Manual de laboratorio Física quinto año
Anuncio
AUTOR: LIC. CARLOS RIBEIRO VALENCIA AGOSTO 2003 Carlos Ribeiro UNIDAD I LAS INTERACCIONES ELECTROMAGNETICAS PRÁCTICA N° 1 Contenido: VECTORES Y ESCALARES Objetivo: Cuantificar las interacciones independientemente de la naturaleza de ellas. PRE-LABORATORIO 1. ¿Qué es un vector? 2. ¿Qué es un escalar? 3. ¿Cuáles son los componentes de un vector? 4. Nombrar cinco ejemplos de vectores y escalares. 5. Nombrar cuatro diferencias entre vector y escalar. 6. ¿Qué es equilibrio? 7. ¿Qué es la fuerza? 8. ¿Qué es la fuerza neta? LABORATORIO Experimento N° 1 Una moneda Dos lápices de grafito con borrador Un transportador Procedimiento Coloca la moneda sobre la mesa y a su lado los dos lápices con los borradores apuntando hacia la moneda formando entre ellos un ángulo de 90° (el transportador te ayudará a realizarlo). Ahora empuja la moneda con los dos lápices a la vez y observa lo que sucede. Responde las siguientes preguntas: a. ¿Qué dirección sigue la moneda?___________________________ b. ¿Qué sucede con los dos lápices? ___________________________ c. Realiza un gráfico de lo anterior utilizando vectores. 2 Carlos Ribeiro Experimento N° 2 Materiales requeridos Dos reglas de 30 cm Una regla de un metro o cinta métrica Un transportador Tirro Una cartulina blanca Dos triángulos equiláteros de 5 cm de lado, hechos en cartulina uno de color rojo y el otro de negro Procedimiento 1. Tomar las dos reglas y pegar en el extremo superior de cada una los triángulos equiláteros. a. ¿Qué representaban las dos reglas antes de colocarle a cada una el triángulo equilátero? _______________________________ b. ¿Por qué? ______________________________________________ c. ¿Qué representan luego de colocarle a cada una el triángulo equilátero? _____________________________________________ d. ¿Por qué? ______________________________________________ 2. Pegar sobre la mesa la cartulina e identificar en sus bordes los puntos cardinales, luego colocar sobre ella los dos vectores formando entre ellos: i. Un ángulo de 180° a. ¿Qué dirección tienen ambos vectores? ____________________ b. ¿Qué sentido tienen ambos vectores? _____________________ c. ¿Cómo se determina el vector resultante? ___________________ d. ¿Cuál es el módulo del vector resultante? ___________________ ii. Un ángulo de 0° a. ¿Qué sentido tienen ambos vectores? ___________________ b. ¿Cómo se halla el vector resultante? _____________________ c. ¿Cuál es el módulo del vector resultante? ________________ 3 Carlos Ribeiro d. ¿Qué dirección tienen ambos vectores? _________________ e. ¿Qué dirección tiene el vector resultante? ________________ f. ¿Qué sentido tiene el vector resultante? __________________ ¡¡¡. Un ángulo de 90° a. ¿Qué dirección tienen ambos vectores? __________________ b. ¿Qué sentido tienen ambos vectores? ___________________ c. ¿Cómo se halla el vector resultante? ____________________ d. ¿Cuál es el módulo del vector resultante? ________________ e. ¿Qué dirección tiene el vector resultante? ________________ f. ¿Qué sentido tiene el vector resultante? _________________ POST-LABORATORIO 1. Coloca los dos vectores formando entre ellos un ángulo de 30° y responde las siguientes preguntas: a. ¿Qué dirección tienen ambos vectores? _________________________ b. ¿Qué sentido tienen ambos vectores? ___________________________ c. ¿Cómo se halla el vector resultante? ____________________________ d. ¿Cuál es el módulo del vector resultante? ________________________ e. ¿Qué dirección tiene el vector resultante? ________________________ f. ¿Qué sentido tiene el vector resultante? __________________________ 2. ¿Por qué toda fuerza es un vector? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 3. Determine para cada sistema físico cuales son las fuerzas que actúan sobre cada cuerpo. a. Un cuerpo de masa (m) en reposo sobre una superficie horizontal. m 4 Carlos Ribeiro b. Un cuerpo de masa (m) en movimiento sobre una superficie horizontal hacia la derecha producto de una cuerda. m c. Un balón rodando sobre una superficie inclinada hacia abajo. m d. Dos cuerpos de masa (m) que penden de una polea. M m PRÁCTICA N° 2 Contenido: LAS INTERACCIONES ELECTROMAGNÉTICAS EN LA ESCALA DEL UNIVERSO FÍSICO. Objetivo: Comparar los tipos de interacciones PRE-LABORATORIO 1. ¿Qué es interacción 2. ¿Por qué ocurren las interacciones? 3. Mencione los tipos de interacciones que existen y defina cada una de ellas. 4. ¿Cuál es el efecto de las interacciones? 5 Carlos Ribeiro 5. ¿Cómo se denotan las interacciones? LABORATORIO Experimento N° 1 Materiales requeridos Dos imanes Procedimiento Utilizando los dos imanes, explicar el efecto que se produce al acercar los dos imanes de las siguientes formas: 1. Polo norte con el Polo norte ___________________________ 2. Polo sur con el Polo sur ___________________________ 3. Polo norte con el Polo sur ___________________________ a. ¿Qué tipo de interacción física se presenta en las tres experiencias anteriores? _________________________________ Experimento N° 2 Materiales requeridos Un resorte de resistencia baja (que estire bastante) Una cuerda Cuerpos de distinta masa (m) y forma Procedimiento 1. Toma la cuerda y en uno de sus extremos ata uno de los cuerpos de masa (m) y hazlo colgar de tu mano. a. ¿Qué fuerza se ejerce sobre la cuerda? ______________________ b. ¿Qué tipo de interacción esta presente? _____________________ c. ¿Qué objetos físicos intervienen? __________________________ 2. Toma el resorte y en uno de sus extremos fija uno de los cuerpo de mayor masa (m) y hazlo colgar de tu mano. a. ¿Qué fuerza se ejerce sobre el resorte? _____________________ b. ¿Qué tipo de interacción esta presente? _____________________ c. ¿Qué objetos físicos intervienen? __________________________ 6 Carlos Ribeiro Experimento N° 3 Tomar dos imanes y colocarlos por los polos diferentes. a. ¿Qué se observa? __________________________________________________________________ b. ¿Qué se produce? __________________________________________________________________ c. ¿Por qué se evidencia lo producido? __________________________________________________________________ d. ¿Qué sistema se manifiesta? __________________________________________________________________ e. ¿Qué tipo de interacción se produce? __________________________________________________________________ f. ¿Qué propiedad da origen a la interacción? __________________________________________________________________ g. ¿Qué instrumento de observación se utiliza? __________________________________________________________________ h. ¿Qué intervalo de escala posee dicho sistema? __________________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. ¿Qué efecto produce la luna sobre las mareas y que tipo de interacción física hace que esto suceda? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Existe alguna interacción física cuando un balón es lanzado hacia arriba? De responder si ¿cuál es y que objetos físicos intervienen? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7 Carlos Ribeiro 3. En la siguiente figura responda el tipo de interacción que existe y los objetos físicos que intervienen en ella. S N __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 4. Citar dos ejemplos por cada tipo de interacción. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5. ¿Qué es lo que mantiene unidas a las partículas elementales en la materia? __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 6. Haz un breve resumen de los descubrimientos más importantes del electromagnetismo indicando los autores y la época aproximada. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 8 Carlos Ribeiro 7. Realiza un listado de todos los aparatos y equipos que están en tu hogar cuyo funcionamiento depende del electromagnetismo. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ PRÁCTICA N° 3 Contenido: CARGA ELECTRICA Objetivo: 1. Observar algunos efectos de la electricidad estática. Comentario. ¿Alguna vez has sentido una descarga eléctrica al tocar la nevera? ¿Has encontrado un calcetín escondido dentro de una camisa, después de sacarlos del secador de ropa? ¿Has sentido como los vellos de tu brazo son atraídos hacia la pantalla del televisor en el momento de apagarla? Todo esto se produce a causa de la electricidad estática. PRE-LABORATORIO 1. ¿Qué es la carga eléctrica? 2. Enunciar la ley de las cargas. 3. ¿Qué es un conductor? 9 Carlos Ribeiro 4. ¿Qué es un aislador? 5. ¿Cuáles son los métodos de electrización? 6. ¿Qué es la inducción electrostática? 7. ¿Qué son las cargas inducidas? 8. ¿Qué es un inductor? 9. ¿Qué es un inducido? 10. ¿Cuáles son las propiedades de las cargas? 