cuadernillo practicas de elctromagnetismo
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DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
prologo<br />
Agra<strong>de</strong>cimientos<br />
Introducción<br />
Medidas y errores<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
1. Fenómenos electrostaticos<br />
2.Jaula <strong>de</strong> Faraday<br />
3. Superficies Equipotenciales<br />
4. Resistividad<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDICE<br />
5. Circuito Serie – Circuito paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
6. Tensiones y corrientes en circuitos – leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
7. Medición <strong>de</strong>l campo magnetico <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong><br />
8. Relación carga masa<br />
9. Inducción Electromagnetica<br />
10. Carga y <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> con<strong>de</strong>nsadores
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
PROLOGO<br />
Este manual ha sido <strong>de</strong>sarrollado con el objetivo <strong>de</strong> auxiliar el curso “laboratorio <strong>de</strong><br />
Electromagnetismo” en la Universidad <strong>de</strong> Pamplona.<br />
la fisica, al igual que todas las ciencias, es un conocimiento lógicamente estructurado<br />
sobre un conjunto amplio <strong>de</strong> fenómenos, y en su construcción se requiere <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>finiciones, postulados y leyes, los cuales enmarcados como ciencia exacta se<br />
procuran <strong>de</strong>scribir un conjunto <strong>de</strong> fenomenos naturales. Su objetividad <strong>de</strong>be estar<br />
regulada por la verificación experimental, la predicción <strong>de</strong> nuevos fenómenos y nuevas<br />
aplicaciones.<br />
El laboratorio <strong>de</strong> electromagnetismo completa la formación <strong>de</strong>l curso <strong>de</strong><br />
electromagnetismo, brindando al estudiante la posibilidad <strong>de</strong> experimentar los diversos<br />
fenómenos eléctricos y magnéticos mediante <strong>practicas</strong> guiadas, las cuales serán<br />
<strong>de</strong>sarrolladas <strong>de</strong> forma rotativa por los estudiantes en grupos <strong>de</strong> tres personas. Las<br />
tematicas son fenómenos electrostáticos, <strong>practicas</strong> <strong>de</strong> magnetismo, circuitos y sus<br />
dispostitivos <strong>de</strong> medición.<br />
El laboratorio cuenta con diferentes equipos como: fuentes <strong>de</strong> corriente continua y<br />
alterna, generador <strong>de</strong> señal, osciloscopio, sensor <strong>de</strong> voltaje e interfaz <strong>de</strong> pasco , la cual<br />
recoje directamente los datos experimentales al PC.<br />
3
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Magnitu<strong>de</strong>s, Unida<strong>de</strong>s y Medidas<br />
La <strong>de</strong>scripción por el lenguaje natural <strong>de</strong>l mundo observado a nuestro alre<strong>de</strong>dor hace<br />
uso <strong>de</strong> calificativos opuestos: gran<strong>de</strong>-pequeño, muchos-pocos, ancho-estrecho, durosuave,<br />
grave-agudo, liviano pesado, claro-oscuro, rápido-lento, efímero-durable, etc.,<br />
para <strong>de</strong>notar diferentes propieda<strong>de</strong>s y comportamientos <strong>de</strong> los objetos. Sin embargo,<br />
estas <strong>de</strong>scripciones cualitativas son relativas e imprecisas cuando se trasladan al<br />
ámbito científico o técnico, pues un objeto pue<strong>de</strong> ser gran<strong>de</strong> comparado con un<br />
