Fac. Cs. Qs. Dpto. De FÍSICO MATEMÁTICAS LABORATORIO DE FÍSICA II Q.F.B

BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS QUÍMICAS LICENCIATURA: QUÍMICO FARMACOBIÓLOGO ÁREA ESPECÍFICA DE: FISICOMATEMÁTICAS

NOMBRE DE LA ASIGNATURA:

LABORATORIO DE FÍSICA II

CÓDIGO:

LQF 109L

FECHA DE ELABORACIÓN:

MARZO 2001

NIVEL EN EL MAPA CURRICULAR:

BÁSICO

TIPO DE ASIGNATURA:

BÁSICA

PROFESORES QUE PARTICIPARON EN SU ELABORACIÓN: M.C. Jorge Contreras Rascón HORAS DE TEORIA: 3

HORAS PRÁCTICA: 2

CRÉDITOS: 8

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INDICE PRACTICAS DE LABORATORIO FISICA II Página 1.

CARGA ELECTRICA: JAULA DE FARADAY

11

2.

DISTRIBUCION DE LA CARGA

17

3.

BALANZA DE TORSION DE COULOMB

20

4.

CAPACITOR DE CARAS PARALELAS

25

5.

RESISTENCIAS: LEY DE OHM

29

6.

LEY DE LA REFLEXION

30

7.

LEY DE LA REFRACCION (LEY DE SNELL)

33

8.

ESPEJOS CONCAVOS Y CONVEXOS

36

9.

LENTES CONCAVOS Y CONVEXOS

39

10.

SISTEMA OPTICO: TELESCOPIO

42

11.

SISTEMA OPTICO: MICROSCOPIO

47

2

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PRESENTACION GENERAL En este curso de física se pretende que el alumno aprenda extienda su conocimiento

de

física

estudiando

electromagnetismo

y

óptica.

El

electromagnetismo se refiere a la naturaleza de los fenómenos eléctricos y magnéticos y la relación entre ellos. La óptica estudia los fenómenos relacionados con la luz. La materia presenta características inherentes a ella como masa y carga. La presencia de electrones y protones como constituyentes estructurales de la materia dan origen a fuerzas eléctricas y magnéticas de corto alcance. El alumno comprenderá que estas fuerzas existen en junto la fuerza gravitatoria, las fuerzas eléctricas y magnéticas y que sirven para la modelación de procesos físicos, químicos y biológicos, desde el punto de vista estructural. También sabrá de la existencia de fenómenos clasificados como electrodinámicos. En el trayecto del curso el alumno comprenderá que las ecuaciones de Maxwell que son el fundamento para el estudio de los fenómenos electromagnéticos de forma similar a como las leyes de Newton lo son para la comprensión

de los fenómenos

mecánicos. En la última parte del programa, el alumno conocerá y comprenderá la naturaleza y propagación de la luz mediante los modelos corpuscular y ondulatorio. En el modelo corpuscular, la luz consiste de un flujo de partículas o corpúsculos no es capaz de proporcionar una explicación totalmente satisfactoria de ciertos fenómenos luminosos observables y, por ello se busca una nueva teoría que permita explicar de manera satisfactoria los fenómenos, tal teoría es la ondulatoria. El estudiante comprenderá que el gran avance siguiente en la teoría de la luz fue

el

trabajo

electromagnéticas

de

Maxwell,

que

se

que

explica

propagan

a

el

través

comportamiento del

espacio.

de

ondas

Las

ondas

electromagnéticas se generan mediante cargas eléctricas aceleradas y consisten en campos eléctricos y magnéticos oscilatorios.

3

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El estudiante sabrá del hecho de que para explicar los fenómenos en el que interviene

la

luz,

se

considera

una

doble

naturaleza.

Los

fenómenos

electromagnéticos y ópticos presentados en este curso constituyen un fundamento teórico y metodológico para profundizar con un estudio de sistemas específicos lo cual se hace a través de los cursos del mapa curricular de la licenciatura de Química. OBJETIVOS GENERALES El estudiante entenderá que la electricidad y el magnetismo son aspectos diferentes de una interacción que explica la naturaleza de fuerzas que determinan las leyes de los fenómenos químicos. También sabrá que las aplicaciones de la teoría electromagnética han causado grandes revoluciones en la tecnología y en las comunicaciones, lo que ha conducido a un mejor entendimiento de los conceptos de espacio y tiempo. Entenderá que la carga eléctrica en movimiento es la propiedad de la materia que produce campos electromagnéticos, los cuales se extienden por todo el espacio provocando los fenómenos electromagnéticos. Comprenderá la importancia de explicar la naturaleza de la luz y su propagación mediante los modelos corpuscular y ondulatorio. Conocerá el método de rayos para la localización de imágenes formadas por espejos y lentes. Así mismo, explicará el funcionamiento de algunos sistemas ópticos.

