estudiantes analizarán la validez

del experimento realizado y sus posibles fuentes de errores.

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Mediciones eléctricas

DEPARTAMENTO DE FISICA

LABORATORIO DE FISICA ELECTROMAGNETICA

MEDICIONES ELECTRICAS Objetivo General: Reconocer y utilizar el Multímetro Digital para medir algunos componentes básicos de los circuitos eléctricos como fuentes de voltaje, corrientes y resistores. Objetivos específicos

1. Aplicar el código de colores para determinar valores de resistencias eléctricas.
2. Realizar mediciones directas de resistencias con un multímetro.
3. Analizar circuitos eléctricos simples.
4. Realizar mediciones directas de Voltajes y Corrientes con un multímetro. Materiales:  Multímetro  Caja de conexiones  Resistencias  Conectores  Fuente de poder Teoría En general, en un circuito eléctrico se pueden realizar dos tipos de medidas eléctricas: medidas de corriente (I) y medidas de voltaje (V). Para realizar de manera correcta una medida eléctrica, no sólo es necesario disponer de la instrumentación adecuada, sino también saber cómo ésta debe ser colocada en el circuito bajo prueba, teniendo en cuenta la magnitud que deseemos caracterizar, y hacer una elección adecuada de la escala o rango de medida, de forma que consigamos la mejor medida dentro del rango de fiabilidad del instrumento. Aspectos que hay que tener en cuenta en los procesos de medida eléctrica de I y V con un multímetro (Figura 1): Figura 1.

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Mediciones eléctricas Procedimiento. PRIMERA PARTE A.- Código de colores.

1. Completa la siguiente tabla: Tabla 1. Código de colores Colores De Resistencias. Valor Colores De Resistencias. Valor Rojo-Marrón-Amarillo-Oro Marrón-Negro-Marrón-Oro Azul-Verde-Marrón-Plata Rojo-Naranja-Verde- Sin color Marrón-Negro-Oro-Oro Rojo-Rojo-Verde-Plata Marrón-Marrón-Naranja-Oro Naranja-Blanco-Rojo-Oro Verde-Azul-Amarillo-Sin color Naranja-Naranja-Negro- Plata Rojo-Negro-Oro- Oro Verde-Azul-Marrón- Sin color Naranja-Naranja-Naranja-Oro Marrón-Marrón-Marrón-Oro Marrón-Rojo-Oro- Plata Rojo-Marrón-Marrón- Plata Marrón-Rojo- Rojo-Oro Rojo-Rojo-Marrón - Oro Marrón-Negro-Rojo-Oro Rojo - Marrón-Verde- Plata B.- Medición directa de la Resistencia Tome el Multímetro y ponga la perilla en la posición de OHMs() que corresponda a la escala más alta. Seguidamente conecte las puntas de prueba (roja en el conector +V y negra al COM). Compruebe que el instrumento esté bueno, uniendo las puntas de prueba entre sí. Para las tres resistencias dadas, siga los siguientes pasos:
2. Determine los colores de cada una de ellas y consigne los datos en la Tabla 2. Tabla 2. Comparación de valores de Resistencias Resistor Colores Valor Teórico Valor Medido R 1 R 2 R 3
3. Determine el valor teórico para cada resistencia, según el código de colores. Anota los resultados en la tabla 2.
4. Tome el primer resistor y póngalo entre las puntas de prueba del óhmetro. Registre en la Tabla 3 el valor obtenido en la máxima escala. Si la lectura es pequeña, cambie a la escala inmediatamente inferior y registre la nueva lectura en la Tabla 3. No olvide tener en cuenta la escala (M, k, ).
5. De todas las lecturas obtenidas para el resistor en cada escala decida cuál es el valor más apropiado y regístrelo (Tabla 3) como el valor medido que corresponde a la resistencia y lleve este valor a la Tabla 2.

