• Author / Uploaded
• Christopher Stanton

• Categories
• Condensador
• Ciencias fisicas
• Ciencia
• Electricidad
• Cantidades fisicas

Citation preview

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

GUIA DE LABORATORIO Nº 4 ELECTROSTATICA Y CAPACITORES Objetivo. Experimentar las relaciones entre carga y voltaje así como conocer las propiedades básicas de los capacitores. Material a utilizar. 1 Conector de electrómetro para jaula de Faraday 1 Conector de electrómetro para capacitor de placas paralelas 1 Capacitor de placas paralelas ES 9043 3 Transportadores de carga ES 9057 1 Esfera conductora de 13 cm de diámetro ES 9059A 1 Electrómetro Pasco ES 9054B 1 Fuente de poder ES 9049A 1 Cartulina blanca de 23 x 22 cm 1 Conector banana – zapata 1 Jaula de Faraday ES 9042ª

Recomendación: Cerciórese que todos los aparatos estén apagados antes de iniciar la práctica. Pon atención al instructor para conocer el funcionamiento básico de los aparatos eléctricos, también observa todas las recomendaciones que el instructor les proporcionará para el buen manejo de los aparatos. FUNDAMENTO TEORICO El efecto jaula de Faraday provoca que el campo electromagnético en el interior de un conductor en equilibrio sea nulo, anulando el efecto de los campos externos. Esto se debe a que, cuando el conductor sujeto a un campo electromagnético externo, se polariza de manera que queda cargado positivamente en la dirección en que va el campo electromagnético, y cargado negativamente en el sentido contrario. Puesto que el conductor se ha polarizado, este genera un campo eléctrico igual en magnitud pero opuesto en sentido al campo electromagnético, luego la suma de ambos campos dentro del conductor será igual a 0. Se pone de manifiesto en numerosas situaciones cotidianas, por ejemplo, el mal funcionamiento de los teléfonos móviles en el interior de ascensores o edificios con estructura de rejilla de acero. Una manera de comprobarlo es con una radio sintonizada en una emisora de Onda Media o con teléfonos moviles. Al rodearla con un periódico, el sonido se escucha correctamente. Sin embargo, si se sustituye el periódico con un papel de aluminio la 1

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

radio deja de emitir sonidos: el aluminio es un conductor eléctrico y provoca el efecto jaula de Faraday. Este fenómeno, descubierto por Michael Faraday, tiene una aplicación importante en protección de equipos electrónicos delicados, tales como repetidores de radio y televisión situados en cumbres de montañas y expuestos a las perturbaciones electromagnéticas causadas por las tormentas. Además se tiene las siguientes consideraciones previas para la realización de la práctica con capacitores. Capacidad del condensador vacio C0 = ε0S/d Carga y densidad de carga Q = C0(Vf-Vi) Campo eléctrico E0 = σf/ ε0

σf = Q/S

Al introducir un material dieléctrico entre las placas del condensador la diferencia de potencial entre las placas disminuye Vf-Vi = Q/C El campo eléctrico en el espacio comprendido entre las placas del condensador es E = E0/k Podemos considerar este campo E, como la diferencia entre el campo E0 producido por las cargas libres existentes en las placas, y el campo Eb producido por las cargas inducidas en la superficie del dieléctrico, ambos campos son de signos contrarios. E = E0 – Eb = σf/ ε0 - σb/ ε0 Luego la densidad inducida en el dieléctrico es σb Experiencia Nº 1. Conecta el electrómetro a la jaula de Faraday como lo muestra la figura usando el conector de electrómetro para jaula de Faraday Selecciona en el electrómetro la escala de 10 V. Enciende el electrómetro. Frota los productores de carga (azul y blanco) e introduce uno de ellos en el cilindro interno de la jaula de Faraday evitando que toque sus paredes como lo muestra la siguiente figura

a. Anota la lectura del electrómetro. b. Retira el productor de carga y anota nuevamente la lectura del electrómetro. c. Explica el fenómeno que acabas de observar. Sugerencia: recuerda la Ley de Gauss. Ahora frota nuevamente los productores de carga e inserta el mismo productor de carga dentro de la jaula. Toca la pared interna de la jaula con el productor y retíralo. Procura