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INTRODUCCIÓN Debido a problemas de técnicas y aparatos, las demostraciones de fenómenos electrostáticos se ven limitados por el uso de equipo elemental. Además

la

cualtitativos.

demostración

tradicional

usualmente

dan

buenos

resultados

Este manual tiene como finalidad remediar esto por la

implementación de ES-9079

Sistemas Básicos Electrónicos en las cuatro

primeras prácticas. Esta manual dará al estudiante paso a paso la explicación del uso de las técnicas de demostración. La demostración más que información sobre el material usado presenta al universitario principios sobre electrostática. Hay varios puntos esenciales de electrostática que deben recordarse: -

Leer primero la sección del manual en cuanto a la teoría y uso de los accesorios electrostáticos.

-

Orientaciones

de

equipo.

Coloca

los

aparatos

separándolos

suficientemente, cada estudiante debe de hacer la instalación. Cada demostración incluye un diagrama de sugerencias para poner el equipo. Preferentemente podría ser usada una computadora con una interfase para disponer la lectura de electrómetros (ES9078), en la pantalla de la computadora todo puede verse fácilmente. (Tu puedes usar una exposición analógica; por ejemplo, muestra la desviación de la aguja; o una exposición digital mostrando el voltaje).

Si hay computadora

disponible, se coloca al electrómetro. Siempre considerando, como la disposición del equipo puede afectar los cambios de la distribución. Por ejemplo, una pérdida del suministro del poder puede fácilmente cambiar la orden de distribución sobre la esfera. -

Las conexiones a tierra. Aunque esto no es estrictamente necesario, la demostración puede estar conectada a tierra. La pérdida de cambio sobre la demostración puede paralizar un experimento. También mantén el electrómetro a tierra, a menos que se den instrucciones especificas.

-

Evita movimientos innecesarios. .

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Humedad. La demostración del electrómetro. El equipo a utilizar ha sido

-

designado para. minimizar los efectos de la humedad. Sin embargo un día particularmente húmedo puede causar cambios y fugas de varios aparatos, radicalmente cambiando la orden de distribución. Ayuda a minimizar las fugas, mantén todo el equipo libre de polvo y aceite (huellas dactilares). Minimiza todo el movimiento cuando es la demostración en un día muy seco. Práctica. Nada puede arruinar el valor de la demostración con el equipo

-

y el procedimiento descrito. Antes de presentar a una demostración electrostática, el estudiante, deberán hacerse sabedores de lo siguiente: 1.

La teoría y uso de al jaula de Faraday (esta es adecuadamente sustituida por el aparato descrito en esta sección y en la demostración).

2.

La posible distorsión de densidad de carga debido al uso incorrecto de los planos de prueba.

3.

La carga residual puede crearse arriba en el plástico aislador, entre el mango (manilla) y el disco del plano y la carga producida. Asegúrese de limpiar estas partes antes de hacer algún experimento.

4.

La capacitancia del electrómetro debe ser considerada, cuando se calcule la magnitud de la carga desde el voltaje leído en el electrómetro. Por las anteriores consideraciones, las demostraciones deben tener un gran

éxito y buscar su mayor efecto académico. EQUIPO Incluye: -

ES-9078*Electrómetro

-

ES-9077* Fuente de voltaje

-

ES-9079* Condensador de Placas Paralela

-

ES-9057B Productor de cargas y Planos de prueba

-

ES-9042* Jaula de Faraday

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-

ES-9059B Esferas conductivas

-

Algunos cables (no se muestran)

ES - 9042A JAULA DE FARADAY. La jaula de Faraday. (ES -9042A) Originalmente designado por Michael Faraday, funciona con base en el principio de que cualquier carga colocada adentro de una superficie conductora, inducirá una carga igual al exterior de la superficie. Esto es un excelente equipo para probar la producción de cargas y la distribución de estas. La versión de Pasco, consiste en dos cilindros de malla de alambre uno dentro de otro montado en un fondo de plástico amoldado. El cilindro exterior se llama escudo. Este proporciona visibilidad completa al interior de la jaula y cuando es descargada ayuda ha eliminar cargas perdidas y campos de AC, el cilindro interior es la jaula real. Observe que la jaula está colocada sobre material aislante. El cubo es de 10 cm de diámetro y 15 cm de alto. Cuando un objeto cargado se introduce en el cubo pero sin tocarlo, una carga de la misma magnitud es inducido al exterior y la cubierta detectara una diferencia de potencial. Un electrómetro está conectado entre la jaula y el escudo, se creará una diferencia de potencial. Así que el electrómetro dará las lecturas de voltaje, es posible usar esos valores como las magnitudes de carga.