segundo y al mismo tiempo ser más pequeño comparado que un tercero. Por tanto, es<br />
conveniente tomar un objeto o sistema que, con respecto a esa propiedad, nos sirva <strong>de</strong><br />
referencia. La propiedad comparable <strong>de</strong> este objeto constituye un patrón. La<br />
elaboración <strong>de</strong> una escala comparativa basada en un patrón <strong>de</strong>terminado nos permite<br />
establecer cuantitativamente la propiedad correspondiente en otros objetos.<br />
El proceso <strong>de</strong> comparación con algún patrón es la esencia <strong>de</strong> la medida, y el uso <strong>de</strong><br />
escalas basadas en los patrones facilita el proceso <strong>de</strong> medida. Los objetos que portan<br />
escalas comparativas son <strong>de</strong>nominados instrumentos <strong>de</strong> medida. Cualquier propiedad<br />
susceptible <strong>de</strong> ser medida es llamada magnitud física.<br />
Ejemplos <strong>de</strong> patrones <strong>de</strong> tiempo pue<strong>de</strong>n ser el intervalo que existe entre dos<br />
amaneceres (día), o entre dos lunas llenas (mes), entre dos primaveras (año), etc;<br />
patrones <strong>de</strong> longitud pue<strong>de</strong>n ser el tamaño <strong>de</strong> la última falange <strong>de</strong>l pulgar (pulgada), la<br />
máxima extensión entre los <strong>de</strong>dos <strong>de</strong> una mano (cuarta), la máxima extensión entre las<br />
manos (brazada), etc. Los patrones en sí mismos y sus múltiplos y submúltiplos<br />
constituyen unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> medida.<br />
Por ejemplo: la semana que son siete días, el siglo que correspon<strong>de</strong> a cien años y la<br />
hora que es la veinticuatroava parte <strong>de</strong>l día, son unida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> tiempo.<br />
5
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
En el sistema métrico décimal los múltiplos y submúltiplos usuales correspon<strong>de</strong>n a<br />
potencias enteras <strong>de</strong> 10. Los nombres correspondientes a estos múltiplos y<br />
submúltiplos están relacionados con prefijos que se le aña<strong>de</strong>n a la unidad. Estos<br />
prefijos están dados a continuación:<br />
10 <br />
10 <br />
10 <br />
10 <br />
10 <br />
Deca<br />
Hecto<br />
Kilo<br />
Mega<br />
Giga<br />
10 Tera<br />
6<br />
10 eci<br />
d<br />
10 <br />
10 <br />
10 <br />
10 <br />
centi<br />
mili<br />
micro<br />
nano<br />
10 pico<br />
Es usual asociar a cada magnitud física una dimensión. Por ejemplo, la altura <strong>de</strong> una<br />
persona tiene dimensión <strong>de</strong> longitud y su peso dimensión <strong>de</strong> fuerza. El producto o<br />
división <strong>de</strong> dimensiones constituyen nuevas dimensiones, sin embargo, <strong>de</strong> ninguna<br />
manera esta <strong>de</strong>finida la suma <strong>de</strong> cantida<strong>de</strong>s con dimensiones diferentes. Es un buen<br />
hábito, por tanto, probar la consistencia dimensional <strong>de</strong> las expresiones matemáticas,<br />
esto es, que todos los sumandos <strong>de</strong> una expresión tengan la misma dimensión. En<br />
dinámica existen básicamente tres dimensiones fundamentales: longitud (L), tiempo (T)<br />
y masa (M), todas las otras dimensiones se pue<strong>de</strong>n reducir a productos <strong>de</strong> las<br />
potencias <strong>de</strong> estas. En el sistema internacional <strong>de</strong> medidas (SI) las unida<strong>de</strong>s asociadas<br />
a esas magnitu<strong>de</strong>s fundamentales son respectivamente el metro, el segundo y el<br />
kilogramo.
