Texto Guia Lab Oratorio Fisica II Fis-211

UNIVERSIDADTECNOLOGICA METROPOLITANAFACULTADDECIENCIASNATURALES,MATEMATICASYDELMEDIO AMBIENTE

QUIMICAINDUSTRIAL GUIADELABORATORIOFISICAII

ELECTROMAGNETISMO FIS211

DerechosReservados,DepartamentodeFsica,UTEM. Edicin2010

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA METROPOLITANA FACULTAD DE CIENCIAS NATURALES MATEMATICAS Y MEDIOAMBIENTE DEPARTAMENTO DE FISICA LABORATORIO DE FISICA

PROLOGOComo usted ha logrado avanzar en sus primeros cursos del rea cientfica pues le corresponde ahora cursar Fsica II, tanto en teora como en laboratorio. Es sta ltima la que centra su inters en recibir su aporte. Participar en un grupo de laboratorio significa ser integrante activo de ste. Como lo pudo haber ledo ya en el prlogo de su gua de Laboratorio de Fsica I. Esto es; actuar en el desarrollo del trabajo prctico en laboratorio, intervenir en la discusin, (intelectual), aportar su comprensin, su preparacin y su conocimiento del tema segn se trate el trabajo. Para ejercer este deber como estudiante necesita, pues, estudiar con anticipacin la respectiva materia. Nunca es suficiente haber ledo la correspondiente gua. Tal vez de esa primera lectura comprenda algo de lo que se va a hacer, no olvide, usted necesita aprender el tema para realizar la experiencia, debe apoyarse en la bibliografa, en las consultas que logre hacer antes de la clase y mantener vigente las materias de los cursos pasados. Tal vez sea olmpico salir del paso habiendo ledo minutos antes la gua. Resulta, a veces, fcil participar en un experimento sin aportar algo y con una participacin mnima producto de su deficiente preparacin. Bueno, esta segunda etapa (no olvide que la primera era estudiar el tema) acaba con el trmino de la clase. La tercera etapa es informar por escrito acerca del estudio realizado, su desarrollo, etapas, resultados y su aporte en lo que dice anlisis - discusiones y conclusiones. Aqu es donde usted debe exigirse y entregar lo mejor de lo aprendido. Las pruebas son pruebas, y siendo programadas usted tiene la oportunidad de prepararlas. No requerir de gran esfuerzo en dicha preparacin si ha dedicado efectivamente tiempo a los trabajos experimentales. En vista que se espera que ejerza uno de sus deberes (ESTUDIAR), entonces le corresponde, con mucha razn, ejercer uno de sus derechos como estudiante, solicitar la evaluacin de sus trabajos. En la medida que su esfuerzo y dedicacin en este arte de estudiar sean conscientes lograr percibir la seguridad y confianza que le significa el estar aprendiendo. De este modo solidificar su propia formacin. No olvide que la Universidad crece en la proporcin que usted lo hace, entonces, haga crecer su Universidad. Esta coordinacin espera que su rendimiento y resultados sean aceptables y exitosos, mucho depende de usted.

VOLTAIRE D. FUENTES OLAVE PROFESOR DE ESTADO DE FISICA

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS - 211 EXPERIENCIA N 1 INSTRUMENTOS ELECTRICOS

OBJETIVOConocer caractersticas, manejo y uso de instrumentos bsicos para medir magnitudes fsicas en circuitos elctricos.

INTRODUCCIONPara el uso y manejo de un instrumento de medicin elctrico es necesario conocer, para cualquiera variable fsica-elctrica que sea, determinada simbologa y convenciones que se han establecido universalmente para un correcto uso. ANTES DE MANIPULAR PERTINENTES. UN INSTRUMENTO ATIENDA LAS INDICACIONES

Las magnitudes elctricas ms frecuentemente controladas en el mbito elctrico son: corriente elctrica ( I ), voltaje o diferencia de potencial (V), resistencia elctrica, potencia, entre otras. Para el control y medicin de estas variables se ha construido instrumentos tales, que por s solos pueden controlar nicamente una magnitud, adems, existe aquel que puede controlar las tres magnitudes mencionadas, teniendo un panel de escalas apropiadas para cada una de ellas, se trata de un multimedidor o tester, que ofrece el control de otras variables. Como una medida de precaucin, los instrumentos deben ser usados seleccionando la variable que se desea medir. Posteriormente, seleccionar la escala de mayor rango que posea para dicha variable. Si se trata de un medidor de voltaje (voltmetro) o uno de corrientes (ampermetro) debe estrictamente respetar: 1.- EL MODO DE CONEXION (En SERIE o en PARALELO). (ms adelante encontrar sus explicaciones). 2.- LA ESCALA EN SU RANGO MAYOR 3.- LA POLARIDAD DEL INSTRUMENTO (cuando corresponda) COINCIDENTE CON LA DE LA FUENTE DE ENERGIA.

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CARACTERISTICAS BASICAS DE UN MEDIDOR

AMPERIMETRO (GALVANOMETRO)

Es un instrumento que detecta corrientes pequeas. Este es la base de la medicin de la corriente y del voltaje con un ampermetro y voltmetro respectivamente. UN AMPERIMETRO DEBE CONECTARSE EN SERIE CON EL ELEMENTO DEL CIRCUITO A TRAVES DEL CUAL HA DE MEDIRSE LA CORRIENTE

A RFig.1

En otros trminos; el ampermetro se conecta directamente en lnea con el elemento del circuito. Si por error es conectado en paralelo, la corriente ha de ampermetro a causa de su resistencia excesivamente baja. RESISTENCIA INTERNA DE UN AMPERIMETRO: Depende de la escala utilizada, viene especificado de fbrica. SENSIBILIDAD: Se indica por su corriente mxima de su menor escala. Ej. 0 - 1 mA 0 - 15 mA 0 - 30 mA su sensibilidad es de 1 mA (mili ampere), acortarse mediante el

TOLERANCIA:

No depende de la posicin de la aguja sino de la escala usada y se expresa porcentualmente. Ej. Escala 0 - 10 (A) con 3%, la medida puede ser 2.5 +/- 0.3 (A).

VOLTIMETROEl voltmetro es un galvanmetro con una escala calibrada en Volt. EL VOLTIMETRO DEBE CONECTARSE EN PARALELO CON EL ELEMENTO DEL CIRCUITO EN EL CUAL HA DE MEDIRSE.

R

VFig. 2

4


Si por error es conectado en serie, la gran resistencia del medidor afectar las cadas de tensin en el circuito. En paralelo con un elemento del circuito, slo se extrae (del circuito) una pequea corriente ( i ). RESISTENCIA INTERNA DE UN VOLTIMETRO: Se puede conocer a travs de su sensibilidad ( / V), dicha resistencia depende de la escala utilizada. Ejemplo, Un voltmetro de 20.000 ( / V) en la escala de 5V tiene una resistencia de R = 100 k , la que se puede medir directamente con un ohmetro en la escala respectiva.

MATERIAL1.- Una fuente de poder (cc) 2.- Un voltmetro analgico c.c. 3.- Un multimedidor digital 4.- Un ampermetro c.c. 5.- Resistencias (4.7 K ; 100 K ; 22 )(pueden ser de otras magnitudes) 6.- Caja de conexiones 7.- Puentes de conexin 8.- Cables de conexin.

PROCEDIMIENTOI) Arme el circuito de la figura (en serie). Puede instalar ms resistencias si lo desea. 1 2 R1 R3 R2 4 Fig. 3 3

Uso de Instrumentos analgicos 1.Mida la diferencia de potencial (voltaje) en la fuente de poder y obtenga 10 (V) del tipo de corriente continua, mxima para alimentar el circuito. Utilice todas las escalas que el medidor le permita para tal efecto. 2.Compruebe con el ohmetro digital los valores de cada resistencia por separadas y luego conectadas en el circuito (pero sin energa aplicada) y, tambin el valor de la resistencia interna del voltmetro analgico que utilizar. Las diferencias que se puedan producir en esta etapa presntelas porcentualmente. 3.Controle, con el instrumento respectivo, las cadas de potencial en todos los puntos posibles del circuito. Verifique si la suma de los voltajes registrados en R1 en R2 y en R3 es igual al voltaje de alimentacin dada por la fuente de poder. Justifique sus resultados.

