Subido por Jorge Vallejos

MAN LAB FISICA III ING ENE 2018-II

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UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
DEPARTAMENTO ACADEMICO DE ENERGIA, FISICA Y MACÁNICA
FACULTAD DE INGENIERIA
E. A. P. INGENIERIA EN ENERGIA
MANUAL DE PRÁCTICAS EXPERIMENTALES
FISICA III
LABORATORIO DE FISICA
Autores:
Roberto C. GIL AGUILAR
Francisco RISCO FRANCO
CHIMBOTE – PERU
2018
pág. 1
UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA
LABORATORIO DE FISICA
TITULO:
MANUAL DE PRÁCTICAS EXPERIMENTALES
FISICA III
Autores.
Roberto C. GIL AGUILAR
Francisco RISCO FRANCO
pág. 2
CONTENIDO
Presentación:
4
Prácticas Experimentales:
1.
Electrostática Ley de Coulomb
5
2.
Líneas Equipotenciales
12
3.
Medición Eléctricas
18
4.
Ley de Ohm ( ρ )
26
5.
Ley de Ohm
31
6.
Leyes de Kirchhoff
36
7.
El Puente de Wheatstone
43
8.
Carga y Descarga del Condensador
47
9.
Campo Magnético
54
Estructura de Informe
60
Bibliografía
61
pág. 3
PRESENTACION
Teniendo en cuenta la competencia de conocimientos y el mundo globalizado. La Universidad
Nacional del Santa, incide en cumplir su rol fundamental en actualizar los conocimientos
Científicos Tecnológicos como parte de su planificación educativa curricular de estudios,
decidiendo considerar una sólida y compacta enseñanza aprendizaje en las ciencias naturales. Por
ello los conocimientos básicos de Física – III tendrán el reforzamiento mediante prácticas
experimentales en laboratorio. Por ello mismo es grato presentar a los estudiantes de Ing. En
Energía el MANUAL DE PRACTICAS EXPERIMENTALES FISICA - III, material de trabajo
académico en el cual están diseñados explícitamente las diversas prácticas experimentales que
facilitarán la comprensión, dominio, manejo de equipos, instrumentos y materiales en los diversos
tópicos que se desarrollan en el curso de FISICA - III.
El método y forma del desarrollo a seguir en los diferentes temas experimentales están diseñados
para ser comprendidos adecuada y fácilmente por los estudiantes, teniendo como premisa el
análisis previo de las ideas teóricas básicas necesarias contenidas en el silabo respectivo; además,
será imprescindible, una revisión concienzuda de los textos indicados en la bibliografía, por
cuanto es un complemento necesario e ineludible a las clases teóricas disertadas en las aulas por
el respectivo profesor del curso.
Para tal propósito en miras de mejorar el aprendizaje se recomienda al alumnado revisar
previamente la guía correspondiente antes de realizar el experimento.
Chimbote, Agosto del 2018
Los autores.
pág. 4
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 01
ELECTROSTATICA LEY DE COULOMB
1.
COMPETENCIAS
1.1
1.2
1.3
2.
EQUIPOS Y MATERIALES
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
3.
Explica experimentalmente la ley de Coulomb
Demuestra la existencias de dos clases de cargas eléctricas
Construye de un electroscopio
Una varilla de ámbar
Una varilla de cobre
Retazo de franela
Un foco
Tecno por
Papel de platino
FUNDAMENTO TEORICO
Introducción Histórica
 Gilbert (1540-1603) descubrió que la electrificación era un fenómeno de carácter general.
 En 1729, Stephen Gray demuestra que la electricidad tiene existencia por sí misma y no es
una propiedad impuesta al cuerpo por rozamiento.
 Franklin (1706-1790) demuestra que existen dos tipos de electricidad a las que llamó positiva
y negativa.
 Coulomb (1736-1806) encontró la ley que expresa la fuerza que aparece entre cargas
eléctricas.
 En 1820 Oersted observó una relación entre electricidad y magnetismo consistente en que
cuando colocaba la aguja de una brújula cerca de un alambre por el que circulaba corriente,
ésta experimentaba una desviación. Así nació el Electromagnetismo.
 Faraday (1791-1867) introdujo el concepto de Campo Eléctrico.
 Maxwell (1831-1879) estableció las Leyes del Electromagnetismo, las cuales juegan el
mismo papel en éste área que las Leyes de Newton en Mecánica.
La observación sobre la atracción eléctrica se remonta
a la Grecia antigua. El filósofo griego Thales de
Mileto (640-546 a.C.) observó que cuando se frotaba
el ámbar, atraía objetos pequeños tales como plumas
o pajitas. El físico Ingles William Gilbert (1 540-1
603) estudio sistemáticamente los efectos eléctricos
magnéticos. Demostrando que muchas sustancias
distintas al ámbar adquieren una propiedad atractiva
cuando se frotan. Fue uno de los primeros que
entendió claramente la diferencia entre esta atracción
y la atracción magnética del hierro o por la piedra
imán.
Fig. 5.1 Fenómeno de frotación
Alrededor de 1 729 el ingles Ste phen Gray descubrió que la atracción y la repulsión eléctrica
puede transferirse de un cuerpo a otro si ambos se conectan mediante determinadas sustancias, en
especial metales. Este descubrimiento fue de gran importancia, puesto que previamente los
experimentadores solo podían electrificar un cuerpo frotándolo. El descubrimiento de la
pág. 5
electricidad tiene una existencia por si misma y no es solamente una propiedad impuesta al cuerpo
por el frotamiento.
La ley de las fuerzas inversamente proporcional al cuadrado de las distancias correspondiente a
la electricidad, fue confirmada por los experimentos de realizados por Charles Coulomb (17361793) utilizando una balanza de torsión de su propia invención.
Experimento Para Comprender Este Fenómeno
Veamos que ocurre cuando se acercan una varilla de vidrio Fig.5.1 y otra de ámbar Fig.5.2 a una
pequeña esferita de tecno por.
Lo que ocurre como se puede apreciar en la figura 5.1 la esferita es
atraída por la varilla de vidrio. Breve explicación cuando es frotada
la varilla de vidrio este adquiere la propiedad de carga eléctrica por
lo tanto a su alrededor a una distancia determinada existe la
presencia de líneas de campo eléctrico denominadas fuerzas
eléctricas y cuando se aproxima a la esferita este le induce a
generarse carga eléctrica contraria a la que tiene la varilla siendo
entonces atraída la esfera, si retiramos la varilla esta esfera queda
cargada eléctricamente con una determinada carga.
Fig. Varilla de vidrio
Electrizando la esfera
Del mismo modo cuando acercamos ahora la varilla de ámbar la
esferita es atraída lo mismo podríamos decir que cuando se frota
la varilla de ámbar le estaríamos entregando energía térmica por
frotamiento ocurriendo internamente con el ámbar de convertirse
en una carga eléctrica bien por exceso o por defecto es decir esto
se manifiesta en sus niveles energéticos o bandas de valencia
adquiriendo pues la propiedad física de carga eléctrica, entonces
al acercar a la varilla este le induce a la esfera a que se produzca
una carga eléctrica de signo contraria a la de ámbar por lo mismo
que es atraída.
Fig. 5.3 Varilla de ámbar
Electrizando la esferita
Pues ahora juntemos las dos varillas la de vidrio y la de ámbar,
acerquémoslos a la esferita lo que ocurre ahora es que la esfera
apenas se mueve. Breve explicación cuando juntamos las
varillas en su conjunto hacen una carga neta aproximada neutra
entonces como sabemos un cuerpo neutro no posee las
propiedad de atracción induciéndonos a pensar que existen
cargas de dos clases dejemos por el momento ahí y veamos el
siguiente experimento.
Fig. 5.4 Varillas juntas
Ahora cojamos las dos varillas de vidrio y
acerquémoslos a cada una esferita como se aprecia la
figura 5.4 estas quedan cargadas y cuando se les acercan
ver figura 5.5 estas se repelen por haber sido inducidas
o por poseer la propiedad física eléctrica de las mismas
características iguales.
Fig. 5.5 Varillas de vidrio
electrizando a las esferitas
pág. 6
En la figura 5.5 se acercan las esferas en consecuencia
estas son repelidas con una fuerza eléctrica repulsiva por
haber adquirido la propiedad de carga eléctrica
Fig. 5.6 Resultado experimental
El mismo experimento del caso anterior pero ahora
veamos con la diferencia que este caso se realiza con
las varillas de ámbar ver figura 5.6 ambas esferas son
electrizadas adquiriendo la propiedad de carga
eléctrica.
Fig.5.7 Varillas de ámbar
electrizando las esferitas
Como se puede apreciar lo mismo ocurre cuando se acercan
las esferitas cargadas por la varilla de ámbar figura 5.7 que
cuando se acercaron las varillas de vidrio lo que no induce a
pensar que del mismo modo estas esferas han adquirido la
misma propiedad siendo por lo tanto repelidos por una
fuerza eléctrica.
Fig. 5.8 Resultado experimental
Ahora acerquemos
Las esferas cargadas cada una por la varilla de vidrio y la otra
cargada por la varilla de ámbar ver figura 5.8 ¿Qué esperaríamos
como resultado de este experimento? Pues veamos a continuación
en la siguiente figura.
Fig. 5.9 Esferitas ambas
cargadas por varillas de
vidrio y de ámbar
Finalmente cuando se acercan estas esferitas experimentan
una fuerza eléctrica de atracción entonces acercándose ambas
como se aprecia en la figura 5.9
Fig. 5.10 Resultado experimental
cuando se acercan la esferitas
pág. 7
Carga Eléctrica
Carga eléctrica es una magnitud fundamental de la física,
responsable de la interacción electromagnética. En el S.I. La unidad
de carga es el Culombio (C) que se define como la cantidad de carga
que fluye por un punto de un conductor en un segundo cuando la
corriente en el mismo es de 1 A.
Submúltiplos del Culombio
Fig. 5.11 Modelo de
Carga eléctrica
1 n C = 10-9 C
1 m C = 10-6 C
1 m C =10-3 C
Características de la carga
 i) Dualidad de la carga: Todas las partículas cargadas pueden
dividirse en positivas y negativas, de forma que las de un
mismo signo se repelen mientras que las de signo contrario se
atraen.
 ii) Conservación de la carga: En cualquier proceso físico, la
carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir, la suma
algebraica de cargas positivas y negativas presente en cierto
instante no varía.
 iii) Cuantización de la carga: La carga eléctrica siempre
Fig.5.12 Modelo del átomo
se presenta como un múltiplo entero de una carga fundamental, que es la del electrón.
Dicho también del modo siguiente:
a) Propiedad inherente de un cuerpo, así como lo es su masa,
su densidad etc.
b) Puede ser positiva si tiene deficiencia de electrones y
negativa si tiene exceso de electrones.
c) La carga esta cuan tizada es decir no se puede hablar de
medio electrón o ¾ de protones en otras palabras la carga
Q = Ze ; Z : conjunto de números enteros; e: electrón
Q : carga eléctrica.
Fig. 5.13 Modelo de un átomo
La materia ordinaria es eléctricamente neutro es decir tiene tantas cargas eléctricas positivas
como tantas cargas eléctricas negativas que sumado en total es cero o neutro.
e) La carga eléctrica total en toda interacción siempre se
conserva, es decir no se crea ni se destruye.
d)
Vimos que había dos tipos de carga
a) La vítrea o positiva
b) La resinosa o negativa
Ahora bien, ¿qué unidad se usa para medir la carga eléctrica?
Charles Coulomb, (1736-1804) cuantificó la fuerza entre
cargas eléctricas
Fig. 5.14 Charles Coulomb
pág. 8
 Charles Coulomb, encontró que la fuerza entre dos cargas eléctricas q1 y q2 , separadas una
distancia r, es:
Donde K es una constante Universal y tiene el valor
de: 9x109 [kg m3 s-2 C-2 ]
F   qr12q2
5.1
Fig. 5.15 Fuerza eléctrica de repulsión
Ley de Coulomb
A lo largo de este tema estudiaremos procesos en los que la carga no varía con el tiempo. En estas
condiciones se dice que el sistema está en Equilibrio Electrostático.
Enunciado de la Ley de Coulomb
La fuerza ejercida por una carga puntual sobre otra está dirigida a lo largo de la línea que las une.
Es repulsiva si las cargas tienen el mismo signo y atractiva si tienen signos opuestos. La fuerza
varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que separa las cargas y es
proporcional al valor de cada una de ellas.
F 21  k
q1q2
ur
r2
5.2
Fig. 5.17 Cargas eléctricas positivas y fuerza
Eléctrica de repulsión
Conductores y Aislantes
a) En una sustancia conductora los electrones pueden moverse con libertad, mientras que en un
aislante se mantienen fuertemente ligados a los átomos.
b) Las sustancias aislantes se les llama dieléctricos, y cuando adquieren una distribución de carga,
la distribución se mantiene fija y no se altera por la influencia de alguna fuerza eléctrica.
c) Algunos buenos aislantes son: Vidrio, hule, caucho, cera, y la mayoría de los materiales
plásticos. El cuarzo es un aislante por excelencia.
d) Un conductor no solo puede adquirir carga eléctrica, sino que además los electrones pueden
moverse libremente.
e) Las sustancias metálicas son siempre buenos conductores de la electricidad.
f) Hay sustancias (Grafito, Silicio, Germano, etc.) que presentan un comportamiento intermedio
entre conductores y buenos aislantes.
Este grupo de sustancias se les denomina SEMICONDUCTORES (Transistores)
pág. 9
4.
PROCEDIMIENTO
Fig. 2.1 Fenómeno de frotamiento electrostático
4.1 Coja un paño de franela y frote la varilla de ámbar
4.2 Acérquelo a pequeños pedacitos trozos de papel
4.3 Construya un péndulo simple de material tecno por como el de la figura 2.2 y acerque
la varilla de ámbar.
Fig. 2.2 Varilla de ámbar acercándose al péndulo simple
4.4 Coja un foco y construya un electroscopio como el de la figura 2.3
4.5 Frote la varilla de ámbar y acérquelo al electroscopio como se indica en la figura
2.3
Fig. 2.3 Electroscopio
pág. 10
5
CUESTIONARIO
5.1
5.2
5.3
5.4
Describa brevemente el proceso de la electrostática
¿Qué entiende Ud. por carga eléctrica?
Investigue datos de algunos experimentos relacionados a la ley de Coulomb
Que opina Ud. acerca de la ley de Coulomb
6.
OBSERVACIONES
…………………………………………………………………………………………….
7.
CONCLUSIONES
…………………………………………………………………………………………….
8.
RECOMENDACIONES
…………………………………………………………………………………………....
9.
BIBLIOGRAFIA
(1) MARCELO ALONSO FINN
FISICA Volumen I MECANICA
Fondo Educativo Interamericano, S.A.
Bogotá Caracas México Sao Paulo 1 976
pág. 11
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 02
LINEAS EQUIPOTENCIALES
1. COMPETENCIAS
1.1 Grafica las líneas equipotenciales y las líneas del campo eléctrico en la vecindad de varias
configuraciones de conductores electrizados.
1.2 Determina las variaciones del potencial en función de la distancia a los conductores.
1.3 Comprueba que un conductor eléctrico no transporta corriente cuando sus extremos están
conectados a puntos de igual potencial.
2. FUNDAMENTO TEORICO
Las líneas del campo eléctrico E señalan en la dirección en que disminuye el potencial V. Este
hecho queda expresado matemáticamente del siguiente modo:
E= 
dV
dx
(1)
La fuerza que ejerce el campo sobre una carga de prueba qo colocada sobre un determinado
punto de dicho campo es:
F = qo E
(2)
Por consiguiente, la fuerza necesaria para mantenerla en reposo o desplazarla una distancia d
con velocidad constante es:
F =  qo E
(3)
y el trabajo que realiza ésta fuerza externa es:
dW =  qo E.d
(4)
Puesto que el trabajo de la fuerza externa representa la energía transferida al sistema, en este
caso a la carga qo su energía potencial electrostática cambia en la misma cantidad que el trabajo
realizado:
dU = dW =  qo E.d
(5)
El cambio de la energía potencial electrostática por unidad de carga, es el cambio en
el potencial (dV = dU/qo ). Esto es:
dV =  E.d
(6)
Por consiguiente si la carga se mueve del punto A al Punto B la diferencia de potencial entre
dichos puntos es:
B
VB  VA = 

