Manual de Experimentos de Física III PDF

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este es un maual realizado en mi universidad por los alumnos de la facultad de ing.civil...

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INTRODUCCIÓN. El propósito de este manual, es presentar una serie de experimentos cuidadosamente seleccionados, para aplicar la teoría vista en el curso de electricidad y magnetismo o física III del plan académico de la Facultad de Ingeniería Mecánica Eléctrica y Electrónica. Algunos experimentos son demostrativos, y de acuerdo a nuestra experiencia docente, son necesarios para demostrar mediante experimentos sencillos, alguna ley física o principio físico fundamental. Sin embargo, también han sido incluidos algunos otros experimentos en los que se manejan cálculo de errores en las mediciones realizadas. A pesar del corto tiempo que se tiene en FIMEE debido a su plan trimestral, es posible seleccionar experimentos de acuerdo al interés del profesor de la materia. Aquí se presentan una serie de opciones de experimentos de acuerdo a los temas de interés del profesor. Al final de cada práctica se incluye un pequeño cuestionario para que el alumno reafirme sus conocimientos teóricos mediante la observación y experimentación.

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INDICE DEL CONTENIDO PAG POTENCIAL Y CAMPO ELECTRICO………………………..…

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CAMPANA DE FRANKLIN……………………………………..

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LA BOTELLA DE LEYDEN……………………………………..

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LEY DE INDUCCION DE FARADAY…………………………..

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ELABORACION DEL FLAMEADOR…………………………...

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BALANZA MAGNETICA………………………………………...

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MOTOR ELECTRICO……………………………………………..

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GOTERO DE KELVIN…………………………………………….

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PRINCIPIO DEL TRANSFORMADOR…………………………...

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ESPECTROMETRO DE MASAS………………………………….

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FILTRO ELECTRICO………………………………………………

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FUERZA MAGNETICA ENTRE DOS CONDUCTORES…………

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FUERZA MAGNETICA…………………………………………….

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“POTENCIAL Y CAMPO ELECTRICO” OBJETIVO: El alumno comprobará la dependencia que el potencial eléctrico tiene con la distancia, y que varia como 1 /r, donde r es la distancia entre las dos caídas de potencial. MATERIAL: 2 hojas milimétricas 1 recipiente de plástico transparente 1 fuente de 40 volts 2 electrodos 1 multimetro Agua Sal ( NaCl) Aceite de cocina Alpiste PROCEDIMIENTO: 1) Coloque en el recipiente una cierta cantidad de agua, coloque el recipiente con agua sobre una hoja milimétrica, de manera que pueda observarse la hoja milimétrica, ya que servirá de base para efectuar mediciones. 2) Coloque dos caimanes de manera que actúen como electrodos en la paredes del recipiente y procurando que queden sobre una misma línea en la hoja milimétrica. 3) Ahora tome una punta del multimetro ( la que esta conectada a común) y colóquela en la terminal del electrodo negativo 4) Conecte la fuente y encienda el multimetro para medir voltaje, ahora la otra punta del multimetro (roja) vállala cambiando, tomando nota de las mediciones que da el multimetro hasta llegar la punta roja con el otro electrodo. 5) Repita el mismo procedimiento pero ahora agregando sal al agua, colocando la punta en la misma distancia del paso 4 y anote las observaciones. 6) Vierta sobre el agua pequeñas cantidad de alpiste y anote las observaciones. 7) Efectué el mismo procedimiento pero ahora cambie el agua por aceite de cocina y anote sus observaciones

CUESTIONARIO: 1.- ¿Que sucede si se aleja uno de los extremos de los cables del multímetro? 2.- ¿Si se invierte la polaridad o el signo de medición del multímetro, aumenta o disminuye el potencial? 3.- ¿Es lo mismo diferencia de potencial o potencial eléctrico? 4.- ¿A que es equivalente el trabajo por unidad de carga? 5.- ¿Si al agua se le agrega sal, de qué manera afecta al potencial electrostático?

