Manual de Experimentos de Física III

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Manual de Experimentos de Física III
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.
2
INDICE DEL CONTENIDO
PAG
POTENCIAL Y CAMPO ELECTRICO………………………..…
3
CAMPANA DE FRANKLIN……………………………………..
5
LA BOTELLA DE LEYDEN……………………………………..
7
LEY DE INDUCCION DE FARADAY…………………………..
9
ELABORACION DEL FLAMEADOR…………………………...
12
BALANZA MAGNETICA………………………………………...
13
MOTOR ELECTRICO……………………………………………..
15
GOTERO DE KELVIN…………………………………………….
19
PRINCIPIO DEL TRANSFORMADOR…………………………...
25
ESPECTROMETRO DE MASAS………………………………….
27
FILTRO ELECTRICO………………………………………………
30
FUERZA MAGNETICA ENTRE DOS CONDUCTORES…………
34
FUERZA MAGNETICA…………………………………………….
38
3
“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.
5
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
6
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:
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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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“LEY DE INDUCCION DE FARADAY”
OBJETIVO:
El objetivo de este proyecto es probar de manera simple la ley de inducción de Faraday,
que es el principio de inducción electromagnética.
INTRODUCCION:
Para ver cómo puede inducirse una Fem. mediante un campo magnético variable,
considere una espira de alambre conectada a un galvanómetro. Cuando un imán se
mueve hacia la espira, la aguja del galvanómetro se desviará en una dirección,
arbitrariamente mostrada hacia la derecha. Cuando el imán se aleja de la espira, la aguja
se desviará en la dirección opuesta. Si el imán se mantiene estacionario en relación con
la espira, no se observa ninguna desviación. Por ultimo, si el imán se mantiene
estacionario y la espira se mueve, ya sea hacia o alejándose del imán, la aguja se
desviará. A partir de estas observaciones se concluye que la espira ‘sabe” que el imán se
está moviendo en relación con él, pues experimenta un cambio en la intensidad del
campo magnético. Por tanto, parece que existe una relación entre la corriente y el campo
magnético variable.
Estos resultados son muy importantes en vista de que ¡se establece una corriente aun
cuando no haya baterías en el circuito! A esta corriente se le llama corriente inducida, la
cual se produce mediante una fem inducida.
Ahora se describirá el experimento realizado por Faraday. Una bobina primaria se
conecta a un interruptor y a una batería. La bobina se enrolla alrededor de un anillo, y
una corriente en la bobina produce un campo magnético cuando el interruptor se cierra.
Una bobina secundaria también se enrolla alrededor de un anillo y se conecta a un
galvanómetro. No hay batería presente en el circuito secundario, y la bobina secundaria
no esta conectada a la primaria. Cualquier corriente detectada en el circuito secundario
puede ser inducida por algún agente externo.
A primera vista, se podría pensar que no se detectaría ninguna corriente en el circuito
secundario. Sin embargo, sucede algo asombroso cuando se cierra ó abre
repentinamente el interruptor en el circuito primario. En el instante en que se cierra el
interruptor, la aguja del galvanómetro se desvía en una dirección y luego regresa a cero.
En el instante en que se abre el interruptor, la aguja se desvía en la dirección opuesta y
de nuevo regresa a cero. Por último, el galvanómetro registra cero cuando en el circuito
primario hay una corriente estable o no hay ninguna corriente. La clave para
comprender lo que ocurre en este experimento es notar primero que cuando se cierra el
interruptor, la corriente en el circuito primario produce un campo magnético en la
región del circuito, y es este campo magnético el que penetra el circuito secundario.
Más aún, cuando se cierra el interruptor, el campo magnético producido por la corriente
en el circuito primario cambia de cero a algún valor durante algún tiempo finito, y es
este campo variable el que induce una corriente en el circuito secundario.
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Como resultado de estas observaciones Faraday concluyó que una corriente eléctrica
puede inducirse en un circuito (el circuito secundario en la configuración) mediante un
campo magnético variable. La corriente inducida existe solo durante un breve tiempo
mientras el campo magnético a través de la bobina secundaria está cambiando. Una vez
que el campo magnético alcance un valor estable, la corriente en la bobina secundaria
desaparece. De hecho, el circuito secundario se comporta como si hubiera una fuente de
Fem. conectada a él durante un breve instante. Es usual afirmar que una Fem. inducida
se produce en el circuito secundario mediante un campo magnético variable.
En general, la Fem. inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez de
cambio en el tiempo del flujo magnético a través del circuito.
MATERIAL
½ Kg de alambre magneto de calibre 28
1 metro de cable duplex
Clavija
Tubo de cobre de 30cm de longitud
Focos (de lámpara manual)
Carrete de plástico de 1.3 cm de radio
Carrete de plástico de 1.7 cm de radio
Cinta de aislar
PROCEDIMIENTO:
Este proyecto consta de demostrar el concepto de inducción electromagnética en el cual
se hará pasar un carrete por en medio del tubo de cobre; al llegar hasta abajo la bobina
que se encuentra situada abajo se le aplicara un voltaje y esta inducirá un voltaje al
primer carrete; a este carrete se le conectara un foco y se podrá comprobar que se induce
un voltaje cuando el primer carrete (bobina) se mueve en forma vertical a lo largo del
tubo de cobre, conforme se mueva se estará variando la intensidad del foco.
A continuación se presentará el desarrollo paso a paso.
1.- Se enrolla el carrete de radio 1.3 cm. con alambre magneto calibre 28, es decir se
embobinara dándole unas 5000 vueltas, en el cual ira conectado la fuente la fuente de
voltaje (en este caso será de corriente alterna). También ira sujeto al tubo de cobre.
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2.- Ahora se enrollará el carrete de radio 1.7 cm. con el alambre magneto calibre 28, es
decir, se embobinara dándole 1250 vueltas. A esta bobina se le conectara un foco, esto
servirá para poder comprobar que existe un voltaje que se esta induciendo en la bobina
anterior.
3.- ahora se conectara la primer bobina al voltaje (127v) y la segunda se introducirá por
medio del tubo de cobre y se proseguirá a realizar los respectivos cálculos.
OBSERVACIONES:
Se puede notar para este experimento que solo funciona con un foco que requiera poco
voltaje, pues al utilizar focos de 6v y de 130 v no funciona. Es por esta razón que se
emplea un diodo led, ya que requiere mínimo 1.6 v para encender
CUESTIONARIO
1.- Explique con sus propias palabras la ley de Faraday
2.- Si tenemos un campo magnético constante, ¿cómo puede producirse el fenómeno de
inducción?
3.- Si tenemos un área constante, de que manera puede producirse el fenómeno de
inducción?
4.- Si tanto el área como el campo magnético dependen del tiempo, se produce
inducción?
5.- Que sucede si se invierte la polaridad del campo magnético?
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“ELABORACION DEL FLAMEADOR”
Objetivo: Aplicar el concepto de potencial electrostático.