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Magnitu<strong>de</strong>s físicas usadas en Electromagnetismo.<br />
Magnitud física Símbolo Unidad SI<br />
carga eléctrica Q C<br />
<strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> carga ρ C m -3<br />
corriente eléctrica I, i A<br />
<strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> corriente<br />
eléctrica<br />
j A m -2<br />
potencial eléctrico V V<br />
diferencia <strong>de</strong><br />
potencial, voltaje<br />
ΔV V<br />
campo eléctrico E V m -1<br />
capacidad C F<br />
permitividad eléctrica ε F m -1<br />
permitividad relativa εr 1<br />
momento dipolar<br />
eléctrico<br />
p C m<br />
flujo magnético Φ Wb<br />
campo magnético B T<br />
permeabilidad µ H m -1 , N A -2<br />
permeabilidad<br />
relativa<br />
resistencia R Ω<br />
resistividad ρ Ω m<br />
autoinducción L H<br />
inducción mutua Μ H<br />
constante <strong>de</strong> tiempo τ s<br />
µr<br />
7<br />
1
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
1<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
FENOMENOS ELECTROSTATICOS<br />
1. Estudiar la naturaleza <strong>de</strong> la fuerza eléctrica.<br />
2. Estudiar los diferentes métodos <strong>de</strong> cargar eléctricamente los cuerpos (inducción, contacto,<br />
frotamiento)<br />
3. Experimentar con materiales conductores y dieléctricos.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Barra <strong>de</strong> plástico 1<br />
Barra <strong>de</strong> vidrio 1<br />
Barra <strong>de</strong> acrilico 1<br />
Barra <strong>de</strong> ebonita 1<br />
Paño <strong>de</strong> seda 1<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
El <strong>de</strong>scubrimiento <strong>de</strong> la electricidad data <strong>de</strong> los griegos, que observaron que al frotar ámbar<br />
vigorosamente este atraía pequeños trozos <strong>de</strong> materia, como paja y cascaras <strong>de</strong> granos.<br />
Posteriormente, en 1600, un siglo antes <strong>de</strong> Newton, William Gilbert (1540-1603), un científico <strong>de</strong> interés<br />
renacentista y médico <strong>de</strong> la reina Elizabeth I, <strong>de</strong>scubrió que el vidrio y muchas otras sustancias, atraen<br />
pequeños trozos <strong>de</strong> materia como lo hace el ámbar. El <strong>de</strong>scribió las observaciones asegurando que los<br />
materiales se han electrificado, lo cual significaba que “que obtenían propieda<strong>de</strong>s como el ámbar”.<br />
Las aplicaciones <strong>de</strong> electrostática se basan en la posibilidad <strong>de</strong> cargar pequeñas cantida<strong>de</strong>s <strong>de</strong> materia<br />
y usar la fuerza <strong>de</strong> atracción o <strong>de</strong> repulsión para un fin en particular.<br />
Muchos fenómenos físicos que se observan en la naturaleza y a nuestro alre<strong>de</strong>dor, no pue<strong>de</strong>n ser<br />
explicados solamente con base en la mecánica, la teoría cinética molecular o la termodinámica. En<br />
dichos fenómenos aparecen fuerzas que actúan entre los cuerpos a cierta distancia, y no <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong><br />
las masas <strong>de</strong> los cuerpos que interactúan, por consiguiente no son fuerzas gravitacionales. Estos<br />
fenómenos fueron explicados a través <strong>de</strong> las fuerzas electrostáticas.<br />
La electrostática es el estudio <strong>de</strong> las cargas eléctricas en reposo, su interacción y las propieda<strong>de</strong>s<br />
eléctricas <strong>de</strong> los distintos materiales. El instrumento más utilizado para estudiar los fenómenos<br />
electrostáticos es el electrómetro, el cual indica la magnitud y tipo <strong>de</strong> carga.<br />
Pero el estudio sistemático y cuantitativo <strong>de</strong> los fenómenos físicos, en los cuales aparece la interacción<br />
electromagnética <strong>de</strong> los cuerpos empezó solamente a finales <strong>de</strong>l siglo XVIII. Con los trabajos <strong>de</strong> muchos<br />
científicos en el siglo XIX se finalizó la creación <strong>de</strong> una ciencia estructurada <strong>de</strong>dicada al estudio <strong>de</strong> los<br />
fenómenos eléctricos y magnéticos. Esta ciencia, la cual es una <strong>de</strong> las principales ramas <strong>de</strong> la física,<br />