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Mediciones eléctricas Tabla 3. Medida de R con multímetro

5. Repita todos los pasos para cada uno de los tres resistores dados.
6. Compara el valor medido con el óhmetro, de las tres resistencias dadas, con el valor teórico. (Tabla 2). SEGUNDA PARTE C.-Medición de diferencia de Potencial (voltaje)
7. Tome el Multímetro, coloque la perilla en la escala más alta de Voltaje DC y verifique que esté activa la opción DC. Conecte las puntas de prueba (roja en el conector +V y negra al COM).
8. Encienda la fuente de voltaje y aplique 12 voltios DC.
9. Mida con el voltímetro la diferencia de potencial entre las salidas de la fuente (Figura 3). Figura 3. Figura 4.
10. Arme el circuito de la Figura 4 con la fuente en V=1 2 V y un resistor R 1 arbitrario. Mida la diferencia de potencial (voltaje) entre los extremos del resistor con las diferentes escalas de medida y registre los datos en la tabla 4. Determine el valor de este voltaje, teniendo en cuenta los registros tomados.
11. Modifique el circuito de la Figura 4 agregando un segundo resistor R 2 en serie con el primero como lo indica la Figura 5. Mida la diferencia de potencial entre los extremos del resistor uno y entre los extremos del resistor dos. Registre los valores como V 1 y V 2 respectivamente en la Tabla 5. Resistor R 1 R 2 R 3 Escala de 2 M Escala de 20 k  Escala de 2 k  Escala de 200 Valor Medido

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5. ¿Qué puede concluir de la suma de los valores de voltaje V1 y V2 comparados con VAB de la tabla 3?
6. ¿La corriente I que circula por un circuito depende del voltaje aplicado?
7. Cuál debe ser el criterio para escoger la escala más apropiada cuando se va a medir un Voltaje o una Intensidad de corriente.
8. ¿Cuál es el fundamento por el cual para medir una corriente debe colocarse el amperímetro en serie con el elemento en cuestión?
9. ¿Porque debe colocarse el voltímetro en paralelo con el elemento de referencia para medir una diferencia de potencial?
10. En un gráfico indique cómo se deben conectar dos medidores para medir simultáneamente la corriente y el voltaje en el circuito de la figura 4.
11. Incluya en el informe las tablas 1,2 y 3 debidamente diligenciadas.

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MEDICIONES ELECTRICAS Fecha: __________________ Hora: __________ Profesor _____________________ Nombre de los integrantes del Grupo: Código alumno:

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DATOS OBTENIDOS

Tabla 4. Medida de V en la Resistencia R 1 Tabla 5. Medida de V en Resistencias Tabla 6. Medida de Corriente Tabla 7. Medida de Corriente Circuito Figura 4 V Escala máx de 1000 V Escala de 200 V Escala de 20 V Escala de 2 V Valor Voltaje Circuito Figura 5. V Voltaje en R 1 = V 1 Voltaje en R 2 = V 2 VAB V 1 + V 2 = Circuito Figura 6 I Escala máxima de 20 A Escala de 20 0 mA Circuito Figura 7 I Valor corriente punto 1 Valor corriente punto 2 Valor corriente punto 3

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Ley de Coulomb El valor de la constante de proporcionalidad ε 0 (permisividad eléctrica) depende de las unidades en las que se exprese F , q 1 , q 2 y r. En el Sistema Internacional de Unidades de Medida su valor es: ε 0 = 8.85 x 10-^12 C^2 / Nm^2 Es importante tener en cuenta:

1. La materia contiene dos tipos de cargas eléctricas denominadas positivas y negativas. Los objetos no cargados poseen cantidades iguales de cada tipo de carga.
2. Cuando un cuerpo transfiere carga a otro, uno de los cuerpos queda con exceso de carga positiva y el otro, con exceso de carga negativa. En cualquier proceso que ocurra en un sistema aislado, la carga total o neta no cambia.
3. Los objetos cargados con cargas del mismo signo, se repelen y los objetos cargados con cargas de distinto signo, se atraen. Procedimiento Una pequeña carga eléctrica se coloca a una cierta distancia frente a una placa de metal conectada a tierra. Por inducción electrostática, se crea una carga imagen (Figura 2), la cual genera un campo eléctrico en el punto donde está situado el medidor. La fuerza electrostática que actúa sobre la carga se puede medir con un dinamómetro de torsión sensible. Figura 2. Considerando 𝑎 la distancia de la carga a la placa, la distancia entre las cargas es 𝟐𝒂 y la fuerza F entre ellas está dada por: F = 1 4 𝜋𝜀 0 𝑞^2 ( 2 𝑎)^2 ; entonces F = 1 16 𝜋𝜀 0 𝑞^2 𝑎^2

Relación entre la fuerza eléctrica y la carga.