Este dispositivo consiste en dos conductores metálicos conectados a los terminales de
un transformador de alta tensión. Para el experimento inicial estos conductores están
colocados verticalmente en forma de “V” como se indica en la figura:
FUNCIONAMIENTO:
Al conectar el transformador generamos en este caso una
voltaje de 12000 en corriente alterna que es suficiente par
ionizar el aire en la base de los alambres en forma de “V”
donde el campo eléctrico es mas intenso. Una vez ionizado
ese aire se permite el flujo alternado de cargas eléctricas
estableciendo un arco voltaico entre los electrodos, el cual
tendrá uno u otro color dependiendo del material del que
estén constituidos los alambres y del medio gaseoso
existente. Una vez formado el arco en la base del sistema,
este ira subiendo hasta la cima donde se extinguirá, par
después generarse de nuevo y volver a subir. Esto se debe
a tres leyes básicamente:
1.- Todo conductor sólido, líquido o gaseoso al ser
recorrido por una corriente eléctrica se calienta. Ley de
Joule.
2.- Todo cuerpo inmerso en un fluido sufre por parte de este un empuje vertical hacia la
cima de intensidad igual al peso del fluido desalojado. Ley de Arquímedes
3.- La distancia explosiva entre dos conductores sometidos a una tensión eléctrica es
inversamente proporcional a la presión de gas ionizado entre ellos. Ley de Paschen
Para el disparo de la chispa inicial empezará ajustando los alambres en la base y
después en la cima (Angulo de apertura)
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CUESTIONARIO
1.- Explique el funcionamiento físico del flameador.
2.- ¿En que leyes se basa el flameador?
3.- Deduzca una expresión matemática para el potencial electrostático
4.- Si aumenta la distancia de separación entre los alambres, se mantiene el potencial
electrostático?
5.- ¿Cómo podría calcularse la corriente que se genera?
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“BALANZA MAGNETICA”
OBJETIVO:
Aplicar la ley de Biot-Savart para el cálculo del campo magnético.
INTRODUCCION:
Como un campo de aplicación del magnetismo presentamos un dispositivo que
nos permite utilizar los conceptos fundamentales de Campo magnético, Fuerza de
Lorenz, Corriente eléctrica y Peso. El resultado es una Balanza magnética. El principio
básico es la FUERZA QUE EJERCE UN CAMPO DEBIDO A UNA CORRIENTE.
Con un comportamiento directamente proporcional al aumento de la corriente.
Experimentalmente se pesaron 9 objetos para obtener un margen de error
correspondiente a su peso exacto. Con la recomendación de que estos deberían ser
pequeños y ligeros. La fuente de alimentación de corriente con un rango de 0.5 a 1.0A.
ALGUNOS ASPECTOS
Para poder comenzar tenemos que saber que a base de un campo magnético y
corriente en una espira se pueden crear fuerzas en algunas direcciones, para este caso en
clase se calculo la formula que ocurre en una espira circular de radio R, ala cual se le
hace pasar una corriente y un campo pasa a través del sistema, la cual es:
M =
2 RIB
g
(1)
donde
M
R
I
B
g
es la masa de la espira
el radio de la espira
es la corriente que se hace pasar por la espira
campo que pasa por el sistema
constante de la gravedad
MATERIAL
• Madera (Tabla y palitos)
• Un imán de bocina
• Alambre magneto
• Una fuente de alimentación (para corriente variable)
• Multímetro (para medir corriente)
Entre otros materiales más pequeños.
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PROCEDIMIENTO:
1.- Con la ayuda de la tabla de madera, se procede a colocar cuatro palitos de madera
alrededor de un imán de bocina, de forma que los cuatro palitos quede en los vértices de
un cuadrado que encierre al imán
2.- Se sujeta un pequeño embobinado en la parte superior de la bocina, de manera que
quede separado aproximadamente unos 5 cm, y las puntas del embobinado se conectan
a la toma de la fuente de alimentación de corriente variable, donde se proporcionara la
corriente inicial para mantener a flote la bobina.
3.- Se procede a introducir el elemento a pesar en el centro de la bobina, y se debe
aumentar la corriente hasta llegar a la marca inicial o a la posición inicial de la bobina.
CALCULOS A REALIZAR:
Con la ayuda de un multimetro, se debe medir la corriente que se aplicara sobre la
bobina, también debemos medir R el radio de la espira, y el peso de al espira, todo esto
es para poder calcular el campo B que pasa por el sistema con la siguiente formula:
B=
Mg
2 RI
Después de esto solo basta colocar nuestros objetos sobre el papel de la espira,
obviamente la espira tendera a bajar una distancia, entonces nosotros aumentos la
entrada de corriente y subirá nuevamente hasta el limité; en donde mediremos la
cantidad de corriente en ese instante, ya que con la temperatura se va reduciendo la
conductividad del cobre; a nosotros nos interesa la corriente que aumentamos, es decir
un ΔI para levantar nuevamente la espira.
Utilizando este ΔI y substituyéndola en la ecuación, podemos obtener la masa
2 R Δ IB
donde ΔI = I1 – I0
aproximada de nuestro objeto: M =
g
El porcentaje de error es
% peso real − % peso experiment al
%error =
⋅ 100
% peso real
Nota: para obtener el peso real se compara con la lectura de una Balanza Exacta Digital,
para tener una mayor exactitud.
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CUESTIONARIO
1.- Deduzca la ecuación que relaciona la masa con el campo magnético a partir de la ley
de Biot-Savart
2.- ¿Que sucede si se invierte el sentido de la corriente?
3.- Si aumenta la corriente, que observa en el experimento?
4.- Es posible mantener a una altura constante la balanza, sino, de que depende?
5.- ¿Cual es el error con respecto al peso real?
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“EL MOTOR ELECTRICO”
OBJETIVO: Aplicar la ley de Ampere y la ley de Faraday.
INTRODUCCION
La vida moderna seria impensable sin la existencia de los motores, estos se encuentran
en todas partes: en la industria, el transporte, el hogar, etc. Para cualquier lado que
volteemos, podemos encontrar una maquina que funcione con un motor.
Un motor eléctrico es una maquina que convierte energía eléctrica en energía mecánica.
Cuando la electricidad proveniente de una batería u otra fuente de energía se conectan a
un motor, se consigue que el eje comience a girar. Hay motores que funcionan con una
fuente de corriente continua (CC) como una batería, y hay otros que lo hacen con una
fuente de corriente alterna (CA). Si bien existen muchos diseños de motores eléctricos,
el principio en todos es el mismo.
Hay dos principios de física relacionados entre si que explican la operación de los
motores eléctricos. El primero es el principio de la inducción electromagnética,
descubierto en 1831 por el científico e inventor británico Michael Faraday. El principio
establece que cuando un circuito eléctrico se mueve en un campo magnético o cuando
se hace variar la intensidad del campo magnético que pasa a través de un circuito
eléctrico inmóvil, se inicia o “induce” una corriente eléctrica en el circuito. El segundo
principio es el inverso al primero, o sea, el de la reacción electromagnética, observado
por el físico francés André Marie Ampere en 1820.
De esta forma, cuando se tiene una corriente eléctrica que se transporta por un
conductor, tal como un alambre de cobre situado en un campo magnético, este alambre
experimentará una fuerza. Si el conductor se arrolla en una bobina con muchas vueltas
en posiciones precisas y con conexiones eléctricas, la fuerza creada hará que la bobina
gira sobre su propio eje. Cuando la bobina gira, hace girar al eje del motor.