tomó el nombre <strong>de</strong> Electromagnetismo.<br />
Cuestionario<br />
1. Concepto <strong>de</strong> carga puntual. 2. Definir ley <strong>de</strong> la Conservación <strong>de</strong> la carga. 3. Definir cuantización<br />
<strong>de</strong> la carga. 4. Concepto <strong>de</strong> Coulomb<br />
7
Procedimiento<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
FENOMENOS ELECTROSTATICOS<br />
1.Se suspen<strong>de</strong> una barra <strong>de</strong> plástico <strong>de</strong> un hilo <strong>de</strong> forma horizontal como se muestra en la figura 1, se<br />
acerca una barra <strong>de</strong> vidrio, una <strong>de</strong> acrílico, una <strong>de</strong> lapicero, y una <strong>de</strong> ebonita a uno <strong>de</strong> sus extremos<br />
alternadamente. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
2. Se frota con un paño <strong>de</strong> seda la barra <strong>de</strong> plástico suspendida <strong>de</strong> forma horizontal. Se acerca una<br />
barra <strong>de</strong> vidrio previamente frotada con el paño <strong>de</strong> seda a la barra <strong>de</strong> plástico ¿Qué observó?... ¿Por<br />
qué ocurrió eso? (Elabore un esquema).<br />
3. Se acerca ahora la barra <strong>de</strong> vidrio previamente frotada con seda al extremo no frotado <strong>de</strong> la barra <strong>de</strong><br />
plástico. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
4. Se acerca un bolígrafo frotado con seda al extremo frotado <strong>de</strong>l plástico. ¿Qué observó? ¿Por qué<br />
ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
5. Se acerca ahora un bolígrafo frotado con seda al extremo no frotado <strong>de</strong>l plástico. ¿Qué observó? ¿Por<br />
qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
Barra<br />
Figura 1. Barra dispuesta <strong>de</strong> forma horizontal<br />
6. Sabiendo que el vidrio al frotarse con seda queda cargado positivamente, i<strong>de</strong>ntifique el tipo <strong>de</strong> carga<br />
<strong>de</strong> los diferentes cuerpos frotados, <strong>de</strong> acuerdo a lo observado.<br />
7. Se frota en lana una barra <strong>de</strong> plástico, se acerca sin tocar, a la bolita <strong>de</strong> icopor <strong>de</strong> un péndulo<br />
electrostático (la bolita esta forrada <strong>de</strong> papel aluminio) ¿Qué observó? Por qué ocurrió eso? (Elabore un<br />
esquema )<br />
8. Repita el paso anterior pero ahora acerque hasta tocar. ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso?<br />
(Elabore un esquema)<br />
9. Se frota <strong>de</strong> nuevo la barra <strong>de</strong> plástico y se acerca cuidadosamente por la parte inferior <strong>de</strong> la bolita <strong>de</strong>l<br />
péndulo electrostático, tratando <strong>de</strong> no tocar ¿Qué observó?..¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un<br />
esquema)<br />
10. Sin retirar la barra, toque por la parte superior a la bolita <strong>de</strong> icopor con el <strong>de</strong>do índice (conexión a<br />
tierra) ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
11. Se cargan las bolitas <strong>de</strong> dos péndulos electrostáticos (icopor recubierto <strong>de</strong> grafito) con el mismo tipo<br />
<strong>de</strong> carga. Se acerca una frente a otra... ¿Qué observó?...¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
12. Se cargan dos péndulos electrostáticos <strong>de</strong> globo con el mismo tipo <strong>de</strong> carga. Se acerca uno frente a<br />
otro... ¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
13. Se cargan dos bolitas <strong>de</strong> péndulos electrostáticos, pero ahora con cargas <strong>de</strong> signos diferentes…<br />
¿Qué observó? ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
14. Se frota un bolígrafo en el pelo y luego se acerca a la parte superior <strong>de</strong> un electroscopio, sin llegar<br />
tocarlo. ¿Qué observó?... ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
8
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
FENOMENOS ELECTROSTATICOS<br />
15. Se repite el paso anterior pero ahora si se toca con la barra cargada a la parte superior <strong>de</strong>l<br />
electroscopio. ¿Qué observó?... ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