11. ¿Qué es un electroscopio? LABORATORIO Observación: Antes de iniciar los experimentos siguientes debe comprobar que los objetos que va a utilizar están bien limpios y secos. Esta es una condición necesaria para que se electricen y conserven su carga. Si notara que esto no ocurre, trate de limpiar y secar los objetos colocándolos cerca de algún dispositivo caliente, como un mechero o una lámpara encendida. Además, para que los experimentos puedan dar buenos resultados en un día húmedo, deben efectuarse en el interior de una caja, donde el grado de humedad se haya reducido bastante. Este ambiente propio para experimentos de electrostática, se puede conseguir manteniendo una lámpara o un secador de cabello en funcionamiento durante cierto tiempo en el interior de esa caja. Experimento N° 1 Materiales requeridos Dos tiras de plástico delgado, del empleado en la fabricación de bolsas, cada una de las cuales deberá tener unos 5cm de ancho y 40cm de longitud. Un trozo de tela de lana Una hoja de papel Una vela Un peine limpio Procedimiento. 10 Carlos Ribeiro 1. Coloque una tira sobre sus dedos índice y medio, frótela con el trozo de tela de lana. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ b. Explique por qué. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. Tome el peine y frótelo sobre su cabello (debe estar limpio y seco) e introdúzcalo entre las tiras. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ b. Explique por qué. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. Coloque ahora entre las tiras la hoja de papel (objeto no electrizado). a. Explique lo que observa recordando que el objeto introducido entre las tiras sufre inducción o polarización. ____________________________________________________________ b. Retire el objeto y observe que sucede con las tiras. Explique. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. Estando electrizadas las tiras, y por tanto, alejadas una de la otra, acérquelas la vela encendida. a. ¿Qué observa? ____________________________________________________________ b. Explique por qué. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 2 Revelación de la existencia de la electricidad Materiales requeridos 11 Carlos Ribeiro Un peine o una regla de plástico Un pedazo de tela de lana Un puñado de pequeños trozos de papel de seda Procedimiento Colocar los trocitos de papel sobre una mesa. Frotar el peine con el pedazo de lana, luego acercar el peine a los trocitos de papel. a. ¿Qué se observa al acercar el peine sin frotar a los trocitos de papel? ____________________________________________________________ b. ¿Qué se observa al acercar el peine frotado con el pedazo de lana a los trocitos de papel? ____________________________________________________________ c. ¿Qué nombre recibe este fenómeno? ____________________________________________________________ Experimento N° 3 Carga mediante frotamiento con tu ropa, un globo de goma (bomba) inflado. A continuación pon en contacto con la pared la parte frotada del globo y suéltalo a. ¿Qué sucede? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. ¿Significa esto que la pared está cargada positivamente? ____________________________________________________________ c. ¿Cómo explicas tu observación? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ d. ¿Por qué finalmente el globo se cae? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 12 Carlos Ribeiro Experimento N° 4 Construcción de un electroscopio Materiales requeridos Frasco de vidrio de boca media Clip sujetapapeles, o un alambre metálico doblado en ángulo recto en el extremo que se va a introducir en el frasco Una tira de papel de aluminio Un tapón de caucho o de corcho que ajuste y cierre bien el frasco de vidrio escogido Una esferita metálica hueca Papel aluminio Una tira de papel aluminio de 12mm de ancho por 50mm de largo Procedimiento El electroscopio es un aparato fácil de construir. Se emplea a menudo para reconocer la presencia o existencia de cargas eléctricas próximas a él, e incluso permite determinar cuál es el signo de una carga eléctrica, esto es, si es positiva o negativa. Un electroscopio está constituido esencialmente por dos hojuelas o tiritas muy ligeras de aluminio, colocadas dentro de una botella de vidrio. Se necesita la botella para eliminar el efecto de las corrientes de aire. La construcción del electroscopio es muy sencilla y puede hacerse en pocos minutos. Ante todo es condición muy importante que tanto el frasco de vidrio como el tapón estén perfectamente secos. Para asegurarte de ello, seca todos los componentes del aparato con un secador de cabello, durante unos minutos, un poco antes de iniciar el montaje del electroscopio. Toma el alambre metálico y dóblalo en forma de L en uno de sus extremos aproximadamente unos 12mm, y atraviesa con el otro extremo el tapón del frasco; fija luego, en su extremo libre una esfera de papel aluminio, que procurarás que sea lo más redonda posible 13 Carlos Ribeiro para obtener los mejores resultados. Esto lo lograrás rellenando con papel aluminio una esfera metálica hueca, la cual colocarás en el extremo libre del alambre. Las hojuelas se hacen de un material lo más ligero posible. Una tira de papel de seda puede servir perfectamente, pero es preferible utilizar una hoja de aluminio o el papel de estaño (separarás fácilmente la hoja de papel que va unida a la hoja metálica humedeciéndola con un poco de agua tibia durante algunos minutos, una vez le hayas quitado el papel, sécala estírala, y córtala en tiras de unos 12mm de ancho por 50mm de longitud) Con el fin de aumentar la sensibilidad del instrumento, las hojas han de separarse con la mayor facilidad, al menor esfuerzo, por lo que deben ser extremadamente estrechas en el punto en el cual penden. Para lograrlo, se dobla la tira por su punto medio, se corta un pequeño triangulo a cada lado, y así se reduce el punto de unión a una estrechísima tira. A continuación, y así doblada, cuelga la tirita de la rama horizontal del alambre. Introdúcelo todo, con mucho cuidado, en el frasco; ajusta el tapón en el cuello de éste, y ya esta listo el electroscopio. Ver la figura. ¿Cómo debes trabajar con el electroscopio? Si tocas la esfera con un cuerpo electrizado, las cargas eléctricas descienden por el alambre hasta las laminillas, las cuales quedan así 14 Carlos Ribeiro electrizadas con cargas eléctricas del mismo signo o nombre, y como ya sabes, las dos laminillas se repelen mutuamente y se separan. Experimento N° 5 El fenómeno de electrización por influencia Materiales requeridos Un electroscopio Un pedazo de tela de lana Una regla plástica Procedimiento Frota fuertemente la regla plástica con el pedazo de lana y acércala al electroscopio unos milímetros por encima. Luego acercarlo nuevamente al electroscopio y tocarlo con la regla y con un dedo. a. Al acercar la regla de plástico al detector del electroscopio, pero sin tocarlo, ¿Qué sucede? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. ¿Qué se observa si se retira y se acerca sucesivamente la regla de plástico al detector del electroscopio? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ c. Al frotar la regla de plástico con el pedazo de lana y luego tocar el detector del electroscopio, ¿cómo se comportan las laminillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 6 Determinar el signo de una carga eléctrica. Materiales requeridos Un electroscopio Una regla de plástico 15 Carlos Ribeiro Un trozo de tela de lana Un tubo de vidrio o de ensayo Procedimiento Frotar fuertemente la regla de plástico con la lana. Luego acercar el tubo de vidrio previamente frotado con la lana sin retirar la regla de plástico. a. ¿Qué se observa al acercar la regla plástica al detector del electroscopio sin frotarlo? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. Al frotar la regla de plástico con la lana, ¿con qué signo queda cargada la regla? Luego de acercarla al electroscopio. __________________________________________________________ c. ¿Qué tipo de carga adquiere el paño de lana? __________________________________________________________ d. ¿Que tipo de carga adquiere el tubo de vidrio al ser frotado con el paño de lana? ___________________________________________________________ e. ¿Al acercar el tubo de vidrio al detector del electroscopio se observa que las laminillas se acercan? ¿Por qué? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 7 Inducción electrostática Materiales requeridos Dos electroscopios Un alambre o una varilla metálica delgada Un peine o una regla de plástico Un paño de lana 16 Carlos Ribeiro Procedimiento Tomar dos electroscopios y conectar a la esfera de cada uno de ellos el alambre o la varilla metálica. Ahora ponga en contacto las varillas metálicas de tal manera que los dos electroscopios constituyan un solo conjunto. Acercar a la esfera de uno de los electroscopios, sin llegar a tocarla, el peine previamente frotado con el paño de lana. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Ahora aleje el peine del detector del electroscopio. b. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ c. ¿Cómo se explican estos hechos de acuerdo con el modelo o teoría electrónica? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Acerca nuevamente el peine y sin retirarlo separar los electroscopios cierta distancia. Ahora retira el peine. d. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ Tomar otro electroscopio, cargarlo positivamente y acercarlo a cada uno de los electroscopios anteriores. e. ¿Qué clase de energía eléctrica tiene el electroscopio que estuvo próximo al peine? ___________________________________________________________ f. ¿Y el que estuvo alejado? ___________________________________________________________ g. ¿Cómo se explican los resultados obtenidos? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 17 Carlos Ribeiro Experimento N° 8 Identificación de cuerpos conductores y aislantes. Materiales requeridos Un pequeño circuito eléctrico (cable, un socate pequeño, una bombilla pequeña de 2,4 voltios y 0,5 amperes, dos baterías AA) Varillas de cobre, hierro, aluminio, vidrio Aceite, azufre, cuero, alcohol, papel, ácido, limón, tiza, seda, lana Procedimiento Lo primero que se debe realizar es el montaje del circuito eléctrico. Ver el siguiente esquema: Tomar cada uno de los objetos sólidos y líquidos, y colocarlos uno a uno entre las separaciones AB para hacer contacto entre los cables. a. ¿Qué sucede con la varilla de metal? ________________________________________________________ b. ¿Qué sucede con la varilla de plástico? ________________________________________________________ Todas tus observaciones anótalas en la siguiente tabla: OBJETO CONDUCTOR AISLADOR 18 Carlos Ribeiro POST-LABORATORIO 1. ¿Cómo se carga positivamente un electroscopio por contacto? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Cómo se carga negativamente un electroscopio por inducción? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. Se tiene un electroscopio cargado positivamente y se desea descargar, ¿cómo se realiza? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. Realiza un esquema de la distribución de las cargas en el electroscopio. 5. Se encuentra que el objeto A repele al B, al mismo tiempo que el objeto A atrae al C y este último repele al objeto D. Si se sabe que D está cargado positivamente. ¿Qué clase de carga lleva el objeto B? ____________________________________________________________ 6. Si dos varillas cargadas se repelen entre si, ¿qué puede afirmarse sobre el signo de cada varilla? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 19 Carlos Ribeiro 7. ¿Cuál es el procedimiento para separar cargas eléctricas en un conductor? ¿Cómo se llama este proceso? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 8. Dos esferas metálicas A y B suspendidas por hilos de nylon, están inicialmente en contacto. Acercamos una barra cargada negativamente a la esfera A, y en su presencia separamos las esferas. Entonces, ¿Cómo quedan cargadas las esferas? ____________________________________________________________ 9. ¿Por qué no se puede electrizar una varilla metálica frotándola mientras se mantiene con la mano? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 10. ¿Qué nos revela la abertura que experimenta las laminillas de un electroscopio, cuando se toca con un cuerpo cargado? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 11. ¿Qué carga obtiene un cuerpo cuando es cargado por inducción? 12. ¿Qué carga eléctrica adquieren dos cuerpos cuando se cargan por contacto? ____________________________________________________________ 13. ¿Cómo es la carga de un cuerpo que gana electrones? ____________________________________________________________ 14. ¿Se puede cargar una barra de hierro por frotamiento, si para agarrarla le colocamos un mango de aluminio? ____________________________________________________________ 20 Carlos Ribeiro 15. ¿Qué nombre reciben los materiales que tienen la propiedad de obstaculizar el movimiento de cargas eléctricas? ____________________________________________________________ 16. ¿Para cargar un cuerpo negativamente por inducción, se le acerca un cuerpo cargado negativamente? 17. Un cuerpo electrizado con carga positiva a la esfera de un péndulo eléctrico. a. Si la esfera fuera atraída por el cuerpo, ¿podríamos concluir que esta electrizada negativamente? ______________________________________________________ b. Si la esfera fuera repelida, ¿podríamos concluir que posee carga positiva? ______________________________________________________ 18. Un electroscopio de laminillas se encuentra electrizado negativamente, y acercamos a su esfera una barra electrizada B. a. Hallamos que las hojas del electroscopio tienen un aumento en su separación, ¿cuál es el signo de la carga en la barra B. Explique. _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ b. Si la carga de B fuera positiva, ¿qué sucedería con la separación entre las hojas del electroscopio? ¿Por qué? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ 19. Un autobús en movimiento adquiere carga eléctrica debido al roce con el aire. 21 Carlos Ribeiro a. Si el ambiente del lugar es seco, ¿el autobús permanecerá electrizado? ____________________________________________________ b. Al asirse de un autobús para subir en él, una persona recibirá un choque eléctrico. ¿Por qué? _______________________________________________________ _______________________________________________________ _______________________________________________________ PRÁCTICA N° 4 Contenido: FUERZA ELÉCTRICA Objetivo: Analizar e interpretar la Ley de Coulomb Comentario. Ya sabemos que cuando un cuerpo está electrizado posee un exceso de protones (carga positiva), o bien, un exceso de electrones (carga negativa). Por este motivo, el valor de la carga de un cuerpo, que vamos a representar por Q o q, se puede medir por el número de electrones que el cuerpo pierde o gana. Pero esta forma de expresar el valor de la carga no resulta práctica, pues se sabe que en un proceso común de electrización (por ejemplo, por frotamiento), el cuerpo pierde o gana un número muy elevado de electrones. De este modo, los valores de Q o q estarán representados por números sumamente grandes. En la práctica se procura entonces emplear una unidad de carga más adecuada. En el sistema internacional (SI) la unidad de la carga eléctrica se denomina coulomb, en honor al físico francés Charles Coulomb. Este científico, al analizar las fuerzas de interacción entre cargas eléctricas, llego a una ley muy importante. PRE-LABORATORIO 1. Enunciar la ley de coulomb. 2. ¿Qué es la carga eléctrica elemental? 3. ¿Qué es la superposición de cargas eléctricas? 4. ¿Cómo es la influencia del medio en la fuerza eléctrica? 22 Carlos Ribeiro 5. Establecer diferencias y semejanzas entre la fuerza eléctrica y la fuerza gravitatoria. LABORATORIO Experimento N° 1 Para realizar este experimento se necesita construir un instrumento denominado balanza de torción. Materiales necesarios para elaborar la balanza de torción Dos varillas livianas de material aislante 40cm de hilo de nylon o fibra de cuarzo Tres esferas idénticas de anime recubiertas con grafito Un envase de medio litro de leche con arena Procedimiento para elaborar la balanza de torción 1. Se toma una de las varillas aislantes y se le colocan en sus dos extremos dos esferas, las cuales denotaremos con A y C. En el punto medio de la varilla atamos el nylon para pender el instrumento de un soporte. 2. Se toma la otra varilla y se coloca en uno de sus extremos la otra esfera la cual denotaremos con B y se coloca fijamente en el envase con arena. 3. La esfera en posición fija se debe colocar próxima a la esfera A. 4. Observe el montaje como lo indica la siguiente figura. 