Los motores constan de dos unidades básicas: el campo, que es el electroimán con su
bobinado; y la armadura, que es la estructura que soporta los conductores que cortan el
campo magnético y llevan la corriente excitatriz en el motor.
MATERIAL:
Para poder realizar un Motor Eléctrico, es necesario tener:
Una pila alcalina
Una Goma ancha
Dos clips de papel grandes
Un Imán de cerámica rectangular
Alambre de cobre esmaltado grueso
Un tubo
Papel de lija fino
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Pegamento
Bloque pequeño de Madera para la base
PROCEDIMIENTO:
¿Como se puede producir electricidad a partir de dos imanes?
Esta fue la pregunta que bombardeo la cabeza del físico ingles Michael Faraday en el
siglo XIX. Sus investigaciones y experimentos le llevaron a convertirse en el primer
científico experimental que descubrió la relación que existe entre la electricidad y el
magnetismo.
¿Se puede producir electricidad a partir de un imán?
Michael Faraday fue le hombre que descubrió que un imán es susceptible de generar
corriente eléctrica. Para demostrar esta teoría, el físico británico enrollo sobre un anillo
de hierro dulce dos bobinas cilíndricas separadas, pero conectadas entre si. Faraday
puso en contacto la primera bobina con una batería y la segunda con un galvanómetro.
En el momento de cerrar y abrir la corriente en la primera de las bobinas, la desviación
de la aguja del galvanómetro indicó la presencia de una corriente inducida en la segunda
bobina.
Con este experimento, Faraday aportó un nuevo concepto a la física moderna: inducción
electromagnética. Este hallazgo le condujo a la creación de la dinamo- máquina que
transforma la energía mecánica en energía eléctrica- y le empujó para conseguir
formular las leyes generales que rigen el comportamiento electromagnético de la
materia.
El motor de rotación electromagnética de Faraday se define a partir de la rotación de
imanes alrededor de un cuerpo conductor de electricidad; sin embargo, durante el
desarrollo del proyecto se trata todo lo contrario; es decir, la rotación de conductores en
torno a un imán.
Para llevar a cabo el desarrollo del motor eléctrico, fue necesario seguir las siguientes
instrucciones:
1.- Comenzando aproximadamente después de 3 pulgadas del extremo del alambre, se
debe envolver 7 veces alrededor del tubo. Es necesario cortar el alambre, dejando un
sobrante de 3 pulgadas enfrente del punto de partida original.
2.- Envolver los dos extremos sobrantes alrededor de la bobina para fijarla, y extender
los dos extremos perpendiculares a la bobina.
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Nota: Es importante que se asegure de centrar los dos extremos de los dos lados de la
bobina, ya que el balance es muy importante del motor eléctrico.
3.- En un extremo, utilizar el papel de lija fino para quitar totalmente el aislante del
cable. Se debe dejar cerca de ¼ pulgada de aislante en el extremo donde el cable se ha
enrollado a la bobina. Para el otro extremo, es necesario colocar la bobina plana sobre
una superficie y lijar, suavemente, solo la parte superior para eliminar el asilamiento de
solo la mitad superior del cable. Una vez mas, se debe dejar ¼ pulgada de aislante
completo en el extremo y donde el cable envuelve la bobina. Esto se puede observar en
la siguiente figura:
4.- Doblar los dos clips de papel de la siguiente forma. Esto será útil para sostener la
bobina formada por el alambre de cobre esmaltado.
5.- Pegar el imán de cerámica en la cara de la batería de la siguiente forma:
6.- Colocar la bobina en la horquilla formada por los extremos de la derecha de los clips
de papel. Es posible que se deba ayudar a empezar a girar la bobina; sin embargo,
después de ello la bobina debe comenzar a girar rápidamente. Si esto no es posible; es
decir, si la bobina no gira, es necesario cerciorarse de que ha sido eliminado todo el
aislante de los extremos del cable. Además, si la bobina gira irregularmente, debemos
observar que los extremos estén centrados en los laterales de la bobina. Es necesario
resaltar que el motor esta en fase solamente cuando se sostiene horizontalmente.
7.- Para mostrarlo, se necesitará probablemente construir una horquilla pequeña para
sostener el motor en la posición apropiada. Puede ser que también ayude el doblar los
extremos de la bobina un poco, de modo que, como se desliza a la derecha o a la
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Izquierda, los dobleces lo mantengan en la posición apropiada. Esto se puede observar
claramente en la siguiente figura.
Una vez realizado todo el procedimiento anterior, es necesario completar nuestro motor
eléctrico de la siguiente manera:
Finalmente así queda nuestro motor eléctrico:
CUESTIONARIO
1.- Explique las fuerzas que actúan sobre la espira que produce movimiento
2.- Si se invierte la polaridad, ¿qué sucede con el movimiento de la espira?
3.- Explique el principio físico sobre el cual se basa el experimento
4.- Calcule el campo magnético que se produce
5.- ¿Cómo incrementaría el campo magnético
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“EL GOTERO DE KELVIN”
OBJETIVO:
Caracterización experimental del efecto punta, presentado en el sistema: “Gotero de
Kelvin” y aprovechamiento de la energía electrostática para el encendido de un foco
piloto.
INTRODUCCION:
La electricidad como fuente de energía, generadora de múltiples aplicaciones, como la
de la fuerza que produce el movimiento del tranvía. El estudio de la electricidad se hace
bajo dos aspectos: la electrostática estudia la electricidad en reposo, así como sus
medidas y la electrodinámica estudia la electricidad en movimiento y sus medidas.
Sabemos que la materia esta formada, en sus componentes mas pequeños, por átomos.
Estos a su vez están constituidos por protones, carga positiva, electrones carga negativa
y neutrones sin carga: Estas partículas son las que permiten que exista la electricidad. Es
necesario que sepas que la electricidad se debe al movimiento de los electrones y
neutrones, que están en el núcleo, no tienen movilidad.
Ya hemos dicho que son los electrones los que se mueven es por ello por lo que se
presentan dos situaciones distintas.
1.- átomos con carga negativa
2.- átomos con carga positiva
MATERIAL:
2 latas medianas de estaño
2 latas grande de estaño
3 trozos de varilla de cobre
2 coples de cobre
1 lámpara de neón
2 tablas de madera( para montar el sistema)
DESCRIPCION:
El gotero de kelvin esta constituido de la siguiente forma: el sistema esta montado en un
pequeño soporte formado por dos tablas de madera perpendiculares entre si, cuyas
medidas 40x 64.5 cm. y 76x 26cm. La parte inferior del sistema cuenta con dos latas de
estaño, soldadas en sus respectivos bordes superiores, por dos varillas de cobre que van
hacia arriba y se alejan la una de la otra aun ángulo oscilante de 30 y 60 grados, y cuyos
extremos superiores están soldados a dos anillos huecos de cobre(coples). La figura
siguiente muestra el sistema:
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Una varilla tiene soldada una terminal de una lámpara pequeña de neón, la otra terminal,
esta alejada de la otra varilla de una distancia de cerca de su punto medio.
