Manual de Practicas EYM Rev1

UNIVERSIDAD AUTNOMA DE NUEVO LEN

Facultad de Ciencias Qumicas

Ingeniera Qumica

Manual de Practicas de Laboratorio

de Electricidad y Magnetismo

Dr. Carlos Lucio Ortiz

Jefe de la rea de Ingeniera Qumica: Dr. Felipe de Jess Cerino Crdova Cd. Universitaria.

Manual de Practicas de Laboratorio de Electricidad y Magnetismo

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PRESENTACIN DEL CURSO 1. DESCRIPCIN DEL CURSO. Las prcticas se efectuarn en el Laboratorio de Fsica de la Facultad de Ciencias Qumicas de la Universidad Autnoma de Nuevo Len, durante su realizacin se aplicarn fenmenos fsicos, acudiendo a leyes y teoras que los avalan para la interpretacin de los resultados obtenidos. Antes de cada una de las prcticas, el alumno deber realizar trabajo previo, el cual ser contestado en el manual (al reverso de las hojas de cada seccin). Adems, el estudiante realizar un diagrama de flujo mediante bloques o dibujos de la parte experimental con el fin de verificar que tenga una idea clara y precisa de lo que realizar en cada una los experimentos. Finalmente, la seccin denominada reporte preliminar de la prctica deber ser llenado por el estudiante al finalizar cada una de las sesiones, el cual considera los siguientes aspectos: 1) Datos generales del curso 2) Mediciones experimentales 3) Observaciones 4) Integrantes del equipo (nombre y firma) La calendarizacin de las prcticas sern organizadas por el profesor. Al finalizar la prctica cada uno de los equipos conformados por los estudiantes debern acomodar todo en el lugar indicado, segn el reglamento de laboratorios de la Facultad de Ciencias Qumicas de la UANL. 2. REPORTE DE LA PRACTICA Al finalizar cada prctica, a la semana siguiente, se entregar un reporte escrito en computadora, con letra arial 11, en hojas tamao carta, conteniendo la siguiente informacin:

1. Portada 2. Objetivo 3. Fundamento 4. Material y equipo a utilizar 5. Ecuaciones a utilizar 6. Procedimiento (diagrama de flujo) 7. Datos experimentales 8. Observaciones 9. Memoria de clculo 10. Resultados (tablas, grficas) 11. Conclusiones 12. Investigacin 13. Bibliografia


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Datos Experimentales Al finalizar de cada practica se debe llenar el formato de datos experimentales (incluido al final de cada prctica) con todos los datos obtenidos durante la realizacion de la misma y esta debera contener los nombres, firmas y matriculas de todos los integrantes del equipo as como cualquier observacion que sea necesaria para la elaboracin del reporte. Una vez lleno, debran llevarlo con los auxiliares del laboratorio para que le coloquen el sello o en su defecto debra ser firmado por el maestro de laboratorio. Resultados En esta seccin se presentarn los valores obtenidos en forma ordenada en tablas con sus respectivas dimensiones y unidades. Cuando sea necesario presentar una grfica, sta deber ser realizada utilizando el paquete computacional Excel y deber ser identificada y numerada. Las grficas contendrn como mnimo los siguientes datos:

a) Nombre de las variables de los ejes con sus respectivas dimensiones y unidades.

b) Curva de ajuste, sealando la ecuacin que mejor se ajuste a los datos experimentales, as como su factor de correlacin.

c) Para representar los datos experimentales, se deber construir una grfica del tipo dispersin de puntos sin lnea de unin; con el propsito de que stos no se confundan con la lnea de tendencia, (curva de ajuste).

Observaciones. Se refiere a todo lo que ocurra durante el experimento, describe situaciones que permiten o no la obtencin de datos (cualitativos o cuantitativos). Esta seccin puede contener diagramas o dibujos del funcionamiento de las partes de cada uno de los equipos o como se comportan durante el desarrollo de la prctica. Conclusiones. En esta seccin se deber hacer nfasis si el objetivo planteado en la prctica se cumpli, explicando brevemente los resultados obtenidos, comparndolos con los reportados en la literatura, estableciendo discrepancias y similitudes, adems se podr incluir porcentajes de error con respecto a los datos obtenidos. Bibliografa. Las referencias bibliogrficas se presentarn en orden de acuerdo a como han sido citadas en la elaboracin del reporte y numeradas, incluyendo las pginas de referencia utilizadas. Cuando se utilicen pginas de internet, debe colocarse la


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direccin exacta y NO el buscador. Incluir como mnimo tres referencias bibliogrficas. NO seran aceptadas paginas que no tengan validez cientfica como wikipedia, el rincn del vago, buenas tareas, etc. 3. REALIZACIN DE PRCTICAS 3.1 Asistencia y Puntualidad 3.1.1 Es obligatorio presentarse puntualmente a la hora de inicio de laboratorio, un

margen de 10 minutos permitir no ser tomado como inasistencia. Transcurrido ese tiempo se anular la prctica total.

3.1.2 Si el estudiante tiene inasistencia en alguna prctica, no se permitir la

reposicin de la misma as como tampoco se le permitira la presentacin del PIA.

3.2 Indumentaria, Equipo de Proteccin Personal, Seguridad y Accesorios. 3.2.1 El estudiante deber portar pantaln largo preferentemente de algodn, bata

blanca de algodn, lentes de seguridad y zapatos cerrados. 3.2.2 No se permitir el uso de gorras, shorts, sandalias o zapatos abiertos, tanto

para hombres como mujeres. 3.2.3 Por razones de seguridad e higiene en el trabajo de laboratorio, no se

permitir a los alumnos y alumnas con falda o vestido, cabello largo suelto, joyas y accesorios.