Para prevenir que las cargas se esparzan y se

produzcan resultados erróneos, es importante que la jaula de Faraday se descargue continuamente antes de comenzar cualquier experimento. El demostrador debe descargarse continuamente Otros accesorios incluidos en este sistema son los productores de carga y los planos de prueba (Pasco ES-9057B). Los productores de carga son usados para probar las densidades de las cargas en las superficies. Esferas ES-9059B 13-cm Esta esfera es usada para almacenar cargas eléctricas. El modelo Pasco ES-9059B, las esferas están compuestas en un molde de resina, con una base de plástico, con cubierta de cobre, tiene una capa exterior de níquel, y finalmente

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recubiertas con cromo. Las esferas están colocadas sobre varillas aislantes de policarbonato, sujetas a una base o soporte. Cada esfera tiene un conector en la mitad inferior que se usa para agregar una conexión a tierra o a la fuente de voltaje. FUENTE DE VOLTAJE ELECTROSTÁTICA ES-9077 Es un modelo de alto voltaje pero baja corriente exclusivamente para experimentos de electrostática. Tiene una salida para 30 voltios DC para los experimentos del capacitor de caras paralelas 1 kV, 2 kV, y 3 kV para experimentos con la jaula de Faraday y las esferas conductoras. Con la excepción de la salida de 30 voltios, todos las salidas de voltaje tienen resistencias asociadas con ellas, las cualees limitan un posible corto circuito a aproximadamente 8.3 microamps. El salida de 30 voltios esta regulado, pero es capaz de entregar sólo aproximadamente 1 miliamp. antes de averiarse. CAPACITOR ES-9053A Se conectan tres resistencias (50, 100 y 200 Mega ohms) y dos capacitores (0.47 y 0.94 uF) esta red esta instalada dentro de una placa que permite que los componentes estén conectados en varias configuraciones. La placa RC esta diseñado para el estudio de resistencia y capacitancia en tiempos constantes y para la investigar capacitores conectados en serie y paralelo. Un tercer capacitor (0.23 uF) puede estar conectado en serie o paralelo con otros dos capacitores. En el frente de la placa de RC, un diagrama muestra la conexión de los componentes. Las posiciones de los tres interruptores indican los componentes exactos a usar. El tablero delantero de la placa de RC que cambia en varias posiciones. La tres posiciones del interruptor cuando cambia a la izquierda, tiene una útil posición de abierto. A menudo es conveniente detener la carga del proceso cuando hacemos una medición, y la posición abierto permite que el circuito sea desconectado de la fuente de poder. Cinco postes permiten que la fuente de voltaje y/o el electrómetro sean conectados a los componentes.

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IMPORTANTE: Nunca coloque más de 50 volts de CD a ninguno de los componentes de la placa RC. ELECTRÓMETRO ES-9078 El electrómetro ES-9078 es un voltímetro usado para medidas directas de voltaje y medidas indirectas de corriente y carga.

Porque su alta (infinita)

impedancia de 1014 ohms, esta especialmente adaptada para mediciones de cargas en experimentos electrostáticos. Tiene una sensibilidad de alrededor de 1 000 veces que un electroscopio estándar, un botón cero que directamente indica polaridad de carga, y magnitudes de carga menores a 10-11 coulombs. El electrómetro funciona con 4 pilas alcalinas AA, fácilmente reemplazables por la abertura de la cubierta trasera del electrómetro. Un LED brillará intermitentemente cuando las baterías necesiten ser reemplazadas. Cuando reemplaces las baterías ten cuidado de no tocar alguno de los componentes o cables en el panel de circuito integrado. ESPECIFICACIONES 1. Antes de encender el electrómetro cheque que el contador este en cero, si no ajuste a cero. 2. Conecte al electrómetro. 3. Conecte a tierra, 4. Oprimir el botón alinear 5. Apriete el botón cero para empezar las mediciones. 6. El rango del electrómetro se refiere a la entrada de voltaje. PUNTOS GENERALES 1. Antes de empezar las mediciones pulse el botón cero para descargar toda la corriente en el electrómetro. 2. Es esencial que el electrómetro este conectado a tierra. ES---9057A PRODUCTORES DE CARGA Y PLANOS DE PRUEBA

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El productores de cargas y los planos de prueba es equipo electroestático. Los productores de carga se usan para generar cargas por contacto y los planos de prueba se usan para medir densidad de carga sobre las superficies. PRODUCTORES DE CARGA Los productores de carga consisten en dos varillas, una cubierta azul y otra en blanco, unida a un disco conductivo. Si las superficies azules y blancas se frotan tenazmente, la superficie blanca adquiere una carga positiva y la superficie azul una carga negativa. Estas son algunas pautas en el uso apropiado y cuidado de los productores de carga que son importantes recordar: •

Si desea una carga cero, descargue a los productores de cargas tocando el disco conductivo conecte a tierra. Para estar seguro el disco se descarga totalmente, suavemente respire en el cuello conductivo.

La humedad de su respiración ayudará para quitar

cualquier carga perdida. •

Evitar, tocar el cuello durante el uso normal, Los aceites de sus manos mantendrán un flujo de cargas. Si usted experimenta mucho sudor, lave los aisladores blancos generosamente con jabón y enjuague con agua, el sudor, debe desaparecer. Ocasionalmente limpie las superficies del disco con alcohol

•

Cuando usted usa a los productores de carga primero, o simplemente después de limpiar, ellos no pueden producir carga inmediatamente.