16. Se frota la barra <strong>de</strong> plástico en el pelo, se acerca sin tocar, a la parte superior <strong>de</strong>l electroscopio<br />
mientras se hace contacto a tierra con el <strong>de</strong>do índice <strong>de</strong> la otra mano. ¿Qué observó?...¿Por qué ocurrió<br />
eso? (Elabore un esquema ). Se carga el electroscopio con carga negativa y luego se acerca un cuerpo<br />
también negativo ¿Qué observó?... ¿Por qué ocurrió eso? (Elabore un esquema)<br />
Se repite el paso anterior, pero ahora se acerca un cuerpo cargado positivamente. ¿Qué observó?...Por<br />
qué ocurrió eso? (Elabore un esquema )<br />
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
1. De las observaciones anteriores, enuncie la ley <strong>de</strong> atracción y repulsión <strong>de</strong> las cargas<br />
2. Cómo <strong>de</strong>scribiría un material dieléctrico y conductor<br />
3. Describa algunas formas <strong>de</strong> cargar un objeto (frotación, inducción, conducción).<br />
9
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
2<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
JAULA DE FARADAY<br />
1. Determinar la relación entre la carga inducida en la jaula <strong>de</strong> Faraday por un objeto cargado <strong>de</strong>ntro<br />
<strong>de</strong>l mismo y la diferencia <strong>de</strong> potencial.<br />
2. Analizar la naturaleza eléctrica <strong>de</strong> objetos cargados.<br />
3. Demostrar la conservación <strong>de</strong> carga.<br />
4. Estudiar la distribución <strong>de</strong> carga sobre una esfera en diferentes situaciones.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
a) Jaula <strong>de</strong> Faraday b). Puesta a tierra c).Inserción <strong>de</strong>l disco<br />
cargado<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Electrómetro 1<br />
Jaula <strong>de</strong> Faraday 1<br />
Productores <strong>de</strong> carga 3<br />
Esferas conductoras Varias<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
Michael Faraday, fue un físico y químico británico que estudió <strong>de</strong> forma <strong>de</strong>terminante el<br />
electromagnetismo y la electroquímica. Su experimento consiste en que en un cubo hueco por <strong>de</strong>ntro<br />
con una abertura en la parte superior se introduce una esfera <strong>de</strong> metal y se conecta a un electroscopio<br />
(electrómetro). En ese momento el electroscopio indicará una carga <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> dicho recipiente que será<br />
opuesta a la carga <strong>de</strong> la esfera. Afuera <strong>de</strong> la cubeta la carga será igual que en la esfera. Mientras la<br />
esfera este <strong>de</strong>ntro, el electrómetro mostrará la misma carga; cuando la esfera se saca <strong>de</strong> la cubeta, el<br />
electrómetro <strong>de</strong>jara <strong>de</strong> mostrar la carga. Así en el momento <strong>de</strong> <strong>de</strong>scargar la esfera, si este objeto con<br />
carga negativa hace tierra, los electrones se mueven hacia el suelo y si tiene carga positiva atrae<br />
electrones <strong>de</strong>l suelo y se neutraliza.<br />
Cuestionario:<br />
1. Defina diferencia <strong>de</strong> potencial<br />
2. Explicar como funciona el electrómetro<br />
3. ¿Porqué cree que existe una diferencia <strong>de</strong> potencial entre el cubo y el blindaje solamente mientras<br />
que el objeto cargado esta a<strong>de</strong>ntro?<br />
.<br />
10
Procedimiento<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CUBO DE HIELO DE FARADAY<br />
PARTE I. CARGANDO POR INDUCCIÓN Y CARGANDO POR CONTACTO.<br />
1. Conecte el Electrómetro al cubo <strong>de</strong> hielo Faraday. Asegúrese <strong>de</strong> aterrizar el cubo <strong>de</strong> hielo. El<br />
Electrómetro <strong>de</strong>be marcar cero cuando está aterrizado, indicando que el cubo <strong>de</strong> hielo no está cargado.<br />
Presione el botón cero y remueva completamente toda la carga <strong>de</strong>l electrómetro y el cubo <strong>de</strong> hielo,<br />
siempre empiece con el rango <strong>de</strong>l voltaje or<strong>de</strong>nado en la mayor configuración (100 voltios). Los<br />
productores <strong>de</strong> carga serán utilizados como objetos cargados. Siempre que se encuentre dispersada<br />