E.d
(7)
A
De la ecuación (6) se deduce que si el desplazamiento d es perpendicular a la dirección del
campo E, el producto escalar de dichos vectores es nulo y por consiguiente dV = 0. Es decir
que, a lo largo de dicho desplazamiento el potencial V se mantiene constante puesto que su
derivada es nula.
Dado un punto del campo eléctrico, siempre será posible conectar dicho punto con otros
puntos del campo que se encuentren al mismo potencial mediante desplazamientos en las que
se cumpla la condición de la perpendicularidad (E.d = 0). La superficie formada por todos
los puntos que tienen el mismo potencial se denomina superficie equipotencial y la curva
cuyos puntos se hallan al mismo potencial se denomina línea equipotencial. El campo
eléctrico de una carga puntual aislada Q, es un campo radial cuyo centro es la misma carga y
pág. 12
por consiguiente el vector campo E en un punto del espacio, es perpendicular a la superficie
esférica que pasa por dicho punto y tiene su centro en Q. De modo que cualquier
desplazamiento sobre dicha superficie, se realiza a potencial constante, es decir, dicha
superficie es una superficie equipotencial.
En un campo uniforme (de líneas de fuerza paralelas), las superficies equipotenciales son
planos paralelos y para líneas rectas infinitas cargadas las superficies equipotenciales son
superficies cilíndricas.
Figura 1:
Las líneas continuas representan las líneas de fuerza del
campo eléctrico y las líneas de trazos representan las líneas
equipotenciales debido a dos cargas puntuales, una positiva y otra
negativa.
No existe ningún instrumento que permita la medida del campo eléctrico en las vecindades de
un sistema de conductores cargados eléctricamente y colocados en el espacio libre; sin
embargo, podremos obtener por construcción, una imagen de las líneas de fuerza del campo
eléctrico no en el vacío sino en un medio en el cual el campo eléctrico genere una pequeña
corriente eléctrica pues se sabe que las cargas eléctricas se movilizarán en trayectorias
coincidentes con las líneas de fuerza.
Un medio adecuado para este propósito es una solución electrolítica o simplemente agua
potable. Dos puntos A y B de esta solución se encuentran en la misma línea equipotencial
cuando al conectar entre dichos puntos un galvanómetro no se detecta circulación de corriente
o paso de cargas entre tales puntos ya que entre ellos la diferencia de potencial es nula:
VB  VA = 0
ó
V B = VA
Para generar el campo eléctrico se pueden usar dos electrodos metálicos (cuerpos
eléctricamente cargados) de formas iguales o diferentes conectados a los polos de una batería.
La presencia del electrolito (medio conductor) no altera la forma del campo eléctrico, el cual
es el mismo cuando los electrodos se hallan colocados en el espacio libre, ya que la forma del
campo solo puede variarse por adición de cargas, lo cual no ocurre ya que la carga neta por
unidad de superficie en el medio electrolítico es siempre cero. El medio simplemente sirve
como una fuente de electrones, los cuales se mueven paralelamente al campo eléctrico en todos
sus puntos y por consiguiente constituyen corrientes eléctricas. En nuestro caso, la cantidad
de carga que entra por un elemento de superficie debido a este movimiento es siempre igual a
la que sale de él y entonces no hay acumulación de cargas. Por lo tanto, la forma del campo
permanece igual a la que resultaría debido a la configuración de conductores metálicos en el
espacio libre. Por esta razón el estudio experimental del campo eléctrico se puede hacer
mediante mediciones de superficies equipotenciales (o líneas en el caso bidimensional). Estas
mediciones permiten establecer la dependencia que adquiere el potencial con respecto a la
pág. 13
variable espacial. Una vez conocida la función potencial en una cierta región del espacio se
puede determinar el campo eléctrico utilizando el gradiente de la función potencial
(generalización de la ecuación 1). Esto es:
E =   V(r)
(8)
con r = xi + yj + zk si utilizamos coordenadas cartesianas.  es el operador gradiente, que en
coordenadas cartesianas se define como:
 =