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“CAMPANA DE FRANKLIN” OBJETIVO: En este experimento se demuestra el principio de conservación de la carga, energía electrostática, así como la Fuerza electrostática que afecta al objeto de plástico. MATERIAL: 2 latas de gaseosa 1 objeto de plástico, como un punta bola 15 cm. de hilo 2 laminas de aluminio de unos 30 cm 1 Cinta adhesiva 2 cables (caimán) PROCEDIMIENTO: Este experimento es muy fácil de construir, toma aproximadamente 5 minutos con materiales caseros.

Este experimento tiene forma de una campana, con el badajo que golpea ambas latas varias veces por segundo. De vez en cuando aparecen chispas azules. Simplemente observando la foto ya puedes construir tu campana. Quita los aros que son para abrir las latas. Ata uno de los aros al hilo, el otro extremo del hilo átalo al medio de la punta bola de plástico. Coloca las latas con una separación de 6 a 10 cm. Coloca la punta bola sobre las latas, de manera que el aro se balancee como con una altura de 3cm de la mesa sobre las que has colocado las latas. Conecta un cable (sujetando con cinta adhesiva) a la lata de la derecha (no olvides pelar el aislamiento de plástico), este será el cable para conectar a tierra y el otro extremo debe conectarse a tierra como una pileta de agua, o a la tierra del computador, si no hay tierra, puede sujetar el cable (pelado) con las manos, porque tu haces una buena conexión a tierra.

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Conecta el otro cable a la otra lata (la de la derecha). Su otro extremo será conectado a una fuente de alto voltaje. Pero también puede ser conectado a una fuente inofensiva de alto voltaje como el monitor de la computadora o la Tv.

Como puedes ver en la foto, el aparato de esta sobre la Tv. Se conecta un trozo de lámina de aluminio de unos 30 cm. de longitud de la pantalla. Conecta el cable de la lata derecha a la lámina de aluminio. El aparato comienza a funcionar al encender la Tv. El aro es atraído por una de las latas y cuando choca es atraído por la otra lata y la acción se repite. ¿PORQUE OCURRE ESTO? Dentro de la Tv. hay un generador de lato voltaje que se usa para mandar electrones a la pantalla y que crean las imágenes. Al colocar un conductor de gran tamaño en la pantalla construimos un capacitor que se carga en forma parecida a las baterías de los autos y usamos la electricidad fuera de la Tv. El voltaje con el que se carga nuestro capacitor es alto, pero tiene muy poca corriente, de manera que si tocamos la lámina, la descarga no es más peligrosa que si caminamos por una alfombra y luego tocamos el picaporte de la puerta. La lata de la derecha esta conectada al alto voltaje y la de la izquierda a tierra, por lo que la electricidad se va a tierra. Los electrones de la lata de la derecha atraen al aro, al tocar este a la lata, se cargan con el mismo tipo de electricidad y como dos objetos cargados con el mismo tipo de electricidad se repelen, el aro es lanzado hacia la otra lata, donde se descargara y se repite el proceso. OTRA VERSION

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Este experimento también es conocido como “las campanas de Franklin”, científico norteamericano, que, estudio la electricidad producida por los rayos. Usaba el aparato para detectar los rayos en las tormentas. El conectaba uno de los cables a su pararrayos y el otro a una bomba de agua de hierro, que hacia de tierra. El usó campanas en lugar de latas.

CUESTIONARIO: 1.- Explique porqué la aguja o el plástico se mueve de un extremo a otro de la campana 2.- Es posible calcular la densidad de carga de las campanas? 3.- Es posible calcular la fuerza que ejerce la campana sobre la aguja? 4.- ¿Porqué se conserva la carga? 5.- ¿Es posible calcular la corriente que circula por las campanas?

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PRACTICA FILTRO ELECTRICO. OBJETIVO: Utilizando varios metales comprobar que al pasar por el campo eléctrico algunas partículas son expulsadas y otras atrapadas.