cualquier carga sobre el cuello <strong>de</strong> los productores toque el cuello y el mango con el enrejado aterrizado.<br />
Usted también <strong>de</strong>be estar aterrizado. Frote la superficie blanca y azul. Mantenga en su mano solo el<br />
productor <strong>de</strong> carga que va a utilizar. Coloque el otro productor <strong>de</strong> carga retirado, lejos <strong>de</strong>l contacto con<br />
cualquiera <strong>de</strong> las superficies <strong>de</strong>l cubo <strong>de</strong> hielo. Antes <strong>de</strong> insertar el disco cargado en el cubo <strong>de</strong> hielo,<br />
asegúrese <strong>de</strong> que Usted está tocando el sistema <strong>de</strong> apantallamiento aterrizado tenga cuidado si tiene<br />
saco <strong>de</strong> lana o chaqueta <strong>de</strong> plastico, procure quitarsela durante el laboratorio.<br />
Inserte el disco cargado en el cubo <strong>de</strong> hielo <strong>de</strong> la mitad hacia abajo pero sin permitir que toque el fondo<br />
<strong>de</strong> la pila. Tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro. Quite el objeto y otra vez tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro.<br />
2. Presione el botón cero para remover cualquier carga residual ahora inserte el objeto nuevamente, pero<br />
permítale que toque el cubo <strong>de</strong> hielo. Retire el objeto y tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro.<br />
3. Presione el botón cero para remover las cargas residuales <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el Electrómetro.<br />
Inserte la varita otra vez <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l cubo <strong>de</strong> hielo.<br />
PARTE II. CONSERVACIÓN DE LA CARGA.<br />
4. Inicie con los productores <strong>de</strong> carga <strong>de</strong>scargados, friccione los materiales azul y blanco. En este caso<br />
<strong>de</strong>berá conservar los dos productores <strong>de</strong> carga, sin que toquen nada, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> haber sido cargados.<br />
(manténgalos en sus manos, sin permitir que se toquen el uno al otro o al cubo <strong>de</strong> hielo). Use el cubo <strong>de</strong><br />
hielo <strong>de</strong> Faraday para medir la magnitud y la polaridad <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las varitas cargadas, insertado<br />
una a la vez <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l cubo <strong>de</strong> hielo, y tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro.<br />
5. Remueva completamente toda la carga <strong>de</strong> los productores <strong>de</strong> carga aterrizándolos. Tampoco olvi<strong>de</strong><br />
remover cualquier carga dispersada sobre los cuellos y el mango.Inserte los dos productores <strong>de</strong> carga<br />
<strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l cubo <strong>de</strong> hielo y frótelos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l cubo. Tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro. No permita que los<br />
productores <strong>de</strong> carga toquen el cubo. Retire un productor <strong>de</strong> carga y tome la lectura <strong>de</strong>l Electrómetro.<br />
Reemplace el productor <strong>de</strong> carga por el otro. Tome la lectura.<br />
PARTE III: DISTRIBUCIÓN DE CARGA<br />
El propósito es investigar la forma en que la carga es distribuida en una superficie esférica midiendo las<br />
variaciones <strong>de</strong> la <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> carga. Una superficie esférica cargada será muestreada con un disco<br />
plano <strong>de</strong> prueba metálico. El disco plano <strong>de</strong> prueba se introducirá en el cubo <strong>de</strong> hielo <strong>de</strong> Faraday para<br />
medir la carga. La <strong>de</strong>nsidad <strong>de</strong> carga relativa pue<strong>de</strong> observarse muestreando diferentes secciones <strong>de</strong> la<br />
superficie. Por ejemplo: Usted pue<strong>de</strong> encontrar que la cantidad <strong>de</strong> carga sobre dos regiones <strong>de</strong> igual<br />
tamaño sobre la superficie <strong>de</strong> un conductor pue<strong>de</strong>n diferir en magnitud o en signo. Esto ocurre para<br />