3.2.4 Atuendos no adecuados a las actividades de laboratorio, impedirn el acceso

al Laboratorio de Fsica. 3.2.5 En caso de necesitar beber agua o algn otro lquido el alumno deber

avisar a su maestro y salir del Laboratorio. (NO SE PERMITIR TENER BOTELLAS DE AGUA EN LAS MESAS DE TRABAJO).

3.3. Pertenencias Personales 3.3.1 Al entrar al laboratorio el alumno colocar sus pertenencias estudiantiles

como mochilas, maletn, etc., en el estante acondicionado para ello. 3.3.2 El laboratorio no se har responsable por la prdida total o parcial de los

objetos de valor depositados en el estante u olvidados en el laboratorio. Es recomendable no dejar a la vista calculadoras programables, celulares, monederos, etc.


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4. NORMAS GENERALES. 4.1 Por razones de seguridad y prevencin de accidentes el estudiante no podr

trabajar slo en el laboratorio. 4.2 Si el maestro del grupo no asiste o no est la mayor parte del tiempo en el

laboratorio la prctica se suspender 4.3 El estudiante deber trabajar con limpieza orden y responsabilidad. Por lo que

el rea de trabajo deber permanecer antes, durante y despus de la prctica limpia y ordenada.

4.4 No se permitir salir del laboratorio en el transcurso de la prctica sin causa

justificada. 4.5 Las visitas durante la realizacin de la prctica no sern permitidas. 4.6 El uso de los celulares, radios o grabadoras con audfonos u otro tipo de

equipo de comunicacin no ser permitido. 4.7 El comportamiento inapropiado, podr generar la expulsin de la prctica,

tomndose sta como inasistencia


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PRACTICA 1

CAMPO ELECTROSTTICO OBJETIVO Demostrar experimentalmente las diversas formas de obtener Campos Electrostticos y la variacin de su intensidad con respecto a la distancia. FUNDAMENTO El trmino elctrico, y todos sus derivados, tiene su origen en las experiencias realizadas por Tales de Mileto, un filsofo griego que vivi en el siglo VI A.C. Tales estudi el comportamiento de una resina fsil, el mbar (en griego elektron), observando que cuando era frotada con un pao de lana adquira la propiedad de atraer hacia s pequeos cuerpos ligeros; los fenmenos anlogos a los producidos por Tales con el mbar o elektron se denominaron fenmenos elctricos y ms recientemente fenmenos electrostticos.

La electrosttica es la parte de la fsica que estudia este tipo de comportamiento de la materia, se preocupa de la medida de la carga elctrica o cantidad de electricidad presente en los cuerpos y, en general, de los fenmenos asociados a las cargas elctricas en reposo.

Para explicar como se origina la electricidad esttica, hemos de considerar que la materia est hecha de tomos, y los tomos de partculas cargadas, un ncleo rodeado de una nube de electrones. Normalmente, la materia es neutra (no electrizada), tiene el mismo nmero de cargas positivas y negativas.

Algunos tomos tienen ms facilidad para perder sus electrones que otros. Si un material tiende a perder algunos de sus electrones cuando entra en contacto con otro, se dice que es ms positivo en la serie Triboelctrica. Si un material tiende a capturar electrones cuando entra en contacto con otro material, dicho material es ms negativo en la serie triboelctrica.

Cuando un cuerpo cargado elctricamente se pone en contacto con otro inicialmente neutro, puede transmitirle sus propiedades elctricas. Este tipo de electrizacin denominada por contacto se caracteriza porque es permanente y se produce tras un reparto de carga elctrica que se efecta en una proporcin que depende de la geometra de los cuerpos y de su composicin. Existe, no obstante, la posibilidad de electrizar un cuerpo neutro mediante otro cargado sin ponerlo en


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contacto con l. Se trata, en este caso, de una electrizacin a distancia o por induccin o influencia. Si el cuerpo cargado lo est positivamente la parte del cuerpo neutro ms prximo se cargar con electricidad negativa y la opuesta con electricidad positiva. La formacin de estas dos regiones o polos de caractersticas elctricas opuestas hace que a la electrizacin por influencia se la denomine tambin polarizacin elctrica. A diferencia de la anterior este tipo de electrizacin es transitoria y dura mientras el cuerpo cargado se mantenga suficientemente prximo al neutro. Finalmente, un cuerpo puede ser electrizado por frotamiento con otro cuerpo.

MATERIAL

Un generador Electrosttico de Van Der Graaff. Una mquina Electrosttica Una esfera de aluminio y su base Un pndulo elctrico y su esfera de corcho o sauco Una bureta de 50 ml Un vaso de 100 ml Agua destilada Un peine de plstico y uno de metal, o bien una laminilla o varilla

metlica Polvo de corcho o recortes de papel revolucin Una regla plstica y una de metal Seda o lana.

PROCEDIMIENTO Actividad 1:

a) Friccione varias veces con una tela a una regla de plstico y acercarlo a recortes de papel revolucin.

b) Friccione varias veces con una tela a una regla metalica y acercarlo a recortes de papel revolucin.

Actividad 2:

a) Ponga a trabajar el generador y a coloque el pendulo 1 m de distancia. Observe que el pndulo elctrico no es afectado por el campo elctrico del generador, vaya acercndolo gradualmente al generador y anote la desviacin en grados de ngulo con respecto a la vertical y anotando las distancias respectivas que separan al generador y al pndulo:


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R (cm)

b) Ahora acerque la esfera metlica al generador teniendo el pndulo al otro

lado de la esfera a una distancia tal que se desve algo el pndulo y luego proceda a quitar la esfera y observe el pndulo.