23 Carlos Ribeiro Procedimiento del experimento 1. A las esferas A y B cargarlas con electricidad del mismo signo. a. ¿Qué se observa? __________________________________________________________ __________________________________________________________ b. ¿Qué se produce? __________________________________________________________ __________________________________________________________ 2. A las esferas A y B cargarlas con electricidad de signos diferentes. a. ¿Qué es observa? __________________________________________________________ __________________________________________________________ b. ¿Qué se produce? __________________________________________________________ __________________________________________________________ 3. A las esferas A y B, calcularles: a. La masa de cada una __________________________________________________________ Luego de hacer el montaje de la balanza de torción y sin electrificar ninguna de las esferas, medir: b. La distancia entre ellas __________________________________________________________ c. Calcular la fuerza entre ellas, utilizando la fórmula F K Q1 Q2 d2 y tomando en cuenta el valor 9x109 N.m2/C2 de la constante dieléctrica del medio (K). __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ 24 Carlos Ribeiro Experimento N° 2 Pegue sobre una mesa, dos pedazos de cinta adhesiva transparente de 30 cm de longitud, dejando un pedazo libre para sostenerlo. Arranque rápidamente los dos pedazos de cinta y luego acerca los dos pedazos de cinta sin que se toquen. a. ¿Qué se observa? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ b. Explica tu observación. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. ¿Cómo se puede aumentar al doble el valor de la fuerza entre dos objetos cargados? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 2. ¿A qué conclusiones llegó Charles Coulomb luego de realizar numerosas mediciones haciendo variar las cargas de las esferas y la separación entre ellas? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 3. La constante K en la ecuación de coulomb es mucho más grande que la constante G en la ecuación de la gravitación universal. ¿Qué importancia tiene esto? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 25 Carlos Ribeiro PRÁCTICA N° 5 Contenido: CAMPO ELÉCTRICO Objetivo: 1. Creación y medición de campos eléctricos. 2. Explicar que la carga eléctrica en un cuerpo metálico electrizado, se distribuye en su superficie externa. Comentario. El espacio que rodea a un imán potente es distinto de cómo sería si el imán no estuviese allí. Coloca una horquilla en dicho espacio y verás que se mueve. El espacio que rodea a un hoyo negro es distinto de cómo sería si el hoyo negro no estuviese allí. Colócate en dicho espacio y no vivirás para contarlo. De manera análoga, el espacio que rodea a una concentración de carga eléctrica es diferente de cómo sería si la carga no estuviese allí. Si te paseas junto a una esfera cargada puedes sentir la carga. El vello de tu cuerpo se eriza; sólo un poco si te encuentras a más de un metro de distancia del aparato y más si te acercas a él. El espacio que rodea a cada uno de estos objetos (el imán, el hoyo negro y la carga eléctrica) se ve alterado: decimos que contiene un campo de fuerza. PRE-LABOARTORIO 1. ¿Qué es campo eléctrico? 2. ¿Qué son las líneas de campo eléctrico? 3. ¿Qué es el blindaje electrostático? LABORATORIO Materiales requeridos Un recipiente aislante Aceite comestible Semillas de césped o semillas de alpiste Cuatro esferas de anime pintada con grafito provistas de una varilla aislante Dos pinzas de madera Dos laminas metálicas rectangulares de 2cm de ancho por 8cm de longitud. 26 Carlos Ribeiro Experimento N° 1 Tomar el recipiente aislante y vertir el aceite comestible y colocar las semillas de alpiste o césped. Luego tomar una esfera y electrizarla positivamente y sumergirla en el líquido. a. ¿Qué se observa? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ b. Realiza un dibujo esquemático de lo observado. c. ¿Qué explica este fenómeno? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ Experimento N° 2 Repite el experimento anterior, pero ahora la esfera esta electrizada negativamente. a. ¿Qué se observa? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ b. Realiza un dibujo esquemático de lo observado. c. ¿Qué explica este fenómeno? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ Experimento N° 3 Con los mismos materiales del experimento anterior, pero ahora dos esferas electrizadas con cargas opuestas y sumergir ambas en el líquido separadas por una pequeña distancia. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ 27 Carlos Ribeiro b. Realiza un dibujo esquemático de lo observado. c. ¿Qué explica este fenómeno? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 4 Con los mismos materiales del experimento anterior, pero ahora dos esferas electrizadas con cargas positivas y sumergir ambas en el líquido separadas por una pequeña distancia. a. ¿Qué se observa? ___________________________________________________________ b. Realiza un dibujo esquemático de lo observado. c. ¿Qué explica este fenómeno? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 5 Con los mismos materiales del experimento anterior, pero ahora dos láminas metálicas planas paralelas electrizadas con cargas opuestas y ambas sumergirlas en el líquido, separadas por una pequeña distancia. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. Realiza un dibujo esquemático de lo observado. c. ¿Qué explica este fenómeno? Experimento N° 6 Materiales requeridos Una esfera pequeña de anime pintada con grafito Hilo de nylon 28 Carlos Ribeiro Una regla plástica Un pedazo de tela de lana Procedimiento Atar un pedazo del hilo de nylon a la esfera y suspenderla. Tome la regla de plástico y cárguela por frotamiento con el pedazo de tela de lana. Acerque la regla a la esfera sin tocarla. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ b. ¿A que se debe este fenómeno? ___________________________________________________________ Experimento N° 7 Repite el experimento anterior, pero ahora encerrando la esfera en una lata de leche sin tapa y acercar la regla de plástico cargada al exterior de la lata. a. ¿Qué se observa? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. Al acercar la regla cargada se ve alterada la posición de la esfera? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ c. ¿Cómo se denomina este fenómeno? ____________________________________________________________ Experimento N° 8 Materiales requeridos Un recipiente metálico (una jarra, un vaso o una lata) Un soporte aislante Tiras muy delgadas de papel de seda Cinta adhesiva Una regla de plástico Un pedazo de tela de lana. Procedimiento 1. Tome el recipiente metálico y colóquelo sobre el soporte aislante. 29 Carlos Ribeiro 2. Tome algunas tiras del papel de seda y cuelgue algunas de ellas en la parte exterior del recipiente y otras en su parte interna, como muestra la figura. 3. Electrice la regla de plástico por frotamiento con el pedazo de tela de lana. Al acercar y tocar el recipiente con la regla, éste, como ya se sabe quedará electrizado por contacto. Repita varias veces esta operación para que el recipiente adquiera una carga considerable. 4. Observe que las tiras de la parte externa son repelidas por la pared del recipiente, lo cual no sucede con las tiras de la parte interna. Explique a que se debe este fenómeno. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. Dibuje las líneas de campo eléctrico entre a. Dos cargas de igual signo b. Dos cargas de signo opuesto 2. ¿Cuáles son las dos propiedades que debe poseer una carga de prueba? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 30 Carlos Ribeiro 3. ¿Cómo esta definida la dirección de un campo eléctrico? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 4. ¿Por qué un cuerpo cargado pierde su carga al ser conectado a tierra? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 5. ¿Por qué no corre peligro el ocupante de un automóvil al que le cae un rayo? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 6. Andrés y Sandra están tomados de las manos cuando se les carga eléctricamente al estar de pie sobre una plataforma aislante. Andrés es más alto que Sandra. a. ¿Quién tiene la mayor cantidad de carga? __________________________________________________________ 7. ¿Es posible ver el color del campo eléctrico? _______________________________________________________________ 8. ¿Cómo se explica que un conductor aislado en condiciones electrostáticas el campo eléctrico en su interior es nulo? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 9. ¿Qué muestran experimentalmente las líneas de fuerzas? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 31 Carlos Ribeiro PRÁCTICA N° 6 Contenido: POTENCIAL ELÉCTRICO Objetivo: Demostrar la relación existente entre carga, energía, voltaje y trabajo. Comentario. En electricidad, el concepto de energía es también de suma utilidad. Se dice que un objeto cargado tiene energía potencial en virtud de su posición en un campo electrónico. Por ejemplo, supongamos que queremos jalar un cuerpo cargado negativamente en contra del campo eléctrico de una esfera con carga positiva. Para ello necesitamos aplicar una fuerza que contrarreste la atracción eléctrica. La variación de la energía potencial de la partícula cargada es equivalente al trabajo que hay que realizar en contra de la fuerza eléctrica es decir, al negativo del trabajo de la fuerza electrónica: Variación de energía potencial = - (Trabajo de la fuerza electrónica) Si soltamos la partícula, ésta se acelerará hacia la esfera y la energía potencial electrónica que adquirió se transformará en energía cinética. Esta situación es parecida a la que sucede cuando elevamos un cuerpo hasta cierta altura y luego lo dejamos caer. PRE-LABORATORIO 1. ¿Qué es la energía potencial eléctrica? 2. ¿Qué es la diferencia de potencial eléctrico? 3. ¿Cuáles son las unidades del potencial eléctrico? 4. ¿Qué es el potencial absoluto? 5. ¿Qué es potencial eléctrico producido por una carga puntual? 6. ¿Qué son las superficies equipotenciales? 7. ¿Qué es el potencial eléctrico? LABORATORIO Experimento N° 1 Construir un modelo que demuestre la relación existente entre carga, energía y voltaje. 32 Carlos Ribeiro Materiales requeridos Dos barras de plastilina Una regla de 30 cm Cinta adhesiva Doce esferas de acero de diámetros de 12 13 mm Procedimiento 1. Mediante la plastilina sostenga verticalmente la regla sobre la mesa de trabajo. (El cero se debe encontrar en la superficie de la mesa). 2. Corte un pedazo rectangular de papel con una medida de 2cm x 8cm y escriba sobre él 3 V = 3 J/C. 3. Corte tres más, y escriba en ellos: 6 v = 6 J/C, 9 V = 9 J/C, 12 V = 12 J/C 4. Pegue con cinta adhesiva el rectángulo de los 3V en la marca de los 3cm de la regla, el de 6V en la marca de los 6cm de la regla, el de los 9V en la marca de los 9cm de la regla y el de los 12V en la marca de los 12cm de la regla. 5. Suponga que cada esfera de acero está representando 1 C de carga. 6. Levante y pegue con cinta cuatro esferas de acero en el rectángulo de los 3V, tres esferas de acero al rectángulo de los 6V, dos esferas de acero al rectángulo de los 9V y una esfera de acero al rectángulo de los 12V. 7. El modelo muestra diferentes cantidades de carga en distintos niveles de energía. a. ¿Dónde se deben colocar esferas de acero para mostrar el nivel cero de energía? Explique. __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ 33 Carlos Ribeiro 8. Llene la siguiente tabla de datos CARGA VOLTAJE ENERGÍA 9. Responda las siguientes preguntas a. ¿Cuánta energía se requiere para levantar cada coulomb de carga desde la superficie de la mesa hasta el nivel 9V? __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ b. ¿Cuál es la energía potencial total almacenada en el nivel 9V? __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ c. La energía total de las cargas en el nivel 6V no es 6J. ¿Por qué? __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ d. ¿Cuánta energía se liberaría si las cargas en el nivel 9V cayera en el 6V? Explique. __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ 34 Carlos Ribeiro Experimento N° 2 Materiales requeridos Una lamparita de neón Dos pedazos de cable delgado de 25 cm de longitud Un pitillo de plástico Papel toilet Una pila de linterna de 1,5 V Procedimiento 1. Conecte los dos pedazos de cable a los terminales de la lamparita de neón. Frote el pitillo de plástico con un pedazo de papel toilet y toque uno de los cables con el pitillo delgado, mientras tocas el otro cable con tus dedos. a. ¿Se enciende momentáneamente la lámpara? _______________________________________________________ _______________________________________________________ 2. Tome la pila de 1,5 V y toque uno de los cables, mientras tocas el otro cable con tus dedos. a. ¿Por qué es imposible encender la lámpara conectándola a la pila, mientras que con el pitillo cargado si puedes lograrlo? __________________________________________________________ __________________________________________________________ __________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. Una batería de 9V es muy pequeña. Una batería de 12V es grande. Con la ayuda del modelo, explique por que no puede emplear la batería de 9V para encender el motor del automóvil. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 35 Carlos Ribeiro 2. ¿Se requiere mayor o menor energía para desplazar una carga fija positiva a través de un campo eléctrico que se incrementa? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 3. Una caja metálica se encuentra cargada. Compare la concentración de carga en las esquinas de la caja respecto a la concentración de carga en los lados. _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 4. ¿Qué sucederá con la energía potencial eléctrica de una partícula cargada en un campo eléctrico cuando se le deja libre para moverse? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 5. ¿Cómo puedes incrementar la energía potencial eléctrica de una partícula cargada que se encuentra en un campo eléctrico? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 6. ¿Cómo puede ser grande el potencial eléctrico cuando la energía potencial eléctrica es relativamente baja? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 36 Carlos Ribeiro PRÁCTICA N° 7 Contenido: CORRIENTE ELÉCTRICA Objetivos: 1. Verificar la validez de la ley de ohm. 2. Instalar circuitos eléctricos. 3. Realizar medidas con el voltímetro y el amperímetro. 4. Determinar el valor de una resistencia desconocida. 5. Verificar los efectos térmico, químico, fisiológico y magnético de la corriente eléctrica. Comentario. El voltaje es una especie de presión eléctrica capaz de producir un flujo de carga, es decir, una corriente, dentro de un conductor. El flujo de carga se ve obstaculizado por la resistencia que encuentra. Cuando el flujo se lleva a cabo en una sola dirección decimos que se trata de una corriente directa (cd); cuando el flujo va y viene decimos que se trata de una corriente alterna (ca). La razón de cambio en la transferencia de energía de una corriente eléctrica es la potencia. POST-LABORATORIO 1. ¿Qué es corriente eléctrica? 2. ¿Qué es un circuito eléctrico? 3. ¿Qué es la intensidad de corriente? 4. ¿Qué es un amperímetro? 5. ¿Qué es un voltímetro? 6. ¿Cuáles son los componentes de un circuito? 7. ¿Qué es un condensador? 8. ¿Qué es una resistencia? 9. ¿Qué diferencia existe entre una resistencia ohmica y una resistencia no ohmica? 10. ¿Qué son circuitos eléctricos en serie? 11. ¿Qué son circuitos eléctricos en paralelo? 12. Enuncie la ley de ohm. 37 Carlos Ribeiro LABORATORIO Experimento N° 1 Construir un modelo para ilustrar la corriente eléctrica. Materiales requeridos Cuatro pilas de 1.5 Volts. Soporte para las baterías Tres conductores de 30cm de longitud con su respectiva pinza de caimán Dos bombillas de 3 Volts., con sus respectivos socates Una brújula Procedimiento 1. Monta el circuito eléctrico como lo muestra la siguiente figura 2. Enciende las bombillas y apágalas, conectando y desconectando uno de los conductores con caimán. a. ¿Hay algún indicio visual de que algo se esté moviendo a través del circuito cuando la bombilla esta encendida? _____________________________________________________________ b. ¿Se enciende una bombilla antes que la otra? _____________________________________________________________ c. ¿Se apaga una bombilla antes que la otra? ______________________________________________________________ d. ¿Una de ellas brilla más que la otra? ______________________________________________________________ 38 Carlos Ribeiro 3. Coloca una brújula sobre la mesa, cerca del circuito, de modo que la aguja apunte al norte. Con las bombillas apagadas, coloca uno de los conductores encima de la brújula, paralelo a la aguja como lo muestra la figura. Conecta y desconecta varias veces una terminal del circuito mientras observas la aguja de la brújula. a. ¿Qué le pasa a la aguja cuando se encienden las bombillas? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ b. ¿Qué le pasa a la aguja cuando de apagan las bombillas? _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ 4. Coloca la brújula debajo del conductor en diferentes puntos del circuito. Asegúrate de que la aguja quede paralela al conductor cuando las bombillas no estén encendidas. Observa la aguja mientras abres y cierras varias veces el circuito. Pon atención para que veas si la aguja se desvía en la misma dirección que antes. Observa si la magnitud de la desviación de la aguja es la misma que antes. Además, observa si es necesario que las bombillas están encendidas para que se desvíe la aguja de la brújula. a. ¿Qué pruebas apoyan la idea de que algo está sucediendo en lo conductores cuando las bombillas reciben energía? 