MARCO TEORICO: Un campo es cualquier región del espacio cuyos puntos están caracterizados por el valor de una variable física. En cada punto del espacio hay una temperatura por lo tanto el espacio que analicemos es un campo térmico, también es un campo de presión, un campo gravitatorio y un campo magnético, por que en cada punto del espacio la presión atmosférica tiene un cierto valor, lo mismo la aceleración de la gravedad y la intensidad del campo magnético. Los campos pueden ser escalares (térmico, de presión) o vectoriales (gravitatorio, magnético). La existencia del campo eléctrico vectorial se propone para explicar la atracción entre cargas eléctricas de signos distintos, o de rechazo entre cargas del mismo signo, aun cuando no hay contacto físico entre ellas. Este fenómeno se conoce como atracción a distancia y nos resulta familiar en la atracción entre imanes. La atracción gravitatoria es también un fenómeno de acción a distancia ya que afecta a los cuerpos celestes aun cuando estos no están en contacto. En el caso electroestático, se asume que la carga positiva es una fuente de campo eléctrico, es decir la carga positiva es el origen del campo eléctrico mientras que la carga negativa es el “desagüe” del campo eléctrico, o el sitio en el cual terminan las líneas de fuerza que empezaron en alguna carga positiva. Para definir el campo eléctrico, E necesitamos una carga de prueba q0 suficientemente pequeña. La colocamos en cualquier punto alrededor de la carga cuyo campo eléctrico deseamos medir. Como la carga de prueba es muy pequeña, su propio campo eléctrico se considera insignificante frente al que vamos a medir. La carga debe ser positiva. Al ser colocada en la vecindad de otra carga va sufrir una fuerza, F, cuya dirección es la misma que la del campo en este punto, la magnitud en el campo eléctrico es el resultado de dividir la fuerza entre q0, es decir: E = F/ q0 Aunque el concepto de campo eléctrico, como lo conocemos ahora, no fue establecido originalmente es su forma actual, su existencia y propiedades básicas fue propuesta por Michael Faraday, a través de lo que llamo líneas de fuerza. Según Faraday: 1.- Las líneas de fuerza empiezan o terminan solamente en las cargas. 2.-El numero de líneas de fuerza que empiezan en una carga puntiforme positiva, o termina en una carga puntiforme negativa, es proporcional a la magnitud de la carga. 3.- Las líneas de fuerza se distribuyen simétricamente empezando en la carga positiva, o terminando en la negativa. 4.- Las líneas de fuerza no pueden cruzarse unas con otras.

5.- La intensidad del campo eléctrico se visualiza a trabes del acercamiento relativo entre las líneas de fuerza: a mayor densidad de líneas, mayor intensidad de campo eléctrico. Estas características permiten visualizar campos eléctricos diversos. Las cargas eléctricas producen “desniveles eléctricos” en el espacio, llamadas diferencias de potencial: cargas positivas dan lugar a elevaciones de potencia mientras que las cargas negativas, a depresiones. El “desnivel eléctrico” o potencial, se puede representar gráficamente gracias a las llamadas líneas equipotenciales, similares a las curvas de nivel. La intersección entre las líneas equipotenciales y las líneas de fuerza ocurre en ángulos rectos. En cualquier lugar en el espacio donde hay un campo eléctrico que, como dijimos anteriormente, es vectorial, hay también un campo escalar de potencial eléctrico. En este experimento veremos como visualizar ambos campos para dos arreglos de cargas electrostáticas.

La distribución de carga esta representada con el signo + y una región negra. Las líneas de fuerza empiezan en la carga positiva y se dirigen hacia la carga negativa, que en este caso estarían a la derecha. El campo eléctrico es mas intenso de lado izquierdo y disminuye su intensidad cuando nos movemos a la derecha. Cualquier línea equipotencial representara puntos de potencia constante, como su nombre lo dice, o lo que es lo mismo, se trata de una curva de nivel. En el caso particular donde el campo eléctrico es uniforme, como el que hay entre las placas paralelas de un capacitar cargado, su magnitud esta relacionada con la diferencia de potencial, V entre las placas y su separación d, mediante la ecuación: Δv E= d

Cuando el campo eléctrico es uniforme entre los dos electrodos rectos y paralelos F = qE y también WAB = Q( ΔvAB)

Polarización: la materia es su condición natural es neutra. No posee ninguno de los dispositivos de carga en exceso. Cada átomo, en condiciones normales, tiene carga positiva en la misma cantidad que la negativa. Los conductores no son polares, pero se polarizan fácilmente en presencia de cargas externas, por lo que se dice que pueden poseer momentos dipolares inducidos.

