• Author / Uploaded
• Emiliano Moreno

Citation preview

UNAM FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN PRACTICA NO. 2: CARGA ELECTRICA, CAMPO Y POTENCIAL ELECTRICO ASIGNATURA: LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO GRUPO: 1301c

ALUMNOS:

Moreno Valdez Ulises Fernando Rosas Salinas José Daniel

CARGA ELÉCTRICA Y LEY DE COULOMB. En la naturaleza existen dos tipos de cargas denominados: Electrones - carga negativa (-) Protones - carga positiva (+) La unidad de la carga es el Coulomb [C] Por naturaleza los cuerpos están en un estado neutro, esto indica que tienen el mismo número de protones y electrones. Si un cuerpo contiene un exceso de electrones se dice que el cuerpo se encuentra cargado negativamente; si tiene un exceso de protones el cuerpo se encuentra cargado positivamente Ley de signos de las cargas: Cargas del mismo signo se repelen y cargas de signo contrario se atraen. LEY DE COULOMB. Nos permite calcular la fuerza eléctrica entre dos cargas eléctricas puntuales.

CAMPO ELECTRICO El campo eléctrico se define como la fuerza eléctrica por unidad de carga. La dirección del campo se toma como la dirección de la fuerza que ejercería sobre una carga positiva de prueba. El campo eléctrico está dirigido radialmente hacia fuera de una carga positiva y radialmente hacia el interior de una carga puntual negativa. INTENSIDAD DE CAMPO ELECTRICO La intensidad del campo eléctrico (E→) o simplemente campo eléctrico en un punto es una magnitud vectorial que representa la fuerza eléctrica(F→) que actúa por unidad de carga testigo positiva, q', situada en dicho punto.

POTENCIAL ELECTRICO El potencial eléctrico en un punto del espacio es una magnitud escalar que nos permite obtener una medida del campo eléctrico en dicho punto a través de la energía potencial electrostática que adquiriría una carga si la situamos en ese punto. El potencial eléctrico en un punto del espacio de un campo eléctrico es la energía potencial eléctrica que adquiere una unidad de carga positiva situada en dicho punto.

Potencial eléctrico a partir del campo eléctrico.

Potencial eléctrico debido a una carga puntual (figura 2.8).

Cabe recordar que el potencial eléctrico es una magnitud escalar y su valor para “N” cargas aisladas es:

OBJETIVOS. I. Demostrar experimentalmente la forma de cargar y descargar un cuerpo eléctricamente. II. Describir el funcionamiento del electroscopio de láminas y el generador Van de Graaff. III. Describir la configuración de campo eléctrico debido a diferentes formas geométricas de cuerpos cargados eléctricamente. IV. Determinar las superficies equipotenciales debidas a un campo eléctrico uniforme, utilizando la Interfaz con sensor de voltaje. V. Evaluar el campo eléctrico a partir del gradiente de potencial. CONCEPTOS NECESARIOS 1. Carga eléctrica y formas de cargar eléctricamente un cuerpo. 2. Ley de la conservación de la carga eléctrica 3. Ley de los signos de las cargas eléctricas 4. Ley de Coulomb. 5. Tipos de distribución de carga. 6. Campo y potencial eléctrico. 7. Superficies equipotenciales. 8. Gradiente de potencial. MATERIAL Y EQUIPO *Una piel de conejo. *Una barra de vidrio. *Un electroscopio de láminas. *Un generador Van de Graaff. *Una caja de acrílico con aceite comestible. *Electrodos: dos puntuales, cuatro placas planas, dos cilindros huecos y un conductor recto. *Una caja de acrílico con arena cernida y húmeda. *Una fuente de poder. *Cables de conexión. *Un multímetro digital. *Dos esferas, una de cargas inducidas y otra de descarga. *Semillas de pasto, alpiste, té o equivalente. *Una Regla de plástico graduada de 30 cm. *Un guante de látex. *Interfaz con sensor de voltaje. *Una computadora con el software DataStudio. *Un vernier.