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4.-

Ahora se requiere medir la corriente entre los siguientes puntos:

(Disponga el instrumento adecuado en las posiciones necesarias para medir corriente) A.- El positivo de la fuente y el punto 1 B.- El punto 2 y el brazo superior de la resistencia R2. C.- El punto 3 y el negativo de la fuente. 5.Las mediciones realizadas anteriormente (actividad 3 y 4), practquelas ahora con el tester digital. Obviamente es necesario que distinga las posibles diferencias. 6.Reemplace R2 por una ampolleta de 6 (V) y practique las mismas mediciones realizadas en las actividades anteriores. Por supuesto que debe analizar comparativamente sus resultados. II ) Con los mismos elementos usados arme el siguiente circuito (en paralelo).

R1

R2

R3

R4

Fig. 4 1.2.use. Mida la cada de tensin en la fuente de poder y en cada una de las resistencias. Practique las mediciones anteriores en todas las escalas que permite el medidor que

3.Mida la corriente entre los puntos que le parezcan de inters y exponga ordenadamente sus resultados.. III ) 1.De acuerdo con los resultados obtenidos en sus mediciones de la etapa I y II establezca comparativamente las relaciones generadas para las variables fsicas controladas. Estudie la respuesta, tanto de la corriente como la del voltaje, cuando se dispone del circuito en serie y en paralelo. 2.Compruebe la validez de las relaciones establecidas entre la corriente, el voltaje y la resistencia para ambos circuitos. 3.Distinga las cualidades principales de los instrumentos de medicin usados.

VFO/vfo. Edicin Preliminar revisada, Enero de 2010

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS - 211 EXPERIENCIA N 2 POTENCIAL Y CAMPO ELECTRICO

OBJETIVOS1.En este Laboratorio se estudiar el comportamiento del potencial elctrico y a partir de ellos encontrar el campo elctrico que le corresponde. Encontrar la funcin experimental del potencial elctrico segn el tipo de configuracin de electrodos utilizados.

2.-

MARCO TEORICO En los fenmenos gravitacionales no existen mecanismos visibles por medio del cual un cuerpo ejerza una fuerza sobre otro a travs del espacio vaco o de la materia. En la misma forma en el caso elctrico resulta til considerar que cuando un cuerpo se carga, se crea un Campo Elctrico en su entorno, modificando as las propiedades del espacio que le rodea, entonces, un segundo cuerpo cargado, ubicado en sus proximidades, tiende a moverse hacia el primero o a alejarse de acuerdo al signo de ambas cargas. El fenmeno de las interacciones electrostticas es el efecto de la fuerza que acta sobre una carga. Debido a que esta accin se realiza a distancia, su descripcin se facilita cuando se introduce el concepto de Campo Elctrico, el que se define atribuyendo a cada punto del espacio, lugar donde se manifiestan dichas interacciones, un vector E . Entonces se habla de la existencia de un campo elctrico en un punto si un cuerpo cargado ubicado en dicho punto experimenta una fuerza de origen elctrico. Al colocar un pequeo cuerpo Entonces se define de prueba con carga qo, ste experimentar una fuerza F . operacionalmente el campo elctrico como la fuerza que se ejerce por cada unidad de carga presente en dicho punto.

E=

F (e) qo

Por ejemplo, si una carga positiva se desplaza bajo la accin de un campo elctrico la trayectoria que describe es tangente en todo instante a este vector. Esta trayectoria se conoce como lnea de fuerza. Pero el campo elctrico no slo puede ser descrito en funcin del vector intensidad de campo elctrico, sino que tal funcin se puede hacer a travs de un escalar denominado potencial elctrico, definido como la energa potencial almacenada por cada unidad de carga: V= U/qo. Adems es necesario saber que la energa potencial de una carga de prueba en un punto del campo elctrico se define como el trabajo que hace un agente externo cuando es trada la carga desde el infinito hasta dicho punto; W=U, entonces; V=W/qo, por lo que la diferencia de potencial entre dos puntos ser:

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Vab = Vb Va =

Wab q0

(Joule /Coulomb=Volt)

Cuya expresin general sera:

V a b = a E d lb

Para estudiar el campo elctrico experimentalmente se puede hacer a travs de mediciones de superficies equipotenciales si estamos en el espacio, o lneas equipotenciales si estamos en una superficie. Entendiendo que una superficie equipotencial (o lnea, segn el caso) es el lugar geomtrico de los puntos que tienen el mismo potencial elctrico. Si se desea mover una carga entre dos puntos de una misma superficie equipotencial, no se requiere trabajo de un agente externo. Esto lo confirma la idea de que la diferencia de potencial entre dos puntos es independiente de la trayectoria an cuando pase por otra equipotencial. Las lneas equipotenciales son perpendiculares a las lneas de fuerza. Cuando se conoce la dependencia del campo elctrico con la distancia puede ser calculado bajo el concepto de gradiente de potencial a travs de:

E = [ V ]uRecuerde que,

=

i+ j+ k x y z

MATERIAL 1.Una fuente de poder de c.c. 0 12 [V] 2.Una cubeta rectangular de vidrio. 3.Un Voltmetro 4.Un par de placas Planas, una placa puntual, una placa cilndrica grande y una pequea. 5.Un computador con interfase Pasco 750 y Software Science Workshop. 5.Hoja milimetrada 6.Un cable sensor de voltaje 7.Cables de conexin. 8.Una regla ( o 30 cm) MONTAJE Y SUGERENCIA EXPERIMENTAL. Para hacer el estudio ser necesario armar un montaje como lo muestra la figura 1.

+Y

-

X

SONDA

V Fig.1

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El potencial elctrico se medir al interior de una cubeta con agua, en la que se instalarn electrodos (planos, puntuales, circulares) que sern estudiados formando distintas configuraciones, tales como: 1.- dos placas planas y ubicadas paralelamente entre s. 2.- un electrodo circular y otro puntual 3.- dos electrodos circulares de dimetros distintos. Arme el circuito de la figura 1 usando, en primer lugar, un par de placas planas. Haga un estudio cualitativo del comportamiento del potencial elctrico respecto de la posicin. (Recorra con la sonda todas las regiones en la cubeta). Procure que en el registro de datos se logre el mximo potencial en el origen del sistema de coordenadas. (Revise las polaridades). Segn la figura 1, el voltmetro medir la diferencia de potencial en la regin acotada por los electrodos, (uno positivo y el otro negativo) a travs de la sonda, que ser la que recorrer los espacios al interior de la cubeta. Aqu determine usted cuales son las zonas de importancia para detectar las lneas equipotenciales. Para cada configuracin experimentada resuelva lo siguiente: 1.2.3.4.5.6.7.Haga un esquema de lneas equipotenciales. Grafique el Potencial versus la posicin promedio para cada configuracin. Determine la relacin funcional entre el potencial elctrico y su posicin respecto a ellos. Si tiene que realizar alguna rectificacin utilice el PC de su clase. A partir de sus esquemas de lneas equipotenciales haga los correspondientes esquemas de lneas de campo. A partir de la funcin encontrada para los potenciales en funcin de la posicin, determine la intensidad del campo elctrico. Aplique el Teorema de Gauss para la configuracin circular circular.

ACTIVIDAD OPCIONAL: Una vez obtenida la informacin para las configuraciones propuestas reemplace el voltmetro por la interfase y el computador, como lo muestra la figura 2.FUENTE de PODER

+

-

Y X

PCINTERFASE

Fig.2

Este montaje permite hacer un registro automtico de los potenciales e ingresar las posiciones por teclado usando el programa SCIENCE WORKSHOP.VFO/vfo. Edicin Preliminar revisada, Enero Marzo de 2010

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 3 CONDENSADORES

OBJETIVOEstudiar el comportamiento temporal de un condensador electroltico sometido a un proceso de carga y de descarga.