Las latas están sobrepuestas sobre una plancha de acrílico para darle mayor aislamiento
eléctrico con respecto ala base de madera. También están arregladas de manera que las
dos varillas de cobre se crucen sin tocarse.
Respecto a la parte superior del sistema, es un arreglo de dos latas de estaño unidas
entres si por una varilla de cobre. Están sujetadas por dos cinchos a la pared de madera
sobrepuesta en dos
pijas.
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En el deposito de almacenamiento, y alimentación del sistema. La parte inferior y
central de las latas, en este arreglo, esta perforada dando lugar a la salida del liquido.
¿COMO FUNCIONA EL GOTERO?
Al investigar el comportamiento de este fenómeno, se encontró la siguiente explicación
en la siguiente cita bibliografica: Walter J. “Física Recreativa: feria ambulante de la
física editorial Sumisa Noriega”, edición 1999 México, pagina 372
“…. Al principio, cuando el agua empieza a caer, una de las latas esta cargada poco mas
negativamente que la otra.
Cual se la mas cargada será completamente al azar, ya que la diferencia inicil de carga
se deberá, o a la carga producida por los rayos cósmicos o a la producida por la
radioactividad natural de la tierra…..”
En base a la inconformidad de esta explicación, abrimos la posibilidad de lo siguiente:
El gotero de kelvin genera carga eléctrica en gotas de agua mediante la combinación de
efectos tribolelectricos al principio del proceso de carga, y retroalimentación positiva.
Al ser suministrado el depósito por agua, esta empieza a caer del depósito a través de
las coples, hasta las latas metálicas de abajo.
Después de unos segundos, se alcanza un potencial suficiente entre las latas como para
encender el foco de neón. Al ser un sistema real, podemos considerar que inicialmente
existe una mínima diferencia de carga entre las latas.
La lata mas positiva esta conectada a un cople y la carga positiva del cople atrae las
cargas negativas hacia la gota en el extremo del gotero. La gota de agua se disgrega y
cae, llevando la carga negativamente, incrementando así la carga negativa en ella. Por
otro lado, dentro de la lata cargada positivamente. La carga en las dos latas aumenta
hasta que el voltaje es suficientemente alto para encender la lámpara de neón.
EXPERIMENTACIÓN:
Se llenaron los depósitos de agua a un volumen máximo de 840 ml cada uno, cuidando
que empezara el goteo de ambas latas al mismo tiempo. De esta manera, comenzo a
cargarse el sistema.
EXPERIMENTO
1
2
DESCARGAS
168 por minuto
172 por minuto
TIEMPO
40 min. 29 seg.
39 min. 30 seg
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CUESTIONARIO
1.- ¿Porqué cree ud. que enciende el LED si el agua solo pasa por el cople?
2.- Que variables pueden ser incluidas para el análisis?
3.- ¿Cuánta corriente se produce en el circuito?
4.- ¿Qué sucede si aumenta la frecuencia del agua?
5.- Podría proponer algún modelo físico matemático y físico a partir de la observación
experimental?
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PRINCIPIO DEL TRANSFORMADOR.
OBJETIVO:
Dar a conocer el concepto de un transformador elevador a partir de una caja de
toques.
INTRODUCCION:
Se da a conocer el concepto de un transformador elevador a partir de una caja de
toques (que es un aparato de efectos electrofisiológicos) anexo al conocimiento de los
principios de electricidad como son: teoría electromagnética e introducción
electromagnética. Bajo una cobertura didáctica podemos regular la cantidad de voltaje
de salida a través de un tubo de cobre, material cuyos dipolos magnéticos no tienen la
facilidad de orientarse debido a que uno solo de sus magnetotes de Bohr es el que
contribuye a esta propiedad,
MARCO TEORICO:
A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultáneamente
las teorías de la electricidad y el magnetismo. En 1819 el físico Hans Christian Oersted
llevó a cabo un importante descubrimiento al observar que una aguja magnética podía
ser desviada por una corriente eléctrica. Este descubrimiento que mostraba una
conexión entre la electricidad y el magnetismo fue desarrollado por el científico Ander
Marie Ampere, que estudio las fuerzas entre cables por los que circulan corrientes
eléctricas y por el físico François Arago, que magnetizo un pedazo de hierro
colocándolo cerca de un cable recorrido por una corriente. En 1831 Michael Faraday
descubrió que el movimientote un imán en las proximidades de un cable induce en este
una corriente eléctrica; este efecto era inverso al hallado por Oersted. Así, Oersted
demostró que una corriente eléctrica crea un campo magnético. Mientras que Faraday
demostró que puede emplearse un campo magnético para crear una corriente eléctrica.
La unificación plena de las teorías de electricidad y el magnetismo se debió al físico
James Clero Maxwell, que predijo la existencia de ondas electromagnéticas e identifico
la luz como un fenómeno electromagnético. En 1905 el físico Paúl Langevin desarrollo
una teoría sobre la variación con la temperatura de las propiedades magnéticas de las
sustancias paramagnéticas, basada en la estructura atómica de la materia. Esta teoría es
un o de los primeros ejemplos de la descripción de las propiedades microscópicas a
partir de las propiedades de los electrones y los átomos. Posteriormente, la teoría de
Langevin fue ampliada por el físico Pierre Ernest Weiss, que postulo la existencia de un
campo magnético interno, molecular, en los materiales como el hierro. Este concepto,
combinado con la teoriza de Langevin, sirvió para explicar las propiedades de los
materiales fuertemente magnéticos como la piedra imán. Después de que Weiss
presentara su teoría, las propiedades magnéticas se estudiaron de forma cada vez mas
26
detallada. Le teoría del físico Niels Bohr sobre la estructura atómica, hizo que se
comprendiera la tabla periódica y mostró por que el magnetismo aparece en los
elementos de transición, en 1925 los físicos Samuel Abraham Goudsmit y George
Eugene Uhlenbeck demostraron que los electrones tienen espin y se comportan como
pequeños imanes con un “momento magnético” definido. El momento magnético de un
objeto es una magnitud vectorial que expresa la intensidad y orientación del campo
magnético del objeto. En 1972 el físico Werner Heisenberg dio una explicación
detallada des campo molecular de Weiss basada en la teoría cuàntica.
MATERIAL:
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100 g de lámina de acero al silicio.
3 remaches pop de 1/8 x ½.
1 tramo de papel aislante ( 10 x 12 cm)
2 cuadros de papel aislante de 4 x 4cm.
1 tubo de cobre de ½ x 10 cm.
50 g de alambre de magneto # 24.
150 g de alambre de magneto #33.
Platinos.
Condensador.
Apagador de palanquilla (1 polo)
4 metros de cable # 16 TW.
2 tubos metálicos de ½ o ¾ (12 cm)
1 lamina negra 22.
Led.
4 tornillos de 1/8 x 1 ½.
PROCEDIMIENTO:
1.- Formar un núcleo de 1x1x10 cm. (cortar tiras de lamina de silicio de 1 x 10 cm.) se
le harán 3 perforaciones y se colocarán los remaches en los hoyos.