DESARROLLO Formas de cargar un cuerpo eléctricamente (contacto, frotamiento e inducción). 1.- Explicación por parte del profesor del principio de funcionamiento del electroscopio de láminas. 2.- Frote la piel de conejo con la barra de vidrio y póngala en contacto con el electroscopio de láminas como se muestra en la figura 2.10. Sugerencia: Usar el guante de látex para tomar la barra de vidrio

a) Explique qué sucede con las hojas del electroscopio en el inciso 2). R.- Se repelen debido a que la carga entra como energía positiva. 3.- Frote nuevamente la barra de vidrio con la piel de conejo y acérquela lentamente al electroscopio de láminas sin que se toque, figura 2.11.

b) ¿Qué sucede con las hojas del electroscopio en el inciso 3)? R.- Se repelen, pero se observa una menor intensidad debido a que la carga no es lo suficientemente fuerte. c) Con respecto a los incisos 2) y 3) ¿qué formas de cargar un cuerpo observó? Explique R.- Se observo la carga por contacto que fue donde más se apreció la separación de las laminas y la carga por inducción ya que no se llego a hacer contacto con la fuente. Operación del Generador Van de Graaff. 4.- El instructor explicará el funcionamiento del generador Van de Graaff.

5.- Acerque la esfera de carga inducida al casco del generador Van de Graaff y aproxímela lentamente al electroscopio de láminas (figura 2.12).

d) En el Generador Van de Graaff, ¿dónde se acumularon las cargas? R.- En la esfera de cargas que se aproximó al generador. 6.- Considerar el siguiente dispositivo figura 2.13.

7.- Coloque de manera correspondiente los siguientes electrodos en la caja de acrílico con aceite comestible, dibuje las líneas de fuerza para las configuraciones que representan al campo eléctrico debido a los electrodos utilizados. Nota: En caso de ser posible tomar fotografías. *Un puntual (antes conecte al casco del generador). *Un conductor recto (antes conecte al casco del generador). *Dos puntuales (conecte uno al casco del generador y el otro a la base del mismo). *Una placa plana (conecte al casco del generador).

e) Compare sus configuraciones anteriores con las representaciones de los libros de texto. ¿Qué concluye al respecto? R.- Que cuando se introduce el conductor en el aceite con apliste, se pueden notar las líneas de carga muy claramente Determinación de superficies equipotenciales debido a un campo eléctrico uniforme existente entre dos placas paralelas. (carga puntual) 8.- Explicación por parte del profesor del uso y funcionamiento de la Interfaz y el sensor de voltaje. 9.- Antes de armar el circuito que se muestra en la figura 2.14, verifique que: La Interfaz esté apagada. La fuente de voltaje esté apagada y con los controles al mínimo.

Nota: Verifique que la arena esté húmeda y las placas libres de aceite. 10.- Manteniendo la fuente de voltaje apagada, mida la distancia entre las placas con un vernier y anótelo en la tabla 2.1 Nota: Para medir las distancias siempre se debe de apagar la fuente, de lo contrario al tocar las placas con el vernier se Provocará Un Corto Circuito. 11.- Mida la distancia entre las placas y anótela en la tabla 2.1. Distancia entre placas: 0.25 m 12.- Encienda la Interfaz. 13.- En la Computadora seleccionar el icono del programa DataStudio y dar enter para iniciar el programa, seleccionar “crear experimento” como se muestra en la figura 2.15.

14.- En la pantalla de la figura 2.16 seleccionar uno de los tres puertos analógico (al que esté conectado el sensor), posteriormente aparecerá una ventana con los diferentes sensores, seleccionamos el sensor de voltaje y dar clic en Aceptar.

15.- Se mostrará que el sensor de voltaje se encuentra activo figura2.17.

16.- En DataStudio como se muestra en la figura 2.18 seleccionar el medidor digital (se encuentra en la parte inferior izquierda de la pantalla) dar doble clic con el cursor. 17.- Cerciore que todas las perillas de la fuente se encuentren al mínimo y posteriormente encienda la fuente de voltaje. 18.- Para comenzar la toma de datos dar clic en “inicio” y como máximo calibrar a 8 volts de alimentación. Nota: Calibrar la fuente hasta 7.50 con el COARSE, posteriormente calibrar hasta 8.00 con la perilla FINE para una mejor medición y como PROTECCION DEL EQUIPO. Al momento de iniciar la toma de datos y calibrar; el botón de inicio aparecerá ahora como Detener.

19.- Una vez calibrada la fuente a 8 Vcd, dar clic en detener figura 2.19.