Frote la superficie blanca vigorosamente en el

plano de prueba conductivo. •

Los productores de cargas se diseñan para ser usados con el electrómetro ES-9078. Ellos no producen la carga suficiente para el uso con un electroscopio normal.

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PLANOS DE PRUEBA El plano de prueba es un disco conductivo con cubierta de aluminio. El material del disco conductivo es de poli carbonato (aproximadamente 103 ohms) con un disco de aluminio. El cuello del conductor es de poli carbonato blanco (aproximadamente 1014 ohms). El plano de prueba se usa para probar la densidad de carga en las superficies conductivas cargadas. La jaula de Faraday puede usarse para medir entonces la densidad de carga en el plano de prueba. Tocando el plano de prueba a una superficie, adquirirá la misma distribución de carga como la sección de la superficie que se toco. Midiendo la carga en el plano de prueba, la densidad de carga en esa parte de la superficie puede ser determinada. La carga es mayor en el plano de prueba, es mayor la densidad de carga en la superficie dónde el plano de prueba hizo el contacto. Cuando un plano de prueba se toca a una superficie conductiva, se vuelve parte de la superficie conductiva. Por consiguiente, siempre toque el plano de prueba al conductor, de semejante manera minimice la distorsión de la forma de la superficie. NOTA: Los planos de prueba pueden usarse para probar la polaridad de carga en conductores de cualquier forma. Sin embargo, si usted quiere lecturas exactas de densidad de carga, la superficie del conductor probada tiene que ser considerablemente más grande que el disco del plano de prueba y tener un radio relativamente grande de curvatura al punto de contacto. CAPACITOR DE CARAS PARALELAS (ES-9079) El capacitor consiste de dos placas metálicas, de 20 centímetros de diámetro que puede ajustarse a varias separaciones, El plato movible está montado en una dispositivo calibrada que da la separación del plato directamente en centímetros, Se mantienen la conexión eléctrica a cada plato. Use un cable de baja conductividad para conectar los platos al electrómetro. Guarde una distancia entre los cables tanto como sea posible minimizar la capacitancia. Es sumamente importante que los platos del condensador permanezcan paralelos. Es posible

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que a través de maltrato, ellos dejen de ser paralelos, si es así ajuste en la parte de atrás del plato, el plato más pequeño con tres tornillos del juego, se ajustan.

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PRACTICA No. 1

JAULA DE FARADAY Y PRODUCCION DE CARGA

OBJETIVO: El alumno demostrará experimentalmente la producción de carga

y la

conservación de la carga, para comprender los principios de electrostática. Demostrará que el electrómetro mide directamente las diferencias de potencial.. Podrá explicar que cuando use la jaula de Faraday, estará indirectamente midiendo la carga y su polaridad, sabiendo que la cantidad de carga es proporcional al voltaje. La lectura será en voltios, y no en coulombs. INTRODUCCIÓN Fuerza es la interacción entre dos cuerpos. Existen principalmente cuatro tipos que son los de gravitación, electromagnética, las interatómicas y las débiles entre los núcleos. La fuerza de la elasticidad es parte de las electromagnéticas y son por ejemplo las que impiden que un cuerpo caiga de una tabla, él por que los sólidos conservan su forma, etc. Tales de Mileto con el ámbar descubrió la electricidad: En manganeso había piedras con propiedades de atraer a otros cuerpos. Maxwell teoriza la electro magnetización. La ciencia de la electricidad se inicia en el siglo VII a. C,, cuando él filosofo griego tales de Mileto describió, la propiedad del ámbar de atraer ciertos trozos de paja después de ser frotados por la lana. El estudio del magnetismo empieza con el descubrimiento de que ciertas piedras naturales atraen trozos de hierro. Estas dos ciencias se desarrollaron independientemente hasta 1820 en que Hans Christian Fersted observo que la corriente eléctrica que circula por un conductor puede producir desviaciones en una brújula. En

el

desarrollo

del

electromagnetismo

formaron

parte

muchos

investigadores entre los cuales destaca Faraday, James Clear Maxwell el cuál expuso las leyes del electromagnetismo en la forma en que se conocen actualmente, estas desempeñan el mismo papel en el electromagnetismo que las leyes de Newton en la mecánica clásica.