2.- Fabricar un carrete aislante. Se pega una hoja de papel al tubo de cobre y luego se
pega el aislante encima. Se cortan 2 cuadrados de cortón y se perforan para que el tubo
quepa. Se pegan los cartones en los extremos. Se enredan 300 vueltas de alambre de
magneto #24 y se dejan los extremos. Se enreda encima otra hoja de la hoja de papel
pegada y se enredan 3000 vueltas de alambre #33 encima de la hoja encima del papel de
la hoja de cuaderno. (Cada 750 vueltas se coloca una hoja de cuaderno)
CUESTIONARIO.
1.- ¿A que frecuencia de oscilación del elemento platino el incremento del voltaje es
directamente proporcional?
2.- ¿Debido a que se producen las fuerzas de atracción y repulsión que permiten la
oscilación del elemento platino?
3.- ¿Cuál es el principio básico del funcionamiento del potenciómetro?
4.- ¿Con que fin se utilizo el condensador?
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ESPECTROMETRO DE MASAS.
OBJETIVO:
Simular las partes importantes de un espectrómetro de masas.
INTRODUCCION:
Un espectrómetro de masa es un aparato que convierte moléculas en iones y que
separa iones en función de su proporción de carga y masa. Los espectrómetros de masa
se utilizan para identificar átomos e isótopos y determinar la composición química de la
muestra.
En un espectrómetro de masas se ioniza una muestra de gas mediante un haz de
luz de electrones y se aceleran los iones hacia un imán, que los separa según su masa.
Los iones con una masa determinada llegan al detector, que suele estar conectado a un
ordenador o computadora que procesa los datos. Debido a las cargas de los electrones,
resultan los campos eléctricos y debido a su movimiento aparecen los campos
magnéticos.
MARCO TEORICO:
La carga del electrón fue medida por primera vez por Robert Millikan mediante
la fuerza de un campo eléctrico sobre la carga de una gota de aceite. Para determinar la
masa de un electrón determinamos a partir de la relación carga – masa, q/m, al
balancear las fuerzas de un campo eléctrico y de un campo magnético
La fuerza que ejerce un campo magnético es perpendicular al campo y a la dirección del
movimiento de las partículas. La magnitud de la fuerza ejercida por el campo magnético
es:
Bqv
Donde B es la intensidad del campo magnético, y v la velocidad del electrón. La fuerza
magnética esta orientada hacia abajo.
Las fuerzas debidas a los dos campos son iguales en magnitud y opuestas en
dirección:
Bqv = Eq
Resolviendo para v se obtiene que:
v= Eq/Bq.
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La fuerza magnética que actúa perpendicularmente a la Dirección del
movimiento de los electrones, originando una aceleración centrípeta. Los electrones
siguen una trayectoria circular con radio r, entonces
Bqv = mv2/r
Resolviendo para q/m, se obtiene:
q/m = v / Br
Espectrómetro de masa: la masa de los iones positivos pueden medirse de
manera precisa por medio de un espectrómetro de masas, una adaptación del tubo de
Thomson. Para seleccionar los iones con una velocidad especifica, los iones se hacen
pasar por campos eléctricos y magnéticos deflectores. Los iones que siguen sin
desviarse entran a una región con un campo magnético uniforme. Allí siguen una
trayectoria circular con un radio r,
r = mv /qB
La velocidad del ion se puede encontrar de la ecuación de la energía cinética de
los iones acelerados desde el reposo a graves de una diferencia de potencial conocido v,
E.C.= ½ mv 2 = qv
v = 2qv / m
r = I/B
2vm / q
A partir de la ecuación anterior, se encuentra la relación carga masa para el ion.
Q/m = 2v/ B2 r 2
Todo espectrómetro de masa esta relacionado con el dispositivo desarrollado en
1919 por William Aston. Este instrumento usaba un haz fino de iones con carga
positiva, que se desviaba mediante un campo eléctrico y que además se desviaba en la
dirección opuesta con un campo magnético, la cantidad de partículas resultantes de la
deflexión se registraba en una placa fotográfica y dependía se su masa y su velocidad.
Cuanto mayor era la masa del ion, menor era su deflexión. Aston midió las masas
moleculares de isótopos de muchos elementos y comprobó la abundancia relativa de
estos en la naturaleza. Los espectrómetros de masas cuentan con cuatro características
comunes:
1.- Un sistema para introducir la sustancia que se desea analizar en el instrumento.
2.- Un sistema para ionizar la sustancia.
3.- Un acelerador que dirige los iones hacia el instrumento de medida.
4.- Un sistema para separar los distintos iones analizados para registrar el espectro de
masas de una sustancia.
Espectrómetro de masas de deflexión magnética:
Este tipo de espectrómetro de masa crea iones con carga positiva a partir de una
muestra y acelera los iones utilizando un campo electroestático. Un campo magnético
desvía los iones en función de su masa y chocan contra el detector aquellos que tienen
una masa determinada. Los iones de menor masa se desviad demasiado y no alcanzan el
detector, mientras que los iones mas pesados no se desvían lo suficiente. La intensidad
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del campo magnético varia lentamente, para que el detector pueda medir las
proporciones relativas de todos los componentes de la muestra. El detector suele estar
conectado a un ordenador que procesa toda esta información.
MATERIAL:
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Una barra de plastilina.
Una regla acanalada.
Balines.
Canicas.
Dos imanes permanentes.
Un trozo de vidrio.
Papel milimétrico.
Cinta.
Tinta China.
PROCEDIMIENTO:
1.- Ensamble los aparatos como se muestra en el dibujo.
2.- Coloque un pedazo de plastilina bajo un lado del vidrio para lograr una pequeña
inclinación.
3.- Haga un ensayo permitiendo que una canica ruede por el canal. La canica deberá
seguir una trayectoria parecida a la que se muestra en el diagrama cuando se suelta
desde la mitad de la regla.
4.- Desde el mismo punto, haga rodar el balín 3 veces. Marque las posiciones donde la
canica cruza el lado mas lejano del papel milimétrico.
5.- Coloque los imanes permanentes sobre el papel, de manera que empujen la bola
ligeramente hacia arriba. Ajuste los imanes de manera que la bola cruce el lado lejano
del papel en la misma línea al final de la rampa.
CUESTIONARIO.
1.- Describe la trayectoria del balín en el paso 4.
2.- ¿Que sucede con su trayectoria si el balín si el imán se coloca mas cerca de la
trayectoria de la canica? ¿Por que?
3.- En este modelo se empleo la gravedad para simular el campo eléctrico del
espectrómetro ¿A que frecuencia de oscilación del elemento platino el incremento del
voltaje es directamente proporcional?
2.- ¿Debido a que se producen las fuerzas de atracción y repulsión que permiten la
oscilación del elemento platino?
3.- ¿Cuál es el principio básico del funcionamiento del potenciómetro?
4.- ¿Con que fin se utilizo el condensador?
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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.
31
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 cargas 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:
E = ΔV
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.
32
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
m
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 coinciden. 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.
Precipitador electrostático (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.