*Seleccionar en la barra de tareas “Experimento”, dar clic en “Suprimir todos los ensayos de datos” aceptar los cambios, cerrar el medidor digital y aceptar. *Apagar la fuente. 20.- Configuración para cambio de variable en los ejes de la gráfica, para obtener la pendiente deseada. 21.- Seleccionar “opciones de muestreo”, y activar la casilla de “conservar valores de datos” y seleccionar las casillas como se muestra en la Figura 2.20, en el campo de “nombre” borrar Teclado1 y escribir “distancia”, en el campo de “unidades” borrar sin unidades y escribir “m”. Activar la casilla de “incluir una lista de valores…”

22.- Dar clic en “editar todas las propiedades (P)”, en el campo de mostrar máximo poner el valor de la distancia de la tabla 2.1. Posteriormente dar clic en aceptar figura 2.21.

23.- Dar clic nuevamente en aceptar para finalizar los cambios y cerrar la ventana de configuraciones del experimento. 24.-Seleccionar el icono “calcular” que se encuentra en la parte superior de la pantalla y aparecerá una ventana en donde: 25.-Definiremos la ecuación de campo eléctrico como “E=V/d” y dar clic en “aceptar”, después definir variables como se muestra en la figura 2.22.

26.- Seleccionaremos las variables a calcular, cambiando en la ventana “variable no definida por “datos disponibles” como se muestra en la figura 2.23 posteriormente aparecerá una ventana donde seleccionaremos “Voltaje ChA(V)” y dar clic en aceptar en la ventana de “fuente de datos”.

27.- Seleccionaremos las variables a calcular, cambiando en la ventana “variable no definida por “datos disponibles” como se muestra en la figura 2.24 posteriormente aparecerá una ventana donde seleccionaremos “distancia (m)” y dar clic en aceptar en la ventana de “fuente de datos”.

28.- Seleccionar el icono de “propiedades” que aparece en la ventana de calcular y posteriormente aparecerá el menú de “Propiedades de los datos” en donde Nombre de la medición escribir “campo eléctrico”, en el icono de Descripción escribiremos “medición de campo eléctrico”, en el icono de nombre de la variable se sustituirá por “E”, en el icono de unidades poner “V/m” y al realizar los cambios dar clic en aceptar.

29.- Para finalizar dar clic en aceptar en la ventana de “calcular” y posteriormente cerrarla. 30.-Para comenzar a trabajar, posicionarse en la parte inferior izquierda en la barra “Pantallas” y seleccionar un gráfico dando doble clic figura 2.26.

31.- Seleccionar “voltaje, ChA(V)” y dar clic en aceptar figura 2.28.

32.- Se cambia la escala de tiempo en las ordenadas por la de distancia, dando clic en tiempo y seleccionando distancia como se muestra en la siguiente figura 2.28.

33.- Ir a la barra de “Pantallas” en la opción de “tabla” dando doble clic y seleccionar “Voltaje ChA vs distancia (V)” y dar clic aceptar como se muestra en la siguiente figura 2.29.

34.- A continuación del menú “datos” que se encuentra en la parte superior izquierda de la pantalla seleccionaremos “E=V/m (V/m) y sin soltar el cursor arrastraremos hasta tabla 1 que se encuentra en la parte inferior izquierda de la pantalla. Como se muestra en la figura 2.30.

35.- Seleccionar un medidor digital como se indica en el punto 16, seleccionando voltaje. 36.- Arme el dispositivo de la figura 2.31 para localizar superficies equipotenciales a partir de mediciones puntuales en los ejes “x,y,z”, manteniendo un voltaje de 8 [VCD]. Entre las placas.

37.- Utilizando una punta de prueba una vez localizada la distancia, introducir la punta de prueba y dar clic en conservar y escribir el incremento. Hacer un recorrido en los ejes “Z” y “Y” y comprobar que se forma una superficie equipotencial al obtener el mismo voltaje en todo el recorrido figura 2.32.

38.- El alumno guardará los resultados para su reporte en un sistema de almacenamiento externo.

f) En función de la gráfica obtenida ¿Cómo se comporta el campo eléctrico entre las placas? R.- El campo eléctrico va aumentando o disminuyendo depende de que tan cerca este de cada placa. Pero siempre es la misma carga en cualquier punto mientras este a la misma distancia de separación de la placa.

Comparación y análisis de resultados En la práctica pudimos observar cómo actúan las diferentes formas de conducir la electricidad y como reaccionaban al cargarse tanto negativa como positivamente. Se pudo observar cómo cargar positivamente distintos materiales por medio de la frotación y que al acercar o tocar el electroscopio las laminas que estaban con la misma carga positiva se separaban, dando así el resultado de cargar dos conductores positivamente. En el Generador Van de Graaff se observo como al cargar la esfera toda la energía estaba en sus paredes y al acercar una carga puntual, la descarga era mayor que al acercar una carga distribuida.