Actividad 3:

Llene una bureta de 50 ml con agua destilada, abra la llave recibiendo el chorrito

de agua en un vaso de 100 ml y acerque al chorrito una regla de plstico frotada con lana o seda, poco a poco.

USO DE DATOS EXPERIMENTALES Actividad 1: a) Explique que observ al acercar la regla de plastico a los recortes de papel. b) Explique que observ al acercar la regla de metlica a los recortes de papel. Actividad 2: a) Explique los datos obtenidos en base al concepto de campo elctrico. b) Explique que paso con el pendulo al acercar la esfera y quitar la esfera Actividad 3: Explique lo observado en base al concepto del campo elctrico

INVESTIGACIN

1. Defina los siguientes conceptos:

a) Generador de Van der Graaff b) Campo Elctrico c) Campo Electrosttico d) Mtodo de carga por induccin e) Mtodo de carga por conduccin

2. Dibuje el Generador Electrosttico y explique su funcionamiento 3. Investigue cuales son los diferentes tipos de carga que existen.


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REPORTE DE DATOS EXPERIMENTALES

PRACTICA FECHA GRUPO HORARIO EQUIPO

MAESTRO

MEDICIONES EXPERIMENTALES OBSERVACIONES INTEGRANTES DEL EQUIPO MATRICULA

NOMBRE DE QUIEN LLENO EL REPORTE


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PRACTICA 2

POTENCIAL ELCTRICO OBJETIVO Establecer la relacin matemtica que existe entre la diferencia de potencial elctrico y la distancia entre dos superficies equipotenciales. FUNDAMENTO Potencial elctrico es un trmino que indica el trabajo necesario para mover o traer desde el infinito una carga elctrica determinada hasta un punto finito La ecuacin de potencial elctrico est dada por V = W / q0 donde: V = Potencial elctrico W = El trabajo desarrollado q0 = La carga de prueba o carga determinada Las unidades sern: 1 Julio/Coul y su equivalente elctrico es el Volt. Por lo tanto 1 Julio/Coul =1 Volt. Se ha tomado como valor del potencial elctrico en el infinito igual a cero. Por lo tanto si se quieren mantener, 2 cargas determinadas de igual signo o de signo contrario, separados una distancia dada, ser necesario desarrollar un trabajo neto igual a: W = q0Ed Donde q0 = carga de prueba E = campo elctrico de la otra carga. d = la distancia de separacin entre las dos cargas Por lo que se establecer la diferencia de potencial elctrico entre las dos cargas, lo cual estar dado por:

EdqEdq

qWVV

o

ABAB ===

0

0

Donde: VB = Potencial elctrico de la carga q VA = Potencial elctrico de la carga de prueba q0


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Llegndose a establecer la relacin que existe entre la diferencia de potencial elctrico entre dos cargas y su distancia que las separa. El campo elctrico E bien puede ser constante o variable, lo cual se puede saber, al graficar V contra d, como se va a realizar en esta prctica. Observe que la ltima ecuacin se puede escribir tambin as:

dVVE AB = y sus unidades nuevas sern

METROVOLTS en el sistema M.K.S.

No se olvide que las unidades de E de acuerdo a su definicin (E = F/q0) son:

CoulNt por lo que

mVOLT

CoulNt 11 =

Las diferencias de potencial en la presente prctica se medirn usando el multmetro. Un multmetro es un instrumento elctrico que hace el papel de: voltmetro, ampermetro, hmetro, etc. DESCRIPCION DEL EQUIPO

MULTIMETRO DIGITAL


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MULTIMETRO ANALOGICO

MATERIAL

Una Placa de poliestireno expandido Una tira de papel plstico Dos tiras metlicas (electrodos) Una regla Un multmetro Dos cables Una pila de 6 volts

PROCEDIMIENTO Actividad 1: Multimetro analgico. Para medir voltajes o diferencias de potencial en corriente directa se siguen las siguientes indicaciones:

a) La perilla selectora de C.A. o C.D., se mueve a la posicin C.D. (cuando la fuente es de corriente directa, como en esta prctica) solo cuando exista dicha perilla.

b) Las terminales o puntas de prueba de color rojo y negro (la roja a la toma positiva y la negra a la toma negativa) deben estar en su lugar respectivo o tomas respectivas.

c) Mover el selector o la posicin en que el voltaje sea el inmediato superior al voltaje de la fuente, en este caso, superior a 6 voltios. Ubquelo en 10 volts,

d) Usar la escala de la cartula cuyo rango sea de 0 a 10 volts. Las fracciones se leen en la escala cuyo rango va de 0 a 250.


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e) Al usar las puntas de prueba tenga cuidado de que la roja (positiva) se conecte con la terminal positiva del circuito y la negra (negativa) con la terminal negativa del circuito.

f) Al terminar de usar el multmetro, poner el selector en la posicin de apagado.

Actividad 2: Multmetro digital. Es un instrumento ms verstil y de lecturas ms rpidas y precisas. Consta principalmente de display y controles. Cuando es autorango, al medir diferencias de potencial en C.D., el selector se ubica en V- y automticamente nos reporta el valor medido, que ser nuestro caso.