i +
j +
k
x
x
x
(9)
La Figura 2 presentan la configuración de dos planos infinitos, con distribución de carga
uniforme de igual valor y signos contrarios; en la región I y III el campo eléctrico es nulo,
mientras que en la región II se cumplen las siguientes funciones:
E(x) =

i
0
V( x ) =
σx
+C
ε0
(10)
El análisis de la ecuaciones anteriores indica que las líneas de campo son rectas paralelas entre
sí y perpendiculares a las placas, en tanto que las superficies (líneas) equipotenciales son
planos (rectas) paralelas a las placas cargadas.
-Q
+
Q
I
-Q
+
Q
II
I
III
II
III
R1
R2
Figura 2. Planos paralelos cargados.
Figura 3. Cilindros coaxiales cargados.
La Figura 3 presenta la configuración de dos cilindros coaxiales infinitamente largos, de radios
R1 y R2 ; el campo eléctrico es nulo en las regiones I y III, mientras que en la región II se tiene,
E(r) =
Q
ur
2 0 Lr
V( r ) =
Q
ln r + C
2πε 0 L
(11)
En este caso se generan líneas de campo que son rectas radiales y superficies equipotenciales
que son mantos cilíndricos coaxiales.
3. MATERIALES E INSTRUMENTOS (
Materiales
)
Instrumentos
precisión
pág. 14
4. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES (
)
4.1 Coloque la cubeta conteniendo agua sobre una hoja de papel milimetrado con trazo XY
centrado.
4.2 Ubique dentro de la cubeta el par de electrodos planos, en forma paralela, separados una
distancia de 10 cm. Haga coincidir el eje Y con la longitud de uno de los electrodos, de
modo que el eje X quede centrado y perpendicular al mismo. Conecte los electrodos a la
fuente e instale el equipo según el esquema siguiente:
V = 12 V
 +
Y
B
a
A
Q
b
C
X
Q'
Sonda
Agua
 V= 2 +
Figura 2: Q y Q': electrodos metálicos cargados; A y B: dos puntos equipotenciales (V AB = 0)
A y C: puntos no equipotenciales (V AC  0).
4.3 Ubique la sonda conectada al terminal (+) del voltímetro en el punto (2,0). El valor del
potencial de ese punto escríbalo en la Tabla 1. Luego llene la Tabla 1 para diferentes
valores de Y (positivos o negativos), manteniendo constante X y el potencial medido.
Tabla 1 .Electrodos planos
Equipotencial 1
(
)
Equipotencial 2
(
)
Equipotencial 3
Equipotencial 4
(
)
Equipotencial 5
(
)
Equipotencial 6
(
)
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
X
Y
2 cm
3 cm
4 cm
5 cm
6 cm
8 cm
pág. 15
4.1 Mida los potenciales respecto al electrodo negativo a lo largo de la recta ab de la Figura 2.
Complete la Tabla 2.
Tabla 2. Voltajes vs distancia.
x (cm)
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0
7,0
8,0
9,0
V(v)
4.5 Remplace el electrodo Q´ por otro de forma puntual y ubique las coordenadas de los puntos
que tienen el mismo potencial de acuerdo a la Tabla 3.
Tabla 3. Electrodos: Plano - puntual.
Equipotencial 1 X
( 2V )
Y
Equipotencial 2 X
( 4V )
Y
Equipotencial 3 X
( 6V )
Y
Equipotencial 4 X
( 8V )
Y
Equipotencial 5 X
( 10V )
Y
Equipotencial 6 X
( 11V )
Y
5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS DE DATOS (
)
Método gráfico
A. ELECTRODOS PLANOS
5.1 En papel milimetrado y usando los datos de la Tabla 1, trazar las curvas equipotenciales.
Dibujar al menos 5 líneas de campo igualmente espaciadas.
5.2 Con datos de la Tabla 2, graficar en papel milimetrado V vs x .Determine la ecuación
empírica que relaciona estas variables así como la función campo eléctrico.
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………
B. ELECTRODOS PLANO-PUNTUAL
5.3 Use datos de la Tabla 3 y trace en papel milimetrado las curvas equipotenciales. Dibuje
al menos 5 líneas de campo simétricamente espaciadas.
pág. 16
Método estadístico
5.6 Aplique el método de los mínimos cuadrados o un analizador gráfico a los datos de la
Tabla 2. Determine la ecuación empírica que relaciona V= f(x).
…….………………………………………………………………………………………
……………………………………………….……………………………………………
5.7 Con el mismo criterio del ítem 5.7 determine la ecuación empírica que relaciona V= f(ln
r).
………….…………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………
6. RESULTADOS (
)
Tabla 5
Método gráfico
Método estadístico
Grafica V vs x
Grafica V vs ln r
Placas
paralelas
V(v)
E (v/m)
7. CONCLUSIONES (
)
7.1 ¿Observando sus resultados puede Ud. concluir que la geometría de las líneas
equipotenciales varía según la forma de los electrodos? ¿Por qué?
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
..............................................................................................................................................
7.2. ¿Por qué no se pueden cruzar las líneas de campo?
.............................................................................................................................................
.............................................................................................................................................
8. BIBLIOGRAFÍA (
)
(Autor, titulo, editorial, N° de edición, ciudad, año, página)
….........................................................................................................................................
9. PUNTUALIDAD (
)
pág. 17
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 03
MEDICIONES ELECTRICAS
1. COMPETENCIAS
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
Conoce e interpretar la simbología de los instrumentos de medición de voltaje, corriente
y resistencia.
Conoce y aplicar las técnicas adecuadas para la medición de voltaje, corriente y
resistencia.
Maneja adecuadamente los instrumentos de medición de magnitudes eléctricas
estudiados.
Determina fuentes de error en las mediciones de voltaje, corriente y resistencia.
2. FUNDAMENTO TEORICO
Instrumentos de medidas eléctricas. Hay diferentes métodos e instrumentos que se emplean
para medir la corriente y el voltaje. Las mediciones de voltaje se efectúan con dispositivos tan
variados como voltímetros electromecánicos, voltímetros digitales, osciloscopios y
potenciómetros. Para medir intensidades de corriente se emplean los instrumentos llamados
amperímetros. Algunos amperímetros funcionan sensando realmente la corriente, mientras que
otros la determinan indirectamente a partir del voltaje, el campo magnético o el calor.
Los medidores que determinan el voltaje y/o corriente se pueden agrupar en dos clases
generales: analógicos y digitales. Aquellos que emplean mecanismos electromecánicos para
mostrar la cantidad que se está midiendo en una escala continua, pertenecen a la clase
analógica (Fig.1). Los medidores digitales utilizan circuitos integrados en su construcción y
muestran sobre una pantalla la cantidad medida en forma de dígitos (Fig.2).
Fig. 1 Multímetro analógico
Fig. 2 Multímetro digital
pág. 18
Los instrumentos de medición de voltaje (tensión eléctrica), intensidad de corriente y resistencia
eléctrica se disponen en un solo instrumento denominado multímetro o multitester, el cual
mediante un selector se dispone como:
a) Voltímetro: instrumento para medir diferencias de potencial (tensión eléctrica,
voltaje o fuerza electromotriz)
b) Amperímetro: instrumento para medir intensidades de corriente
c) Ohmímetro: instrumento para medir la resistencia eléctrica
Un multímetro analógico consta básicamente de un galvanómetro D'Arsonval (Fig.3);
instrumento de muy alta sensibilidad a la
láser
corriente, pues es capaz de detectar hilo de suspensión
+
intensidades de corriente del orden de los
espejo
0
microamperios. Consta de un imán
permanente en cuyo entrehierro se
bobina
encuentra un cilindro que sirve de núcleo a
una bobina rectangular suspendida. Al
N
S
circular la corriente en la bobina, se genera
en ésta, un torque que hace girar a la bobina
+
un ángulo  proporcional a la intensidad de
corriente Este movimiento es detectado por
Figura 3 Galvanómetro D'Arsonval.
el haz de luz reflejado del espejo en el hilo
de suspensión. En lugar del haz de luz sirve igualmente una aguja muy liviana fija a la bobina.
El multímetro digital basado íntegramente en la utilización de los circuitos integrados
convierte la tensión o la intensidad de corriente, que son magnitudes continuas, en pulsos o
señales eléctricas discretas (digitales) o bits y muestra el valor numérico de la magnitud que se
mide en una pantalla.
R
A