Inducción: la inducción eléctrica es un proceso que nos permite cargar un objeto aislado. La inducción nos permite crear maquinas electrostáticas, como el generador de Van der Graff, que tiene la capacidad de almacenar grandes cantidades de carga. Estos generadores fueron muy útiles como aceleradores de partículas en estudios de física nuclear.

Movimiento en un campo eléctrico: Cuando una partícula cargada esta en una región donde hay un campo eléctrico experimenta una fuerza igual al producto de su carga por la intensidad del campo eléctrico. Fe = qE • Si la carga es positiva experimenta una fuerza en el sentido del campo. • Si la carga es negativa experimenta una fuerza en el sentido contrario al campo.

Si el campo es uniforme la fuerza es constante y también lo es la aceleración, aplicando las ecuaciones de movimiento rectilíneo uniformemente acelerado podemos obtener la velocidad de la partícula en cualquier instante o después de haberse desplazado una determinada distancia. α = qE v = v0 + at x = v0t + ½ at2

De forma alternativa, podemos aplicar el principio de conservación de la energía ya que el campo eléctrico es conservativo. La energía potencial q (V`- V) se transforma en energía cinética. Siendo V` V la diferencia de potencial existente entre dos puntos distantes x. En un campo eléctrico uniforme V`- V = Ex q(V`- V) = ½ mv2 – ½ mv0 2 Existen dos tipos de moléculas las moléculas polares y las moléculas no polares. Las moléculas polares son aquellas en las que el centro de distribución de cargas positivas y negativas no coincide. Las moléculas no polares son aquellas en las que coincide el centro de distribución de las cargas positivas y negativas. Las moléculas polares bajo la acción de un campo eléctrico experimentan un par de fuerzas que tiende a orientarlas en el sentido del campo. Las moléculas no polares, se hacen polares en presencia de un campo eléctrico ya que las fuerzas sobre cada tipo de carga son iguales y de sentido contrario. Los dieléctricos se emplean en los condensadores para separar físicamente sus placas y para incrementar su capacidad al disminuir el campo eléctrico y por tanto, la diferencia de potencial entre las mismas. La permisividad dieléctrica es la propiedad que describe el comportamiento de un dieléctrico en un campo eléctrico, y permite explicar tanto el aumento de la capacidad en un condensador como el índice de refracción de un material transparente. Precipitadores electrostáticos (PES): estos precipitadores capturan las partículas sólidas en un flujo de gas por medio de la electricidad. El PES carga de electricidad a las partículas atrayéndolas a placas metálicas con cargas opuestas ubicadas en el Precipitador. Las partículas se retiran de las placas mediante “golpes secos” y se recolectan en una tolva ubicada en la parte inferior de la unidad. La eficiencia de remoción de los PES es muy variable. Solo para partículas muy pequeñas, la eficiencia de remoción es de aproximadamente 99 por ciento. Circuito utilizado: la función principal de este circuito es Switchear la señal es decir, transforma la señal de voltaje directo al alterno. El circuito se alimenta con un voltaje directo 9V por lo que también es su máximo voltaje. La corriente máxima es de 2 A. El circuito transforma la señal del voltaje directo al voltaje alterno para poder alimentar al transformador (fly back) y lo pasa de 9V a 13200Vx cm2. El potenciómetro tiene la función de variar a la frecuencia. El puente de diodos le da la orientación al flujo de corriente, en el disipador su función es la disipar calor.