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El campo que abarcan las ecuaciones de Maxwell incluye los principios fundamentales de todos los dispositivos electromagnéticos y ópticos tales como los motores, el radio, la televisión, el radar de microondas, los microscopios y telescopios. TEORIA La carga eléctrica, muchos objetos después de ser frotados adquieren la propiedad de atraer partículas, esta atracción se debe a que en ellos se encuentran cargas eléctricas que son de dos clases una convencionalmente se llama positiva y la otra negativa. Resulto que las cargas del mismo signo se repelen y las de signo opuesto se atraen. Las fuerzas de interacción entre cargas eléctricas y las fuerzas de atracción entre cuerpos electrizados reciben el nombre de fuerzas eléctricas. Debe tenerse en cuenta que las fuerzas eléctricas pueden ejercerse, sobre los cuerpos cargados o sobre las partículas cargadas por ejemplo los iones. El exceso de cargas eléctricas del mismo signo en un cuerpo recibe el nombre de magnitud de la carga cantidad de electricidad en el cuerpo. La carga total de cualquier cuerpo es la suma algebraica de todas las cargas eléctricas que hay en dicho cuerpo. Independientemente del modo empleado para electrizar los cuerpos, las cargas eléctricas ni se crean ni se destruyen, sino que se redistribuyen, entre todos los cuerpos que participan en uno u otro fenómeno. Esto se conoce con el nombre de ley de la conservación de la carga. Conductores y aisladores ó dieléctricos, son los materiales que no conducen totalmente la electricidad son resistentes al movimiento de los electrones. Entre ellos la resina, vidrio, el polietileno, etc. Entre la categoría de los conductores están los metales, las sales en solución, etc., no hay resistencia al paso de la electricidad, los electrones se mueven fácilmente. Cuantización de la carga, la carga eléctrica del protón se designa con e+ y la del electrón con e-. Estas cargas se llaman elementales ya que no se han logrado descubrir otras menores que él por lo que se dice que la carga existe en

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pequeños paquetes o quantos, es decir, la carga esta cuantizada. Esta carga fundamental es igual a 1.6x10-19 c. Cualquier carga sin importar su origen puede inscribirse como Ne en donde n es un número entero positivo o negativo, es decir el total de la carga eléctrica (q) de cualquier cuerpo puede expresarse así: q=(N+-N-)e Partícula puntual, cuando la dimensión de los cuerpos es mucho menor en comparación de las distancias que las separa. También se llama puntos materiales. DESARROLLO EXPERIMENTAL. EQUIPO: -

ES-9078*Electrómetro

-

ES-9079* Condensador de Placas Paralela

-

ES-9057B Productor de cargas y Planos de prueba

-

ES-9042* Jaula de Faraday

-

Algunos cables (no se muestran)

INSTALACIÓN DEL EQUIPO El propósito de esta demostración es investigar la relación entre la carga inducida a la jaula de Faraday por un objeto cargado y la carga del objeto. Esta demostración es solo útil investigar la naturaleza de la carga, cargando un objeto por contacto mientras compara cargando está, por inducción y demostrar la conservación de la carga. Antes de comenzar el experimento con la jaula de Faraday, deberá estar momentáneamente en el suelo, Cuando la jaula de Faraday esta conectada al electrómetro, y el electrómetro esta conectado a tierra, simplemente presione el botón cero cuando tu necesites descargar ambos, la jaula de Faraday y el electrómetro. PROCEDIMIENTO 1A. CARGANDO POR INDUCCIÓN Y POR CONTACTO

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1.-Conecte el electrómetro a la jaula de Faraday, el electrómetro dará una lectura cero de magnitud de carga y de neutralidad en los campos. Presione el botón cero para descargar completamente el equipo. 2.-Siempre al empezar se debe poner el voltaje en el punto más alto (100 V) y ajustando hacia abajo si es necesario. Las mediciones en un rango de 1/3 y 2/3 de la escala. 3.-Los productores de carga serán usados para cargar objetos. Procedimiento general para producción de carga: •

Siempre quita cargas residuales de los productores de carga y el demostrador debe de encontrarse aislado de toda carga.

•

Frota los productores de carga, conductor y no conductor.

•

Asegurese de estar haciendo tierra.

•

Cuidadosamente introduce el productor de carga, adentro de la jaula de Faraday hasta la mitad, sin tocar los escudos de la jaula.

4.-Toma la lectura de magnitud de carga y de polaridad. 5.-Quita el objeto y toma la lectura nuevamente, tendrá que ser cero. Porqué hay una diferencia de potencial? 6.-Presione el botón cero para remover o quitar algún residuo (carga). Ahora inserta el objeto otra vez pero deja que toque a la jaula de Faraday. 7.-Quita el objeto y anota la lectura del electrómetro. ¿Por qué hay una diferencia de potencial permanente entre la jaula de Faraday y el escudo? ¿De donde vino la carga de la jaula de Faraday ?. 8.-Para mostrar que la carga ganada por la jaula de Faraday se estaban perdiendo por el disco, quita toda la carga presione el botón cero para quitar las cargas residuales del electrómetro. Inserte el plano de prueba en la jaula de Faraday. ¿Permanece alguna carga en él?. 1B: Conservación de 1a carga. 1.

Frota los materiales azules y blancos juntos, siga el procedimiento general

para cargar, solo que debe impedir que ambos productores se toquen después de cargarse.

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2.