S
Amperímetro (en serie)
Fig. 4 Forma de conectar el amperímetro
V
R

S
Voltímetro (en paralelo)
Fig. 5 Forma de conectar el voltímetro
pág. 19

R

S
Ohmímetro
Fig. 6 midiendo una resistencia eléctrica
Amperímetro. El amperímetro debe conectarse como se indica en la Figura 4. Esto es, en serie
con la resistencia R si deseamos medir la intensidad de corriente que atraviesa dicha resistencia.
Lo deseable es que la inserción del amperímetro en el circuito no perturbe la corriente, en
consecuencia la resistencia propia o interna de un amperímetro ideal es cero. Los amperímetros
reales siempre tienen algo de resistencia interna. La sensibilidad del amperímetro indica la
corriente mínima necesaria para una desviación a plena escala. Los medidores de alta sensibilidad
dan lecturas muy pequeñas a escala completa.
Voltímetro. La conexión del voltímetro para medir la diferencia de potencial entre los extremos
de la resistencia R está indicada en la Figura 5. Un voltímetro es ideal cuando no perturba la
corriente del circuito; esto sólo es posible cuando la resistencia propia del voltímetro es infinita. Los
voltímetros reales trabajan tomando algo de corriente y perturbando al circuito hasta cierto grado.
La sensibilidad de un voltímetro se puede especificar por el voltaje necesario para una deflexión a
escala completa. Un voltímetro ideal tendría una relación ohm/volt infinita.
Ohmímetro. La conexión de un ohmímetro se hace como en la Figura 6. Durante su uso, el
ohmímetro aplica a la resistencia en medición el voltaje de una batería interna. Y por tanto, los
ohmímetros se deben emplear solo en circuitos que no contengan fuentes de tensión.
Antes de realizar la medición debe asegurarse que la lectura del instrumento indique cero cuando
se hace conexión entre sí las puntas del ohmímetro. En caso contrario corregir el defecto usando
la perilla de ajuste del cero 0 ADJ.
El Protoboard, o tableta experimental, es una herramienta que nos permite interconectar
elementos electrónicos, ya sean resistencias, capacidades, semiconductores, etc, sin la necesidad
de soldar las componentes.
El protoboard está lleno de orificios metalizados -con contactos de presión- en los cuales se
insertan las componentes del circuito a ensamblar. La Figura 7 muestra la forma básica de un
protoboard, estando los protoboards más grandes compuestas de varias de estos.
pág. 20
Figura 7. El protoboard y sus cuatro secciones principales.
La tableta experimental está dividida en cuatro secciones, y cada una de estas se encuentran
separadas por un material aislante. Los puntos de cada sección están conectados entre si tal como
lo muestra la Figura 5.
Las secciones uno y cuatro están formadas por dos líneas o nodos. Estas son normalmente
utilizadas para conectar la alimentación del circuito, y así energizarlo. Por otro lado en las
secciones dos y tres se encuentran conectados cinco orificios verticalmente, formando pequeños
nodos independientes unos de otros. Recuerde que la figura muestra como están conectados
internamente los orificios, por lo que no es necesario rehacer estas conexiones.
3. MATERIALES E INSTRUMENTOS (
Materiales
)
Instrumentos
Precisión
pág. 21
4. PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES (
)
4.1 Medición de Resistencias
a) Seleccionar las resistencias R1 , R2 , R3 , R4 , R5 y determine sus valores (valores nominales)
según el código de colores que se muestra en la Tabla 1.
Tabla 1: Código de colores
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tolerancia
Ejemplo: Valor de una resistencia
eléctrica R, según el código de colores
1 2 102
5%
10%
20%
DORADO
Negro
Marrón
Rojo
Anaranjado
Amarillo
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
ORO
PLATA
SIN COLOR
Factor
multiplicador
1
101
102
103
104
105
106
107
108
109
ROJO
DIGITO
MARRON
ROJO
COLOR
5%
Valor de R: (1200  60)
b) Anote en la Tabla 2, los valores (valores medidos) correspondientes para cada resistencia
del ítem anterior utilizando el multitester (ohmímetro). Vea figura 6
Tabla 2: Valores medidos y nominales para las cinco resistencias a utilizar.
Resistencia
Valor medido (Ω)
Valor nominal (Ω)
R1
±
±
R2
±
±
R3
±
±
R4
±
±
R5
±
±
4.2 Medición de tensiones e intensidades de corriente
a) Arme el circuito de la Figura 7 en el protoboard y una vez asegurada su correcta
instalación, active la fuente y regule la tensión a 5 V.
pág. 22
Figura 7: Red de resistencias.
R3
R1
R2
R4
R5
I 
+ 
Figura 8: Circuito equivalente: Red de resistencias.
b) Coloque el selector del multímetro en la posición DCV y elija el rango de la escala a
utilizar. Luego mida las tensiones en la fuente y en cada una de las 5 resistencias.
Haga en cada caso la conexión que sugiere la Figura 4b. Anote sus resultados en la
Tabla 3.
c) Coloque el selector del multímetro en la posición DC mA y mida la intensidad I que
corresponde a cada resistencia (en cada caso use la sugerencia de la Figura 4a).
Escriba sus resultados en la Tabla 3
Tabla 3: Valores de voltaje e intensidad de corriente.
Componente
Voltaje (V)
Intensidad (mA)
R1 =
±
±
R2 =
±
±
R3 =
±
±
R4 =
±
±
R5 =
±
±
Fuente  =
±
±
pág. 23
5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS (
)
5.1 La teoría de circuitos permite afirmar que en la Figura 5 deben verificarse las siguientes
identidades:
Primera identidad:
Segunda identidad:
Tercera identidad:
V 1  V2
V4  V5
  V1 + V3 + V5
Verifique cada una de estas identidades, anotando la discrepancia (diferencia ) entre sus
dos miembros y expresándolas luego en porcentaje (%).
Tabla 4: Verificación de las identidades para lo voltajes.
Identida
d
Primera
Primer miembro
Segundo miembro Discrepancia  Discrepancia en %
V1
V2
(/V1 )x100
Segunda
V4
V5
(/V4 )x100
Tercera

V1 +V3 +V5
(/)x100
5.2 Señale dos factores determinantes de las discrepancias del ítem anterior
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
5.3 En el circuito de la Figura 5 deben verificarse las siguientes identidades:
Primera identidad :
I  I1 + I2
Tercera identidad :
I3  I
Segunda identidad:
I  I4 + I5
5.4 Verifique cada una de las identidades anteriores, anotando la discrepancia (diferencia )
entre sus dos miembros y expresándolas luego en por ciento.
Tabla 5: Verificación de las identidades para las intensidades de corriente.
Identidad
Primero
Primer miembro Segundo miembro Discrepancia  Discrepancia en %
I
I1 + I 2
(/I )x100
Segundo
I
I4 + I 5
(/I)x100
Tercero
I3
I
(/I3 )x100
5.5 Señale dos factores determinantes de las discrepancias del ítem anterior
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
……………………………………………………………………………………………………
pág. 24
6. RESULTADOS (
N
Valores medidos de
Resistencias
)
Voltaje en cada
resistencia
V (V)
Intensidad en cada
resistencia
I (mA)
Para cada
resistencia
Cociente
V/I
1
2
3
4
5
7. CONCLUSIONES(
)
7.1 ¿Cómo afecta la resistencia propia del amperímetro y voltímetro en la medición de la
intensidad y voltajes?
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
Determinar las fuentes de error en las mediciones de voltaje, corriente y resistencia.
.....................................................................................................................................................
.....................................................................................................................................................
¿Cuál escala debe elegirse para medir un voltaje o corriente desconocidos? Comente sobre el
error producido al aumentar el valor máximo de la escala para un mismo valor de voltaje.
....................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................
8. BIBLIOGRAFÍA (
)
(Autor, titulo, editorial, N° de edición, ciudad, año, página)
pág. 25
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 04
LEY DE OHM
1.
COMPETENCIA
Determina la resistividad y conductividad eléctrica del cobre.
2.
FUNDAMENTO TEORICO
La relación matemática más conocida de la ley de Ohm es la siguiente:
V=IR
(1)
Donde, V es la diferencia de potencial en un conductor de longitud L; I es la intensidad de la
corriente a través de dicho conductor y R es su resistencia eléctrica (ver Figura 1). La unidad SI
del voltaje es el voltio (V), de la intensidad de corriente es el amperio (A) y de resistencia es el ohmio
(Ω).
Una densidad de corriente J y un campo eléctrico E se establecen en un conductor cuando una
diferencia de potencial se mantiene a través del conductor. Con mucha frecuencia, la densidad de
corriente en un conductor es proporcional al campo eléctrico en el conductor. Es decir,
E= 𝜌J
(2)
Donde, la constante de proporcionalidad 𝜌 se llama resistividad del conductor. Los materiales
cuyo comportamiento se ajustan a la ecuación (2) se dice que siguen la ley de Ohm.
V
+
J

E
A
I
L
Figura 1. Las cargas positivas se desplazan en la dirección del campo
Al aplicar una diferencia de potencial V variable a un conductor metálico, tal como el cobre, se
obtiene una determinada intensidad de corriente para cada valor del voltaje. Al graficar V vs. I se
obtendrá una línea recta cuya pendiente representa la resistencia R del conductor, tal como lo
establece la relación (1).
La resistividad (𝜌), a diferencia de la resistencia, es una constante que caracteriza eléctricamente
a un material, siendo independiente de su forma o tamaño. La relación entre estas dos propiedades
eléctricas importantes es:
R 
L
A
(3)
Donde, L es la longitud del conductor y A es el área de su sección transversal. La unidad de
medida SI de la resistividad es el ohmio-metro (Ω.m). La resistividad depende de las propiedades
del material (composición y estructura) y de la temperatura a la cual se encuentra sometido el
pág. 26
conductor; por ejemplo, para el cobre a 20 o C tenemos = 1,7 × 10– 8 m. Los buenos
conductores tienen muy baja resistividad (o alta conductividad), y un buen aislante tiene alta
resistividad (baja conductividad). Esto significa que hay una relación inversa entre la resistividad
y la conductividad:  = 1/.
Los conductores generalmente se calientan cuando circula la corriente eléctrica, debido a la
resistencia eléctrica, hecho que se denomina efecto Joule, sin embargo existen materiales de
resistividad nula, y se denominan superconductores. Estos materiales no disipan energía ya que
no se calientan.
3.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
4.
Instrumentos
precisión
PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES
4.1
Obtener por medición directa, la longitud y diámetro de la resistencia en estudio
(bobina R de alambre de cobre esmaltado).
4.2
Instale el circuito como se ilustra en la figura 2.
4.3
Desplace horizontalmente el cursor del reóstato, para obtener diferentes valores de
tensión de corriente y voltage; anóte en la tabla 1
Figura 2.
pág. 27
Reóstato
Bobina
(Solenoide)