Medicin de potencial elctrico para cumplir el objetivo de la prctica

1. Divida la tira de papel metlico (o grafitado) en 10 partes iguales a lo largo, haciendo marcas con gis a lo ancho de la tira y/o posicionando ah laminillas metlicas

2. Las marcas hechas en gis lpiz a lo ancho, indican las lneas (o sea, superficies) equipotenciales.

3. Conecte la batera en los electrodos A y B. 4. Fijar una terminal o punta de prueba del multmetro (voltmetro) en el

electrodo B y la otra punta que haga buen contacto en la marca o lnea equipotencial, anote la lectura de la diferencia de potencial V1y la distancia d1. Repita lo anterior con todas las lneas equipotenciales anotando el voltaje con su respectiva distancia hasta llegar al electrodo A.

Hoja de poliestireno expandido- v +Voltmetro Lmina de papel

Plstico-metlico

Fuente de energa

(Batera)

Electrodo (A)

Hoja de poliestireno expandido- v +Voltmetro Lmina de papel

Plstico-metlico

Fuente de energa

(Batera)

Electrodo (A)


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5. Compruebe que las marcas o lneas equipotenciales lo son en realidad, usando el multmetro.

6. Llene los siguientes datos:

V (volts) d (cm)

USO DATOS EXPERIMENTALES Actividad 1:

a) Qu escalas de medicin se encuentran en la cartula del multimetro analgico?

b) Cuntos rangos de escala para medir voltajes o diferencias de potencial elctrico existen?

c) Cules son los rangos que tiene la escala de los voltajes? Actividad 2:

a) Las marcas o lneas equipotenciales lo son en realidad? Por qu? b) Grafique V vs d en papel milimtrico y obtenga la ecuacin correspondiente. c) Qu representa la pendiente de la grfica obtenida? d) Qu unidades tiene?

INVESTIGACION

1. Investigar el uso y manejo del multmetro analgico y del multimetro digital.

2. Defina los siguientes conceptos e indique con que smbolo se representan (en caso de que tengan uno): a) Potencial elctrico. b) Corriente Alterna c) Corriente Directa d) Voltio e) Multmetro f) Amperio g) Ohmio h) Superficie Equipotencial

3. Qu son las lneas equipotenciales?


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PRACTICA 3

LEY DE OHM Y LEY DE KIRCHHOFF OBJETIVOS

Conocer la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchhoff as como estudiar las caractersticas de las resistencias, que sigue la ley de Ohm. Analizar circuitos elctricos en un nivel introductorio. Establecer la relacin matemtica entre el voltaje aplicado a una resistencia de magnitud constante y la corriente que circula FUNDAMENTO Ley de OHM Una densidad de corriente J y un campo elctrico E se establecen en un conductor cuando se mantiene una diferencia de potencial a travs de dicho conductor. Si la diferencia de potencial es constante, la corriente tambin lo es. Es muy comn que la densidad de corriente sea proporcional al campo elctrico J = E Donde la constante de proporcionalidad recibe el nombre de conductividad del conductor. Los materiales que obedecen la ecuacin anterior se dice que cumplen la ley de Ohm en honor de George Simon Ohm (1787-1854). Ms especficamente la Ley de Ohm establece que: En muchos materiales (incluidos la mayor parte de los metales), la proporcin entre la densidad de corriente y el campo elctrico es constante, , que es independiente del campo elctrico productor de la corriente. Los materiales que obedecen la Ley de Ohm y que en consecuencia, presentan este comportamiento lineal entre E y J se dice que son hmicos. El comportamiento elctrico de la mayor parte de los materiales es bastante lineal para pequeos cambios de la corriente. Experimentalmente, sin embargo, se encuentra que no todos los materiales tienen esta propiedad. Los materiales que no obedecen la Ley de Ohm se dicen que son no hmicos. La Ley de Ohm no es una ley fundamental de la naturaleza sino ms bien una relacin emprica vlida solo para ciertos materiales. Una forma de la Ley de Ohm til en aplicaciones prcticas puede obtenerse considerando un segmento de un alambre recto de rea de seccin transversal A y longitud L, como se ve en la figura 1. Una diferencia de potencial V = (Vb Va)


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se mantiene a travs del alambre, creando un campo elctrico en ste y una corriente. Si el campo elctrico en el alambre se supone uniforme, la diferencia de potencial se relaciona con el campo elctrico por medio de la relacin:

FIGURA 1 Figura 1: Un conductor uniforme de longitud L y rea de seccin transversal A. Una diferencia de potencial Vb Va mantenida a travs del conductor establece un campo elctrico E en ste, y dicho campo produce una corriente I que es proporcional a la diferencia de potencial. Por lo tanto, podemos expresar la magnitud de la densidad de la corriente en

el alambre como:

LVEJ ==

Puesto que J = I / A, la diferencia de potencial puede escribirse:

ALIJLV

==

De lo anterior, a la cantidad L / A se denomina la resistencia R del conductor. De acuerdo con la ltima expresin, podemos definir la resistencia como la razn entre la diferencia de potencial a travs del conductor y la corriente.

R = V I

A partir de este resultado vemos que la resistencia tiene unidades S.I. de volt/ampere, un volt/ampere se define como un Ohm ().