INTRODUCCINDos cuerpos forman un condensador cuando entre ellos existe o puede existir un campo elctrico. Entonces, el condensador es un dispositivo formado por dos conductores elctricos separados por un material aislante o dielctrico. Al conectar las armaduras (placas) a los polos de un generador, cada una de ellas queda cargada con la misma cantidad de carga pero de signo contrario, lo que implica la existencia de una diferencia de potencial entre ambas. El condensador, por su construccin geomtrica, puede almacenar cargas en sus placas. Tal almacenamiento permite acumular cierta cantidad de energa elctrica por tiempo indefinido, (esto depende de la calidad de su construccin). Es importante mencionar que su construccin puede ser del tipo esfrico, plana o de placas, lineal o cilndricas. En el de placas, estas se separan con un elemento dielctrico. El electroltico, sirve para almacenar grandes cantidades de carga a un voltaje bajo, se compone de una hoja de metal en contacto con un electrolito - solucin que conduce la corriente en virtud del movimiento de los iones contenidos en la solucin, cuando es aplicado un voltaje entre las hojas y el electrolito se forma una capa delgada de xido metlico (aislante) sobre la hoja metlica, sirviendo sta de dielctrico. Lo importante en el uso de este tipo de condensador es respetar la polaridad. Una conexin equivocada provoca la desaparicin de la capa de xido, lo que hara que el condensador conduzca corriente en vez de almacenar carga. Hay tres aspectos de importancia del dielctrico en un condensador: 1.- Aumenta la capacitancia del condensador. 2.- Aumenta el voltaje de operacin del condensador. 3.- Proporciona una estructura mecnica de soporte entre las placas conductoras. La diferencia de potencial entre las placas es proporcional a la carga Q en un condensador, entonces, sta relacin se conoce como capacitancia, representando sta, la medida de la capacidad de almacenamiento de carga y energa potencial elctrica.

C=Q/V

(Coulomb / volt = 1 Faradio)

para un condensador de placas planas en el vaco es:

Pero sta capacidad del condensador depende de su geometra, por ejemplo,C= 0 A / d, donde A= rea de la superficie enfrentada, d= separacin entre placas,

0 = permeabilidad del vaco.

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CARGA DEL CONDENSADOR

Inicialmente un condensador est descargado cuando el circuito del que forma parte est abierto, (no hay paso de corriente). Al cerrar el circuito, en t= 0 (s), comienza a fluir carga y el condensador inicia su proceso de carga. El valor mximo de carga depender de la fem de la fuente. Cuando alcanza esta carga mxima, la corriente en el circuito es cero.

V RFig. 1

C

Segn el teorema de conservacin de la energa (2 ley de Kirchhoff) tenemos:

- iR-Q/C=0

(1)

Q / C = cada de potencial a travs del condensador. Q e i son valores instantneos mientras se carga el condensador. Cuando t = 0 el circuito est cerrado, por lo tanto, la carga en el condensador es cero, entonces:

i R = cada de potencial a travs de R.

= fem de la fuente

- iR=0 -t/RC

para t= 0.

i0 =

/R

(2)

En t= 0 la cada de potencial se presenta ntegramente a travs de la resistencia. Una vez que el condensador est con su mxima carga Q, stas dejan de fluir por el circuito y la cada de potencial se presenta a travs del condensador, entonces: Q=C (3)

Para estudiar la dependencia del tiempo de carga con la corriente se deriva la ecuacin (1) respecto del tiempo y su resultado se integra bajo las condiciones iniciales, I =I0 , teniendo: I(t) =

/Re

(4)

Para estudiar la dependencia de la carga del condensador con el tiempo consideremos I= dq/dt en la ec. (4) e integrando para t = 0 y q = 0 obtenemos la expresin que da cuenta de la carga en funcin del tiempo para el condensador que est siendo cargado. q(t) =

/ R ( 1- e

-t/RC

) (5)

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DESCARGA DEL CONDENSADORCuando el circuito de la figura 2 est abierto, en el condensador existe una diferencia de potencial Q / C y en la resistencia un V = 0 debido a que I= 0.

C

R

Fig.2 Si en t = 0 se cierra el circuito, el condensador comienza a descargarse a travs de R. Mientras se descarga, en un tiempo dado, la corriente en el circuito es I, y la carga del condensador es Q. Segn la ley de conservacin de la energa ( 2 ley de Kirchhoff), la cada de potencial a travs de R es IR y debe ser igual a V a travs del condensador: IR = q / C (6)

Pero la corriente en el circuito debe ser igual a la rapidez de decrecimiento de la carga en el condensador: I(t)= I0 e-t/RC (7)

Donde la corriente inicial IO = Q / RC, por lo que se aprecia que la carga del condensador y la corriente decaen exponencialmente a una rapidez caracterizada por la constante de tiempo =RC conocido como tiempo de relajacin.

MATERIALES123456Dos condensadores electrolticos (1000 F - 25 V ) ( 470 F - 25V). Una fuente de poder cc. variable. Un voltmetro Una resistencia 4,7K Caja de derivacin Cables de conexin.

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PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ESTUDIO CUALITATIVOArme el circuito e instale un voltmetro de tal manera que pueda medir la diferencia de potencial en los extremos del condensador.

V

1 2CFig. 3

R

PROCESO DE CARGA1.2.3.4.-

Cierre el circuito en el punto 1 de la figura. Observe el comportamiento del voltmetro. Estime el tiempo que demora este proceso. Describa cualitativamente la relacin entre la variacin de voltaje y el tiempo.

PROCESO DE DESCARGA 1.Cambie el interruptor de tal manera que el circuito quede desconectado de la fuente y quede completamente cerrado en el punto 2. 2.Observe los registros que entrega el voltmetro. 3.Estime el tiempo que demora este proceso. 4.Describa cualitativamente la relacin entre el voltaje y el tiempo y comprelo con el anterior proceso. ESTUDIO CUANTITATIVOHaga algunas medidas de prueba. Afine los rangos de las medidas si fuera necesario. El problema global es estudiar la relacin entre el voltaje y el tiempo para el fenmeno de carga y descarga del condensador. Entonces, proceda a tomar valores, una vez que tenga un conjunto de puntos que parezca razonable.

PROCEDIMIENTO DE TRABAJOEn esta etapa de su estudio se requiere que disponga una actitud reflexiva, analtica y critica, sus resultados dependen de dicha actitud. Usted dispone de dos condensadores, si el tiempo de trabajo le permite, estudie ambos para que pueda establecer comparaciones y anlisis. 1.Grafique V v/s t para el proceso de descarga y escriba la relacin funcional correspondiente. 2.Rectifique la curva original y escriba la relacin funcional respectiva. 3.Calcule las constantes de tiempo terica y experimental. 2 4.Demuestre que la energa del condensador es W = C V y determine su valor para el o los condensadores usados.

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 4 LEY DE OHM

OBJETIVOS1.Dados algunos elementos resistivos que compongan circuitos simples, estudiar en ellos la manera en que se comportan las variables fsicas que intervienen en la Ley de Ohm. Discriminar y analizar aquellos circuitos cuyos elementos permitan verificar la Ley de Ohm.

2.-

INTRODUCCIONGeorge Simon Ohm (1787- 1854), determin en 1827 una relacin que unificaba las dos importantes nociones de Tensin y Corriente elctrica. Ohm tom una seccin de alambre delgado muy largo y lo conect con diferentes bateras en serie y midi la corriente que circulaba a travs del alambre. De los datos obtenidos dedujo que la corriente era directamente proporcional a la tensin. Concluy que para un alambre dado, la razn de la tensin a la corriente equivale a una constante, comprobando esto con distintos alambres y distintas fuentes de tensin. La Ley de Ohm puede considerarse como una relacin de causa y efecto, donde, el efecto (corriente) es directamente proporcional a la causa (tensin). Si la corriente se representa con I y la tensin con V es posible establecer lo siguiente: alambre.