+
+

V

mA
Figura 3. Circuito equivalente
4.3
Gire la perilla reguladora de la fuente para variar el voltaje (V) y la intensidad de
corriente (I) a través de R. Repita y registre esta medición tantas veces como indica
la Tabla 1.
Valores del diámetro y longitud de la resistencia R:
d = ............................
L = ..........................
Tabla 1: Valores de intensidades de corriente y voltajes en R.
N
I (A)
V (V)
R (Ω)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Donde R se calcula mediante la fórmula R = V/I.
pág. 28
5.
PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS
Análisis Gráfico:
5.1
Con los datos de la Tabla 1, grafique en papel milimetrado V vs. I. Escriba la
ecuación matemática general correspondiente al gráfico obtenido.
......................................................................................................................................
5.2
Calcule en su gráfico, la pendiente y el intercepto y escriba aquí sus resultados y la
ecuación empírica de V = f (I):
A = ...................................
B = ...................................
Ecuación empírica: ...............................................................................
5.3
¿Qué magnitud física representa la pendiente?
......................................................................................................................................
5.4
¿Cuál es el valor experimental de la resistencia de cobre?
......................................................................................................................................
5.5
Mediante la Ecuación (3), obtenga el valor experimental de la resistividad del cobre.
......................................................................................................................................
5.6
Evalúe la desviación porcentual con respecto al valor proporcionado en el
fundamento de esta práctica.
......................................................................................................................................
5.7
¿Cuál es el valor experimental de la conductividad del cobre?
 = .......................................................................................................... ................
Análisis Estadístico:
5.8
Usando una calculadora científica o cualquier procesador estadístico, determine el
valor de A (intercepto) y B (pendiente) y escriba nuevamente la ecuación empírica
de V = f (I):
A = ...................................
B = ...................................
Ecuación empírica: ...............................................................................
5.9
Según este método, ¿cuál es el valor de la resistencia R?
R = ..............................................
5.10 A partir de la ecuación (3), calcule el valor experimental de la resistividad del cobre:
 = ....................................................................................................... ................
pág. 29
5.11 Determine la desviación porcentual de la resistividad del cobre obtenida
experimentalmente, respecto al valor dado en el fundamento de esta práctica:
.................................................................................................................................
5.12 ¿Cuál es el valor experimental de la conductividad del cobre?
 = ..........................................................................................................................
6.
RESULTADOS
Análisis
Ecuación empírica
R (Ω)
𝝆 (Ω.m)
𝝈 (Ω -1 .m-1 )
Gráfico
Estadístico
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Cuáles son los indicadores experimentales que comprueban la ley de Ohm?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.2
Escriba las ecuaciones matemáticas correspondientes a las formas macroscópica y
microscópica de la ley de Ohm.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.3
Exprese las diferencias conceptuales de resistencia y resistividad.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Indique: Autor, título, Editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
9.
PUNTUALIDAD
pág. 30
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 05
LEY DE OHM
1.
COMPETENCIA
Comprueba la Ley de Ohm.
2.
FUNDAMENTO TEORICO
La relación matemática más conocida de la ley de Ohm es la siguiente:
V=IR
(1)
Donde, V es la diferencia de potencial en un conductor de longitud L; I es la intensidad de la
corriente a través de dicho conductor y R es su resistencia eléctrica (ver Figura 1). La unidad SI
del voltaje es el voltio (V), de la intensidad de corriente es el amperio (A) y de resistencia es el ohmio
(Ω).
Una densidad de corriente J y un campo eléctrico E se establecen en un conductor cuando una
diferencia de potencial se mantiene a través del conductor. Con mucha frecuencia, la densidad de
corriente en un conductor es proporcional al campo eléctrico en el conductor. Es decir,
E= 𝜌J
(2)
Donde, la constante de proporcionalidad 𝜌 se llama resistividad del conductor. Los materiales
cuyo comportamiento se ajustan a la ecuación (2) se dice que siguen la ley de Ohm.
V
+
J

E
A
I
L
Figura 1. Las cargas positivas se desplazan en la dirección del campo
Al aplicar una diferencia de potencial V variable a un conductor metálico, tal como el cobre, se
obtiene una determinada intensidad de corriente para cada valor del voltaje. Al graficar V vs. I se
obtendrá una línea recta cuya pendiente representa la resistencia R del conductor, tal como lo
establece la relación (1).
La resistividad (𝜌), a diferencia de la resistencia, es una constante que caracteriza eléctricamente
a un material, siendo independiente de su forma o tamaño. La relación entre estas dos propiedades
eléctricas importantes es:
R 
L
A
(3)
Esto también se denomina la Ley de Ohm
pág. 31
Donde, L es la longitud del conductor y A es el área de su sección transversal. La unidad de
medida SI de la resistividad es el ohmio-metro (Ω.m). La resistividad depende de las propiedades
del material (composición y estructura)
3.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
4.
Instrumentos
precisión
PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES
4.1
Desplaza horizontalmente el cursor del reóstato, para obtener diferentes valores de
tensión de corriente eléctrica y voltaje
4.2
Anote los diferentes valores en la tabla 1.
4.2
Instale el circuito como se ilustra en la figura 2.
Figura 2.
Figura 3.
4.3
Gire la perilla reguladora de la fuente para variar el voltaje (V)
pág. 32
Tabla 1: Valores de intensidades de corriente y voltajes en R.
N
I (A)
V (V)
R (Ω)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
Donde R se calcula mediante la fórmula R = V/I.
pág. 33
5.
PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS
Análisis Gráfico:
5.1
Con los datos de la Tabla 1, grafique en papel milimetrado V vs. I. Escriba la
ecuación matemática general correspondiente al gráfico obtenido.
......................................................................................................................................
5.2
Calcule en su gráfico, la pendiente y el intercepto y escriba aquí sus resultados y la
ecuación empírica de V = f (I):
A = ...................................
B = ...................................
Ecuación empírica: ...............................................................................
5.3
¿Qué magnitud física representa la pendiente?
......................................................................................................................................
5.4
¿Cuál es el valor experimental de la resistencia de cerámico?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
5.6
Evalúe la desviación porcentual con respecto al valor proporcionado en el
fundamento de esta práctica.
......................................................................................................................................
Análisis Estadístico:
5.8
Usando una calculadora científica o cualquier procesador estadístico, determine el
valor de A (intercepto) y B (pendiente) y escriba nuevamente la ecuación empírica
de V = f (I):
A = ...................................
B = ...................................
Ecuación empírica: ...............................................................................
5.9
Según este método, ¿cuál es el valor de la resistencia R?
R = ..............................................
5.11 Determine la desviación porcentual de la resistencia del cerámico obtenida
experimentalmente, respecto al valor dado en el fundamento de esta práctica:
.................................................................................................................................
pág. 34
6.
RESULTADOS
Análisis
Ecuación empírica
R (Ω)
Gráfico
Estadístico
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Cuáles son los indicadores experimentales que comprueban la ley de Ohm?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.2
Escriba las ecuaciones matemáticas correspondientes a las formas macroscópica y
microscópica de la ley de Ohm.
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Indique: Autor, título, Editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
................................................................................................................................... .............
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
9.
PUNTUALIDAD
pág. 35
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 06
LEYES DE KIRCHHOFF
1.
COMPETENCIA
Comprueba las Leyes de Kirchhoff en Nodos y Mallas de un circuito de corriente continua.
2.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Las Leyes de Kirchhoff son aplicaciones de las leyes de conservación de la carga y conservación
de la energía en un circuito eléctrico de corriente continua. Para entender la aplicación de estas
leyes es necesario definir algunos términos a utilizar más adelante.
Régimen Estacionario o Constante: Un circuito se encuentra en condiciones de Régimen
Estacionario o Constante cuando la corriente no se incrementa ni se pierde en un Nodo.
Nodo: Es un punto del circuito donde convergen tres o más conductores.
Malla: Es cualquier trayectoria o recorrido cerrado en el circuito.
Primera Ley de Kirchhoff ( Ley de Nodos )
"En cualquier Nodo la suma algebraica de las corrientes que entran y salen debe ser cero"
Matemáticamente:
 Ik =0
(1)
Convención de signos: Se considera como positiva (+) la corriente que entra a un Nodo y como
negativa () la corriente que sale de un Nodo.
Por ejemplo, en la Figura 1, la Primera Ley se escribe así:
I 1  I 2  I 3 I 4= 0
I4
I3
I1
I2
Figura 1: Ley de nodos
pág. 36
Segunda Ley de Kirchhoff (Ley de Mallas)
"La suma algebraica de los cambios de Potencial a lo largo de una Malla o
Circuito cerrado es igual a cero"
Matemáticamente:
 Vk = 0
(2)
Convención de signos
En las fuentes el cambio de potencial se considera como positivo (+) si recorremos la fuente del
borde negativo al borde positivo y como negativo () si recorremos la fuente del borde positivo
al negativo.
En las resistencias el cambio de Potencial se considera como positivo (+) si recorremos la
resistencia en sentido opuesto a la corriente y como negativo () si recorremos la resistencia en
el mismo sentido de la corriente.
Demostración experimental de las leyes de Kirchhoff
En las mediciones, casi siempre encontraremos a primera vista que las ecuaciones (1) y (2) no se
cumplen exactamente, esto se debe a la presencia de los errores experimentales. Para la
demostración de las ecuaciones (1) y (2) usaremos el siguiente criterio.
Sea Xj la j-ésima magnitud medida y Xj la incertidumbre correspondiente. La suma S de dichas
magnitudes y la suma S de sus incertidumbres son respectivamente:
S = Xi = X1 + X2 + X3 + .................................. (suma algebraica de las magnitudes medidas)
S =  ∆Xi = |X1 | + |X2 | + |X3 | + ..................
incertidumbres)
(suma de los valores absolutos de las
Entonces S  0, si y solo si S > S (o bien S < ∆S).
En la presente práctica analizaremos el circuito mostrado en la figura 2. Al menos, son
distinguibles en esta figura tres mallas, pero aún puede tenerse otras más tal como la malla 4
constituida por la fem, la resistencia R 2 y la resistencia R5 .
A
I2
I1
I