1. Realice el montaje mostrado en la figura 3.
2. Nivele la balanza de torsión, adicionando masas si es necesario. Ajuste la posición con la perilla de la parte inferior del dinamómetro
3. Ajuste el dinamómetro a cero con la perilla superior.
4. Coloque la esfera metálica de la balanza a 4 cm de la placa.
5. El amplificador debe estar en posición Q y en la escala 1-10nAs.

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Ley de Coulomb

6. Coloque el medidor de carga eléctrica (multímetro) en la escala de 20V y ajuste la lectura a cero, manipulando el botón de calibración fina. El rango de medida para las lecturas de carga eléctrica debe ajustarse con los botones ubicados en la parte superior derecha del electrómetro. Figura 3.
7. Cargue la esfera externa con un potencial de 12 KV y ubíquela muy cerca de la esfera de la balanza, de tal manera que sea atraída por ésta hasta tocarla y de esta forma adquirir carga eléctrica. La esfera de la balanza debe moverse hacia la placa y quedar en equilibrio.
8. Retire la esfera externa conectada a la fuente.
9. Mueva la perilla del dinamómetro (parte superior) hasta que retorne la balanza a la posición inicial y mida inmediatamente la carga de la esfera de la balanza.
10. Registre el valor de la fuerza que marca el dinamómetro y la carga de la esfera en la tabla
11. Descargue todo el sistema (placa metálica, esfera de la balanza y esfera medidora de carga), antes de tomar una nueva medición.
12. Repita el procedimiento para los diferentes potenciales de carga que se muestran en la tabla 1.
13. Varíe la distancia entre la esfera cargada y la placa, (6 cm y 8 cm) y repita todo el procedimiento para cada una de estas distancias y lleve estos datos a las tablas 2 y 3. Análisis:
14. Calcule el valor de q^2 en las tablas 1, 2 y 3.
15. En el mismo sistema cartesiano dibuje las gráficas de F contra q^2 para cada una de las distancias.
16. ¿Cómo es la relación ente la Fuerza y q2?
17. Determine la pendiente de cada una de estas gráficas, y con este valor calcule el valor de ε en cada caso.
18. Encuentre el valor promedio de ε con su incertidumbre.
19. La cantidad de carga obtenida en el proceso de inducción por la esfera ¿es igual a la cantidad de carga que posee el elemento inductor? Explique.
20. ¿Por qué podemos obtener tan solo una carga inducida limitada, cuando el número de electrones móviles en la placa es extremadamente grande?

Guías Laboratorio de Física II - Superficies equipotenciales

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SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Objetivo General:

Determinar las líneas de campo eléctrico y de potencial electrostático producidas por diferentes

distribuciones de carga eléctrica.

Objetivos específicos

1. Observar experimentalmente la formación de líneas equipotenciales para diversas distribuciones de carga (electrodos).
2. Dibujar las líneas de campo eléctrico entre los electrodos y comprobar que ellas son mutuamente ortogonales con las líneas equipotenciales.
3. Establecer las características generales que poseen las líneas de campo y las líneas equipotenciales para un conjunto de electrodos dados. Materiales:  Cubeta electrostática  Fuente de poder  Multímetro  Conjunto de electrodos  Papel milimetrado Teoría A.- Carga eléctrica Las cargas eléctricas no precisan de ningún medio material para ejercer su influencia sobre otras, de ahí que las fuerzas eléctricas sean consideradas fuerzas de acción a distancia. Cuando en la naturaleza se da una situación de este estilo, se recurre a la idea de campo para facilitar la descripción, en términos físicos, de la influencia que uno o más cuerpos ejercen sobre el espacio que les rodea. B.- El campo eléctrico. El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas, es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, de atracción o de repulsión sobre ella. C.- Superficies equipotenciales. Se define como el lugar geométrico de todos aquellos puntos que tienen el mismo potencial eléctrico. Dichas superficies equipotenciales siempre se pueden representar mediante líneas generalmente concéntrica que van perpendiculares a las líneas de campo eléctrico.(Figura 1)