V I

V/ I = K ,

donde K es diferente para cada seccin y/o

Ohm estableci que la corriente es directamente proporcional a la tensin slo cuando el largo y dimetro del alambre sea constante. Comprob, adems, que con una tensin V la corriente I en el circuto era inversamente proporcional a la longitud del alambre usado. Esto es, cuando se duplicaba la longitud del alambre (con la misma tensin), la corriente se reduca a la mitad y si se triplicaba la longitud la corriente I disminua a la tercera parte de su valor original. Pero tambin encontr que el dimetro del alambre tambin afectaba a la corriente al igual que el tipo de material que estaba constituido el alambre. Con esto dedujo que cada alambre tena una propiedad especfica que impeda el flujo de la corriente. Esta propiedad fue ms tarde llamada Resistencia, la experiencia demostr que la resistencia era directamente proporcional a la longitud e inversamente proporcional al cuadrado del dimetro de la seccin transversal del alambre:

R L/ A , la constante de proporcionalidad se denomina (Rho), la que depende, Resistividad y se designa con la letra griega fundamentalmente, del tipo de material y de la temperatura. Entonces resulta la siguiente expresin: R = L /A

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Finalmente, la Ley de Ohm establece que V = IR . En la prctica, para asignar la unidad a la resistencia se define el Volt y el Ampre en forma independiente y luego, en funcin de stos se define la unidad de resistencia elctrica conocida como Ohm, es decir; 1 Ohm = 1 = 1 Volt / 1 Ampre= 1V / 1A

MATERIALES1.2.3.4.5.6.-

1 Fuente de Poder C. C. Resistencias de carbn (con bandas de colores y de distintos valores 1 Ampolleta (6V) 1 Dodo semiconductor 2 Multimedidores (1 digital y 1 anlogo) Cables para conexin

)

PROCEDIMIENTOArmar el circuito como se sugiere en la figura 1. El Elemento corresponder a la resistencia, a la ampolleta y al dodo que deber estudiar por separados, respectivamente y en el orden aqu indicado. El circuito de la figura N 2 sugiere la instalacin del dodo acompaado de una resistencia de proteccin. Para cada caso obtenga informacin de V e I y encuentre la relacin que emerge de las dependencias existentes entre ellas. Mediante el software Graphical Analysis obtenga sus resultados grficos. V ELEMENTO V

A A 100

FIG.1

FIG.2

ADVERTENCIA: Antes de energizar el circuito pida la supervisin a su profesor. TRABAJO: 1.En base a sus resultados grficos determine si para todos los casos estudiados se verifica la ley de Ohm, justifique. 2.Para el circuito con la ampolleta; identifique el rango en que sta puede comportarse de acuerdo a la ley estudiada. 3.Explique el funcionamiento y utilidad de un dodo.

VFO/vfo. Edicin Preliminar revisada, Enero Marzo de 2010

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 5 LEYES DE KIRCHHOFF

OBJETIVOS 1.- Reconocer nudos y mallas en un circuito mixto.2.Verificar experimentalmente las leyes de Kirchhoff.

INTRODUCCION: Cuando los elementos que componen un circuito estn conectados de tal modo que algunos de ellos se encuentran en serie y otros en paralelo, ya sea respecto de la o las fuentes de alimentacin o entre s, este se denomina circuito mixto. En este tipo de circuitos resulta sencilla la determinacin de la resistencia equivalente utilizando un mtodo para encontrar la corriente en cada rama, conociendo la Fuerza electromotriz resistencias.

(f.e.m.)

de la fuente y los valores de todas las

Denotaremos por i1 la corriente a travs de R1 y as sucesivamente. Las reglas para resolver este problema y otros similares se llaman Leyes de Kirchhoff. Observemos la figura n 1: El punto que conecta a todas las resistencias de esa zona se denomina NUDO, al cual llega la corriente (segn el sentido indicado) que pasa por R1, distribuyndose a travs de R2 , R3 y R4 .R1 R3 R4

iR2

fig. 1 Al no haber acumulacin de cargas en dicho nudo y en ninguno de los que existan en el circuito, la rapidez con que llegan al o a los nudos debe ser la misma que la rapidez con que salen de l o de ellos. Este es el principio de Conservacin de la carga. (estas no se crean ni se destruyen), siendo sta la Primera Ley de Kirchhoff, (ley de nudos) representada como: La suma de las corrientes que llegan a un nudo es igual a la suma de las que salen de l .

j

n

ij = 0

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La f.e.m. es responsable de hacer el trabajo necesario para mantener circulando los portadores de carga en el circuito, esto es, para que las cargas vayan de un punto de bajo potencial a uno de alto potencial.

Entonces, para que la fem mueva un dq, realiza un trabajo dW, donde; dW = dW =

dq

pero dq= idt,

idta b R

La fem, por lo tanto, entrega energa al sistema, la que no se pierde sino que se transforma en otro tipo. Segn la fig. N 2 : Si una carga se mueve a travs de R1 desde a hasta b, el trabajo realizado para tal cambio en R1 se transformar en otro tipo de energa, de modo que: dU = i dt Vab

i

fig. 2

donde dU/dt =i Vab representa la Potencia, que es la energa transformada por la carga en la unidad de tiempo. Dado que los portadores de carga en R1 avanzan con una velocidad v , en promedio constante, de modo que no ganan energa cintica, por lo tanto, la energa Potencial Elctrica que pierden los electrones se transforma en calor. Este fenmeno de cambio se conoce como el efecto JOULE. As que; P = i V = i 2 R . En la fig. 3, el trabajo realizado por la o las fuentes de alimentacin resulta ser igual al calor generado en las resistencias presentes debido al efecto Joule. Luego dW = i dt y dU = i2 R dt, como dW= dU

- iR = 0 i n

Lo que significa que la suma de los cambios de potencial existentes al recorrer el circuto debe ser cero. Esto representa La ley de Conservacin de la energa (ley de mallas) o Segunda Ley de Kirchhoff. En general:

iR = 0i

n

Esta ecuacin se aplica a cualquier trayectoria cerrada (malla). Podemos observar que en la fig. N 3 la configuracin compuesta por R1, R2, R3 y R4 genera una malla.

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La regla de las mallas indica que: La suma de los cambios de potencial que se encuentran al recorrer el circuito completo, debe ser cero. Para estudiar estas dos leyes es posible adoptar un mtodo, cuyos pasos seran:

1.- Identificar los nudos y mallas existentes en el circuito. 2.- Decidir el sentido de recorrido de la corriente para cada malla (arbitrario). El sentido adoptado se asume como positivo. 3.- El nmero de mallas a estudiar depende del nmero de corrientes incgnitas. Es decir, tantas ecuaciones como incgnitas existan. 4.- Cautelar el orden de recorrido de la corriente, tanto en nudos como en mallas de acuerdo a los signos de la o las fem que en el circuito existan y de las cadas de tensin i R en cada resistencia. No es necesario que nuestra eleccin del sentido de recorrido sea correcta ya que si una corriente resulta negativa. Esto solo significa que su sentido es opuesto al elegido Las cadas de tensin iR son positivas si el sentido de recorrido de la malla coincide con el sentido asignado a la corriente por medio de pequeas flechas.1 R R

i

+ R

a2

R1

Fig. 3 Escribamos algunas ecuaciones: Nudo 1; Malla a; i=i2 + i3

- i1 R1 -i4 R4 - i3 R3 + i2 R2 = 0

Una vez que se han escrito las ecuaciones, el problema restante para hallar las soluciones es solamente algebraico. Adems, para simplificar ms las cosas, es costumbre sustituir los smbolos de las resistencias por sus valores reales. El procedimiento que hemos dado aqu, es slo uno de los tantos mtodos existentes para resolver el problema, sin embargo, todos los mtodos dependen de la

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aplicacin de los mismos dos principios que son : La conservacin de la energa y la conservacin de la carga elctrica .

MATERIALES:1.2.3.4.Una fuente de poder D.C. 6 Resistencias del mismo orden de magnitud Un tester Cables de conexin

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

:

1.-

Con los materiales dados monte el circuito sugerido en la figura 4.

R

R R

R

R

R

Fig. 4 2.-

Para estudiar la conservacin de la carga escriba las ecuaciones fsicas correspondientes a los nudos una vez identificados. Analice sus resultados. Mida los voltajes en cada resistencia y la tensin en la fuente. Para estudiar la conservacin de la energa escriba las ecuaciones correspondientes a las mallas por Ud. definidas y evalelas. Analice sus resultados. Determine la resistencia equivalente del puente compuesto por: R2, R3, R4, R5 y R6. Explique su procedimiento. Determine la resistencia equivalente total del circuito. de clculo. Explique su modo

3.4.-

5.-

6.-

7.-

De qu manera puede demostrar experimentalmente que el circuito propuesto satisface la Ley de Ohm ?