2
R1
1
R3
B
I4
R2
I3
3
R4
D
I5
R5
C
Figura 2: Circuito experimental
pág. 37
Fig. 3 Conexión correcta
Para el cálculo de intensidades de corriente en circuitos complejos mediante las leyes de Kirchhoff
no se necesitan conocer de antemano el sentido real de las corrientes, podemos asignar
arbitrariamente el sentido de la corriente en cada resistencia, de modo que luego de obtener los
resultados finales (numéricos) los valores negativos indicarán que el sentido real de las corrientes
es opuesto al asignado al inicio. Considere los sentidos de las corrientes mostradas en el circuito
y el recorrido escogido para las mallas. Si V1 y V4 son las caídas de potencial (o voltajes) en las
resistencias R1 y R4 , respectivamente, la segunda ley de Kirchhoff establece que 𝜀 – V1 – V4 = 0,
de donde: 𝜀 = V1 +V4 . Ésta es una comprobación experimental rápida de la segunda ley de
Kirchhoff para la malla 1.
De la misma manera es posible una comprobación experimental rápida para la malla conformada
por la fem 𝜀 y las resistencias R2 y R5 . Si V2 y V5 son las caídas de potencial en las resistencias
R2 y R5 , respectivamente; la segunda ley de Kirchhoff establece que 𝜀 – V2 – V5 = 0, de donde
𝜀= V2 + V5 .
La primera ley de Kirchhoff se aplica a los nodos A, B, C y D. Eligiendo las resistencias adecuadas
los sentidos de la corriente elegidos deben ser los correctos. Entonces, cada nodo debe satisfacer
las siguientes ecuaciones:
Nodo A: I = I1 + I2
o bien SA = I  I1  I2 = 0
Nodo B: I1 = I3 + I4 o bien SB = I1  I3  I4 = 0
Nodo C: I = I4 + I5
o bien SC = I  I4  I5 = 0
Nodo D: I5 = I2 + I3
o bien SD = I5  I2  I3 = 0
Cada una de estas sumas debe ser menor que la suma de las incertidumbres de las medidas de
cada magnitud involucrada en dicha suma.
pág. 38
3.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
4.
Instrumentos
Precisión
PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES
4.1 Mida las resistencias proporcionadas (Rexp ) con el ohmímetro. Luego, mediante el código
de colores indique sus respectivos valores nominales (Rnom). Anote sus mediciones en la
Tabla 1.
4.2 Instale en el tablero o protoboard el circuito de la Figura 2.
4.3 Regule la salida de la fuente a un voltaje de 5 V, aproximadamente. Anote el valor exacto
de regulación. Así mismo, mida la corriente I que suministra la fuente.
4.4 Utilizando el rango adecuado, use el amperímetro para medir las intensidades de corriente
Ik , que entran o salen de cada nodo. Anote los valores obtenidos en la Tabla 2.
4.5 Use el voltímetro para medir la caída de potencial en las resistencias y en la fuente según
las mallas que indica la Figura 2. Anote los valores obtenidos en la Tabla 1.
Tabla 1: Datos experimentales
N
Ri,nom ()
Ri,exp ()
Ii (mA)
Ii (mA)
Vi (V)
Vi (V)
1
2
3
4
5
fem
pág. 39
5.
PROCESAMIENTO Y ANALISIS
5.1
Complete la Tabla 2 para demostrar la ley de nodos de Kirchhoff.
Tabla 2: Comprobación de la ley de nodos.
nodo
ecuación del nodo
Valor absoluto de la
suma algebraica de las signo
desigualdad
intensidades
¿<, =, >?
S  (mA)
Suma
de
los
de valores absolutos
de
las
incertidumbres
∆S  (mA)
A
B
C
D
Sugerencia: Redondear precisión de instrumentos sólo a centésimos.
5.2
nodos.
Obtenga el porcentaje de nodos en los que se ha logrado comprobar de la ley de
......................................................................................................................................
5.3
Complete la Tabla 3 para demostrar la ley de mallas de Kirchhoff.
Tabla 3: Comprobación de la ley de mallas.
m a l l a ecuación de la malla
Valor absoluto de
la
suma
algebraica de los
potenciales
S ( V )
Suma de los
Signo de
valores
desigualda
absolutos de las
d
incertidumbres
(< ó >)
∆S ( V )
1
2
3
4
Sugerencia: Redondear precisión de instrumentos sólo a centésimos.
5.4
Obtenga el porcentaje de mallas en los que se ha logrado comprobar de la ley de
mallas.
......................................................................................................................................
pág. 40
5.5
Estime un “porcentaje promedio” de comprobación de las leyes de Kirchhoff?
.........................................................................................................................................
5.6
Diga por qué la suma de las incertidumbres debe ser mayor que la suma de las
corrientes en nodos o de voltajes en una malla.
......................................................................................................................................
6.
RESULTADOS
Indique con un SI O NO los nodos o mallas en las que se cumplen las leyes de Kirchhoff.
nodo
¿se cumple la
ley de nodos?
malla
A
1
B
2
C
3
D
4
¿se cumple la ley
de mallas?
Porcentaje Promedio de Comprobación: ..............................................................
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Cuáles son los fundamentos físicos de las leyes de nodos y de mallas de Kirchhoff?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.2
¿Cuáles son los indicadores experimentales en esta práctica por los cuales se
demuestran las leyes de Kirchhoff?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.3
Resuelva analíticamente el circuito de la Figura 2 asumiendo que los datos conocidos
son los valores medidos de las resistencias, R i,exp , y el voltaje regulado de la fem.
Escriba sus resultados en la Tabla 4.
pág. 41
Tabla 4: Valores analíticos de las corrientes y voltajes
I
Ri, exp ()
Ii, analítico (mA)
Vi, analítico (V)
1
2
3
4
5
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Indique: Autor, título, Editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
10.
PUNTUALIDAD
pág. 42
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 07
EL PUENTE DE WHEATSTONE
1.
COPETENCIAS
Determina el valor de una resistencia desconocida 𝑅𝑥, mediante el puente de Wheatstone.
2.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Historia
El puente de Wheatstone es un circuito inicialmente descrito en 1833 por Samuel Hunter
Christie (1784-1865), Pero fue el Sr. Charles Wheatestone quien le dio muchos usos cuando lo
descubrió en 1843. Como resultado este circuito lleva su nombre.
El puente de Wheatstone es un instrumento de gran precisión que puede operar en corriente
continua o altema y permite la medida tanto de resistencias óhmicas como de sus equivalentes en
circuitos de comente altema en los que existen otros elementos como bobinas o condensadores
(impedancias).
Es un circuito que se utiliza para medir el valor de componentes pasivos como las resistencias
Funcionamiento
Para determinar el valor de una resistencia eléctrica bastaría con colocar entre sus extremos una
diferencia de potencial (V) y medir la intensidad que pasa por ella (I), pues de acuerdo con la ley
de Ohm, R=V/I. Sin embargo, a menudo la resistencia de un conductor no se mantiene constante
-variando, por ejemplo, con la temperatura y su medida precisa no es tan fácil. Evidentemente, la
sensibilidad del puente de Wheatstone depende de los elementos que lo componen, pero es fácil
que permita apreciar valores de resistencias con décimas de ohmio.
Usos
Muchos instrumentos llevan un puente de Wheatstone incorporado, como por ejemplo medidores
de presión (manómetros) en tecnología de vacío, circuitos resonantes (LCR) para detectar
fenómenos como la resonancia paramagnética, etc. A continuación el puente de Wheatstone.
En este caso el reóstato hace las veces de la resistencia a determinar (𝑅𝑥).
Fig. 1 Puente de Wheatstone
pág. 43
A
Fig. 2 Conexión correcta
Fig. 3 Circuito: Puente de wheatstone
Del circuito Fig. 3 debe cumplirse que:
𝑅 𝑥 𝑅2 = 𝑅1 𝑅3
3.
(1)
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
Instrumentos
Precisión
pág. 44
4.
PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES
4.1
Haga las conexiones como se indica la figura 1.
4.2
Mida las resistencias proporcionadas (Rexp ) con el ohmímetro. Luego, mediante el
código de colores indique sus respectivos valores nominales (Rnom). Anote sus
mediciones en la Tabla 1.
4.2
Instale en el protoboard o tablero el circuito de la Figura 1. Utilice las siguientes
resistencias:
(a) R1 = 100, R2 = 150, y R3 = 220 , ó
(b) R1 = 82, R2 = 330, R3 = 220 ,
4.3
Regule la salida de la fuente a un voltaje de 5 V, aproximadamente. Anote el valor
exacto de regulación. Así mismo, mida la corriente I que suministra la fuente.
4.4
Utilizando el rango adecuado, use el amperímetro para obtener corriente cero desde
el nodo A hasta B. Anote en la Tabla 1.
4.5
Use la ecuación (1) para determinar 𝑅 𝑥 (Ω). Anote el valor obtenido en la Tabla 1.
Tabla 1: Datos experimentales
N
Ri,nom ()
Ri,exp ()
RX (Ω)
Ii (mA)
1
2
3
fem
5.
PROCESAMIENTO Y ANALISIS
5.1
Complete la Tabla 2
Tabla 2:
N°
𝑅 𝑥 (Ω)
Valor absoluto∆𝑅𝑥 (Ω)
𝐸𝑅
𝑬%
Sugerencia: Redondear precisión de instrumentos sólo a centésimos.
pág. 45
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Cuáles son los fundamentos físicos para el puente de Wheatstone?
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.2
¿Cuáles son los indicadores experimentales en esta práctica
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
7.3
¿Describa brevemente algunas aplicaciones de esta práctica?
........................................................................................................................................ ........
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Indique: Autor, título, Editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
11.
PUNTUALIDAD
pág. 46
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 08 - 09
CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR
1.
COMPETENICAS
1.1
1.2
1.3
2.
Determina la ecuación V vs. t que rige el proceso de carga de un condensador en un
circuito RC.
Determina la constante de tiempo del circuito experimental RC. (𝜏)
Describe cualitativamente el proceso de descarga de un condensador en un circuito
RC.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El capacitor es un dispositivo electrónico con la característica de almacenar energía electrostática,
la cual es una función de la carga eléctrica acumulada en las placas del condensador.
c
d
S
fem 
R
C
V
Figura 1: Circuito RC.
Fig. 2 Equipo conectado
pág. 47
Proceso de Carga
Considere el circuito RC que se muestra en la Figura 1. Cuando el interruptor se mueve a la
posición c, el capacitor comienza a cargarse rápidamente por medio de la corriente I; empero, a
medida que se eleva la diferencia de potencial V = q/C entre las placas del capacitor, la rapidez
del flujo de carga al capacitor disminuye.
Aplicando la segunda ley de Kirchhoff a la malla de la izquierda se tiene:
𝑞
𝜀 − = 𝐼𝑅
(1)
𝐶
Donde: I es la corriente instantánea y q es la carga instantánea en el condensador. Inicialmente,
la carga en el condensador es cero y la corriente es máxima: I o = 𝜀/R. A medida que la carga en
el capacitor se incrementa se produce entre las placas del capacitor una fuerza contra electromotriz
V = q/C que se opone al flujo adicional de carga y la corriente disminuye. Si fuera posible
continuar cargando en forma indefinida, los límites en t =  serían Q = C𝜀 e I = 0.
Al aplicar métodos de solución a la ecuación (1) para la carga instantánea q, se obtiene:
q = Q (1 – e t / RC ),
(2)
De acuerdo a la definición de capacitancia (C = q/ V ), la diferencia de potencial, V, entre las
terminales del capacitor está dado por:
V = 𝜖 (1 – e t / R C )
(3)
donde t es el tiempo y e es una constante (base de los logaritmos naturales), e = 2,71828 con seis
cifras significativas. Tanto el incremento de carga como el voltaje son funciones exponenciales,
tal como se muestra en la Figura 2a.
V
V


