FÍSICA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE EXPERIMENTAL Nº1. Electrostática y Electrodinámica

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1 Objetivos: FÍSICA ACTIVIDAD DE APRENDIZAJE EXPERIMENTAL Nº1 Electrostática y Electrodinámica Comprobar el principio de conservación de la carga. Carga por contacto y por inducción. Realizar mediciones de resistencias con multímetro utilizado como óhmetro. Encontrar la relación entre intensidad de corriente eléctrica y tensión. Comprobar las Leyes de Kirchhoff en redes eléctricas. Calcular la constante de tiempo capacitiva en un circuito R-C. Electrostática Introducción La carga eléctrica es una de las propiedades fundamentales de la materia. Un objeto es eléctricamente neutro la mayor parte del tiempo, es decir, existe un balance entre las cargas eléctricas positivas y negativas. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, se puede crear un desequilibrio en la carga eléctrica neta de un cuerpo, por ejemplo al frotar diferentes materiales, al hacer contacto con un objeto cargado, etc. Para investigar experimentalmente si un objeto se encuentra eléctricamente cargado se usa un electroscopio. También se usa para poner de manifiesto la existencia de un campo eléctrico, y para conocer el signo de una carga, conocido el de otra de referencia. Cuando un objeto cargado se acerca al electroscopio, las hojuelas del mismo se separan, la magnitud de la separación indica la magnitud de la carga. Esencialmente consta de un borne redondo o plano, unido a un elemento detector (hojuelas o aguja), mediante un vástago metálico. El elemento detector está rodeado por una caja metálica cilíndrica. Un cilindro de material aislante separa el vástago de la caja. Todo el conjunto apoya en un pie. borne Aguja Cilindro aislante Pié Caja metálica Experiencia 1 Elementos a utilizar 1.- Varillas de plástico. 2.- Varilla de vidrio. 3.- Una piel de conejo. 4.- Dos electroscopios. 5.- Dos esferas huecas con soportes aislantes. 6.- Una esferilla de prueba. 7.- Una máquina de inducción. 1

2 Obtención y detección de cargas eléctricas Al frotar un cuerpo con otro, ambos adquieren cargas en exceso y se dice que están electrizados. Si se frota una varilla de vidrio con seda, aquélla adquiere cargas en exceso que, por convención, se llaman cargas positivas. Al frotar una barra de ebonita, con una piel de conejo, adquiere un exceso de cargas negativas. a) Carga del electroscopio por contacto. 1) Descargar el electroscopio tocando simultáneamente con la mano el borne y la caja. 2) Frotar la barra de vidrio y tocar luego con ella el borne del electroscopio. 3) Verificar el signo de la carga adquirida por medio de la varilla de ebonita frotada. b) Carga del electroscopio por inducción 1) Descargar el electroscopio tocando simultáneamente con la mano el borne y la caja. Frotar uno de los extremos de la varilla de ebonita. Completar la figura a del Informe de Laboratorio. 2) Acercar el extremo frotando la varilla al borne del electroscopio hasta obtener una deflexión suficiente de la aguja. Completar la figura b del informe. 3) Sin retirar la varilla, tocar con el dedo el borne del electroscopio. Completar la figura c del informe. 4) Retirar el dedo sin retirar la varilla. Completar la figura d del informe. 5) Retirar la varilla. Completar la figura e del informe. 6) Verificar el signo de la carga adquirida por el electroscopio mediante la barra de vidrio frotada. c)verificar que en un conductor el exceso de carga se distribuye en la superficie exterior. 1) Cargar la esfera hueca con la generador de Van de Graaf. Verificar el signo de la carga. 2) Descargar la esferilla de prueba. Tocar con ella la superficie exterior de la esfera hueca y luego cargar un electroscopio descargado. Verificar el signo de la carga adquirida por éste. 3) Verificar que la esferilla de prueba esté descargada. Introducir la esferilla en la esfera hueca, sin tocar los bordes del orificio, y tocar luego la superficie interior. Sacar la esferilla con cuidado y tocar con ella el borne de un electroscopio descargado. 4) Repetir el paso 2. 5) En el informe dibujar la distribución de cargas en la esfera hueca. Electrodinámica Experiencia 2 Circuitos eléctricos de Corriente Continua. Instrumentos de medición Fundamentación teórica: Para la realización de esta práctica de laboratorio se requiere, entre otros elementos, el empleo de una fuente de tensión, para alimentar los circuitos ensayados en las experiencias, e instrumentos de medición, para evaluar variables eléctricas (resistencia, corriente, tensión) de manera cuantitativa. Uso de instrumentos de medición Se llama galvanómetro al instrumento eléctrico capaz de detectar y/o medir una corriente eléctrica, generalmente muy pequeña ( 1 µa). Cuando el instrumento permite medir corrientes de 1µA o más de llama amperímetro. 2