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8.-

Las preguntas aqu planteadas no son lo mximo ni las nicas para analizar este estudio. Usted genere sus propias interrogantes en virtud de lo experimentado y de sus resultados. (Ver que ste es, sino el mejor, un muy buen camino al razonamiento analtico, crtico y lgico).

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 6 FENOMENOS MAGNETICOS OBJETIVOS 1.2.-

Observar efectos magnticos producidos por un imn en su entorno. Estudiar la interaccin producida entre la corriente elctrica y el campo magntico. Comprobar cualitativamente la Ley de induccin de Faraday y la Ley de Lenz.

INTRODUCCION A travs de estudios de magnetismo se ha observado que los polos magnticos ejercen fuerzas de atraccin y repulsin entre s, y que stas fuerzas varan como el inverso del cuadrado de la distancia de separacin. An cuando la fuerza entre dos polos magnticos es similar a la fuerza entre dos cargas elctricas, existe una importante diferencia. Los polos magnticos no se pueden separar. Esto es, los polos magnticos siempre estn en pares. Al descubrirse que una aguja magntica poda ser desviada por una corriente elctrica se establece una relacin entre magnetismo y cargas mviles. Estos hechos conducen a Ampre a idear una teora argumentando que las propiedades magnticas son producto de corrientes elctricas ultramicroscpicas. Estas se conocen como contentes de Ampre y se deben, principalmente al spin de los electrones. El descubrimiento de la relacin electricidadmagnetismo fue realizado por Oersted en el ao 1820, observando que la corriente que pasa por un conductor puede producir efectos magnticos logrando cambiar la orientacin de una aguja imantada. Los campos magnticos pueden crearse a partir de corrientes elctricas. Este se conoce como campo de induccin magntica, cuyo modelo matemtico se conoce como la ley de Biot y Savart, en honor a sus descubridores. El efecto magntico debido a la corriente que fluye por el conductor (un alambre) puede intensificarse si a dicho conductor se le da la forma del, una bobina con n vueltas con un ncleo de hierro en su interior. El vector campo magntico B se denomina induccin magntica y puede ser representado en forma grfica a travs de lneas de induccin (conoc do como espectro del campo magntico). La relacin de ste vector magntico con sus lneas de induccin es tal que: - La tangente en un punto cualquiera a una lnea de induccin da la direccin del vector en ese punto. - Sus lneas de induccin son dibujadas considerando que el nmero de lneas de induccin por unidad de rea de seccin transversal sea proporcional a la magnitud del vector campo magntico B.

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El flujo de un campo magntico se ha definido como:

b

=

B ds

Faraday, en 1831 detect seales transitorias en su medidor de corriente, esto origina la aparicin de una f.e.m. inducida. Nace, a partir de repetidas experiencias la ley de induccin electromagntica: "LA FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA E EN UN CIRCUITO CERRADO ES IGUAL A VALOR NEGATIVO DE LA RAPIDEZ CON LA CUAL ESTA CAM BIANDO EL FLUJO QUE ATRAVIESA EL CIRCUTO CERRADO

d B = dtDe esto Lenz postula que: "El sentido de una f.e.m. inducida originada por un flujo magntico variable es tal, que la direccin de la corriente inducida tiende a crear un flujo que se opone a la variacin que le da origen".

MATERIALES 1.2.3.4.5.6.7.8.9.Imn permanente (juego de barras) Una fuente de poder (0-10 v cc) Un miliampermetro de cero central Bobinas de distintos nmero de espiras (400; 800; 1600; 2400) Un voltmetro Limadura de hierro Placa porta conductores Una brjula Hilo y aguja

ACTIVIDADES l) Explore e identifique la orientacin de la aguja imantada de la brjula (polos definidos en base a orientacin cardinal). II ) Verifique la polaridad magntica del imn permanente utilizando la brjula. De acuerdo a sta verificacin rotule y consiga que la polaridad quede completamente identificada para dar uso al imn en otras actividades. III ) Observacin y registro de espectros magnticos usando limadura de hierro: a.Cubra una barra de imn con una hoja blanca y limpia. Deje salpicar limaduras sobre sta. Dibuje el espectro resultante.

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b.- Disponga dos barras, conjugando en cada oportunidad las polaridades. Proceda del mismo modo que en la actividad anterior. c.- Acerque la aguja (de coser) a un imn y luego, desde el extremo del hilo culguela haciendo que sta lo recorra por sus contornos. Describa lo experimentado. Frote la aguja en un polo del imn plenamente identificado y recorra su entorno con ella. Vuelva a frotar la aguja en el otro polo y proceda como el paso anterior. Establezca en sta prueba las correspondientes comparaciones. IV) Arme los siguientes montajes: a)

A

Fig. 1 - Produzca oscilaciones en el sistema y estudie los efectos que este movimiento vertical provoca al entrar y salir de la bobina. - Cambie la polaridad del imn y repita la actividad anterior. - Reemplace la bobina usada por otra de distinto nmero de espiras y establezca comparaciones con el resultado anterior. b)10 V mximo

a

b

A

Fig.2 Acerque la bobina b a la bobina a. comportamiento del micro ampermetro. c) Produzca movimientos axiales y observe el

Fig.3

23


Conecte a la batera (cc) uno de los terminales a uno de los bornes de cualquiera de las configuraciones de conductores. Deje caer limadura de hierro sobre la regin del conductor y cautelosamente PINCHE con el otro terminal el extremo libre de la configuracin que est estudiando. No deje conectado permanentemente el circuito. Proceda de igual modo para las restantes configuraciones de conductores. Registre sus observaciones. SUGERENCIAS Usted ha trabajado en una experiencia netamente cualitativa, en la que slo est en juego la comprensin del fenmeno sin desarrollar clculos ni exponer mediciones, por lo tanto, se requiere haber estudiado el tema previamente. Para la elaboracin de su informe deber asumir un esquema distinto a los anteriores debido a que sus resultados estarn sobre la base de la OBSERVACION. Situacin que le conducir a tener que redactar en forma clara, concreta y puntual sus resultados, (evite redacciones fatigosas).

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 7 FENOMENOS MAGNETICOS

OBJETIVOS1.2.3.Estudiar el comportamiento de un transformador y distinguir el principio sobre el cual se basa. Determinar la eficiencia de un transformador. Verificar la Ley de Induccin de Faraday en base a la informacin grfica que se obtenga de diferentes configuraciones que se pueden dar como estructura de un transformador. fsico

INTRODUCCIONEl transformador es un elemento que se compone de tres partes; el circuito primario, que consta de una bobina (primaria P), que se alimenta desde una fuente externa, un ncleo de hierro dulce y otra bobina (secundaria S), por la cual circula la corriente producida por induccin. La funcin del transformador es incrementar o reducir la tensin de corriente alterna. Esto se logra debido a la induccin electromagntica mutua, siendo sta una clara ventaja que ofrece la corriente alterna sobre la corriente continua. El principio fsico en el cual se funda un transformador es en el fenmeno de Induccin Magntica debida a una corriente cambiante en el tiempo.