0,63
0,37
0

t
0
t

(a)
(b)
Figura 2: (a) V vs t, proceso de carga. (b) V vs t, proceso de descarga.
La corriente instantánea que se obtiene por medio de I = dq/dt, está dada por
I
  t RC
,
e
R
(4)
Esta función es exponencial decreciente, lo cual ratifica pues que la corriente en el circuito
disminuye hasta cero a medida que transcurre el tiempo. Se obtienen valores característicos de la
carga instantánea y del voltaje para el instante particular cuando t = RC. Este tiempo, denotado
por 𝜏, se llama constante de tiempo del circuito.
pág. 48
𝜏 = 𝑅𝐶, constante de tiempo,
(5)
En un circuito capacitivo la carga (o voltaje) en un capacitor se elevará al 63% de su valor máximo
al cargarse en un tiempo igual a una constante de tiempo.
Proceso de Descarga
Por razones prácticas, un capacitor se considera cargado después de un periodo de tiempo igual
a 5 veces la constante de tiempo (5RC). Si el interruptor de la figura permanece en la posición "c"
al menos por este lapso, puede suponerse que la carga máxima Q = C𝜀 se ha acumulado en el
capacitor. Al cambiar la posición del interruptor a "d" la fuente de voltaje se desconecta del
circuito y se dispone de una trayectoria para la descarga. En este caso la carga y la corriente
decrecen exponencialmente en el tiempo de acuerdo a las expresiones:
q = Q e  t /RC
(6)
V = (Q/C) e t /RC
(7)
Donde Q es la carga máxima en el t = 0. Nuevamente, la disminución del voltaje es una función
exponencial, tal como se muestra en figura 2b.
Análisis Experimental del Proceso de Carga
Para comprobar experimentalmente la ecuación (3) se toman datos de voltaje y tiempo en un
circuito RC del tipo mostrado en la Figura 1. A fin de determinar las constantes 𝜀 y constantes 
y = RC de la ecuación (3), se procede a linealizar la curva obtenida de la siguiente manera.
En primer lugar, hacemos algunos arreglos algebraicos en la ecuación (3):
V =  (1  e t / )

  V = e t / 
Aplicamos ahora logaritmos naturales a ambos lados de esta última expresión:
Ln( V) = Ln(e t / )

Ln( V) = Ln   t/ .
Esta ecuación puede representarse gráficamente como una recta si hacemos los siguientes
reemplazos:
Y = Ln(V) y X = t,
(8)
Con estas nuevas variables, la ecuación anterior queda expresada ahora como:
Y = Ln  + (–1/) X
(9)
En donde, si recordamos la forma general de la ecuación de una recta, debemos notar que
el intercepto A de esta recta es A = Ln  y la pendiente B es el inverso negativo de la
constante de tiempo del circuito. Por lo tanto, se puede determinar experimentalmente la
constante de tiempo del circuito RC, conociendo la pendiente de la recta Ln(V) vs t:
1
(10)
B
Note que la unidad de  es el segundo ( s) y de la pendiente es el s–1 .
=
pág. 49
3.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
4.
Instrumentos
Precisión
PROCEDIMIENTO
4.1
Haga un reconocimiento del circuito experimental (Figura 3) asegurando que el
interruptor esté en la posición d. Lea y anote el valor de la capacitancia del
condensador y de la resistencia.
4.2
Con el conmutador en la posición d, conecte la fuente de poder al circuito y regule
el valor de la fem a un valor aproximado a 10 V. Anote el valor elegido.
Conecte el voltímetro a las terminales del capacitor y cerciórese que marque 0 V.
4.3
4.4
Pase rápidamente el conmutador S a la posición “c” y mida el tiempo que demora
el condensador en incrementar su voltaje de cero a 1 V.
4.6 Alcanzado este valor en el voltímetro pase el conmutador a la posición “d” de descarga
(haga un cortocircuito a la resistencia para que la descarga sea más rápida). Con V =0 en
el voltímetro el equipo está listo para realizar otra medición.
c
d
S

R
C
V
Figura 3: Circuito experimental.
4.6
Repita la medición del ítem 4 tres veces más a fin de obtener un tiempo promedio de
la carga del condensador de 0 a 1 V.
4.7
Repita los pasos 4, 5 y 6 para mediciones del tiempo de carga del condensador de
cero a 2 V, luego de cero a 3V, de cero a 4V, de cero a 5V, de cero a 6V, de cero a
7V y de cero a 8V.
pág. 50
4.8
Anote todos los datos en la Tabla 1.
R = ..........................; C = .........................; 𝜀 = ................................
Tabla No 1: Carga
i
Vi (V)
t1 (s)
t2 (s)
t3 (s)
t4 (s)
t (s)
ln ( - V)
1
2
3
4
5
6
7
8
5. PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS
Método Gráfico
5.1
Con los datos de la Tabla 1, grafique V vs t para el proceso de carga. Escriba
la ecuación general para el tipo de curva obtenida.
..........................................................................................................................
5.2
Utilice la Tabla 1 y grafique ln (–V) vs t.
5.3
En el mismo gráfico calcule las constantes A y B de la recta anterior. Escriba
aquí los valores obtenidos, la ecuación ln (–V) vs t y de ésta la ecuación
empírica V vs. t.
A = ........................................................ B = …………………………….
Ecuación ln (–V) vs t :
...........................................................................
Ecuación empírica V vs. t : .............................................................................
5.4
Utilice la fórmula (10) y calcule el valor experimental de la constante de
tiempo.
..........................................................................................................................
pág. 51
Método Estadístico
5.5
Calcule por regresión lineal el valor de las constantes A y B de la gráfica
obtenida en el ítem 2. Escriba también las ecuaciones correspondientes.
A = ........................................................ B = .............................................
Ecuación ln (–V) vs t :
..............................................................................
Ecuación empírica V vs. t : .............................................................................
5.6
Utilice la fórmula (10) y calcule el valor experimental de la constante de
tiempo  del circuito.
..........................................................................................................................
5.7
Utilice la ecuación (5) y obtenga el valor de la constante de tiempo ' del
circuito.
..........................................................................................................................
5.8
Por comparación simple evalúe la desviación relativa porcentual del valor
obtenido para .
e% =
6.
  
 100 = .....................................................................................