A I Va

L

Vb

E

V=EL


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AV111 =

Es decir, si una diferencia de potencial de 1V a travs de un conductor produce una corriente de 1A, la resistencia del conductor es 1 .Por ejemplo, si un aparato elctrico conectado a una fuente de 120 V conduce 6A, su resistencia es de 20 . El inverso de la conductividad es la resistividad :

=

1

1

=

Por lo tanto, si ALR

= podemos expresar la resistencia como:

ALR =

Ley de KIRCHHOFF La primera ley, se conoce tambin como la ley de las corrientes. sta dice que la suma de intensidades de corriente que llegan a un punto comn es igual a la suma de intensidades que salen de l. Si consideramos positivas las corrientes que llegan y negativas las que salen, esta ley establece que la suma algebraica de las intensidades de todas las corrientes sobre un punto comn es cero. La segunda ley, se conoce tambin como la ley de los voltajes. sta dice que en un circuito cerrado, la suma algebraica de las fuerzas electromotrices aplicadas, o subidas de tensin, es igual a la suma algebraica de las cadas de tensin en todos los elementos pasivos. MATERIAL

1 Fuente del voltaje variable C.D. ( 0 a 30 volts) 1 Resistencia 1 Multmetro 1 Entrenador de Circuitos 2 Cables - banana-banana 1 Alambre de nicromel 1 Diodo semiconductor Puentes Fuente de energa variable (V.C.D.) a 12 volts 2 resistencias de 27 Ohms a 10 Watts 1 foquito con socket de 12 volts


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1 interruptor de cuchilla 1 polo 1 tiro y 1 resistencia de 150 Ohms a 10 watts. 1 socket 1 foco de 60 watts 1 fusible de cartucho C.A. y uno roscado C.A. 1 fusible de cartucho 1 foquito de 12 volts.

PROCEDIMIENTO

Actividad 1: Ley de OHM

a) Mediante una fuente de voltaje de corriente directa (VCD), aplique un voltaje a una resistencia de magnitud constante, midiendo la corriente que circula, el voltaje aplicado y el valor de la resistencia (ver figura 1). Tome varios valores de voltaje y corriente.

b) Mediante el multmetro (como ohmetro) mida la resistencia a diferentes longitudes de un alambre de nicromel.

c) Ahora, en lugar de resistencia se trabajar con un diodo semiconductor cuyo comportamiento no hmico se comprobar al tabular y graficar I (eje y) vs. V.

FIGURA 1

Actividad 2: Leyes de Kirchhoff (2a. Ley, Resistencias en serie).

a) Montar el siguiente circuito serie de resistencias elctricas (el foco es una resistencia).


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FIGURA 2

1. Con el circuito abierto mida usted las resistencias R1, R2 Y R3 (Ver Fig.

N. 2). 2. Anote el voltaje del foquito. 3. Cierre el circuito con el interruptor y haga las siguientes mediciones de

voltaje en los bornes de la fuente de energa (V), en VR1, en VR2 y en VR3.

4. Anotar la corriente que circula con el multmetro (como ampermetro) 5. Aplicar la segunda Ley de Kirchhoff a este circuito y reportar su

resultado. 6. Quitar R1 y sustituirlo por un puente. (Esto se hace con el interruptor

abierto). Cierre el interruptor y ahora. NOTA: Al medir siempre una resistencia, la fuente de energa debe estar

desconectada o sacar la resistencia del circuito y luego medirla.

b) Montar el siguiente circuito serie paralelo de resistencia (Ver Fig. N 3, 1 Ley)

FIGURA 3

1. La resistencia R2, R3, y R4, son de los mismos valores que las usadas

en el circuito serie. Medir R1 y escribir los valores de las 4 resistencias. 2. Cierre el circuito y mida los voltajes de la fuente de energa y de cada

una de las resistencias.


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3. Mida y anote las corrientes elctricas que registran los ampermetros (multmetros).

4. Abrir el circuito en R3 y R4 USO DATOS EXPERIMENTALES Actividad 1:

a) Haga una grfica de I (eje y) vs V, obteniendo la relacin matemtica as como su enunciado.

b) Haga una grfica de R vs. L, obtenga la pendiente, la ecuacin y su enunciado, as como la resistividad del conductor y al compararlo con el valor terico obtenga el % de error.

c) Tabular y graficar I (eje y) vs. V. Actividad 2:

a) Aplique la Ley de Ohm al circuito y escriba el valor de la corriente calculada (considere RT = R1 + R2 + R3) y comprela con la reportada por el ampermetro hubo diferencia? Si es as reprtela en porcentaje. b) Aplique la primera Ley de Kirchhoff a los nodos A y B y anote los clculos y resultados. c) Ahora aplique la Ley de Ohm a todo el circuito y escriba la corriente calculada que debe fluir por R1, R2, R3 y R4 y compara estos valores con los reportados por los ampermetros. Si acaso hubo diferencias, reprtelas en forma de porcentaje. d) Al abrir los circuitos R3 y R4 que se observo?

INVESTIGACION

1. Defina los siguiente conceptos e indique con que smbolo se representan (en caso de que tengan uno):

a) Ley de Kirchhoff. b) Ley de Ohm. c) Densidad de corriente. d) Resistencia e) Diodo f) Resistencia elctrica g) Resistividad h) Circuito en serie i) Circuito en paralelo j) Nodo k) Fusible l) Interruptor termomagntico