P

S

G

Fig.1La figura 1 muestra una espira P que es alimentada por la fuente de poder y por ella pasa una corriente desde cero hasta un valor constante. Este cambio de corriente produce un campo magntico que aumenta con el tiempo a travs de la espira. El resultado de ste B / t se detecta como una corriente inducida por medio de un galvanmetro G. Cuando se tienen ambas bobinas encajadas en el ncleo de hierro (este tiene forma de U) y se alimenta la bobina primaria con una fuente de corriente alterna se produce un flujo magntico cambiante dentro del ncleo del transformador. Si el ncleo es de acero permite concentrar y conservar el flujo. Segn la Ley de Faraday, la fuerza electromotriz (f.e.m.) inducida en la bobina primaria al cambiar el flujo es:

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p = - Nprimaria. (nmero de espiras sp).

p

( / t )

donde: Np = nmero de vueltas de la bobina

Si se supone que pasa el mismo flujo por la bobina secundaria, la f.e.m. inducida ser:

s = - N ( / t )s

donde Ns

= nmero de espiras de la

bobina secundaria. Es posible, entonces, establecer una relacin entre la f.e.m. y el nmero de vueltas o espiras:

s / p= N / Ns

p

Si cambiamos el nmero de vueltas en la bobina secundaria, el voltaje podra incrementar o reducirse, de modo que: a.- Si Ns

Np

se trata de un transformador elevador. Esto significa que el voltaje de salida en la bobina secundaria ser mayor. se tra ta de un transformador reductor. En ste el voltaje de salida ser menor.

b.- Si

Ns

Np

EFICIENCIA DE UN TRANSFORMADORLa eficiencia de un transformador se define como la razn que hay entre la salida de potencia y la entrada de potencia. Si P= I V = I

( A* V) Is = Ip

Salida de Potencia Eff = Entrada de Potencia

sp

bobinas.

Is e Ip son las magnitudes de las corrientes que transitan por las respectivas

La calidad de la eficiencia de un buen transformador supera el 90%. Existiendo dos causas de prdidas o baja de potencia: 1.- Flujo desviado. * Este caso se presenta cuando todo el flujo magntico generado por la bobina primaria no pasa por la bobina secundaria, su eficiencia decrece. 2.- Corrientes Parsitas. * Estas se producen debido a que como el ncleo de hierro es conductor, la f.e.m. debida flujo cambiante en el volumen del ncleo origina remolinos de corriente dentro del ncleo mismo.

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Estas corrientes producen prdidas del orden de I2 R, disminuyendo, as, la eficiencia del transformador. Sin embargo, es posible reducir eficazmente las prdidas usando ncleos de hierro laminado, stas tienden a interrumpir los remolinos de la corriente parasita. Si consideramos un transformador ideal (100%) tendremos que : entrada de potencia = salida de potencia Ip Esto permite plantear la siguiente relacin: Ip = Is

p =

Is

s sp= Np

Ns

de la que se deduce que si aumenta el voltaje, se reduce la corriente y vise-versa.

INDICACIONES GENERALES USTED TRABAJAR CON CORRIENTE ALTERNA. TENGA PRECAUCIN CON EL USO DE LOS INSTRUMENTOS EN LO QUE CORRESPONDE A ELECCION DE ESCALAS Y CONEXIONES.EN LAS TAREAS EXPERIMENTALES (A ESTA ALTURA) USTED DEBE APLICAR CRITERIOS EN EL REGISTRO DE DATOS Y TOMAR DECISIONES RESPECTO DE LAS SUGERENCIAS METODOLOGICAS QUE LE PRESENTA UNA GUIA DE TRABAJO.

MATERIALES1.- Una fuente de poder variable ( 0 - 16 V, ac) 2.- Tres multimedidores digitales 3.- Bobinas cuadradas de las siguientes caractersticas: * 2 de 400 espiras * 2 de 1.600 espiras * 1 de 20.000 espiras 4.- Una resistencia de 100 5.- Un ncleo de hierro (con perno pasador) 6.- Caja para conexiones 7.- Dos barras cilndricas ( ncleos de distintos dimetros) 8.- Cuatro bobinas cilndricas ( 400 sp; 800 sp;1600 sp; 2400 sp.) 9.- Cables de conexin.

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SUGERENCIA EXPERIMENTAL I) Utilizando las bobinas cilndricas.1.1 Obtenga (aproximadamente) 10 volt. a.c. de la fuente de poder y conecte a ella una bobina previamente identificada. Estudie para cada bobina el fenmeno que se produce al introducir una barra cilndrica en la cavidad de la respectiva bobina. Compare entre ellas los efectos observados. (estudio cualitativo).

10 V

Fig.2 (en la fuente de poder mantenga el selector de voltaje en cero) Conecte una de las dos bobinas a la fuente de poder, (sta ser la bobina primaria, como se aprecia en la figura 3). La bobina secundaria acrquela lo ms prxima a la primaria, haciendo un puente entre ambas con el cilindro metlico adecuado. Controle la cada de tensin en ambas bobinas mientras vara el voltaje en la fuente.(entre 0 y 10 V ). Grafique V1 v/s V2. (desarrolle esta actividad slo para una combinacin de bobinas cilndricas, evite que sean de igual nmero de espiras). v 1.2

v II) Utilizando las bobinas rectangulares. 2.1 Bobina primaria = 1600 sp. Bobina secundaria = 1600 sp. Proceda a armar un transformador encajando una bobina en cada brazo del ncleo de hierro. Asegrese que el perno deje lo ms apretado posible los componentes del ncleo. Aplique el mismo procedimiento de medicin practicado en el circuito de la figura 3 con el fin de graficar Voltaje del primario v/s Voltaje del secundario (Vp v/s Vs ). Variando el voltaje de la fuente entre 0 y 10 V, ac. Fig. 3

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2.2

Bp = 1600 sp Bs = 400 sp

a.Proceda de igual forma que en la actividad 2.1. b.Para esta combinacin de bobinas, una vez desarrollado el punto anterior (a), arme el circuito de la figura 4. Ahora ser controlada la corriente que llega al primario y la que entrega el secundario.

Ip

100

Fig.4 * Grafique Ip v/s Is * Determine la potencia de este transformador. BP = 400 SP. Bs = 20.000 sp

2.3

Para esta configuracin mida voltajes y corrientes en el primario y en el secundario. Grafique Vp v/s Vs e Ip v/s Is.

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 8 CORRIENTE ALTERNA OBJETIVO GENERAL Estudiar el comportamiento elctrico de un circuito en serie de voltaje alterno compuesto por un condensador, una bobina y una resistencia. OBJETIVO ESPECFICO Encontrar la frecuencia de resonancia del circuito serie RLC. INTRODUCCION Una fuente de voltaje continuo mantiene uno de sus bornes positivo y el otro negativo. El valor de la corriente, en este caso, est determinado por el valor del voltaje entre los bornes de la fuente y el valor de la resistencia del conductor

I=

V . R

En una fuente de voltaje alterno no ocurre el mismo fenmeno. Si observamos el potencial en uno de sus terminales, vara ste 50 (ciclos/ s) Hz. El voltaje alterno es aquel que entre los terminales de la fuente vara peridicamente. Las fuentes ms corrientes son aquellas en las que su variacin es sinusoidal respecto del tiempo. Para caracterizar una onda sinusoidal es necesario conocer su valor mximo y su frecuencia (veces que vara por segundo), de modo que estas magnitudes indican el valor que posee la onda en cada instante. (esto es lo que interesa). As, una onda de voltaje sinusoidal se representa por: V(t) = Vmx sen ( t + ) frecuencia angular, f es la frecuencia elctrica y donde:

=2

f

es la

el ngulo de fase.

La intensidad de corriente tendr la forma: I(t) = I0 sen ( t + ) Lo anteriormente sealado caracteriza al tipo de voltaje y su comportamiento temporal. Sin embargo, nos dedicaremos a estudiar la respuesta que se obtiene al conjugar elementos tales como: resistencia, bobina y condensador alimentados con seales de distintas frecuencias. De aqu emanarn conceptos como: Impedancia (Z), resonancia, valores eficaces de corriente y voltaje, diagramas de fase entre voltajes y corrientes, reactancia pura, reactancia inductiva y reactancia capacitiva.

Para un circuito en serie formado con los elementos elctricos mencionados en el pargrafo anterior, e incluyendo la fuente alterna de alimentacin, las leyes de Kirchhoff permiten establecer relaciones fsico matemticas dependientes del tiempo.

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V(t)= VR(t)+VL(t)+VC(t), de donde se puede expresar en trminos diferenciales e integrales los trminos de VL y VC, respectivamente.

V (t ) = Ri (t ) + L

di (t ) 1 + i (t )dt dt Cdonde: XL y XC representan la

Z = R 2 + ( X L X C )2 ,

reactancia inductiva y la reactancia capacitiva respectivamente. Pudiendo ser expresadas en funcin de la frecuencia angular.

