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GU´ IA DE LABORATORIO DEPARTAMENTO DE CIENCIAS NATURALES ´ AREA DE F´ ISICA

LAB 01 ´ UNDECIMO 2017

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ´ PRACTICA DE LABORATORIO NUMERO 01 ´ ´ ´ LINEAS EQUIPOTENCIALES Y LINEAS DE CAMPO ELECTRICO

1.

Introducci´ on

El concepto de campo fue desarrollado por Michael Faraday (1791-1867). Existe un campo el´ectrico en la regi´ on del espacio que rodea a un objeto con carga: la carga fuente. Cuando otro objeto con carga −la carga de prueba− entra en este campo el´ectrico, una fuerza el´ectrica act´ ua sobre ´el. Ademas todos los puntos en un plano perpendicular a un campo el´ectrico uniforme tienen el mismo potencial el´ectrico. A cualquier superficie formada por una distribuci´ on continua de puntos con el mismo potencial el´ectrico se le denomina superficie equipotencial. Las superficies equipotenciales de un campo el´ectrico uniforme consisten en una familia de planos paralelos, todos ellos perpendiculares al campo. Si la simetria esferica, las lineas equipotenciales ser´ an radiales.

2.

Procedimiento experimental Usted debe medir la diferencia de potencial en el espacio entre dos electrodos cargados: uno positivo y el otro negativamente, para al menos tres de las siguientes cuatro configuraciones: • Dos cargas puntuales. • Dos barras planas paralelas. • Una carga puntual y una barra plana. • Una carga puntual en el centro de un aro met´alico.

la configuraci´on con dos electrodos para cargas puntuales y agregue agua de la llave suficiente hasta que apenas quede cubierta la paca, teniendo cuidado de no llenar demasiado la cubeta con agua para que no se derrame por fuera del recipiente. • Use el volt´ımetro para medir el voltaje en la fuente. Encienda la fuente y con el volt´ımetro conectado gire la perilla de la fuente hasta que tenga un voltaje de alrededor de 10 V. Apague la fuente y desconecte el volt´ımetro. • Ahora usando dos cables de conexi´ on conecte el electrodo rojo (+) y el electrodo negro (-) disponibles en la cubeta con agua con los terminales respectivos de la fuente.

Primera Configuraci´ on: Dos cargas puntuales • Tome el contenedor de pl´ astico (cubeta) y coloque en el fondo la placa de acr´ılico que tiene

• Ahora conecte dos cables de conexi´ on para medir voltaje en el volt´ımetro de modo que el cable del electrodo negativo se conecte con el respectivo electrodo negativo que est´a en la cubeta con agua. El otro electrodo positivo va a corresponder a nuestra ?punta de prueba? y por lo tanto corresponde al cable de conexi´on que termina en punta, la cual se deja libre y es con la cual variaremos la posici´on sobre la placa de acr´ılico para medir el respectivo voltaje en cada posici´ on. Observe la siguiente figura:

mar el agua en cada cambio. • No olvide al final de sus medidas dejar la cubeta pl´astica sin agua y totalmente seca.

3.

An´ alisis y Conclusiones Preguntas de ayuda para realizar las conclusiones:

• Tome ahora papel milim´etrico y marque en ella la posici´on de los dos electrodos. Los puntos marcados en ella le permitir´ an ubicar de manera adecuada los puntos sobre la placa de acr´ılico en su circuito para los cuales la DIFERENCIA DE POTENCIAL con respecto al electrodo NEGATIVO es siempre la misma. • Ahora si encienda la fuente ya calibrada en 10 V. En este punto tenga en cuenta de que NUNCA los dos electrodos que provienen de la fuente tengan contacto directo entre s´ı. Observe ahora que al mover la punta de prueba o ?sensor? de su electrodo positivo proveniente del volt´ımetro indica el valor del voltaje en cada regi´on de la superficie sobre la placa. Busque entonces con la punta de prueba inicialmente regiones alrededor del electrodo negativo que indiquen un voltaje de 2V. Traslade y marque con un l´ apiz sobre la cuadricula de papel esos puntos. Identifique tantos puntos como sea necesario con ese voltaje que le permitan a usted posteriormente dibujar la l´ınea equipotencial formada para ese valor de 2V. No se preocupe si sus dedos tocan el agua ya que la corriente que circula por ella es muy baja, as´ı que no hay peligro de descargas el´ectricas; pero evite a toda costa producir derrames de agua sobre los equipos, ya que usted ser´a el directo responsable si ocurre alg´ un da˜ no. • Repita el mismo procedimiento anterior para 3V, 4V, 5V, 6V, 7V y 8V. En cada caso, distinga los puntos que marca sobre el papel con un signo diferente: bolitas, estrellas, asteriscos, con colores, etc. de modo que se puedan visualizar claramente todos los correspondientes a la misma diferencia de potencial, para esta primera configuraci´ on en la misma hoja de papel. • Repita el mismo procedimiento para otras dos configuraciones de electrodos, evitando derra-