39 Carlos Ribeiro ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. ¿Qué pruebas apoyan la idea de que, lo que sea que está ocurriendo en el circuito, ocurre uniformemente en todas sus partes? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Monta el circuito como lo muestra la figura A. Coloca uno de los conductores encima de la brújula, de manera que quede en posición paralela a la aguja. Abre y cierra el circuito mientras observas con cuidado la aguja. a. ¿En qué sentido de rotación de las manecillas del reloj se mueve la aguja de la brújula? ____________________________________________________________ 6. Invierte los terminales de la batería sin alterar el circuito ni la brújula. Hazlo intercambiando simplemente el conductor conectado a la terminal positiva de la batería con el conductor conectado a la terminal negativa. Abre y cierra el circuito mientras observas con cuidado la aguja y toma nota de si lo hace en el sentido de las manecillas del reloj o en sentido contrario. a. ¿La dirección de la desviación es la misma que en el paso anterior, cuando las conexiones a la batería todavía no habían sido invertidas? ¿La magnitud de la desviación de la aguja es la misma de antes? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 40 Carlos Ribeiro b. Supón que algo fluye por los conectores. ¿Crees que la dirección en que se desvía la aguja se debe a la cantidad de flujo o a la dirección del flujo? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 7. Quita una de las pilas del soporte de las baterías, de modo que en éste quede sólo dos pilas, en lugar de tres. Con cuidado observa la desviación de la aguja mientras repites los pasos 5 y 6. a. ¿Cómo son comparativamente la magnitud y dirección de las desviaciones de la aguja de la brújula cuando usas dos pilas en lugar de tres? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 8. Instala en el soporte de las baterías otras dos, de modo que ahora contenga 4 pilas. Observa cuidadosamente la desviación de la aguja, al mismo tiempo que repites los pasos 5 y 6. a. ¿Cómo son comparativamente las desviaciones de la aguja de la brújula cuando se usan cuatro pilas en lugar de tres? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 2 Determinar el valor de una resistencia desconocida utilizando la ley de ohm. Materiales requeridos Un amperímetro Un voltímetro Un metro de cable Dos pilas de 3 Volts 41 Carlos Ribeiro Diez pinzas caimanes Dos resistencias de diferente ohms Procedimiento 1. Realice el montaje del circuito eléctrico indicado en la figura 2. Ponga a funcionar el circuito eléctrico cerrando el interruptor. 3. Anota los valores que observas en el voltímetro y el amperímetro respectivamente. Voltímetro ___________________ Amperímetro ___________________ 4. Determina el valor de la resistencia desconocida utilizando la ley de ohm Corriente = Voltaje / resistencia ; I=V/R Experimento N° 3 Comprobar la ley de ohm Materiales requeridos Dos bombillas una de 2 Volts y otra de 2,5 volts con sus respectivos socates Dos pilas de 1,5 Volts Un metro de cable Cuatro pinzas caimanes Procedimiento 1. Realice el siguiente montaje del circuito eléctrico, pero con una sola pila y la bombilla de 2,5 volts 42 Carlos Ribeiro 2. Pon a funcionar el circuito cerrando el interruptor. ¿Qué observas? _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 3. Vuelve a realizar el montaje pero ahora con las dos pilas en serie. ¿Qué observas? _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 4. Realice nuevamente el montaje, pero ahora con la bombilla de 2 volts. ¿Qué observas? _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ Experimento N° 4 Demostrar la conductividad del agua y otras sustancias Materiales requeridos Tres pilas de 3 volts Una bombilla de 3 volts con su respectivo socates Un recipiente de vidrio Cuatro pinzas caimanes Un metro de cable Agua para uso domestico Azúcar Sal Una pequeña barra de grafito de un lápiz Una cucharilla plástica Procedimiento 1. Tomar las tres pilas, la bombilla y el recipiente, y usando el cable, realice el siguiente montaje del circuito que se presenta en la figura (no olvide pelar o desforrar los cables en buena parte los extremos de los cables que están sumergidos en el agua). 43 Carlos Ribeiro 2. Para asegurarse de que las pilas y la bombilla están en buenas condiciones, cierre el circuito cerrando tocando uno con otro, los extremos del conductor sumergidos en el agua. Observe si se enciende el foco. ______________________________________________________________ ___________________________________________________________ 3. Sumerja separadamente los cables en el agua. ¿Qué sucede? ______________________________________________________________ _____________________________________________________________ 4. Disuelva una cucharada de azúcar en el agua del recipiente. ¿Se enciende la bombilla? ______________________________________________________________ ____________________________________________________________ 5. Añada lentamente sal de cocina en el agua. ¿Qué observa? ______________________________________________________________ ____________________________________________________________ 6. Saque los extremos del cable del agua y conéctelos a los extremos de una pequeña barra de grafito de un lápiz. ¿Se enciende la bombilla? 7. Con base en sus observaciones responda. a. ¿El agua pura es buena conductora de electricidad? ____________________________________________________________ __________________________________________________________ b. ¿El agua con azúcar es buena conductora de electricidad? ____________________________________________________________ __________________________________________________________ 44 Carlos Ribeiro c. ¿El agua con sal es buena conductora de electricidad? ¿Por qué? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ d. ¿El grafito es buen conductor de electricidad? ¿Por qué? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 5 Observar y comparar el trabajo realizado en circuitos en serie. Materiales requeridos Cuatro bombillas de 2 voltios cada una con su respectivo socates Cuatro pilas de 1.5 volts Un metro de cable Un voltímetro Un amperímetro Diez pinzas caimanes Un interruptor Procedimiento 1. Realice el montaje del circuito eléctrico como lo indica la figura. Monta las cuatro bombillas en serie, conecta el voltímetro en paralelo con las cuatro bombillas, de modo que puedas medir el voltaje total aplicado al circuito. A continuación, conéctalo en paralelo con cada una de las bombillas para medir el voltaje a través de cada una. Conecta uno de los cables del suministro de voltaje a una de las terminales de las bombillas y la conexión a tierra a una de las terminales del amperímetro. Conecta la otra terminal del amperímetro a la segunda terminal de las bombillas. El amperímetro medirá la corriente total en el circuito. (Si no estas usando medidores digitales, quizá tengas que invertir la polaridad de los conductores si la aguja del medidor se desvía en dirección equivocada (-) cuando se aplica la energía). 45 Carlos Ribeiro V A 2. Cierre el interruptor para que sea suministrada la energía en el circuito y mida la corriente en el circuito, el voltaje aplicado al mismo y en voltaje a través de cada bombilla. Anota tus datos en tabla de datos A. TABLA DE DATOS A NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 2 3 4 3. Ahora quita una de las bombillas de la hilera, cierra el hueco en el circuito y repite tus mediciones para tres bombillas. Luego quita las otras bombillas de una en una, cerrando el hueco en el circuito cada vez y repite tus mediciones. Anota tus datos en la tabla de datos B. 46 Carlos Ribeiro TABLA DE DATOS B NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 2 3 4 4. Quita una pila del circuito y repite el proceso anterior. Anota tus datos en la tabla de datos C. TABLA DE DATOS C NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 2 3 4 5. Responde las siguientes preguntas: a. ¿Hay algún cambio en la intensidad cuando se modifica el número de bombillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. ¿Cambia el voltaje aplicado al circuito cuando añades más bombillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 47 Carlos Ribeiro c. ¿Cómo son los voltajes a través de cada bombilla en relación con el voltaje aplicado? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ d. ¿Cómo cambia la corriente suministrada por la batería cuando se añaden más bombillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ e. ¿Cambia algunas de las reglas que has descubierto y que relacionan los voltajes y las intensidades de corriente cuando quitas una de las pilas del circuito? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 6 Observar y comparar el trabajo realizado en circuitos en paralelo. Materiales requeridos Los mismos utilizados en el experimento N° 5 Procedimiento 1. Monta el circuito y conecta los instrumentos de medición como lo indican la figura. Instala el voltímetro en paralelo con las bombillas conectando el voltímetro a las terminales de uno de los extremos del aparato de bombillas en paralelo. Conecta el conductor a tierra del suministro de voltaje a uno de los cables del amperímetro; conecta el otro cable del 48 Carlos Ribeiro amperímetro a la segunda terminal del aparato de bombillas en paralelo. El amperímetro medirá la corriente total en el circuito. V A 2. Asegúrate de que las bombillas no estén flojas en sus socates. Cierra el interruptor y aplica energía la circuito. Observa la intensidad de las bombillas; después, desenrosca las bombillas de una en una. ¿Qué sucede? __________________________________________________________________ 3. Enrosca las bombillas de nuevo, de una en una, y mide en cada ocasión la corriente en el circuito, el voltaje aplicado al circuito y la caída de voltaje a través de cada bombilla. Anota tus resultados en la tabla de datos A. TABLA DE DATOS A NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 49 Carlos Ribeiro 2 3 4 4. Ahora quita una de las bombillas de la hilera, cierra el hueco en el circuito y repite tus mediciones para tres bombillas. Luego quita las otras bombillas de una en una, cerrando el hueco en el circuito cada vez y repite tus mediciones. Anota tus datos en la tabla de datos B. TABLA DE DATOS B NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 2 3 4 5. Quita una pila del circuito y repite el proceso anterior. Anota tus datos en la tabla de datos C. TABLA DE DATOS C NUMERO DE CORRIENTE VOLTAJE VOLTAJE A TRAVÉS BOMBILLAS TOTAL ( A ) TOTAL ( V ) DE CADA BOMBILLA 1 2 3 4 50 Carlos Ribeiro 6. Responde las siguientes preguntas: a. ¿Hay algún cambio en la intensidad cuando se modifica el número de bombillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ b. ¿El voltaje a través de cada bombilla cambia cuando se añaden o se quitan bombillas al circuito? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ c. ¿Cambia el voltaje aplicado al circuito cuando añades más bombillas? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ d. ¿Cómo cambia la corriente suministrada por la batería cuando se modifica el número de bombillas en el circuito? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ___________________________________________________________ Experimento N° 7 Verificar en un circuito en serie que la sumatoria de los voltajes es igual al voltaje total. Materiales requeridos Un amperímetro Un voltímetro Un metro de cable Un interruptor Tres bombillas de tres volts cada una con su respectivo socates Dos pilas de 1,5 volts Doce pinzas caimanes Procedimiento 51 Carlos Ribeiro 1. Realice el montaje del circuito eléctrico indicado en la figura. A B C D E F A 2. Ponga a funcionar el circuito cerrando el interruptor 3. Anota el valor de la intensidad de corriente que observas en el amperímetro y luego mide con el voltímetro la diferencia de potencial en los terminales de cada una de las bombillas, así como también en los puntos A y F. Anota los resultados en la siguiente tabla. INTENSIDAD(I) VAB VCD VEF VAF 4. Determine el valor de la resistencia de cada una de las bombillas a través de la ley de ohm. __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 5. Verifique que la sumatoria de los voltajes V AB + VCD + VEF = VAF __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ __________________________________________________________________ 52 Carlos Ribeiro Experimento N° 8 Trazar el diagrama de un circuito eléctrico Materiales requeridos Una linterna Procedimiento Examine las conexiones eléctricas de una linterna común, observando la disposición de las pilas, la manera como se encuentran conectadas a la bombilla, y el funcionamiento del apagador o interruptor. Trace un diagrama que muestre los detalles del circuito que observó. Experimento N° 9 Comprobar si un alambre sirve de reóstato. Materiales requeridos Un alambre muy delgado (de níquel-cromo o de acero) de casi 2mt de longitud Dos pilas de 1,5 volts 60cm de cable Una bombilla de 3 volts con su respectivo socates Una pinza caimán Procedimiento 1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura C Alambre delgado 53 Carlos Ribeiro 2. Desplace el extremo del contacto C (una pinza caimán) a lo largo del alambre delgado, hacia un lado y otro. Observe el brillo de la bombilla y responda: a. ¿La intensidad de la corriente en el circuito aumenta o disminuye cuando se incrementa la longitud en el circuito del alambre? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ b. Entonces, en estas condiciones, ¿la resistencia del circuito aumentó o disminuyó? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ Experimento N° 10 Verificar que la resistencia eléctrica de un alambre metálico depende de su longitud, de su área y del material que esta hecho. Materiales requeridos Un alambre de cobre de 30cm de longitud con sección de 1,5 mm2 Un alambre de níquel-cromo de 30cm de longitud con sección de 1,5 mm2 Un alambre de níquel-cromo de 30cm de longitud con sección de 4,0 mm2 Una bombilla de 1,5 V o 3 V con su respectivo socates Una o dos pilas de 3 V Una tabla rectangular delgada de 15cm x 40 cm Dos pinzas caimanes Seis chinches sin el plástico 60 cm de cable Procedimiento 1. Tome los tres alambres y extiéndalos sobre la tabla, sujételos por sus extremos con los chinches. Conecte la bombilla a la pila por 54 Carlos Ribeiro medio del cable en cuyos extremos se colocaron pinzas caimán, como lo indica la figura. Cobre Níquel 1,5mm2 Níquel 4,0mm2 2. Apoye las pinzas caimán en los extremos del alambre de cobre y observe el resplandor de la bombilla. 3. Ahora, haga la misma observación pero conecte las pinzas caimán a los extremos del alambre de níquel-cobre (1,5 mm2 ). El resplandor de la bombilla, ¿aumentó, disminuyó o no se alteró? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 4. Mantenga una de las dos pinzas en contacto con un extremo del alambre de níquel-cromo (1,5 mm2 ), deslice la otra pinza a lo largo de este alambre y observe la luz de la bombilla a medida que la longitud del alambre disminuye. ¿Aumenta el resplandor de la bombilla o disminuye? ¿Por qué? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 55 Carlos Ribeiro 5. Pase las pinzas a los extremos del alambre de níquel-cromo de sección 4,0 mm2 y compare el brillo de la bombilla con el que observo en el paso 3 de este experimento (si es necesario repita este paso para facilitar la comparación). ¿En cuál de las dos situaciones, el brillo de la bombilla es mayor? Explique su respuesta. ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ Experimento N° 11 Verificar el funcionamiento de un fusible. Materiales requeridos Tres pilas de 3 volts Alambre de cobre aislado de 60 cm de longitud Un soporte aislante Esponja de acero Alambre de estaño de 5cm de longitud Alambre de plomo de 5cm de longitud Un cronómetro Tira rectangular delgada de papel aluminio de 5 cm de longitud Procedimiento 1. Realice el montaje del circuito indicado en la figura 56 Carlos Ribeiro 2. Coloque sobre el soporte aislante, uno de los hilillos de la esponja de acero. Agarre los dos pedazos de alambre de cobre aislado y ponlos en contacto con los extremos del hilillo de acero, en ese mismo instante un compañero del grupo pondrá a funcionar el cronómetro hasta que el hilillo de acero se funda. ¿Qué sucede? ¿Qué sucede a nivel del efecto fisiológico? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. Repite el paso anterior, pero ahora utilizando la tira de papel aluminio, luego el alambre de estaño y por último el alambre de plomo. Anota tus observaciones en la siguiente tabla. TIPO DE ALAMBRE TIEMPO DE FUNDICIÓN EFECTO FISIOLÓGICO Hilillo de acero Papel aluminio Estaño Plomo 4. ¿Qué conclusión obtuviste en la realización del experimento con los tipos de alambres utilizados como fusible? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 57 Carlos Ribeiro 5. ¿A que efecto se le atribuye entre sus aplicaciones la construcción de los fusibles? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. ¿Qué provoca el choque eléctrico, la corriente o el voltaje? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 2. ¿Por qué un pájaro puede posarse sin peligro sobre un alambre de alto potencial? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 3. ¿Qué sucede a los demás focos si, en un circuito en serie, se quema uno de ellos? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 4. ¿Qué sucede a la intensidad de la luz de cada foco en un circuito en serie cuando se agregan más focos a éste? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 5. ¿Qué sucede a los demás focos de un circuito en paralelo si se quema uno de ellos? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 6. ¿Qué sucede a la intensidad de la luz de cada foco de un circuito en paralelo si se agregan más lámparas en paralelo al mismo circuito? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 7. ¿La corriente al fluir sale de una batería o pasa por ella? ¿Entra a un foco o pasa por él? Explique. 58 Carlos Ribeiro ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 8. ¿Por qué los alambres se calientan cuando llevan corriente eléctrica? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 9. ¿En que se parece la expresión “el agua busca su propio nivel” con la electricidad? ______________________________________________________________ PRÁCTICA N° 8 Contenido: CAPACIDAD ELÉCTRICA Objetivo: 1. Investigar cómo se carga y descarga un condensador. 2. Investigar los efectos de un dieléctrico en un condensador o capacitor de placas paralelas. Comentario. Cuando conectas una lámpara de mano, la máxima intensidad de la bombilla se alcanza de inmediato. En cambio, cuando un capacitor es parte del circuito hay un retraso apreciable antes que se presente la máxima intensidad. Cuando el circuito incluye un capacitor, el flujo de carga a través del circuito puede tardar un tiempo apreciable. Este tiempo depende de la resistencia del resistor y de la capacidad de carga del capacitor. En esta actividad colocaremos un resistor (bombilla) entre la batería y el capacitor que se va a cargar. Utilizando bombillas con diferentes resistencias será fácil observar los tiempos de carga y descarga. PRE-LABORATORIO 1. ¿Qué es un condensador o capacitor? 2. ¿Qué es la capacitancia? 3. ¿Cuál es la función de un condensador? 4. ¿Qué es un faraday? 5. ¿Qué es un dieléctrico? 59 Carlos Ribeiro 6. Diferencias entre la asociación de condensadores en serie y en paralelo. LABORATORIO Experimento N° 1 Investigar cómo se carga y descarga un condensador. Materiales requeridos Un capacitor de 25,000 microfaradios (20 volts sin polaridad) Dos bombillas N° 14 redondas (no se permiten sustituciones) Dos bombillas N° 48 alargadas (no se permiten sustituciones) Cuatro socates o portalámparas para bombillas Un paquete de doce pinzas de caimán Tres pilas de 3 volts Un cronómetro Un metro y medio de cable Procedimiento 1. Conecta las tres pilas (al conjunto se le denomina batería) , las dos bombillas alargadas y el capacitor como muestra la figura. + + _ _ 2. Deja un alambre (pinza caimán) desconectado de la batería. Cierra el circuito conectando el caimán a la pila y en ese mismo instante un compañero de clase pondrá a funcionar el cronómetro para determinar el tiempo que dura encendida la bombilla. Estas cargando el capacitor. Anota tus observaciones. 60 Carlos Ribeiro _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 3. Desconecta las pinzas caimán de la batería y retírala del circuito. Conecta entre sí los dos caimanes que estaban conectados a la batería. Observa cuánto tiempo permanecen las bombillas encendidas. Este proceso se llama descarga del capacitor. Anota tus observaciones. _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ 4. Reemplaza las bombillas alargadas por las redondas y carga el capacitor como se realizó en el paso 2. Observa el lapso de tiempo que permanecen encendidas las bombillas (utiliza el cronómetro). Quita la pila del circuito, igual que en el paso 3, y descarga el capacitor a través de las bombillas redondas. Observa cuánto tiempo permanecen encendidas las bombillas (utiliza el cronómetro) y anota tus observaciones. _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ _________________________________________________________________ a. ¿Qué tipo de bombillas permanecen encendidas más tiempo mientras el capacitor se carga y se descarga, las bombillas alargadas o las redondas? ¿Por qué? ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ ______________________________________________________________ 5. Carga el capacitor a través de las dos bombillas alargadas. Ahora quita esas bombillas de sus socates y reemplázalas con bombillas redondas, teniendo cuidado de no descargar accidentalmente el capacitor. 61 Carlos Ribeiro a. Supón que el capacitor amacena la misma cantidad de carga, sin importar qué tipo de bombillas se usen mientras se carga. ¿La descarga a través de bombillas redondas tardará más, menos o el mismo tiempo que en el paso 4, cuando el capacitor fue cargado a través de bombillas redondas? ______________________________________________________________ b. Si, por el contrario, un tiempo de carga prolongado significa que se ha almacenado en el capacitor más carga que cuando el tiempo de carga es menor, ¿La descarga a través de bombillas redondas tardará ahora más, menos o el mismo tiempo que en el paso 5? ______________________________________________________________ 6. Quita la batería del circuito y descarga el capacitor. ¿El tiempo que las bombillas permanecen encendidas es mayor, menor o igual que en el paso 4? _________________________________________________________________ Experimento N° 2 Efectos de un dieléctrico en un capacitor de placas paralelas. Materiales requeridos Dos placas metálicas rectangulares delgadas de 3cm x 7cm Una batería de 9 volts Un voltímetro Cuatro pinzas caimán 60 cm de cable Una hoja de papel Una hoja de plástico Un lámina de vidrio plano Una lámina de corcho de 14 cm de lado Dos pinzas de madera Procedimiento 62 Carlos Ribeiro 1. Tome las dos pinzas ábralas y coloque en cada una, una placa metálica y fíjelas juntas en la lámina de corcho de tal forma que las placas metálicas queden paralelas. 2. Agarre el cable de 60cm y córtelo por la mitad, fije en cada uno de sus extremos las pinzas caimanes y conecte dos en los bornes de la batería, y los otros dos en cada una de las placas paralelas. En este momento las placas se están cargando por medio de la batería y el dieléctrico existente es el aire. 3. Desconecte la batería y mide el potencial a través del capacitor conectando a las placas un voltímetro. Anota la lectura realizada. _________________________________________________________________ 4. Sin desconectar el voltímetro, inserta una tira de la hoja de papel entre las placas y mide el potencial a través del capacitor, observando el voltímetro. Anota la lectura realizada. _________________________________________________________________ Repite el experimento insertando una tira de la hoja de plástico y luego la lámina de vidrio. Anota tus observaciones realizadas. _________________________________________________________________ POST-LABORATORIO 1. Mencione un uso de los capacitores ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 2. ¿Es cierto que el tipo de bombilla afecta la rapidez del flujo de carga a través del capacitor? ____________________________________________________________ ____________________________________________________________ 3. Un capacitor plano es cargado conectándolo a los bornes de una batería. Manteniendo el contacto con dicha batería, se reduce la distancia entre las placas. Diga entonces si: 63 Carlos Ribeiro a. ¿El voltaje del aparato aumenta, disminuye o no se altera? _______________________________________________________ b. ¿La capacitancia del mismo aumenta, disminuye o no se altera? _______________________________________________________ c. ¿La carga en las placas aumenta, disminuye o no se altera? _______________________________________________________ 4. Trace un esquema que muestre tres condensadores conectados en paralelo a una batería. a. ¿En cuál de estos aparatos se tiene aplicado el mayor voltaje? _______________________________________________________ b. ¿En cuál de los condensadores está almacenada la mayor carga? _______________________________________________________ c. Escribe la ecuación que expresa la capacitancia equivalente de la conexión. _______________________________________________________ 5. Trace un esquema que muestre tres condensadores conectados en serie a una batería. a. ¿En cuál de estos capacitores se encuentra almacenada la mayor carga? _______________________________________________________ b. ¿En cuál de ellos está aplicado el mayor voltaje? _______________________________________________________ c. Escriba la ecuación que proporciona la capacitancia equivalente de tal agrupamiento. _______________________________________________________ 64