RESULTADOS
Método
Ecuación V vs. t
 (s)
Gráfico
Estadístico
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Puede considerarse el Capacitor como un interruptor? ¿En qué caso y por qué?
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
7.2. ¿Por qué la descarga del condensador es rápida cuando hace corto a la resistencia?
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
pág. 52
7.3
Explique de un modo cualitativo el comportamiento del circuito en el proceso de
carga del capacitor.
................................................................................................................................................
......................................................................................................................................... .......
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Autor, título, editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
9.
PUNTUALIDAD
pág. 53
PRACTICA EXPERIMENTAL N° 10
CAMPO MAGNETICO TERRESTRE
1.
COPETENCIAS
1.1
1.2
2.
Describe la influencia del campo magnético terrestre y del campo producido por un
par de bobinas con corriente constante sobre una pequeña aguja imantada.
Evalua la componente horizontal del campo magnético terrestre.
FUNDAMENTO TEORICO
En 1629, Pierre de Maricourt descubrió que si una aguja se deja libremente en distintas posiciones
sobre imán natural esférico, se orienta a lo largo de líneas que, rodeando el imán, pasan por puntos
situados en extremos opuestos de la esfera. Estos puntos fueron llamados polos del imán. Posteriormente
muchos experimentadores observaron que todo imán, cualquiera que sea su forma, posee dos
polos, un polo norte y un polo sur, en donde la fuerza ejercida por el imán tiene su máxima
intensidad.
En 1600, William Gilbert descubrió que la Tierra es un imán natural con polos magnéticos
próximos a los polos geográficos norte y sur. (Como el polo norte de la aguja de una brújula
apunta al norte geográfico, lo que llamamos polo magnético norte es realmente polo sur, como se
ilustra en la Figura 1).
23,5°
Sur magnético
eje de rotación terrestre
Norte geográfico
S
N
Plano de la órbita
terrestre
11,5°
Figura 1 La dirección Sur-Norte está a 11,5 o del eje de rotación de la Tierra
Aun cuando el patrón del campo magnético terrestre es similar al que tendría una barra de imán
en el interior de la Tierra, es fácil entender que la fuente del campo magnético de la Tierra no es
una gran masa de material magnetizado permanentemente. La Tierra tiene grandes depósitos de
hierro en las profundidades de su superficie, pero las altas temperaturas de la Tierra en su núcleo
hacen suponer que el hierro no retiene ninguna magnetización permanente.
Si se considera con más detenimiento se verá que la fuente verdadera son las corrientes
convectivas de carga en el núcleo de la Tierra. La circulación de iones o electrones en el líquido
interior pudieran producir un campo magnético, tal como una corriente en una espira de alambre
pág. 54
produce un campo magnético. Existe también fuerte evidencia de que la intensidad del campo
magnético de la Tierra está relacionada con la rapidez de rotación de ésta.
Existen diferentes modos de medir el campo magnético terrestre. En la presente práctica se usa
un método que consiste en hacer interactuar el campo magnético de la Tierra y el campo
producido por un par de bobinas de N vueltas cada una y separadas una distancia d (Figura 2)
sobre una aguja magnética que, en nuestro caso, será una brújula.
Este método nos conduce primero a analizar la propiedad del campo producido por una bobina
circular. Para hacer esto partimos de una espira de corriente como la de la Figura 3. Las líneas del
campo magnético son curvas cerradas que atraviesan perpendicularmente al plano de la espira.
La única línea de campo que se mantiene rectilínea es la que coincide con el eje de simetría de la
espira e indica que el campo magnético apunta hacia la derecha tanto en la región izquierda como
a la derecha de la espira.
d
I
Bh
x
Figura 2
Figura 3
Aplicando la ley de Biot-Savart para el cálculo del campo B en un punto del eje de la espira de
radio R, a una distancia x de su centro se tiene:
oI R2
B
2( R 2  x 2 ) 3 / 2
(1)
El campo total Bh en el punto medio entre bobinas, debido a la corriente I en el par de bobinas
idénticas, cada una con un conjunto de N espiras con eje común es:
 o NI R 2
Bh =
[ R 2  ( d / 2) 2 ] 3 / 2
(2)
Como las bobinas se encuentran situadas sobre algún lugar de la Tierra, la región entre ellas
también está sujeta al campo magnético terrestre B t . Colocando las bobinas en tal forma que el
eje común sea perpendicular a la dirección Sur-Norte (dirección de Bt ), tal como se muestra en la
Figura 4, el campo magnético resultante en el centro de las bobinas hará un ángulo  con la
dirección Sur-Norte. Se recomienda observar atentamente la Figura 4.
pág. 55
Bh
Plano horizontal
Bt
Eje de las bobinas

B
Figura 4
La dirección del campo resultante puede observarse colocando una brújula en el centro de las dos
bobinas.
De acuerdo a la Figura 4:
 o NR
Bh
=
I
2
Bt
B t [ R  ( d / 2) 2 ] 3 / 2
2
tan  =
(3)
Al graficar tan  vs I encontramos una recta cuya pendiente es:
 o NR 2
b=
B t [ R 2  ( d / 2) 2 ] 3 / 2
3.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
Materiales
4.
(4)
Instrumentos
Precisión
PROCEDIMIENTO Y DATOS EXPERIMENTALES
4.1
Suspender la aguja magnética al nivel del eje de las bobinas y esperar que se
estabilice por sí sola. Orientar el par de bobinas de tal manera que el eje de éstas sea
perpendicular a la aguja magnética indicadora N-S de la brújula. Ver Figura 5.
pág. 56
Bh
Bt 
Plano horizontal
B

Reóstato
Eje de las bobinas
A
Figura 5
4.2 Instalar el circuito como se muestra en la Figura 5. Ajustar el selector del multímetro en
un rango adecuado de DC Ma.
4.3 Con el mando de tensión de la fuente de poder variar el voltaje aplicado a las bobinas y
obtener varios valores diferentes de la intensidad de corriente. Medir en cada caso el ángulo
de desviación  de la aguja magnética. Anotar los datos medidos en la Tabla 1.
Tabla 1 R (radio de las bobinas) = ……………. N = ………….
I
I (Ma)
 (º)
D = ..................
tan 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
5.
PROCESAMIENTO Y ANÁLISIS
Método Gráfico
5.1
Con los datos de la Tabla 1 graficar tan  vs I.
pág. 57
5.2
En el gráfico evalúe los valores del intercepto y la pendiente (denotados por a y b en
esta práctica). Escriba aquí sus resultados y la ecuación tan  vs I.
a = ...................................................
b = ................................................. ......
Ecuación empírica: ...................................................................................................
5.3. De la ecuación (4), despeje Bt y obtenga el correspondiente valor del campo
magnético terrestre.
......................................................................................................................................
Método Estadístico
5.4
Calcule por regresión lineal el intercepto, la pendiente y la ecuación empírica tan
vs. I.
a = ....................................................
b = ........................................................
Ecuación empírica: .....................................................................................................
5.5
De la ecuación (4), despeje Bt y obtenga el correspondiente valor del campo
magnético terrestre.
.....................................................................................................................................
5.6
Según los mapas geomagnéticos la magnitud de la componente horizontal del campo
magnético terrestre, que es la que se evalúa en este experimento, en Trujillo es
aproximadamente 28
calculando la desviación porcentual en la medición experimental del Campo
Magnético Terrestre.
......................................................................................................................................
6.
RESULTADOS
Método
Ecuación empírica
Bt
Desviación
porcentual
Gráfico
Estadístico
7.
CONCLUSIONES
7.1
¿Por qué es necesario alinear la brújula perpendicular al eje de las bobinas? ¿Qué
sucedería si no se cumple esta condición?
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
pág. 58
7.2
¿Cómo se puede observar desde la superficie de la Tierra la existencia de un campo
magnético terrestre?
................................................................................................................................................
............... ...............................................................................................................................
7.3
Mencione algunas aplicaciones del magnetismo en tecnologías aplicadas al área de
su especialidad.
................................................................................................................................................
............... ................................................................................................................................
8.
BIBLIOGRAFÍA
(Indique: Autor, título, editorial, ciudad y país, Nº de edición, fecha, página)
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
................................................................................................................................................
..................................................................................................................................... ...........
...............................................................................................................................................
9.
PUNTUALIDAD
pág. 59
ESTRUCTURA PARA LA PRESENTACION DEL INFORME
1.
Carátula
1.1 Universidad
1.2 Facultad
1.3 Escuela Académico Profesional
1.4 Práctica Experimental Nº….
1.5 Título de la Experiencia a realizar en laboratorio
1.6 Grupo Nº …….
1.7 Turno…………
1.8 Apellidos y Nombres (en Orden alfabético) de los integrantes del equipo de
trabajo
1.9 Apellidos del Prof. Resp. Asig.
1.10 Fecha de realización del experimento
1.11 Fecha de entrega del Informe de la Práctica Experimental.
2.
Resumen: Conciso, coherente, resultados importantes.
3.
Índice
4.
Introducción: Marco referencial de la importancia del trabajo, breve descripción de los
puntos más importantes del trabajo
5.
Fundamento Teórico: Fundamente detalladamente en se basa el trabajo de laboratorio
realizado.
6.
Parte Experimental. Considere Cálculos y resultados
7.
Conclusiones: Conclusiones básicamente de los resultados obtenidos en laboratorio
8.
Observaciones y Recomendaciones: Referidos al trabajo para mejoras futuras
9.
Bibliografía
Bien escrito
Por ejemplo:
(1) PAUL A. TIPLER (1978)
10.
FISICA Volumen I Edit. Reverte, S.A.
Barcelona – Bogotá – Buenos Aires –
Caracas – México Río de Janeiro.
Apéndice o Anexos. Temas especiales que complementan el trabajo de laboratorio que
no se consideran dentro del tema principal del trabajo: Ejemplo; Modelos teóricos
especiales, listado de programas de cálculos de resultados, etc.
pág. 60
10. BIBLIOGRAFIA
1. Finn A. Edward J. 1995 FISICA, Vol. III. Segunda edición, Pág. 495 – 503, Addison
Wesley, México.
2. Fisbane P. Gasiorowicz S. Thornton S. 1993 FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA,
Primera edición, Pág. 975 – 1105, Prentice Hall, México.
3. Mckelvey J, Groth J, 1980 FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERIA, Vol. II. Primera
edición, Pág. 815 – 905, Harla, México.
4. Physical Science study comité, 1980 FISICA, Segunda edición, Pág. 606 – 630, Reverte,
España.
5. Pinzon A. 1982 FISICA III, Primera edición, Pág. 106 – 184, Harla, México.
6. Resnick Holliday, 1975 FISICA, Vol. III. Segunda edición, Pág. 615 – 675, SECSA, México
7. Sears F. Zemansky M. Young H. Freedman R., 1996 FISICA UNIVERSITARIA, Novena
edición, Pág. 710 – 815, Pearson education, Mexico.
8. Serway R. Beichner R, 2000 FISICA PARA CIENCIAS E INGENIERÍA, Quinta edición,
Pág. 789 – 800, McGraw Hill, México
9. Tipler P. 1994 FISICA, Tercera edición, Pág. 895 – 915, Reverte, Barcelona.
pág. 61
Descargar