Guías Laboratorio de Física II - Superficies equipotenciales Figura 1. En una configuración de cargas eléctricas, existen conjuntos de puntos que están a un mismo potencial. Estos conjuntos de puntos conforman superficies denominadas superficies equipotenciales. Si se conocen las superficies equipotenciales de una configuración de cargas dada, es posible hallar a partir de ellas, las líneas del campo eléctrico generadas por la configuración. La componente del campo eléctrico a lo largo de una superficie equipotencial es cero. Es decir, las líneas de campo eléctrico son perpendiculares a las superficies equipotenciales en todo punto Procedimiento. En este experimento se van a determinar superficies equipotenciales en la región comprendida entre dos electrodos conectados a una fuente de voltaje (ver figura 2 ). El agua, permite el paso de pequeñas cantidades de corriente entre los electrodos, formándose con ello un medio conductor en donde se produce y se puede medir una diferencia de potencial entre cualquier par de puntos a y b. Para cada una de las configuraciones de electrodos de la figura 2 : Figura 2

1. Arme la cubeta como se muestra en la figura 3.

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Campo y potencial eléctrico

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CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICO Objetivo General: Determinar la relación entre la intensidad del campo eléctrico y la diferencia de potencial para una esfera conductora. Objetivos específicos

1. Determinar la relación entre la intensidad del campo eléctrico y el potencial eléctrico, a una distancia fija r, medida desde el centro de una esfera conductora.
2. Determinar la relación entre la intensidad de campo eléctrico y la distancia r, medida desde el centro de una esfera conductora, cuyo potencial eléctrico se mantendrá constante. Materiales:  Sensor de campo eléctrico  Placa de capacitor  Fuente de alto voltaje 0 - 25 KV  Esfera conductora de 4 cm de diámetro  Varilla aislante  Multímetro  Cables de conexión  Fuente de alimentación Teoría En todo conductor eléctrico la carga eléctrica se distribuye sobre su superficie; el campo eléctrico en su interior es cero y el trabajo neto efectuado sobre una carga de prueba por la superficie para cualquier trayectoria interior será cero. Esto significa que en el interior de la esfera el potencial eléctrico es constante e igual al de su superficie. Para una esfera conductora de radio R, con carga distribuida Q, el potencial eléctrico V en su superficie (y en su interior) se puede determinar mediante la expresión:

La carga Q en la superficie de la esfera es:

Para distancias mayores que R, (r > R) la esfera se comporta como una carga puntual y el potencial eléctrico 𝑉 ′^ resulta ser:

𝑉 ′^ =

Combinando las dos ecuaciones (1) y (2) se puede demostrar que:

Guías Laboratorio de Física II - UFPS Campo y potencial eléctrico

𝑉 ′^ =

La magnitud E del campo eléctrico, para un punto a una distancia r del centro de una esfera conductora de radio R, donde r > R, está dada por:

𝑟^2

Como la carga en la superficie de la esfera conductora es Q = 4𝜋𝜀 0 𝑅 V, la magnitud del

campo eléctrico sería: 𝐸 = 𝑅 𝑟^2 𝑉 y 𝑉 ′^ = 𝐸 𝑟 En esta práctica, para medir el campo eléctrico, se utiliza una placa que se coloca con un medidor de campo eléctrico (ver montaje), con el fin de obtener una distribución de campo sin distorsiones. Esto hace que por inducción electrostática, se crea una carga imagen (Figura 1), la cual genera un campo igual en el punto donde está situado el medidor. Por lo tanto, el valor leído en el medidor de campo eléctrico corresponde al doble del valor real del campo en cada medición. (Emedido = 2 Ereal) E = 1 4 𝜋𝜀 0 2 𝑄 𝑟^2 Figura 1 Procedimiento.

1. Realice el montaje mostrado en la figura 2. Figura 2.