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MATERIAL:
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Plantilla electrónica.
Capacitancia.
Transformador.
Potenciómetro.
Resistencias.
Cable telefónico.
Acrílico.
Silicón.
Madera.
Caimanes.
Disipador.
Anote sus observaciones.
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FUERZA MAGNETICA ENTRE DOS CONDUCTORES.
OBJETIVO:
Revisar experimentalmente que dos alambres que conducen electricidad ejercen
fuerza entre si, ya sea de atracción o de repulsión.
MARCO TEORICO:
Ampere determino también que estas fuerzas entre los alambres que conducían
corrientes eléctricas se debían a efectos magnéticos un alambre que conduce
electricidad crea un efecto magnético en su entorno (un campo magnético), y el otro
alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es decir,
propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica en uno de los alambres
genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre. Pudo verificar que estas fuerzas no se
debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.
A partir de sus experimentos, Faraday encontró que las fuerzas entre los
alambres que conducían corriente eléctrica se debían a efectos magnéticos un alambre
que conduce electricidad crea un efecto magnético en su entorno (campo magnético), y
le otro alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es
decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica en uno de los
alambres genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre. Pudo verificar que estas
fuerzas no se debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.
Posteriormente, ampere descubrió que aun si los alambres no eran paralelos
también había fuerzas entre ellos si ambos conducían corriente eléctrica y que las
características de estas fuerzas dependían de la colocación geométrica en que se
encontraban los conductores. Ampere encontró como calcular la fuerza
electromagnética entre dos conductores de electricidad que tuvieran formas y posiciones
arbitrarias. Esto se ha llamado la ley de ampere y es una de las leyes fundamentales del
electromagnetismo. La ley de ampere esta restringida para el caso en que las corrientes
que circulan por los alambres no cambien con el tiempo, como lo descubrió
posteriormente Maxwell.
Maxwell pudo ampliar la ley de ampere para que se pudiera aplicar el caso de
que las corrientes si varíen al transcurrir el tiempo.
Este descubrimiento de ampere ha tenido una repercusión muy importante,
básicamente es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.
35
En la misma serie de experimentos de 1820, ampere se dio cuenta que una aguja
de imán podía detectar una corriente eléctrica, y basándose en esta idea construyo un
instrumento al que le llamo galvanómetro, nombre que conserva hasta hoy en DIA. Esta
invención de ampere ha sido primordial ya que toda la ciencia y tecnología del
electromagnetismo no se hubiese podido desarrollar sin tener un instrumento que
midiera corrientes eléctricas. En su comunicación al la academia, ampere menciono:
“faltaba un instrumento que nos permitiera detectar la presencia de una corriente
eléctrica en una pila o en un conductor y que indicara su intensidad y sentido. En
instrumento ya existe, todo lo que se necesita es que la pila o alguna porción del
conductor, se coloque horizontalmente, orientada en dirección del meridiano magnético
(N) y que la brújula se coloque sobre la pila, ya sea arriba o debajo de la porción del
conductor. Creo que ha este instrumento se le debería dar el nombre de: galvanómetro
que debería ser usado en todos los experimentos con corriente eléctrica para poder ver
en cada instante si existe una corriente he indicar su intensidad”.
Antes de esta invención de ampere, la forma en que los experimentadores Decidían si
había alguna corriente, era haciéndola pasar por sus cuerpos: axial, mientras mas fuerte
fuera la sensación que tenían, concluían que era mayor la intensidad de corriente. Esta
claro que de esta manera la ciencia del electromagnetismo no hubiera llegado muy
lejos.
El galvanómetro inventado por ampere se convirtió rápidamente en un instrumento vital
en la investigación de los fenómenos eléctricos y magnéticos. Posteriormente se mejoro
y adiciono, pero las bases de su funcionamiento se han conservado.
MATERIAL:
•
•
Dos pilas voltaicas.
Dos alambres conductores.
PROCEDIMIENTO:
1.- Arregle dos partes rectas de dos alambres conductores que están unidos en sus
extremos con dos pilas voltaicas o en su defecto con dos fuentes de DC, en direcciones
paralelas entre si.
2.- Un alambre esta fijo y el otro es móvil, de tal manera que el segundo pueda moverse
hacia el alambre fijo o en dirección opuesta a este, pero siempre en paralelo.
Observemos que cuando se hace pasar una corriente a través de ambos alambres
simultáneamente, se atraen cuando las corrientes tienen el mismo sentido y se repelen
cuando el sentido del flujo de corriente es contrario.
36
NOTA IMPORTANTE:
Puesto que la corriente eléctrica siempre sale de la Terminal negativa de
energía, el flujo de corriente es un circuito que siempre tendrá la misma dirección si la
polaridad de la tensión de la fuente permanece invariable. Este tipo de flujo de corriente
recibe le nombre de: corriente directa o continua y a la fuente se le llama fuente de
corriente directa. Todo circuito que usa una fuente de corriente directa es un circuito de
corriente continua. Los tres tipos de fuentes de corriente continua son: la batería, el
generador de corriente continua y las fuentes de protones.
Como se puede observar, el campo magnético es producido por la corriente
eléctrica que circula por un conductor.
También analizando el campo de fuerzas esta formado por cargas eléctricas en
movimiento, que se manifiesta por la fuerza que experimenta una carga eléctrica al
moverse en su interior.
Para determinar la expresión del campo magnético producido por una corriente
se emulan dos leyes: la ley de biot-savart y la ley de ampere.
Podemos afirmar que la ley de ampere proporciona una formulación alternativa de la
relación entre los campos magnéticos de las corrientes. Es análoga a la ley de gauss en
electrostática.
Anote sus observaciones.
37
FUERZA MAGNETICA.
OBJETIVO:
Observar el comportamiento que tiene un alambre con corriente eléctrica
sometido a un campo magnético y su nuevo comportamiento ante otros campos
magnéticos, aplicando la formula F m = q . vXB.
INTRODUCCION:
La existencia de cargas en movimiento (corriente eléctrica) produce un campo
magnético, quedando este delimitado por la región del espacio en la que se manifiestan
los fenómenos magnéticos. La actuación de estos fenómenos sigue unas líneas
imaginarias llamadas líneas de fuerza, que son el camino que sigue la fuerza magnética.
Para hacerse una idea de cómo actúan estas líneas de fuerza, basta con colocar un imán
bajo un papel sobre el que se ha espolvoreado virutas de hierro; estas se dispondrán
siguiendo las líneas de fuerza del campo magnético generado por el imán.
En los campos magnéticos no existen fuentes i sumideros de cargas, cerrándose
el campo sobre si mismo, cualquier corriente alterna generara a su alrededor un campo
magnético que tendrá un potencial proporcional a la carga eléctrica que lo origina.
Los campos eléctricos no pueden apantallarse y atraviesan casi todos los
materiales conocidos. Las unidades del campo magnético son las teslas o m Teslas (1
tesla = 1 millon de m Teslas)
MARCO TEORICO:
Una partícula que se mueve en un campo magnético experimenta una fuerza dada
por el producto vectorial F m = q . vXB. El resultado de un producto vectorial es un
vector de:
• Modulo igual al producto se los módulos por el seno del ángulo comprendido
qvB sen θ.