2

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

que el productor no toque ningún material cuando lo hayas retirado hasta que llegues al inciso c. a. Anota la lectura del electrómetro. b. Explica porque se mantiene un voltaje en el electrómetro. c. Descarga el electrómetro (presionando el botón inferior derecho) y vuelve a introducir el mismo productor de carga. ¿Qué valor indica el electrómetro? ¿Por qué? d. ¿Quedó alguna carga en el productor de carga después de tocar la jaula? Explica tus razones. Descarga los productores de carga (esto lo logras tocando la parte posterior de ellos a la parte externa de la jaula). Frota los productores de carga y con la ayuda del electrómetro y la jaula de Faraday, determina la magnitud y polaridad de sus cargas. Considera que la jaula tiene una capacitancia aproximada de 205 pF. Muestra tu procedimiento. Q blanco = Q negro =

Coulombs. Coulombs.

Descarga los productores de carga. Inserta ambos dentro de la jaula y frótalos cuidando no hacer tocar los productores con las paredes de la jaula. a. Sin retirar los productores de carga, anota la lectura obtenida del electrómetro. b. Retira uno de ellos y anota la lectura del electrómetro. c. Introduce el otro productor de carga y retira el que está dentro de la jaula y anota la lectura obtenida. d. Explica cada una de las lecturas obtenidas. Experiencia Nº 2 Apaga el electrómetro y desconéctalo de la jaula de Faraday. Ahora usa el conector de electrómetro para capacitor de placas paralelas y conéctalo al capacitor para placas paralelas como se muestra en la figura. Separa las placas del capacitor 2 mm.

Conecta la esfera conductora a la fuente de poder como lo muestra la figura. Separa aproximadamente un metro la esfera conductora del capacitor y del electrómetro de manera que no afecte en las mediciones. Enciende la fuente de poder a 1000 V. Enciende el electrómetro, éste debe tener una lectura inicial de 0 V, de no ser así presiona el botón de descarga del electrómetro. La esfera conductora que está conectada a la fuente, proporciona carga. Para transferir esta carga al capacitor use el transportador de carga (paleta negra) usando las recomendaciones del punto 5. Después une la paleta al capacitor como se muestra en la siguiente figura. 3

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

Al momento que se toca la placa del capacitor, se registra un voltaje en el electrómetro. Si es necesario, cambia la escala del voltaje. ¿Cuál fue ese voltaje? Repite la transferencia de carga 4 veces y regístralas en la tabla siguiente. Asegúrate de descargar el electrómetro cada vez que vayas hacer una medición. Trata de hacer las transferencias de la misma manera cada vez. # de medición

Voltaje

Promedio Anota el promedio de las 5 lecturas. Separa lentamente las placas a 10 mm, repite la transferencia de carga 5 veces más y anota el promedio de las lecturas.

# de medición

Voltaje

Promedio Notarás que si hiciste bien las mediciones, en promedio el voltaje aumentó. ¿Por qué? Explica detalladamente. 9. Calcula la capacitancia de las placas paralelas. Considera que cada placa tiene un diámetro de 20 cm, ε 0= 8.85 x 10-12 C2/Nm2 y que la constante dieléctrica es aproximadamente igual a 1 para el aire. Muestra tu procedimiento. Experiencia Nº 3. 4

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

Introduce el material dieléctrico entre las placas sin dejar espacios como se muestra a continuación. Repita la transferencia de carga 5 veces y obtenga el resultado promedio. # de medición