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MAESTRO




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PRACTICA 4

CAMPO MAGNTICO Y MOVIMIENTO DEL ELECTRN EN UN CAMPO MAGNTICO

LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ OBJETIVO Determinacin de la distribucin del campo magntico en un alambre recto por el cual circula C.D. Analizar el movimiento de electrones en un campo magntico y determinar la relacin carga a masa del electrn. Encontrar la relacin matemtica entre el ngulo de desviacin de una brjula y la corriente elctrica que circula por una bobina o solenoide con ncleo de fierro. Construir electroimanes, usando ncleos de diferentes materiales y determinar su fuerza relativa de atraccin sobre una muestra de fierro Determinar la relacin matemtica entre la fuerza de un electroimn con ncleo de hierro y la C.D. Demostrar cualitativamente las leyes de Faraday y de Lenz. Demostrar el principio de movimiento de un motor de corriente continua y utilizarse como generador de corriente alterna. FUNDAMENTO La ley de Ampere establece que: todo conductor recto que transporta una corriente elctrica genera a su alrededor un campo magntico, cuya induccin magntica B es directamente proporcional a la corriente que transporte e inversamente proporcional a la distancia r medida desde su centro. Matemticamente esta ley se expresa as:

riB 0=

Donde es una constante denominada permeabilidad magntica y cuyo valor es el sistema MKS es de 4 x 10-7 Weber / amp-m. En el que B es un vector, siendo su direccin variable, estando determinada en un punto dado, por la tangente a las lneas de flujo magntico, las cuales son circunferencias concntricas al centro del conductor. El sentido de B se determina aplicando la regla de la mano derecha ( para la corriente convencional: positiva), que consiste: Se toma el conductor con la mano derecha, de modo que el pulgar apunte a la direccin i, tenindose que los dedos nos darn el sentido de B. Para el caso en que la corriente fuera negativa como as lo es en realidad, B tendr sentido contrario.


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Para el caso de un alambre enrollado (una bobina) se toma la bobina con la mano derecha de modo que los dedos indiquen el sentido de i y el pulgar nos dar la direccin B as como su sentido. Ejemplos: en (a) tenemos un conductor recto y en (b) una bobina o solenoide.

Observe. Como en (b) se determina fcilmente la polaridad de este solenoide, donde N representa el polo norte y S el polo sur, lo cual en la prctica se puede comprobar usando una brjula, lo mismo se puede decir del inciso (a). En estos casos i fue (+), en el caso contrario, el sentido de B, ser opuesto al fijado en cada inciso. En el inciso (b) se ha representado a un solenoide o bobina, pero tambin es un electroimn con ncleo de aire; porque en su interior no hay ms que aire, es un electroimn porque se ha creado un imn a base de corriente elctrica, en el interior y exterior de la bobina, la prueba est en que al acercarle una brjula o un material imantable como el hierro, estos sentirn el efecto de atraccin en el caso de hierro, de atraccin o repulsin en el caso de la brjula La fuerza de un electroimn depende directamente del nmero de vueltas a la bobina o nmero de espiras totales y de la corriente elctrica que circula por ellas, e inversamente del dimetro de la bobina o solenoide. Tambin (y de gran importancia) depende del material de que est hecho el ncleo. Respecto a esto, el ncleo puede ser de aire, o de cualquier slido y cuanto mayor sea la permeabilidad magntica de stos, habr menor resistencia o reluctancia, al flujo magntico y ser mejor ncleo para la fabricacin de electroimanes. En la fabricacin de electroimanes se puede usar la C.D. o la C.A, segn sea el objetivo, por ejemplo, si se desea obtener un imn permanente se usar la C.D., pero si se desea un vibrador como es el caso de los timbres se usar la C.A.


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Si un electroimn con ncleo de aire se introduce en un indicador visual de sintona (ojo electrnico) que est en operacin , se observar que en la pantalla fluorescente (nodo o polo positivo del tubo electrnico) los electrones son desviados describiendo una trayectoria semicircular, que al medir su radio () de su curvatura y conociendo los siguientes datos del electroimn como son: el nmero de espiras (N) o vueltas totales, la longitud (1) del electroimn, la corriente (i) que circula por l y la permeabilidad () magntica del aire, adems el voltaje V, del ojo elctrico, se podr encontrar la relacin de carga o masa de electrn e/m segn la siguiente frmula.

222222

2 22 BV

iNVl

me

==

Donde:

lNiB =

En que B es la induccin magntica del electroimn con ncleo de aire. Tmese para el aire = 1.26 X 10-6 Weber / m-amp. = 0 En experimentos muy minuciosos se ha encontrado que la relacin e/m = 1.75890 X 10ll Coul /kg, en el sistema M.K.S. LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ Faraday antes de enunciar su ley, hubo de realizar varios experimentos que lo encaminaron a la deduccin de su ley sobre la fem inducida. Sus experimentos fundamentales consistieron en lo siguiente: PRIMERO: Introducir y sacar un imn a travs de una espira o bobina rectangular o circular, conectada a un galvanmetro con cero en el centro, observndose que se desviaba a la derecha e izquierda o viceversa, con respecto al cero, segn la polaridad del imn que entra o sale de la espira. Se noto que mientras mayor era la velocidad con la que se introduca o sacaba el imn, mayor eran las desviaciones de la aguja del galvanmetro. En este caso, el flujo magntico a travs de la espira era cambiante debido al movimiento de la espira. SEGUNDO: En lugar de que el imn se est moviendo con respecto a la bobina, el proceso se invierte, es decir, ahora el imn se mantuvo en reposo y la bobina se mova segn los dibujos.


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Obsrvese como en estos dibujos, tanto en A como en B, la espira es la que corta las lneas de flujo magntico lo que da origen a que el flujo magntico a su travs sea variable debido a su movimiento, generando as fem inducida en ella, manifestndose en el galvanmetro, cuya aguja se mova de un lado a otro, indicando con esto que haba flujo de corriente en un sentido y en otro, debido a que la fem inducido cambiaba de la misma forma. En el dibujo B, no sucede lo anterior por la forma de la conexin del galvanmetro con la espira en rotacin. Tambin en estos experimentos se noto que entre mayor era la velocidad de la espira, mayor es la fem inducida o mayor es el movimiento de la aguja del galvanmetro. CONCLUSIN: la fem inducida es una espira o bobina es directamente proporcional al nmero de espiras de la bobina y a la rapidez con que este cambiando el flujo magntico con respecto al tiempo. Puede decirse que las observaciones realizadas por Lenz sobre los resultados experimentales de Faraday lo condujeron a deducir su ley, con la cual se puede predecir el sentido de la fem inducida y por ende el sentido de la corriente inducida en una bobina, como ejemplo, tenemos la siguiente bobina con ncleo de aire.