Para medir la magnitud y la polaridad de cada uno de las varas cargadas

insertálas un momento en la jaula y anota la lectura del electrómetro. ¿Cuál es la relación entre la magnitud de las cargas? ¿Cuál es la relación entre la polaridad de las cargas? ¿fue la carga conservada en la demostración? 3. Quita completamente toda la carga del productor de carga conectándola con la tierra. No se olvide de quitar cualquier carga perdida de los cuellos y las asas. 4. Inserte los dos productores de carga en la jaula y frótelos juntos dentro del cubo, Anote la lectura de electrómetro. No permitas a los productores de carga tocar el cubo. 5. Remueva a un productor de carga y anote la lectura del electrómetro. Remplace el producto de carga y quite el otro. Anota la magnitud y la polaridad de las medidas. Haga un comentario sobre la conservación de la carga. Extras. 1. Intenta repetir el procedimiento A, con la carga opuesta a la vara. 2. Intenta frotar al productor de carga blanco con el de prueba metálico, entonces mida la magnitud y polaridad de las cargas producidas. 3 Prueba rozando el material azul con el de prueba metálico. Mide la magnitud y polaridad de las cargas producidas. 4. Construye una lista de materiales y frote dos de estos objetos. REPORTE 1.

Reporta todas tus observaciones en la siguiente tabla .

No. de prueba

Polaridad

Magnitud

Observación

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REFERENCIAS 1.-

FISICA PARTE 2,. DAVID HALLIDAY/ROBERT RESNICK. EDITORIAL

CONTINENTA

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PRACTICA No. 2

DISTRIBUCIÓN DE LA CARGA.

OBJETIVO: El alumno demostrará la distribución de la carga por encima de una superficie, midiendo las variaciones de densidad de carga. INTRODUCCIÓN. La distribución de la carga en una superficie, se hace midiendo las variaciones de densidad que tiene la superficie. Una carga se induce con un plano y se inserta en la jaula de Faraday midiendo la magnitud. En diferentes secciones de la superficie, puede observarse la densidad de la carga relativa. Por ejemplo, puedes encontrar la magnitud de la carga sobre dos regiones de igual tamaño, pero clasificando su tamaño las regiones en la superficie de un conductor pueden diferir en magnitud o incluso de señal. Esto ocurre por la falta de uniformidad en la carga. Puede observarse también que en cada superficie la carga tiene la misma magnitud y la misma polaridad.

Esto ocurre para la distribución de cargas

uniformes. Un aspecto importante de medir distribuciones de carga es la conservación de carga. Haga la prueba en una superficie plana, quite alguna carga de la superficie. Si la superficie de la prueba se conecta con tierra después de cada medición, la superficie se vaciará. Sin embargo, no conectando con tierra el plano de prueba y no permitiendo que toque el escudo de la jaula, la carga en la superficie no se vacía.

Procedimiento Experimental 1.

Antes de empezar, asegúrese la jaula de Faraday este conectada a tierra

apropiamente, con el escudo conectado a tierra. También debe conectarse a tierra el electrómetro, conectado a la jaula.

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2.

Las dos esferas de aluminio deberá separarlas por lo menos 50 cm.

Conecte uno de las esferas a la fuente de voltaje electrostática (ES-9077) proporcionando 1000 VDC. La fuente de voltaje será conectada con el mismo campo de tierra como el escudo y el electrómetro. La esfera conectada se usará para cargar un cuerpo. 3.

Momentáneamente la esfera cargada a tierra podría quitar cualquier carga

residual. 4.

Empiece la demostración probando y grabando la carga a varios puntos

diferentes en la esfera. (La esfera que se conectó con tierra en paso anterior.) Escoja puntos en todos los lados representados para una muestra global de la superficie. 5,

Ahora trae los 1000 V DC cerca de la esfera conectada con tierra, hasta

que sus superficies sean aproximadamente 1 cm separadamente. Encienda la fuente de voltaje, entonces graba la carga a los mismos puntos probados antes. 6.

Momentáneamente la esfera conectada ha tierra debe probarla de nuevo,

tocando una mano al escudo de la jaula conectada ha tierra y la otra mano a la esfera. (Asegúrese de que la jaula este conecta con tierra antes de hacer esto.) De nuevo, muestre y grabe la carga al mismo punto probado antes. 7.

Traslada los 1000 V DC de la esfera hasta que esté por lo menos lejos 50

cm de la esfera probada. De nuevo, muestre y grabe la carga a los mismos puntos probados antes. EQUIPO: -

ES-9078*Electrómetro

-

ES-9077* Fuente de voltaje

-

ES-9079* Condensador de Placas Paralela

-

ES-9057B Productor de cargas y Planos de prueba

-

ES-9042* Jaula de Faraday

-

ES-9059B Esferas conductivas

-

Algunos cables (no se muestran)

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ANALISIS 1.-

Qué produce la distibución de las cargas en cada paso del experimento?

2,.