• Dirección perpendicular al plano formado por los vectores velocidad y campo.
Fuerza sobre una porción de conductor rectilíneo: en el espectrómetro de masas o en el
ciclotrón, ya hemos estudiado la fuerza que ejerce un campo magnético sobre un
portador de carga y el movimiento que produce. El la figura, se muestra la dirección y
sentido de la fuerza que ejerce el campo magnético B sobre un portador de carga
positivo q, que se mueve hacia la izquierda con velocidad v. F m = q vxB, cuando
38
queremos calcular la fuerza sobre todos los portadores (nSL) de carga contenidos en la
longitud L del conductor, se obtiene que F m = (nSL) Fm = iût x B.l
El vector unitario ut=v/v tiene la misma dirección y sentido que el vector
velocidad, o el sentido en el que se mueven los portadores de carga positiva. En caso de
que el conductor no sea rectilíneo o el campo magnético no sea constante, se ha de
calcular la fuerza sobre un elemento de corriente dl.
39
PRACTICA
FUERZA MAGNETICA.
OBJETIVO:
Observar el comportamiento que tiene un alambre con corriente eléctrica
sometido a un campo magnético y su nuevo comportamiento ante otros campos
magnéticos, aplicando la formula F m = q . vXB.
INTRODUCCION:
La existencia de cargas en movimiento (corriente eléctrica) produce un campo
magnético, quedando este delimitado por la región del espacio en la que se manifiestan
los fenómenos magnéticos. La actuación de estos fenómenos sigue unas líneas
imaginarias llamadas líneas de fuerza, que son el camino que sigue la fuerza magnética.
Para hacerse una idea de cómo actúan estas líneas de fuerza, basta con colocar un imán
bajo un papel sobre el que se ha espolvoreado virutas de hierro; estas se dispondrán
siguiendo las líneas de fuerza del campo magnético generado por el imán.
En los campos magnéticos no existen fuentes ni sumideros de cargas, cerrándose
el campo sobre si mismo, cualquier corriente alterna generara a su alrededor un campo
magnético que tendrá un potencial proporcional a la carga eléctrica que lo origina.Los
campos eléctricos no pueden apantallarse y atraviesan casi todos los materiales
conocidos. Las unidades del campo magnético son las teslas o m Teslas (1 tesla = 1
millón de m Teslas)
MARCO TEORICO:
Movimiento en un campo magnético: Una partícula que se mueve en un campo
magnético experimenta una fuerza dada por el producto vectorial F m = q . vXB. El
resultado de un producto vectorial es un vector de:
• Modulo igual al producto se los módulos por el seno del ángulo comprendido
qvB sen θ.
• Dirección perpendicular al plano formado por los vectores velocidad y campo.
Fuerza sobre una porción de conductor rectilíneo: en el espectrómetro de masas
o en el ciclotrón, ya hemos estudiado la fuerza que ejerce un campo magnético sobre un
portador de carga y el movimiento que produce.
El la figura, se muestra la dirección y sentido de la fuerza que ejerce el campo
magnético B sobre un portador de carga positivo q, que se mueve hacia la izquierda con
velocidad v. F m = q vxB, cuando queremos calcular la fuerza sobre todos los portadores
(nSL) de carga contenidos en la longitud L del conductor, se obtiene que F m = (nSL)
Fm = iût x B.l El vector unitario ut=v/v tiene la misma dirección y sentido que el vector
velocidad, o el sentido en el que se mueven los portadores de carga positiva. En caso de
que el conductor no sea rectilíneo o el campo magnético no sea constante, se ha de
calcular la fuerza sobre un elemento de corriente dl; por lo tanto la fuerza será:
dF= ut x B. L
•
•
•
Donde las componentes de dichas fuerzas so dFx y dFy.
Se ha de comprobar que si hay simetría de modo que alguna de las componentes
sea nula.
Finalmente, se calculara por integración las componentes de la fuerza total F.
Fuerza sobre cada lado de la espira: la figura representa una espita rectangular cuyos
lados miden a y b, formando un ángulo θ con el plano horizontal y es recorrida por una
corriente de intensidad i. la espira esta situada en una región en la que hay un campo
magnético uniforme B paralelo al plano horizontal. Calcularemos la fuerza que ejerce
dicho campo magnético sobre cada uno de los lados de la espira deduciendo la
expresión de la fuerza que ejerce el campo dada por:
Fm= iÛt x B. l
Donde Ût es un vector unitario que nos señala la dierccion y el sentido en que se
mueven los portadores de cargas positivos. La fuerza F sobre cada uno de los lados de
longitud a, está indicada por:
F = i. l. B. a .sen90o= iBa
La fuerza F sobre cada uno de los lados de longitud b, es:
F = i. l. B. b .senθ= iBb. Senθ
Esta fuerza tiene la dirección del eje de rotación.
Momento de las fuerzas sobre la espira: la fuerza resultante sobre la espira es
nula, sin embargo, las fuerzas de los lados de longitud a no tienen la misma línea de
acción y forman un par de momento, determinado por:
M = 2Fl.(b/2). cosθ= iab. B. cosθ = i. S. b. cosθ
La dirección del momento M es la del eje de rotación de la espira. El momento
se puede expresar en forma de un producto vectorial de dos vectores, el vector
momento magnético m y el vector campo magnético B.
Como se observa el modulo de M es:
M = m. B. sen (90 + θ) = m. B. cos θ = iS. B. cos θ
Su dirección es perpendicular al plano determinado por dos vectores, es decir el
eje de rotación de la espira.
MATERIAL:
•
•
•
•
•
•
•
Madera.
Acrílico.
Magnetos.
Alambre magneto (Diferentes cables).
Silicón.
Soldadura de estaño.
Pegamento.
EQUIPO:
• Taladro.
• Pistola para silicón.
• Cautín.
• Brocas.
• Pinzas.
• Lija.
PROCEDIMIENTO:
1.- Fabricar el dispositivo utilizado con el material antes mencionado, para este efecto
cortamos antes una base de madera solo con las dimensiones necesarias para nuestro
dispositivo, nótese que la base no debe ser muy grande para su fácil manejo, después
fabricamos las paredes y el techo de nuestro dispositivo con acrílico para que se pueda
apreciar e fenómeno.
2.- Colocar imanes en las paredes y la base del dispositivo, estos imanes son los que
proporcionan el campo magnético de nuestro dispositivo, fabricamos también una espira
rectangular que será el objeto de análisis.
3.- Colocamos dos soportes de alambre de magneto a través de las paredes de acrílico
donde será colocada la espira.
4.- Se conectan los extremos de los soportes a una fuente de voltaje para que se
introduzca corriente a través de la espira ya que hacen contacto la espira con los
soportes en los anillos donde se sujeta.
NOTA IMPORTANTE:
Debes observar con atención el desarrollo del fenómeno.
CUESTIONARIO:
1.- ¿Por que parte del dispositivo circula la corriente?
2.- Aparte de colocar la espira rectangular en la correcta posición adecuada para que el
campo magnético de los imanes afecte la espira ¿Para que nos proporcionan los soportes
de magneto?