Al ir acercando (1) el imn con su polo norte a la bobina, el flujo magntico va aumentando a travs de la misma, lo cual segn la ley de Faraday debe generar una fem inducida en la bobina y una corriente inducida, la cual es detectada por el movimiento de la aguja hacia la derecha si por el contrario el imn se aleja (2) de la bobina, el flujo magntico a su travs disminuye, por lo que, la aguja del microampermetro se mueva hacia la izquierda.


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La explicacin de estos cambios de sentido de la aguja del microampermetro son dados por la Ley de Lenz: la corriente inducida aparece en un sentido tal, que se opone a la causa que lo produce. O sea que, en el caso (1): al ir acercando el imn a la bobina por su polo norte, e ir aumentando el flujo magntico a su travs, dar lugar a que se genere una oposicin a este aumento. Esta oposicin ser a base de otro flujo magntico pero a base de la corriente inducida originada en la bobina aplicando la regla de la mano izquierda para bobinas, se tendr que el sentido de la corriente en (1) ser el indicado en la figura, pues de esta manera el polo norte generado as en la bobina, se opondr al polo norte del imn. El sentido de la corriente estar dado por el desplazamiento de la aguja de microampermetro, pues este instrumento (con cero en el centro) tiene la caracterstica que la aguja se mueve en el sentido de la corriente i en circuito, es decir; de negativo a positivo (este es un mtodo prctico de saber las polaridades de la fuente de C.D. como una pila o batera). La misma regla de la mano izquierda se puede aplicar a la bobina (2) y aplicar la Ley de Lenz, confirmndola de esta manera o de ponerla en prctica, prediciendo de antemano el sentido en que debe moverse la aguja del microampermetro. En los experimentos mencionados, se ha visto que la aguja del galvanmetro o del microampermetro se mueve a la derecha e izquierda con respecto al cero. Esto se ha dicho, se debe a que la corriente esta cambiando de sentido, en la bobina y se esta cambiando de sentido, se debe a que la polaridad de los extremos de la bobina (como si fueran bornes o extremos de una pila) esta cambiando conforme al movimiento de la espira o conforme al tiempo de revolucin de la bobina. Grficamente esto se expresa as:

Donde: i = es la corriente a travs de la bobina v = voltaje o diferencia de potencial entre los extremos de la bobina. Como se ve, la corriente y el voltaje, varan con respecto al tiempo (en magnitud, as como en polaridad, es decir, se hace positiva y luego negativa y as sucesivamente).


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Esta grfica representa el voltaje y la corriente alterna, porque alternan o cambian, dando lugar a la denominacin de corriente alterna (C.A.). En cambio la corriente continua (C.C) puede cambiar de magnitud pero no de polaridad, es lo que la distingue de C.A. pudiendo ser: pulsante y directa. Grficamente sus diferencias se representan as:

En 1 y 2 tanto i como v, varan en magnitud con respecto al tiempo, pero no cambian su polaridad. Esta es una C.c. pulsante y como se ve, puede ser: de media onda (1) y de onda completa (2). En cambio la (3) nos representa una CC. directa, porque la magnitud no cambia con respecto al tiempo. MATERIAL CAMPO MAGNTICO Y MOVIMIENTO DEL ELECTRN EN UN CAMPO MAGNTICO

Espiral rectangular de 180 X 300 cm. de alambre de cobre, dimetro 26 milsimas de pulgada

Una fuente de poder C.D. de 10 amperes X 12 voltios Brjula Pndulo con masa ferromagntica. Ojo mgico o tubo electrnico. Una bobina de 600 espiras. Un ampermetro. Una regla.


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Un vernier. Una fuente de poder C.D. variable a usarse en 3A X 12 V. Cable. Una bobina de 3 mH, 3 ohms y max. I A. Una brjula. ncleo de fierro. Una fuente de poder 6.3 VCA 400 VCD regulables y cables. Ncleos de fierro, cobre aire y madera. Una fuente de poder variable a usarse en 12 V X 3. Cables y limadura de fierro. Una bobina de 3 mh, 3 ohms y mx I A Una fuente de C.D. regulable a usarse en 10 amperes por 12 voltios Una masa de fierro. Un dinammetro.

LEY DE FARADAY Y LEY DE LENZ

2 bobinas de 400 vueltas cada una, 3 ohm, 3mh y mximo 1 Un micro ampermetro con cero en el centro. Una betera de 1.5 Un ncleo de fierro en U. Un ncleo recto de fierro. 8 cables caimn-banana. 1 bobina, el mismo micro ampermetro, Un imn cilndrico Brjula. Un alambre de cobre de 50 cm., calibre 20. Un moto-generador de c.a. a escala laboratorio. Una batera de 6v. Un eliminador de corriente de 12 v x 3, un multmetro.

PROCEDIMIENTO Actividad 1:

a) Monte el equipo a usar segn dibujo: b) Coloque el transportador de modo que el extremo correspondiente de la

brjula coincida con el 90. c) Asegrese de que el centro de la brjula este alineado con el ncleo de

fierro de la bobina y que la distancia que lo separa de la brjula sea de 25 cm.