Porque algunas cargas permanecieron en la segunda esfera a un después

de que fueron removidas? COSAS EXTRAS 1.-

Enseñar que la carga sobre el conductor siempre permanece a fuera de la

superficie, doble una hoja de metal dentro de un cilindro. Carga el cilindro y mide la densidad de carga de las superficies adentro y afuera, nota que la carga esta siempre afuera. 2.-

Demostrar como la figura de la superficie afecta la densidad de carga,

intenta tocar dos partes de la carga de unos planos de prueba juntos para que sean simétricos alrededor de su punto de contacto. Mide la carga de cada uno. Después tócalos de una manera simétrica y mide la carga de cada uno. ¿Alguno de ellos tiene más carga que la otra? ¿Cual es? Debemos tener cuidado en la colocación de las cargas para no tener datos erróneos. REPORTE Reporta todas tus observaciones en la siguiente tabla . No. de prueba

Superficie

Distancia

Observación

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REFERENCIAS 1.-

FISICA PARTE 2,. DAVID HALLIDAY/ROBERT RESNICK. EDITORIAL

CONTINENTAl

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PRACTICA No. 3

BALANZA DE TORSION DE COULOMB

OBJETIVO El alumno determinara cualitativamente la dependencia de fuerza contra distancia y la dependencia de la fuerza contra carga. INTRODUCCION Charles Augustin Coulomb cuantifico por vez primera la atracción eléctrica y la repulsión eléctrica y dedujo la ley que lleva su nombre la ley de Coulomb: La fuerza de interacción entre dos cargas puntuales es directamente proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y esta dirigida a lo largo de la línea que une ambas cargas. q1q2 r 21− 2

F=K

K=

k

q1 ← → q2 r1 − 2

εm

cte. dieléctrica del medio donde K es una constante de proporcionalidad que depende del sistema de unidades y del medio en el cual se encuentran las cargas puntuales.

k

constante dieléctrica del medio. m

ε m = ε 0ε , ε =

ε

=

K , por lo tanto F = K

q1q2 ε m r 21− 2

εm ε0

ε = Cons tan tedieléctricadelmedio ε 0 = Cons tan tedieléctricarelativadelmedio ε m = 8.85 x10−12 c 2 / Nm 2 F=K

o bien :

q1q2 , ε ε 0 r 21− 2 F=

q1q2 1 , 4π ε ε 0 r 21− 2

K=

1 , 4π

y

F=

1 4πε 0

1 q1q2 4π ε m r 21− 2 = 9 x109 Nm 2 / c 2

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Condiciones para aplicar la ley de Coulomb 1.-Que las cargas sean puntuales. 2.-Es valida solo para cargas en reposo. 3.-Se aplica por parejas. 4.-Son válidas las leyes de newton. 5.-Se utiliza el principio de superposición de fuerzas: es decir existen más de dos cargas la ecuación se cumple para cada pareja de cargas y se calcula la fuerza que actúa sobre alguna de ellas esta será igual a la suma vectorial de las fuerzas parciales. TEORIA La balanza de torsión de Coulomb, las cargas están limitadas a pequeñas esferas, como observaremos en la práctica, si a la s esferas las denotamos por a y b, la fuerza eléctrica en a tiende a torcer la fibra de la suspensión. Coulomb compensaba este efecto torsional haciendo girar la cabeza de la suspensión a través de un ángulo Θ, suficiente para mantener a las dos cargas a una distancia específica que había predeterminado. Entonces, el ángulo Θ es una medida relativa de la fuerza eléctrica que actúa sobre la carga a.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EQUIPO 1.

Balanza de Coulomb de PASCO ES-9070

2.

ES-9078*Electrómetro

3.

ES-9077* Fuente de voltaje

4.

ES-9057B Productor de cargas y Planos de prueba

5.

ES-9042* Jaula de Faraday

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PARTE A 1.

FUERZA vs DISTANCIA Una esfera conductiva es montada sobre una barra, contrabalanceada y suspendida de un pequeño alambre de torsión, una esfera idéntica es montada sobre un ensamblador de deslizamiento, así que esta puede ser posicionada a distintas distancias de la esfera.

2.

Ambas esferas son cargadas, y la esfera en el ensamblador se coloca para componer la distancia de la posición de equilibrio de la esfera suspendida.

3.

La fuerza electrostática provoca que el cale de torsión de vuelta, ajusta a la posición de equilibrio.

4.

Con las esferas inmóviles, cargadas con 6-7 voltios, separadas a diferentes distancias, registra el ángulo y la distancia.

PARTE B 1.

FUERZA vs CARGA Una esfera conductiva es montada sobre una barra, contrabalanceada y suspendida de un pequeño alambre de torsión, una esfera idéntica es montada sobre un ensamblador de deslizamiento, así que esta puede ser posicionada a distintas distancias de la esfera.

2.

Ambas esferas son cargadas, y la esfera en el ensamblador se coloca para componer la distancia de la posición de equilibrio de la esfera suspendida.

3.

La fuerza electrostática provoca que el cale de torsión de vuelta, ajusta a la posición de equilibrio.

4.

Con las esferas inmóviles, cargadas con 2-3-4-5-6-7 voltios, separadas a una distancia constante, registra el ángulo y la distancia.