3 Los instrumentos destinados a detectar y/ó medir diferencias de potencial se llaman voltímetros. En los instrumentos analógicos para medir se hace uso de la denominada escala del instrumento que suele consistir en una longitud graduada recorrida por una aguja. Se llama fondo de la escala al valor asignado a la última división de la misma. Un galvanómetro puede modificarse exteriormente para poder usarse como amperímetro ó como voltímetro. Para medir una magnitud dada (por ejemplo corriente ó tensión eléctricas) en un determinado alcance, hay que calcular previamente la constante del instrumento para el alcance en que se va a medir. La constante del instrumento (Cv, Ca, etc.) indica cuántas unidades de la magnitud medida corresponden a un desplazamiento de la aguja de una división de la escala o sea el valor de una división de la escala en el alcance considerado. En consecuencia la magnitud medida se obtiene multiplicando la constante del instrumento, para el alcance elegido, por el número de divisiones leídas en la escala. Multímetro digital El instrumento que se utilizará en el presente laboratorio permite la determinación de corriente continua (en A o ma), de tensión continua o alterna (en V o mv) y de resistencia (en o k ). El valor de la medición se presenta por lectura directa en el display RECOMENDACIONES Y PRECAUCIONES a) Al medir una magnitud de valor desconocido, y a los efectos de proteger el instrumento, comenzar a leer empleando el alcance máximo y, de ser posible, ir disminuyendo éste a los efectos de lograr una mayor precisión en la lectura. b) Al conectar un instrumento de medición de corriente continua, tener la precaución de respetar la polaridad del mismo.- Código de colores de las resistencias Las resistencias presentan cuatro líneas de colores con las cuales puede estimarse su valor en (ohm). Las dos primeras líneas indican las cifras significativas del valor de la resistencia, la tercer línea indica la cantidad de ceros a continuación de las cifras significativas y por último, la cuarta línea indica la tolerancia de la estimación anterior, es decir el error porcentual de la misma. A continuación se presenta el código de colores: COLOR N que representa Negro 0 Marrón 1 Rojo 2 Naranja 3 Amarillo 4 Verde 5 Azul 6 Violeta 7 Celeste 8 Blanco 9 Oro 5% Plata 10% 3

4 Ejemplos: Amarillo Violeta Negro Plata ceros 10% Elementos a utilizar 1.- Una fuente de c.c. 2.- Cuatro resistencias eléctricas. 3.- Cuatro miliamperímetros, alcance 100 ma Un multímetro digital. 5.- Puente de conexión y cables. Experiencias a realizar A- MEDICIÒN DE RESISTENCIAS CON EL MULTÍMETRO USADO COMO ÓHMETRO Realizar diferentes mediciones de resistencias individuales, dos resistencias en serie y dos resistencias en paralelo, teniendo en cuenta las instrucciones dadas anteriormente. Recordar que en todos los casos no debe haber diferencia de potencial aplicada a la resistencia a medir B- RELACIÓN ENTRE INTENSIDAD DE CORRIENTE ELÉCTRICA Y TENSIÓN Armar un circuito simple formado por una fuente de c. c. una resistencia eléctrica, un amperímetro y un voltímetro. Verificar las conexiones y la colocación de las llaves selectoras, en especial aquellas que indiquen los instrumentos para c. c. y el alcance adecuado. Comprobar previamente si los instrumentos están conectados con la polaridad correcta. Aplicar tensión con la fuente. Realizar varias lecturas de voltaje e intensidad de corriente, haciendo variar la tensión de la fuente. Registrar en una tabla los valores de corriente y voltaje obtenidos en cada caso. Realizar un gráfico de V=f(I) y calcular la pendiente de la gráfica obtenida. Responder en el informe a- Qué forma tiene la gráfica de V=f(I)? b- En base a ello qué relación cuantitativa puede establecer entre la tensión y la intensidad de corriente?. c- Qué magnitud obtiene al calcular la pendiente de la gráfica V=f(I)? d- Comparar el valor de resistencia calculado con el valor nominal estimado según el código de colores de la resistencia. Calcular el error porcentual cometido. e- Medir con el multímetro digital usado como óhmetro el valor de la resistencia y calcular el error porcentual cometido Experiencia 3: Resolución de una red eléctrica. a) Armar un cirucuito de los que se representan en las siguientes figuras R a R c A 1 A 3 R b A 3 R d A 4 A 5 4