Voltaje

Promedio Notarás que hubo una variación de voltaje con respecto al obtenido en la experiencia 2 a pesar de que la separación entre las placas fue casi igual. ¿Por qué? ¿La constante dieléctrica de este material es mayor o menor que la del aire? ¿Por qué? Repita el procedimiento con otros materiales dieléctricos y realice comparaciones. Aplicación: Se conecta un condensador plano-paralelo a una batería de 10 V. Los datos del condensador son: El área de cada una de las placas es 0.07 m2 La distancia entre las mismas es 0.75 mm Calcular la capacidad del condensador vacio La carga Q y densidad de carga σf en las placas del condensador El campo eléctrico en el espacio comprendido entre las placas del condensador Se desconecta el condensador de la batería y se introduce un dieléctrico, por ejemplo baquelita k = 4.6 Calcule la capacidad del condensador y compare con su cálculo anterior Que ocurre con la diferencia de potencial entre las placas? Cuál es el campo eléctrico en el espacio comprendido entre las placas del condensador Calcule la densidad de carga inducida en el dieléctrico es σb Cuestionario Calcule la fuerza resultante sobre la carga q3.

Se tiene un campo eléctrico dado por E = 2iˆ −1ˆj + 2kˆ y se coloca una partícula en 3iˆ + 2ˆj con una carga Q = −5μC . Calcule la magnitud y la dirección de la fuerza producida sobre la partícula debido a este campo.

5

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

3. Dos esferas pequeñas e idénticas de masa m y carga q están suspendidas como lo muestra la figura. Encuentra el ángulo Ө que las cuerdas forman con la vertical una vez logrado el equilibrio. Sugerencia: considere Ө pequeño.

4. ¿Para que sirve un electrómetro? 5. ¿Qué es un dipolo eléctrico? 6. Describa como funciona un generador Van de Graaff. 7. Explique brevemente una aplicación de la electrostática. 9. ¿Cuándo se dice que un cuerpo está eléctricamente cargado? 10. ¿Qué es un dieléctrico? 11. Un capacitor de placas paralelas en el vacío tiene una separación entre placas de 5 mm y su área es de 2 m2. Calcule su capacitancia. 12. Dos capacitores idénticos están conectados (ver figura). Una lámina dieléctrica se introduce entre las placas de uno de ellos, manteniendo conectada la batería de modo que se conserva una diferencia de potencial constante. Describa lo que sucede con la carga, con la capacitancia, con la diferencia de potencial, con el campo eléctrico y la energía almacenada en cada capacitor.

13. Un capacitor de placas paralelas tiene placas circulares de 8.22 cm de radio y con una separación de 1.31 mm. A) Calcule la capacitancia. B) Qué carga aparecerá en las placas si se aplica una diferencia de potencia de 116 V? 14. Un capacitor de placas paralelas lleno de aire tiene una capacitancia de 51.3 pF. A) Si la superficie de sus placas mide 0.350 m2 ¿cuál es su separación?. B) Si la región entre las placas está ahora llena de un material que tiene una constante dieléctrica de 5.60 cuál es la capacitancia? 15. Un capacitor de placas paralelas lleno de aire tiene una capacitancia de 1.32 pF. Se duplica su separación y se introduce cera entre ellas. La nueva capacitancia es 2.57 pF. Encuentre la constante dieléctrica de la cera. BIBLIOGRAFÍA: Alvarenga, B y Máximo, A (1983). Física General con Experimentos Sencillos. Tercera Edición. México: Harla. Pág. 146-147. Blatt, F (1991). Fundamentos de Física. México: Prentice-Hall Hispanoamericana, S.A. Pág. 3-4. Degem Systems LTD. (1976). Experimentos de Laboratorio en Electricidad. Curso Básico 1. Israel: Degem. Pág. 18-23. Mileaf, H. Electricidad. Serie 1-7. Limusa S.A. México, 1998. Pág. 72-81 y Pág. 93-95.

6

U.A.J.M.S FAC. DE Cs Y TECNOLOGIA

DEPTO. ING. PETROLEO Y GAS LAB. DE FISICA III – VILLA MONTES

Serway, R. Física. Tomo II. Tercera Edición. McGraw-Hill-Interamericana, S.A. México, 1992.

7