distribuciones <strong>de</strong> carga no uniformes. Alternativamente también se pue<strong>de</strong> observar que para<br />
distribuciones <strong>de</strong> carga uniformes, en cualquier lugar sobre la superficie la carga tiene la misma<br />
magnitud y signo. Un aspecto importante <strong>de</strong> la medición <strong>de</strong> la distribución <strong>de</strong> la carga es la conservación<br />
<strong>de</strong> la carga.<br />
El disco plano <strong>de</strong> prueba toma cierta carga <strong>de</strong>s<strong>de</strong> la superficie que se muestrea. Antes <strong>de</strong> comenzar<br />
cerciórese <strong>de</strong> que el cubo <strong>de</strong> hielo este apropiadamente puesto a tierra, con el blindaje conectado al<br />
cubo y el conductor negro conectado sobre el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l blindaje y el rojo conectado sobre el bor<strong>de</strong> <strong>de</strong>l<br />
cubo <strong>de</strong> hielo.<br />
11
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CUBO DE HIELO DE FARADAY<br />
6. Coloque las dos esferas <strong>de</strong> aluminio a 50 cm la una <strong>de</strong> la otra. La esfera conectada será utilizada<br />
como el cuerpo cargado. Momentáneamente conecte a tierra la otra esfera para remover cualquier carga<br />
residual <strong>de</strong> ella. Comience la <strong>de</strong>mostración muestreando y registrando la carga en diferentes puntos<br />
sobre la esfera cargada. Elija diferentes puntos sobre la superficie para obtener una muestra promedio<br />
<strong>de</strong> la carga superficial.<br />
10. La esfera conectada será utilizada como el cuerpo cargado. Momentáneamente conecte a tierra la<br />
esfera para remover cualquier carga residual <strong>de</strong> ella. Comience a muestrear y registrar la carga en<br />
diferentes puntos sobre la esfera cargada. Elija diferentes puntos sobre la superficie para obtener una<br />
muestra promedio <strong>de</strong> la carga superficial.<br />
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
1. Realice un gráfico <strong>de</strong>l promedio <strong>de</strong> la carga superficial vs Potencial<br />
2. Analice los resultados gráficos.<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
PARTE I. CARGANDO POR INDUCCIÓN Y CARGANDO POR CONTACTO.<br />
1. Han quedado algunas cargas remanentes sobre ellas?<br />
2. ¿Porqué hay ahora una diferencia <strong>de</strong> potenciales permanentes entre el cubo <strong>de</strong> hielo y el blindaje? De<br />
dón<strong>de</strong> provino la carga en el cubo <strong>de</strong> hielo?<br />
PARTE II. CONSERVACIÓN DE LA CARGA.<br />
1. ¿Cuál es la relación entre las magnitu<strong>de</strong>s <strong>de</strong> la carga? ¿Cuál es la relación entre la polaridad <strong>de</strong> las<br />
cargas? ¿Se conserva la carga en la <strong>de</strong>mostración?<br />
2. Utilizando la magnitud y la polaridad <strong>de</strong> las mediciones, comente sobre la conservación <strong>de</strong> la carga.<br />
PARTE III: DISTRIBUCIÓN DE CARGA<br />
1. ¿Cómo se distribuye la carga en una esfera conductora?<br />
12
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
3<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Y LINEAS DE CAMPO ELECTRICO<br />
1. Dibujar líneas <strong>de</strong> campo a través <strong>de</strong>l mapeo <strong>de</strong> líneas equipotenciales.<br />
2. Medir el valor <strong>de</strong>l potencial eléctrico en la dirección <strong>de</strong> su gradiente para corrientes estacionarias y<br />
realizar la analogía correspondiente con la situación electrostática.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Papel conductor con diferentes<br />
configuraciones<br />
4<br />
Fuente <strong>de</strong> Volataje 1<br />
Multimetro 1<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
La fuerza eléctrica entre dos cargas esta dirigida a lo largo <strong>de</strong> la línea que une las dos cargas y <strong>de</strong>pen<strong>de</strong><br />
inversamente <strong>de</strong>l cuadrado <strong>de</strong> su separación, lo mismo que la fuerza gravitacional entre dos masas. Tal<br />
como la fuerza gravitacional, la fuerza eléctrica es conservativa, luego hay una función <strong>de</strong> energía<br />