MATERIAL: • • • • • • • • • • • • • •

Plantilla electrónica. Capacitancia. Transformador. Potenciómetro. Resistencias. Cable telefónico. Acrílico. Silicón. Madera. Caimanes. Disipador. Bolitas de unicel. Talco. Ceniza.

La función principal de este circuito es switchear la señal es decir: transformar la señal de voltaje directo al alterno. El circuito se alimenta con un voltaje directo de 9V lo que también es su máximo voltaje, la corriente máxima es de 2 A, el circuito transforma la señal de voltaje directo a voltaje alterno para poder alimentar el transformador (fly back) y lo pasa de 9V a 13200V x cm2. El potenciómetro tiene la función de variar la frecuencia, el puente de diodos le da la orientación al flujo de corriente. La función del disipador es la de disipar el calor.

PROCEDIMIENTO. 1.- Medir el campo eléctrico. 2.- Determinar como son atraídas las bolitas de unicel en el dispositivo a las siguientes intensidades: a) 0.25 A b) 0.5 A c) 1 A 3.- Determinar que ocurre con la rapidez en el cambio de polaridad y el campo eléctrico. 4.- Determinar que fenómeno ocurre en el campo eléctrico y a que es inversamente proporcional. 5.- Determinar hacia que placa son atraídas la mayoría de las bolitas. NOTA: Hacer este análisis para cada intensidad. 6.- Determinar los pasos anteriores para las partículas de talco. 7.- Determinar los pasos anteriores para las partículas de ceniza.

Anote sus observaciones.

“LA BOTELLA DE LEYDEN” Objetivo: Estudiar la conservación de carga. INTRODUCCION: La botella de Leyden es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio que permite almacenar cargas eléctricas. En 1746, Pieter van Musschenbroek, que trabajaba en la universidad de Leyden, efectuó una experiencia para comprobar si una botella llena de agua podía conservar cargas eléctricas. Esta botella consistía en un recipiente con un tapón al cual se le atraviesa una varilla metálica sumergida en el líquido. La varilla tiene una forma de gancho en la parte superior al cual se le acerca un conductor cargado eléctricamente. Durante la experiencia un asistente separó el conductor y recibió una fuerte descarga al aproximar su mano a la varilla. William Watson, descubrió que aumentaba la descarga si la envolvía con una capa de estaño. Siguiendo los nuevos descubrimientos, Jean Antoine Nollet tuvo la idea de reemplazar el líquido por hojas de estaño, quedando de entonces esta configuración de la botella que se utiliza actualmente para experimentos. La botella de Leyden se comporta como un Capacitor, almacenado cargas eléctricas. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa esta constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella hace de material dieléctrico.

MATERIAL: Vaso de plástico o trozo largo de plástico Porta rollo fotográfico Cinta adhesiva Clavo Papel de aluminio Agua PROCEDIMIENTO:

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1.- Pincha la tapa de un porta rollo con un clavo de 5 cm de tal forma que la cabeza quede del lado de arriba 2.- Llena el porta rollo de agua y ponle la tapa como en la figura 3.- en vuelve el porta rollo con papel aluminio como se muestra en la figura, es conveniente que la base también este cubierta de aluminio.

Por el momento el aparato esta descargado y no almacena ninguna carga 4.- Un modo sencillo de cargar la botella consiste en pasar la cabeza del clavo por la pantalla de un televisor mientras se lo enciende y apaga repetidas veces cuidando de sostenerla por la parte plástica sin tocar el papel aluminio. 5.- Para descargar la botella hay que utilizar un trozo de cable. Uno de los extremos del cable debe estar en contacto con el papel de aluminio y el otro extremo debe acercarse a la cabeza del clavo. Cuando esta suficientemente cerca se producirá una carga

CUESTIONARIO 1.- Calcule la densidad de carga que produce la botella. 2.- Calcule el campo eléctrico producido por la botella 3.- Calcule el potencial electrostático que produce la botella 4.- Calcule la capacitancia que produce la botella 5.- ¿Cómo se puede aumentar la capacitancia?

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