Para cada una de las tres configuraciones de electrodos dibuje las l´ıneas equipotenciales para cada valor de voltaje. Analice y discuta en cada caso la forma y distribuci´on de esas l´ıneas. Por ejemplo: Hay mayor densidad de l´ıneas en ciertas regiones? En qu´e casos esas l´ıneas son rectas o presentan una mayor curvatura? Hay alguna relaci´on entre la forma del electrodo y las l´ıneas equipotenciales? Esas l´ıneas corresponden, en cuanto a su forma y distribuci´on, a lo esperado en la teor´ıa? Si hay diferencias a qu´e factores experimentales se las podemos atribuir? Para una sola de las configuraciones de electrodos (placas planas paralelas por ejemplo) realice un an´ alisis cuantitativo de la distancia con el voltaje. Tome por ejemplo datos de voltaje y distancia con respecto al electrodo negativo de referencia, para al menos tres trayectorias de l´ıneas rectas no perpendiculares entre s´ı, y realice tres gr´aficas en cada caso que muestren el comportamiento del voltaje en funci´on de la distancia al electrodo negativo. Considere en ese an´ alisis, que una de las posibles trayectorias es la correspondiente a la trayectoria m´ınima posible entre los electrodos, y muestre porqu´e es precisamente esa trayectoria la m´as adecuada para describir el campo el´ectrico, de acuerdo con el concepto de gradiente. De acuerdo con los argumentos que usted pueda encontrar en el punto anterior dibuje sobre las mismas hojas l´ıneas que representen las l´ıneas de campo el´ectrico para cada una de las configuraciones de electrodos encontradas. Discuta c´omo es la forma y comportamiento del campo el´ectrico en cada caso y si su modelo experimental coincide con el comportamiento te´orico esperado. Analice y discuta si en vez de usar agua entre los electrodos se considerara una regi´on con aire o en espacio vac´ıo. Es necesario un medio conductor en su modelo? Qu´e otros materiales se podr´ıan emplear? Porqu´e es posible realizar este experimento con agua, si en principio es un medio no-conductor?

PREINFORME Integrantes del grupo 1 2 3 4 5 Gr´afica Configuraci´on 1

Gr´afica Configuraci´on 2

Gr´afica Configuraci´on 3

Gr´afica Configuraci´on 4

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO ´ PRACTICA DE LABORATORIO NUMERO 02 LEY DE OHM

4.

Introducci´ on

La corriente el´ectrica es una magnitud f´ısica que describe el flujo o movimiento de cargas. Cuando se establece una diferencia de potencial entre dos puntos de un trozo de material que forma parte de un circuito el´ectrico, este voltaje genera una corriente el´ectrica a trav´es del mismo. La funci´on matem´atica que relaciona la corriente y el voltaje depende de la sustancia constituyente, de la forma geom´etrica del trozo y de la temperatura. En esta pr´actica se estudiar´ an la relaci´on entre voltaje y corriente para dos tipos distintos de dispositivos. La resistencia R de un pedazo de material se define como la raz´on entre el voltaje V que se le aplica y la corriente I que lo atraviesa: R = V /I

(1)

El valor de la resistencia R determina si el dispositivo es buen o mal conductor de cargas el´ectricas. La unidad SI de R es el ohm [Ω], definida por [Ω] = [V /A]. Cuando la raz´on I/V permanece constante para distintos voltajes y corrientes, el material se denomina ´ ohmico y, la relaci´ on lineal I = V /R

(2)

(con R constante) se llama Ley de Ohm . Esta ley fue descubierta en 1827 por Georg Simon Ohm. Cuando un material o dispositivo no satisface la Ley de Ohm, recibe el nombre de no-´ohmico o no-lineal.

5.