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REPORTE Llena la siguiente tabla y gráfica: Fuerza vs Distancia y Fuerza vs Carga FUERZA

DISTANCIA

CARGA

REFERENCIAS 1.-

FISICA PARTE 2,. DAVID HALLIDAY/ROBERT RESNICK. EDITORIAL

CONTINENTAL

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PRACTICA No. 4

CAPACITOR DE PLACAS PARALELAS

OBJETIVO El alumno demostrará la relación, entre carga, voltaje y capacitancia de un capacitor de caras paralelas. INTRODUCCION Un capacitor es un dispositivo electrónico que consiste de dos conductores con carga de igual magnitud y signo contrario, separados una distancia, el cual se utiliza generalmente para almacenar energía. Se caracteriza por la magnitud de la carga en cualquiera de los conductores y por la diferencia de potencial entre ellos. Capacidad o capacitancia de un conductor. La carga y la diferencia de potencial en un condensador son proporcionales entre sí, es decir:

q = c•v V = V+ − V−

C = Coeficiente proporcional, en donde la constante proporcionalidad c recibe el nombre de capacitancia del capacitor, la capacidad de un capacitor se entiende la magnitud medida por la relación entre las cargas de una de las placas y la diferencia de potencial entre ellas:

C=

q V

Unidades de medida:

Capaci tan cia =

coulombs = Faradios volts

En general la capacidad eléctrica de un conductor aislado es la constante de proporcionalidad entre la magnitud de la carga y el potencial de el conductor aislado, esto es:

q = c•v v = potencial del capacitor c = depende de la forma y de la magnitud del conductor

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Ejercicio. Calcular el radio de una esfera que tenga la capacidad de un faradio. Potencial en la superficie de una esfera

q q V = k ;C = r v volt = Joule / Coulomb Joule = Newton* Metro Puede notarse que el faradio es sumamente grande por lo que se emplean submúltiplos de la unidad como son: microfaradio = 1µ f = 10-6 f nano faradio = 1 n f = 10-9 f Pico faradio = 1 p f = 10-12 f CALCULO DE LA CAPACITANCIA DE UN CAPACITOR Tipos de capacitores 1) Capacitor de placas paralelas o capacitor plano 2) Capacitor esférico 3) Capacitor cilíndrico Capacitor plano Consta de dos placas paralelas colocadas a una distancia determinada. V = V+ − V−

E=

σ δo

σ =

q s

C=

q V

V = V+ − V−

Ed = C=

σ q d d= δo Sδo q

q

Sδ o

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C=

q q

Sδ o

d

=

Sδ o d

NOTA: LA capacidad o capacitancia de un capacitor plano depende solo de las dimensiones del capacitor. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EQUIPO 1. ES-9078*Electrómetro 2. ES-9077* Fuente de voltaje 3. ES-9079* Capacitor de Placas Paralelas 4. ES-9057B Productor de cargas y Planos de prueba 5. ES-9042* Jaula de Faraday 6. ES-9059B Esferas conductivas 7. Algunos cables (no se muestran) PROCEDIMIENTO 1.

El capacitor de caras paralelas es conectado al electrómetro, este es conectado a tierra.

2.

Se conecta la esfera, a la fuente de voltaje a 1000 V DC

3.

Separa las caras del capacitor a una distancia de 5 cm .

4.

Pega el plano de prueba a la esfera toma el tiempo y colócalo a una de las caras del capacitor.

5.

Observa la diferencia de potencial. ¿Por qué es suficiente tocar sólo una de las caras del capacitor?

6.

Realiza este procedimiento a diferentes distancias.

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REPORTE No, de

Distancia de separación de las placas del

prueba

capacitor

Tiempo

Voltaje

Conclusiones __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________

REFERENCIAS 1.-

FISICA PARTE 2,. DAVID HALLIDAY/ROBERT RESNICK. EDITORIAL

CONTINENTAL

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PRACTICA No. 5

LEY DE OHM´S

OBJETIVO El alumno demostrará la ley de Ohm. INTRODUCCION PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL EQUIPO 1.

Placa de circuito

2.

Multimetro

3.

Bateria

4.

Alambre

DESARROLLO 1.

Tome una de la resistencia, verifica su valor por el trazo y anota su valor.

2.

Construye el circuito seleccionado por el Profesor, coloca las terminales de las resistencias en dos secciones de la placa del circuito.

3.

Coloca el multimetro en el rango de 200 mA, observa que necesitas una conexión especial para medir la corriente. Conecta el circuito de la corriente que fluye a través de la resistencia.

4.

Quita la resistencia, apunta el valor de la resistencia, luego mide y apunta la corriente como en los pasos 2 y3. Realiza el procedimiento para los siguientes valores de las resistencias.

5.

Desconecta el multimetro y conecta la terminal positiva de la batería directamente de la primer resistencia que usaste en el paso 2, cambia el multimetro a escala de 2 volts y conecta las terminales como te indique el Profesor, mide el voltaje y regístralo.

Reporte 1. Construye una gráfica de corriente vs voltaje. 2. Construye una tabla con los datos obtenidos.

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RESISTENCIA

CORRIENTE

VOLTAJE

VOLTAJE/RESISTENCIA

REFERENCIAS 1.-

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CONTINENTAL

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