5 R a A 1 R c R b A 2 R d A 3 R a A 1 R b A 2 R d A 5 R c A 3 b) Verificar que el cursor de la fuente de corriente contínua se encuentre en cero, luego conectar ésta al circuito. c) Aplicar una tensión tal que lleve el miliamperímetro de la fuente a un valor comprendido entre 80 y 100 ma. d) Leer simultáneamente la indicación de los miliamperímetros. Anótarlos en una tabla. e) Con el multímetro digital medir las diferencias de potencial a través de cada elemento del circuitocuidando de mantener el miliamperímetro de la fuente en el valor leído en (d). Anotar en Tabla. f) Llevar la tensión aplicada a cero y desconectar la fuente de corriente contínua. g) Con los datos obtenidos verificar las leyes de Kirchhoff. h) Con los datos obtenidos calcular los valores de las resistencias. 5

6 EXPERIENCIA 4: Circuito RC Proceso de carga y descarga a-armar el circuito mostrado en la figura 1 y mantener abierto el interruptor. R + S + - C - Figura 1 PRECAUCIONES Los capacitores electrolíticos son polarizados, razón por la cual deben ser cuidadosamente conectados en un circuito de corriente continua. El terminal positivo del capacitor debe conectarse con el terminal positivo de la fuente. Esta precaución evita que se destruya el dieléctrico del capacitor (por aplicarles tensión en sentido inverso), lo cual se manifiesta con reventones que ponen en alto riesgo la integridad física de quien trabaje con este componente. b) Conectar uno de los sensores de voltaje al Canal Analógico A de la Interfase. Luego conectar el conector cocodrilo de color rojo, de dicho sensor, con el terminal A de la resistencia y conectar el conector cocodrilo de color negro con el terminal B de la resistencia, de manera que el sensor quede eléctricamente conectado con los extremos de la resistencia. Tal como se muestra en la Figura 2. c) Conectar el otro sensor de voltaje al Canal Analógico B de la Interfase. Luego conectar el conector cocodrilo de color rojo, de dicho sensor, con el terminal positivo del capacitor y el conector cocodrilo de color negro con el terminal negativo del capacitor, de manera que el sensor quede eléctricamente conectado con los extremos del capacitor. Tal como se muestra en la Figura 2. 6

7 d) Con uno de los cables blancos cortocircuitar, durante algunos segundos, los terminales del capacitor (esto asegura la total descarga del capacitor). e) Para iniciar la captura de datos, primero pulsar el botón Inicio (del software DataStudio) e inmediatamente después cerrar el interruptor del circuito. El experimento está configurado para que detenga automáticamente la captura luego de transcurridos 0,4 segundos. f) Calcular la constante de tiempo del circuito (conforme a lo visto en las clases teóricas) y registrar la misma a continuación. g) En el Gráfico1 proporcionado por el programa DataStudio aparecen representadas las tensiones del capacitor y de la resistencia, indicadas como Voltaje C (V) en función del Tiempo(s) y Voltaje R (V) en función del Tiempo(s), respectivamente. A partir de la gráfica Voltaje C (V) en función del Tiempo(s) obtener el valor de tensión en el capacitor para el instante de tiempo t= C. Registrar a continuación dicho valor: V C ( C ) =... h) Calcular el valor de V C en régimen permanente considerando que el valor medido en el paso anterior es el 63,2% de V C en régimen permanente. Registrar el resultado de este último cálculo. V C ( ) =... i) Reemplazar la resistencia R = 100 por una de 330 e iniciar una nueva captura de datos. Predecir previamente en que se diferenciará esta nueva gráfica de la obtenida anteriormente. Resumir las diferencias observadas a continuación: j) Una vez que el capacitor se cargó completamente, proceder a la descarga del mismo. Observar las gráficas Voltaje C (V) en función del Tiempo(s) y Voltaje R (V) en función del Tiempo(s), para esta etapa. 7

8 INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO Nº 1 I.- ELECTROSTÁTICA Carga del Electroscopio por Inducción a b c Distribución Del Exceso De Cargas En Un Conductor d e 8

9 II.- INSTRUMENTOS DE MEDICION Y LEY DE OHM Tabla i (A) V (V) Gráfico de V = f (i) 9

10 III.- CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE CONTINUA Resolución de una red eléctrica. d) i a = i b = i c = i d = e) V = V = V = g) Verificación de las leyes de Kirchhoff. h) R a = R b = R c = R d = Medición de resistencias con el multímetro digital a) R a = R b = R c = R d = EXPERIENCIA 4: Circuito RC Proceso de carga y descarga Cálculo de C C = RC Qué unidades tiene y qué significa C? Caída de potencial en el capacitor para el tiempo C V C ( C ) = Cálculo de la caída de potencial en el capacitor para el tiempo t= calculado a partir de V C ( C ) V C ( ) = Escribir las diferencias en las gráficas Voltaje C (V) en función del Tiempo(s) y Voltaje R (V) en función del Tiempo(s), cuando se reemplaza la resistencia R = 100 por una de