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d) Encienda la fuente de C.D., y alimente poco a poco corriente a la bobina, llenando la siguiente tabla.

I (mA)

Sen

Donde: i = Corriente elctrica en miliampers (mA). = El ngulo de desviacin de la brjula en grados.

e) Tome 10 lecturas de preferencia de 30 en 30 mA con el miliampermetro Actividad 2: Utilice el siguiente equipo:

a) Sin usar un ncleo macizo ( entonces ser ncleo de aire ) acerque la

bobina por su hueco segn dibujo, una vez encendido eliminador de bateras, poco a poco al montn de limadura de hierro, midiendo si es


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posible la distancia mnima para que la limadura tienda a levantarse y antela.

b) Ahora introduzca por el hueco de la bobina un ncleo rectangular de hierro, encienda la fuente y acerque el electroimn as formado de modo que un extremo del ncleo que casi sale de la bobina, sea el que acte sobre la limadura de hierro.

c) Acrquelo ms. d) Sin moverlo, apague el eliminador. e) Encienda y apague otra vez. f) Repita lo anterior, usando ncleo de madera

Actividad 3: Electroimn con ncleo de hierro.

a) Montar el equipo segn dibujo. b) Que el dinammetro marque cero de lectura. c) Encienda la fuente de C.D. de modo que el miliampermetro marque una

corriente constante. d) Comience a tirar lentamente hacia arriba del dinammetro hasta que se

despegue la masa de hierro, teniendo cuidado de anotar la lectura que marque el dinammetro.

e) Repita esta prueba 2 veces ms para tomar una lectura promedio de dinammetro.

f) Ahora alimente ms corriente a la bobina y repita lo anterior, para llenar la siguiente tabla:

F (Nt) I (mA)

Haga 10 mediciones por lo menos.


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Actividad 4: Demostracin de la Ley de Faraday 1. Utilice las bobinas conectadas segn el dibujo

a) Una vez conectadas las bobinas y colocadas muy juntas, de modo que sus

agujeros coincidan entre s, segn se muestra en el dibujo, conectar la terminal mvil de la bobina B, a la batera de 1.5 voltios.

b) Ahora desconectarla anotando lo que sucedi a la aguja del microampermetro

c) Introduzca el ncleo de fierro (1) a la bobinas A y B de modo que se aleje equitativamente entre ellas. Repita el experimento anterior.

d) Ahora coloque las bobinas A y B en cada rama del ncleo de fierro (2) segn el dibujo:

e) Conecte la terminal mvil de la bobina B, a la batera, y desconectarla, f) Por ltimo, cierre el ncleo (2) usando el ncleo (1) uniendo sus dos ramas

con ste. Repita la prueba, ahora con mucho cuidado!solo toque brevemente el borne libre de la batera con la terminal mvil!


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Actividad 5: Demostracin de la Ley de Lenz Use una de las bobinas anteriores y conectar al microampermetro, segn el dibujo:

a) Determine cul es el polo norte del imn cilndrico usando la brjula

enseguida introduzca el polo norte del imn a la bobina. b) Aplique la Ley de Lenz a este experimento (tome en cuenta que la aguja se

desplaza en sentido de la corriente a travs del microampermetro). Aplique la regla de la mano izquierda para bobinas, para determinar el sentido de la corriente magneto inducida en la bobina.

c) Use un alambre aislado de 50 cm, pero desnudo de sus extremos y dblelo a forma de una espira circular y conctelo segn el dibujo al microampermetro.

d) Psele un imn (cuyos polos han sido identificados) con el polo norte por su seccin transversal, hacia tras y hacia adelante.

e) Ahora con el mismo alambre, desconctelo y arrllelo en forma de bobinas segn el dibujo y repita el experimento anterior:


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Motor de corriente continua y Generador de corriente alterna

USO DATOS EXPERIMENTALES Actividad 1:

a) Hacia dnde se desvi la brjula? Se alejo o acerc al ncleo de fierro? Qu polaridad tiene el extremo del ncleo de fierro ms cercano a la brjula? Por qu?

b) Graficar Sen vs i en excel


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Actividad 2:

a) A qu distancia lo acerc sin que se le pegara mucha limadura? b) Al acercar la ms la limadura al imn Qu observo? c) Qu sucedi al encender y apagar el eliminador?

Actividad 3:

a) Grafique F vs i y obtenga su ecuacin. Actividad 4:

a) Anote las observaciones de los incisos a) y c). b) En el inciso e) que se observ en el microampermetro, con respecto al

segundo punto? c) Escriba lo que sucede a la aguja del microampermetro en el inciso f)

Actividad 5:

a) Al determinar cul es el polo norte del imn cilndrico hacia que sentido se desvi la aguja del microampermetro, as como cuando lo sac.

b) Se cumpli la Ley de Lenz, al meter y sacar el imn? c) Al pasar el imn con el polo norte por su seccin transversal, hacia tras y

hacia adelante. Qu observ en la aguja del microampermetro? d) Qu le sucedi a la aguja del microampermetro? En el inciso e) e) Explicar lo observado aplicando la Ley de Faraday y la Ley de Lenz

INVESTIGACION Definir campo magntico. Definir Ley de Ampere. Qu es la regla de la mano derecha? De que color es el extremo de la brjula que apunta al polo norte geogrfico? Investigar cuales son las partes de un motor generador. Explicar la funcin de cada una de las partes funcionales de un moto-generador. Cmo saber cuando las escobillas estn cada una polarizada con el mismo signo o son de signo variable?


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REPORTE DATOS EXPERIMENTALES


MAESTRO



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Manual de Practicas EYM Rev1