XL = L

y

XC =

Entre la corriente y el voltaje se produce una diferencia de fase que puede determinarse conociendo el valor que adquiera , cuya forma es la siguiente:

1 C

= tg 1

X L XC R

Cuando el voltaje VL en la reactancia inductiva tiene igual magnitud al voltaje VC en la reactancia capacitiva, encontrndose ambos desfasados en 180 se admite que el circuito RLC en serie entra en resonancia. Cuando as sucede, la impedancia del circuito es mnima e igual a R y la corriente que circula por l es mxima. Este fenmeno se produce para una frecuencia especfica, para la cual la reactancia inductiva es igual a la reactancia capacitiva, de donde es posible obtener una expresin para la frecuencia angular 0 cuya expresin es la siguiente:

0 =

1 1 , teniendo presente que la frecuencia lineal terica es f 0 = . LC 2 LC

MATERIALES 1.2.3.4.5.Un generador digital de audiofrecuencias Pasco PI 95878 Cuatro multimedidores Circuito RLC modelo CI - 6512 Cables para conexiones Un PC con software graficador

SUGERENCIA EXPERIMENTAL I ) Circuito serie RLC Arme el siguiente circuito:R=10 L=8.3mH

C=100F

A

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3.1)

Fije la amplitud de la fuente en 2.5 (V) y vele por mantenerla cada vez que cambie la frecuencia. Aplique frecuencias entre 10 y 400 Hz y mida los voltajes VR, VL, VC y para cada caso y registre el valor de la intensidad de corriente. Calcule la impedancia Z para cada dato registrado. Grafique I v/s f . Estudie esta respuesta grfica. Identifique el valor de la frecuencia que hace mxima la corriente, comprela con f0 terica (que debe calcular previamente). Grafique f (v/s) VR; VL y VC. A partir de este grfico mltiple encuentre el valor de la frecuencia de resonancia. Determine el valor de la impedancia cuando el circuito est en resonancia.

3.2) 3.3)

3.4) 3.5)

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 9 ELECTROLISIS OBJETIVO: Estudio de las leyes de Faraday referidas a la electrlisis y determinacin experimental del equivalente electroqumico del cobre en un estudio prctico del fenmeno electroltico. MARCO TEORICO: Si se sumergen dos electrodos de cobre en agua qumicamente pura y se les aplica una diferencia de potencial no habr deteccin de corriente. Lo mismo ocurrira si son sumergidos en alcohol, aceite y otras sustancias que presentan una resistividad muy grande, comportndose como aisladores. Sin embargo, si al agua se le agrega sal comn o una gota de cido sulfrico habr una deteccin inmediata de corriente elctrica. Por lo general, las soluciones en agua de cidos, bases y sales son conductores de la corriente elctrica siendo conocidos como "electrolitos". La teora de Arrhenius (1859-1927) justifica la conduccin elctrica de los electrolitos. Cuando se forma una disolucin de un cido, base o sal, algunas molculas de estos cuerpos de disocian, o sea, se dividen en grupos de tomos llamados IONES, que poseen una determinada carga elctrica. Los iones con carga positiva se denominan CATIONES y los iones con carga negativa se denominan ANIONES. Tal es el caso, por ejemplo, cuando se disuelve sal comn el agua, algunas molculas siguen como tal y otras se disocian en cationes sodio que se representan por Na + y en aniones cloro que se representan por Cl -, ambos son monovalentes. Na+ = in sodio (catin) disociar. Cl - = in cloro (anin) NaCl= molcula de sal sin

Las propiedades del in sodio (Na+) son diferentes a las del tomo de sodio (Na). Idntica situacin ocurre con otros iones. Cuando en el electrolito se introducen dos barras conductoras conectadas a una fuente de poder de corriente continua se forma un campo elctrico que orienta y mueve a los cationes hacia el CATODO y los aniones hacia el ANODO. Si el electrolito es una solucin de sulfato de cobre Cu SO4 y el par de placas que sern sumergidas es de cobre, al aplicar una diferencia de potencial entre ellas, el movimiento de iones al interior de la solucin ser como se explic en el pargrafo anterior, presentndose la siguiente situacin en cada electrodo: CATODO: Cu++ + eCu+

Cu Cu+ + eCuando ambas reacciones poseen la misma velocidad, sera como si los iones Cu++ pasaran directamente a Cu que se deposita en el electrodo.

33


ANODO: SO4 Cu + SO4

SO4 + 2 eCu SO4

En este proceso, la concentracin de la solucin no sufre variacin debido a que el depsito de cobre en el ctodo va acompaado de la disolucin de la placa andica de cobre. PRIMERA LEY DE FARADAY La cantidad de sustancia depositada o desprendida en los electrodos es proporcional a la intensidad de corriente y al tiempo que tarda en circular dicha corriente. Simblicamente se puede representar como sigue: m= K*I*t m= Masa depositada o desprendida en los electrodos I = Intensidad de corriente t = Tiempo de trnsito de la corriente K= Constante de proporcionalidad conocida como EQUIVALENTE ELECTROQUIMICO. (E.E.) E.E. = Cantidad de sustancia depositada o desprendida en los electrodos producto del paso de una corriente de 1 Ampre en 1 segundo. Como I*t = q, representa la carga elctrica que atraviesa la solucin, por lo que m= K*q, lo que permite reformular la primera Ley en trminos de: La cantidad de sustancia depositada o desprendida en los electrodos es proporcional a la carga elctrica que atraviesa el electrolito, como as tambin redefinir el Equivalente Electroqumico como: la cantidad de sustancia depositada o desprendida en los electrodos por la carga elctrica de 1 Colulomb. SEGUNDA LEY DE FARADAY Las cantidades de sustancias depositadas o desprendidas por una misma corriente en el mismo tiempo son proporcionales a los equivalentes qumicos de las sustancias. E = K (M / n) Donde K es el equivalente electroqumico anteriormente definido. La cantidad de corriente necesaria para descomponer por electrlisis una valencia gramo es independiente de la naturaleza de la electrlisis, donde la valencia gramo ser M/n. M= masa atmica [gr] n =valencia La cantidad de electricidad necesaria para descomponer una valencia gramo es de 96.490 [Coulomb]= 1 Faradio. Entonces K= 1.0363*10-5.

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SUGERENCIA EXPERIMENTAL MATERIAL: 1.2.3.4.5.6.7.8.9.10.11.Un vaso de precipitado Una fuente de poder c.c. (0 - 12 V) Un voltmetro digital Un ampermetro digital Una balanza digital Resistencia (5 ohm) 5W Un cronmetro Dos electrodos de cobre Cables de conexin, caja de conexin y caja interruptor Un secador Toalla - papel

1.Antes de armar el circuito sugerido ms adelante limpie (use lija fina) los electrodos de cobre y posteriormente mase cada uno de ellos. (masas iniciales mctodo y mnodo ) 2.3.Vierta sulfato de cobre (Cu2SO4) a un vaso de precipitado. Asegrese que el nivel del lquido permita cubrir completamente ambas placas. Arme el siguiente circuito:

V

R

A

4.Cierre el circuito y simultneamente active su cronmetro. corriente y deje funcionando durante 5 minutos.

Registre el valor de la

El tiempo inicial de esta etapa corresponde al tiempo inicial de todo el proceso. 5.Transcurrido el tiempo prefijado desconecte y retire cuidadosamente los electrodos para que proceda a secarlos. Cuide de no remover las partculas superficiales. Mida las masas de cada uno. 6.Repita el procedimiento anterior a partir del paso 4 hasta obtener cinco set de datos.

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Considere el tiempo acumulado desde el primer set hasta el ltimo. observar en todo el proceso la variacin de la masa.

La idea es

7.Grafique masa v/s tiempo para cada electrodo. Encuentre la relacin funcional y determine el valor del equivalente electroqumico. Son comparables estos valores? 8.Determine el valor experimental de la constante K. Compare porcentualmente con el valor anteriormente calculado.

BIBLIOGRAFA 1.2.Curso de Fsicoqumica Experimental, DANIELS, ALBERTY,WILLIAMS, BENDER,CORNWELL,HARRIMAN. Ed. Mc Graw-Hill. Fundamentos de Fsica II, Electricidad y Magnetismo. FRANCIS W. SEARS. Ed. Aguilar, Madrid.