3.- ¿Por qué gira la espira?
4.- ¿Qué ocasiona la fracción del eje de la espira y los soportes?
5.- Explica el fenómeno observado. Definiendo:
a) La fuerza sobre cada lado de la espira.
b) Como fue el momento de la fuerza de las espiras.
Anote sus conclusiones.
PRACTICA
FUERZA MAGNETICA ENTRE DOS CONDUCTORES.
OBJETIVO:
Revisar experimentalmente que dos alambres que conducen electricidad ejercen
fuerza entre si, ya sea de atracción o de repulsión.
MARCO TEORICO:
Ampere determino también que estas fuerzas entre los alambres que conducían
corrientes eléctricas se debían a efectos magnéticos un alambre que conduce
electricidad crea un efecto magnético en su entorno (un campo magnético), y el otro
alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es decir,
propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica en uno de los alambres
genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre. Pudo verificar que estas fuerzas no se
debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.
A partir de sus experimentos, Faraday encontró que las fuerzas entre los
alambres que conducían corriente eléctrica se debían a efectos magnéticos un alambre
que conduce electricidad crea un efecto magnético en su entorno (campo magnético), y
le otro alambre, que también conduce corriente eléctrica, experimenta una fuerza. Es
decir, propuso que el magnetismo que produce la corriente eléctrica en uno de los
alambres genera a su vez una fuerza sobre el otro alambre. Pudo verificar que estas
fuerzas no se debían a las cargas eléctricas que circulaban por cada uno de los alambres.
Posteriormente, ampere descubrió que aun si los alambres no eran paralelos
también había fuerzas entre ellos si ambos conducían corriente eléctrica y que las
características de estas fuerzas dependían de la colocación geométrica en que se
encontraban los conductores. Ampere encontró como calcular la fuerza
electromagnética entre dos conductores de electricidad que tuvieran formas y posiciones
arbitrarias. Esto se ha llamado la ley de ampere y es una de las leyes fundamentales del
electromagnetismo. La ley de ampere esta restringida para el caso en que las corrientes
que circulan por los alambres no cambien con el tiempo, como lo descubrió
posteriormente Maxwell.
Maxwell pudo ampliar la ley de ampere para que se pudiera aplicar el caso de
que las corrientes si varíen al transcurrir el tiempo.
Este descubrimiento de ampere ha tenido una repercusión muy importante,
básicamente es el principio de funcionamiento de los motores eléctricos.
En la misma serie de experimentos de 1820, ampere se dio cuenta que una aguja
de imán podía detectar una corriente eléctrica, y basándose en esta idea construyo un
instrumento al que le llamo galvanómetro, nombre que conserva hasta hoy en DIA. Esta
invención de ampere ha sido primordial ya que toda la ciencia y tecnología del
electromagnetismo no se hubiese podido desarrollar sin tener un instrumento que
midiera corrientes eléctricas. En su comunicación al la academia, ampere menciono:
“Faltaba un instrumento que nos permitiera detectar la presencia de una corriente
eléctrica en una pila o en un conductor y que indicara su intensidad y sentido. En
instrumento ya existe, todo lo que se necesita es que la pila o alguna porción del
conductor, se coloque horizontalmente, orientada en dirección del meridiano magnético
(N) y que la brújula se coloque sobre la pila, ya sea arriba o debajo de la porción del
conductor. Creo que ha este instrumento se le debería dar el nombre de: galvanómetro
que debería ser usado en todos los experimentos con corriente eléctrica para poder ver
en cada instante si existe una corriente he indicar su intensidad”.
Antes de esta invención de ampere, la forma en que los experimentadores
Decidían si había alguna corriente, era haciéndola pasar por sus cuerpos: axial,
mientras mas fuerte fuera la sensación que tenían, concluían que era mayor la intensidad
de corriente. Esta claro que de esta manera la ciencia del electromagnetismo no hubiera
llegado muy lejos.
El galvanómetro inventado por ampere se convirtió rápidamente en un
instrumento vital en la investigación de los fenómenos eléctricos y magnéticos.
Posteriormente se mejoro y adiciono, pero las bases de su funcionamiento se han
conservado.
MATERIAL:
•
•
Dos pilas voltaicas.
Dos alambres conductores.
PROCEDIMIENTO:
1.- Arregle dos partes rectas de dos alambres conductores que están unidos en sus
extremos con dos pilas voltaicas o en su defecto con dos fuentes de DC, en direcciones
paralelas entre si.
2.- Un alambre esta fijo y el otro es móvil, de tal manera que el segundo pueda moverse
hacia el alambre fijo o en dirección opuesta a este, pero siempre en paralelo.
Observemos que cuando se hace pasar una corriente a través de ambos alambres
simultáneamente, se atraen cuando las corrientes tienen el mismo sentido y se repelen
cuando el sentido del flujo de corriente es contrario.
NOTA IMPORTANTE:
Puesto que la corriente eléctrica siempre sale de la Terminal negativa de
energía, el flujo de corriente es un circuito que siempre tendrá la misma dirección si la
polaridad de la tensión de la fuente permanece invariable. Este tipo de flujo de corriente
recibe le nombre de: corriente directa o continua y a la fuente se le llama fuente de
corriente directa. Todo circuito que usa una fuente de corriente directa es un circuito de
corriente continua. Los tres tipos de fuentes de corriente continua son: la batería, el
generador de corriente continua y las fuentes de protones.
Como se puede observar, el campo magnético es producido por la corriente
eléctrica que circula por un conductor.
También analizando el campo de fuerzas esta formado por cargas eléctricas en
movimiento, que se manifiesta por la fuerza que experimenta una carga eléctrica al
moverse en su interior.
Para determinar la expresión del campo magnético producido por una corriente
se emulan dos leyes: la ley de biot-savart y la ley de ampere.
Podemos afirmar que la ley de ampere proporciona una formulación alternativa de la
relación entre los campos magnéticos de las corrientes. Es análoga a la ley de gauss en
electrostática.
Anote sus observaciones.
A continuación se agradece a la siguiente lista de alumnos, quienes aportaron sus
prácticas elaboradas en la materia de física III, para la realización de este manual de
experimentos.
A los estudiantes Héctor Córdoba Ramírez y María Inés
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Mosqueda Rangel Claudia
Prieto Figueroa Norma
Zárate Dueñez Ismael
López Mejia Cristina
Rodríguez Aguilar Eleazar
Jiménez Rodríguez Benjamín
Ortega Contreras Abraham
Filoteo Razo Fernando
Cornejo Rodríguez Saúl
Murieta Loyde Alfredo
Castillo Carrillo Víctor Manuel
Filoteo Razo Agustín
Cornejo Conejo Manuel Alejandro
Delgado Gómez Lenin Samuel
Olivares García Ulises
Flores Rangel Sandra Dolores
Nila Olmedo Natalia
Ordóñez Cárdenas Ernesto
Córdoba Ramírez Héctor
Barroso Rivas Servando
Amezquita Sánchez Juan Pablo
López Martínez Luis Felipe
Cabal Aragón Jesús Guillermo
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