Procedimiento experimental

Mida con el mult´ımetro las diferentes resistencias que va a utilizar en este experimento. Relaci´ on entre el potencial y la intensidad de corriente (R constante). Monte el circuito de la figura 1. Verifique que las polaridades de los instrumentos de medida sean las correctas. (En todos los casos pida al instructor el visto bueno antes de encender la fuente de voltaje). Encienda la fuente y ponga el control de tensi´on de modo que el volt´ımetro marque cero. Anote la intensidad de corriente indicada por el amper´ımetro. NOTA : En los pasos siguientes, escoja los valores y el rango de medici´ on cuidando que el producto V por I (Potencia disipada por la resistencia) no sobrepase la m´axima potencia especificada para ese dispositivo.

Ahora mueva el control de tensi´on para crear una diferencia de potencial distinta de cero (por ejemplo 1 voltio) entre los extremos de la resistencia R. Mida la intensidad de corriente y an´otela. Repita la operaci´on anterior para unas diez tensiones diferentes y tabule sus datos. Represente gr´aficamente los resultados experimentales, llevando la tensi´on V a la ordenada (eje Y) y la corriente I a la abscisa (eje X). 1. Calcule el valor de la resistencia R a partir de la gr´afica y compare con el valor esperado. Mediante un an´alisis de esta gr´afica estime la incertidumbre en el valor de la resistencia. 2. Ahora, utilizando el m´etodo de regresi´ on lineal por m´ınimos cuadrados determine el valor de la resistencia y la incertidumbre asociada a la pendiente de estos datos. 3. Compare el valor de la resistencia hallado en a) y b) con el valor medido para la resistencia con el ohm´ımetro y realice sus observaciones en cuanto al error y las incertidumbres halladas. Relaci´ on entre la intensidad de corriente y la resistencia (V constante). Ahora vuelva montar el circuito representado en la figura 1. Escoja un valor de voltaje en la fuente y ponga

diferentes resistencias en el lugar de R manteniendo fijo el voltaje escogido. Registre la corriente para cada resistencia en una tabla. (Nuevamente, tenga en cuenta la potencia m´ axima que puede disipar cada resistencia). Represente gr´aficamente los resultados experimentales de su tabla, llevando la corriente I a la ordenada (eje Y) y la resistencia R a la abscisa (eje X). a. Calcule el valor de la diferencia de potencial V a partir de la gr´ afica y compare con el valor esperado. Mediante un an´ alisis de esta gr´ afica estime la incertidumbre en el valor de V.

Moviendo el control de tensi´on var´ıe la ca´ıda de potencial en el bombillo. Mida la corriente en el bombillo para diferentes valores de la tensi´on. (El producto VI no debe sobrepasar la potencia m´axima). Espere algunos segundos antes de hacer cada lectura para que la resistencia del filamento se estabilice. Haga variaci´on de voltaje hasta m´aximo 8 V. Represente gr´aficamente V vs I. Para cada valor de V aplicado al bombillo calcule la resistencia R y la potencia P correspondiente. Consigne sus datos en una tabla y grafique R en funci´ on de P. ¿Qu´e observa? Explique.

b. Ahora, utilizando el m´etodo de regresi´on lineal 6. An´ alisis y Conclusiones por medio de m´ınimos cuadrados determine el valor de la diferencia de potencial y la incertiRevise los siguientes conceptos: Ley de Ohm, efecto Joudumbre asociada a la pendiente de estos datos. le, c´alculo de incertidumbre de la pendiente de una recta. c. Compare el valor de V hallado en a) y b) con M´etodo de regresi´on lineal por m´ınimos cuadrados. el valor medido para el voltaje con el le´ıdo por En el pre-informe a entregar al terminar la pr´ actica volt´ımetro y realice sus observaciones en cuanto deben incluirse las tres tablas de datos y la gr´ afica al error y las incertidumbres halladas. V vs. I y las conclusiones que puedan derivarse de ella. Adem´as, a m´as tardar una semana despu´es de Relaci´ on entre V e I para un elemento no lineal la pr´actica, debe Presentar un informe completo tipo Monte nuevamente el circuito de la figura 1 conectanart´ıculo con gr´aficas realizadas en computador y los do un bombillo (resistencia de tungsteno) en lugar de c´alculos para realizar la regresi´on lineal hechos con la resistencia R. un paquete estad´ıstico (como Excel).

PREINFORME Integrantes del grupo 1 2 3 4 5 RESISTENCIAS R1

R2

R3

V vs I (R Constante) V(V)

R4 1.

I(A)

2.

I vs R (V Constante) I(A)

R(Ω)

3.

ELEMENTO NO LINEAL(Bombillo) V(V)

I(A)

R(Ω)

P (W)

4.

Conclusiones

R5

R6