Colaboracin: Profesor Julio Chura C.

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LABORATORIO DE FISICA II QUIMICA INDUSTRIAL FIS 211 EXPERIENCIA N 10 (EXPERIENCIA OPCIONAL) RESISTIVIDAD OBJETIVO GENERAL: Estudiar la dependencia de la resistencia de un conductor elctrico con sus caractersticas geomtricas y con la temperatura. OBJETIVOS ESPECIFICOS: a.Experimentar en un conductor lineal (cobre o constantn) la respuesta de la resistencia elctrica en la medida en que vara su longitud. Estudiar grficamente dicha dependencia. b.Estudiar la relacin entre la resistencia elctrica y la temperatura en la medida en que sta ltima se modifica. INTRODUCCION: Para este estudio debe mantener vigentes los conceptos elctricos que hasta ahora ha adquirido. La idea central se basa en querer saber algo ms acerca de las caractersticas resistivas de un conductor elctrico, para lo cual se modifican algunas variables fsicas y de ello observar las respuestas que el conductor entrega. Se debe recordar que la cantidad de corriente que fluye o circula por un circuito depende de la diferencia de potencial o voltaje que existe entre los extremos del mismo, sin embargo, tambin depende de la oposicin que presenta el conductor al flujo de carga, lo cual se denomina resistencia elctrica. La resistencia de un cable depende de la conductividad elctrica del material del cable pero tambin depende de su espesor o dimetro y de su longitud. Un cable grueso tiene menor resistencia que un cable delgado. Un cable largo tiene mayor resistencia que un cable corto. La resistencia elctrica tambin depende de la temperatura. A mayor temperatura habr mayor agitacin trmica de los tomos del material del conductor y mayor resistencia opondrn al flujo de carga, en la mayora de los materiales un aumento de la temperatura se traduce en un aumento de la resistencia. El carbono es una excepcin de lo anterior ya que al aumentar la temperatura se desprenden electrones de los tomos de carbono y de hecho disminuye su resistencia. Existen materiales como los metales que presentan poca oposicin al flujo de la corriente elctrica (materiales conductores) por lo que tienen baja resistencia, mientras que hay otros materiales que se caracterizan por ser malos conductores de la corriente elctrica (materiales aisladores) y poseen alta resistencia.

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Las resistencias que se producen de forma industrial tienen valores nominales diferentes y se clasifican por su tolerancia. Por ejemplo, una resistencia de valor nominal 10 ohm y tolerancia 5% significa que la misma puede tener un valor real ubicado en el intervalo desde 10 - 5% (9,5 ohm) hasta 10 + 5% (10,5 ohm). Entonces el valor nominal es el que se espera tenga la resistencia dada, mientras que la tolerancia es el error mximo que debe tener el valor nominal. Esta idea del valor nominal y de la tolerancia en las resistencias de fabricacin industrial, resulta muy importante en el sentido que permite introducir el concepto del error de los valores de ciertas magnitudes reales. Este concepto resulta aplicable a muchas otras situaciones y mbitos de la Ciencia y la Tecnologa. Tiene importancia fundamental en los procesos de medicin de magnitudes reales. La resistencia R de un conductor es directamente proporcional a su longitud l e inversamente proporcional al rea de su seccin transversal S y se expresa como:

R=

l S

= Constante de proporcionalidad denominada resistividad del material que depende de los componentes de que est fabricado dicho material conductor y de la temperatura. A la inversa de la resistividad se define la conductividad como: =

1

Ohm demostr que la intensidad de corriente que fluye por un conductor metlico a temperatura constante es proporcional a la diferencia de potencial que hay entre los extremos del conductor. De estas experimentaciones pudo deducir que la constante de proporcionalidad era la resistencia R que ofreca el conductor. De esto nace la relacin entre las tres variables.V= I R

La diferencia de potencial que existe entre los extremos del conductor proviene de la fuerza electromotriz desde la fuente de poder o batera. Manteniendo esta diferencia de potencial constante puede suceder que cuando una corriente muy pequea fluye por el conductor, entonces la resistencia ofrecida por ste es grande, caso contrario, una resistencia pequea va a permitir un gran flujo de corriente. Existe una clasificacin entre los materiales conductores. Esta depende de cuando la intensidad de corriente es proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos, se denominan materiales ohmicos. Y aquellos en que la intensidad no depende linealmente de la diferencia de potencial se denominan no ohmmicos. La forma de calcular la resistencia de un conductor sometido a cambios de temperatura (hasta 200 C) se encuentra en la siguiente expresin:

R2 = R1[1 + (T2 T1 )]

Donde: R1=Resistencia del conductor a una temperatura inicial T1= Temperatura inicial del conductor T2= Temperatura final del conductor = Coeficiente de temperatura del conductor.

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La tabla a continuacin muestra algunos elementos con valores de coeficientes.

Coeficiente de T [] Especfica 1.- COBRE 2.- ALUMINIO 3.- ACERO 4.- PLOMO 5.- CINC 6.- MANGANINA 7.- CONSTANTAN 8.- NICROMIO 9.- NIQUELINA 0.0175 0.135 0.21 0.06 0.43 0.5 1 0.40 0.028

Resistencia Especfica 57.2 7.4 4.8 16.6 2.32 2 1 2.5

Conductividad 0.004

35.7

0.004 0.005 *** *** 0.000006 0.00004 0.00017 0.0003

SUGERENCIA EXPERIMENTAL:

PARTE I

INFLUENCIA DE LA LONGITUD SOBRE LA RESISTENCIA 1.Monte el sistema de regla graduada y conductor elctrico segn se sugiere en la figura y como le indique su profesor(a). 2.Mida el dimetro del conductor. (Utilice cobre, como elemento puro o V constantn como elemento aliado). 3.Para cada 5 [cm] de longitud calcule A la respectiva resistencia del alambre. 4.Vare la longitud del conductor desplazando el cursor a lo largo del alambre y cada 5 [cm] aplique Voltajes desde 1 [v] hasta 8 [v]. 5.Para cada posicin de longitud registre los valores de la tensin y de la corriente. 6.Grafique las variables que a esta altura del trabajo experimental usted debera saber considerar para llegar a establecer los anlisis de este experimento. Sugerencia: a) R=f(L), con R calculada en funcin de L. b) R=[V/I].

PARTE IIINFLUENCIA DE LA TEMPERATURA SOBRE LA RESISTENCIA 1.Aplique tensin del orden de 0.3 V al sistema y mida la corriente para distintas temperaturas. 2.Controle la temperatura y la corriente en el sistema hasta que el agua alcance su punto de ebullicin.

A

VT

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3.Decida usted la forma de controlar las variables necesarias para estudiar la relacin de la Resistencia elctrica con la temperatura. 4.Recuerde que es necesario establecer relaciones grficas para lograr desarrollar anlisis de sus resultados. Aproveche de aplicar criterios tcnicos para el manejo de la informacin.

MATERIAL 1.- Equipo de regleta con alambres conductores, ms sistema de montaje. 2.- Dos multimedidores digitales 3.- Cables de conexin 4.- Un mechero con accesorios (Trpode, rejilla, pi universal, barra metlica, nuez, barras aislantes para conexin de hilo enrollado) 5.- Un termmetro. 6.- Una fuente de poder variable [ c.c.] 7.- Hilo de cobre y constantn.8.- Un micrmetro

BIBLIOGRAFIA

2.3.4.5.6.-

1.-

SERWAY, Raymond. Fsica II Ed. Mc. Graw Hill. RESNICK-HALLIDAY Fsica para estudiantes de Ciencias e Ingeniera. Tomo II PAUL HEWITT. Fsica Conceptual. Ed. A. Wesley, ed 1998. BERKELEY PHYSICS COURSES. Vol.2 Electricidad y Magnetismo. E.M.Purcell, Ed, Revert, Espaa, 1999. Resistanse of a wire as a function of temperature. Phys. Teach, 33. 96 (1995) Fsica, Vol II. Campo y ondas. M. Alonso y E.J. Finn. F.E.C. A. Wesley 1970.

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