potencial (U) asociada con ella. Si se coloca una carga q <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un campo eléctrico, su energía<br />
potencial es proporcional a la posición <strong>de</strong> la carga y al valor <strong>de</strong> q. Pero, la energía potencial por unidad<br />
<strong>de</strong> carga se <strong>de</strong>nomina potencial eléctrico (V), es una función <strong>de</strong> la posición en el espacio don<strong>de</strong> esté<br />
colocada la carga y no <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> la carga q.<br />
13
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Y LINEAS DE CAMPO ELECTRICO<br />
Campos Eléctricos Estáticos: Son aquellos cuyo valor en un <strong>de</strong>terminado punto <strong>de</strong>l espacio no cambia<br />
con el tiempo.<br />
Potencial eléctrico (V) y diferencia <strong>de</strong> potencial (ΔV)<br />
Cuando una carga eléctrica q se coloca <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> una región don<strong>de</strong> existe un campo eléctrico estático<br />
E( x,<br />
y,<br />
z)<br />
r<br />
, la fuerza eléctrica ( F r ) actúa sobre la carga moviéndola a través <strong>de</strong> una trayectoria C que<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>rá <strong>de</strong> la función vectorial E( x,<br />
y,<br />
z)<br />
r<br />
. La carga al realizar un <strong>de</strong>splazamiento infinitesimal dl r ,<br />
cambia su energía potencial una cantidad dU r dada por:<br />
r r<br />
dU = −F<br />
⋅ dl<br />
(1)<br />
r r<br />
Como la fuerza eléctrica ejercida por el campo eléctrico sobre la carga puntual es F = qE<br />
, entonces,<br />
cuando la carga realiza el pequeño <strong>de</strong>splazamiento <strong>de</strong>bido al campo eléctrico, el cambio en su energía<br />
potencial electrostática es:<br />
r r<br />
dU = −qE<br />
⋅ dl<br />
(2)<br />
El cambio en su energía potencial es proporcional al valor <strong>de</strong> la carga q. El cambio <strong>de</strong> energía potencial<br />
por unidad <strong>de</strong> carga (llamado diferencia <strong>de</strong> potencial dV) es:<br />
dU r r<br />
dV = = −E<br />
⋅ dl<br />
(3)<br />
q<br />
Si la carga se <strong>de</strong>splaza <strong>de</strong>s<strong>de</strong> un punto a hasta un punto b, el cambio en su potencial eléctrico es:<br />
ΔU<br />
b r r<br />
ΔV = Vb<br />
−Va<br />
= = − E x y z ⋅ dl<br />
q ∫ ( , , )<br />
(4)<br />
a<br />
La función V es llamada el potencial eléctrico o simplemente potencial. Tal como el campo eléctrico<br />
estático, V es una función <strong>de</strong> las posición, con la diferencia que el potencial es una función escalar y el<br />
campo eléctrico estático es una función vectorial. Pero, ambas son propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l espacio que no<br />
<strong>de</strong>pen<strong>de</strong>n <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> la carga.<br />
Si la energía potencial eléctrica <strong>de</strong> la carga q y el potencial eléctrico en el espacio son cero en el mismo<br />
punto, la relación entre ellos esta dado por:<br />
U = qV<br />
(5)<br />
Calculo <strong>de</strong>l campo eléctrico a partir <strong>de</strong>l potencial eléctrico<br />
Si se conoce el potencial en todo punto <strong>de</strong> una región <strong>de</strong>l espacio, se pue<strong>de</strong> usar para calcular el campo<br />
eléctrico. Consi<strong>de</strong>rando un <strong>de</strong>splazamiento pequeño dl r en un campo eléctrico estático E( x,<br />
y,<br />
z)<br />
r<br />
. El<br />
cambio en el potencial es:<br />
r r<br />
dV = −E<br />
⋅ dl<br />
= Eldl<br />
(6)<br />
don<strong>de</strong> E l es la componente <strong>de</strong> ) , , ( z y x Er paralelo al <strong>de</strong>splazamiento. Entonces,<br />
dV<br />
El = −<br />
(7)<br />
dl<br />
Si no hay cambio en el potencial al pasar <strong>de</strong> un punto a otro, es <strong>de</strong>cir, dV = 0 , el <strong>de</strong>splazamiento dl r el<br />
perpendicular al campo eléctrico E( x,<br />
y,<br />
z)<br />
r<br />
. El cambio más gran<strong>de</strong> ocurre cuando el <strong>de</strong>splazamiento es<br />
a lo largo <strong>de</strong>l campo eléctrico. Como un vector que apunta en la dirección <strong>de</strong>l cambio más gran<strong>de</strong> en una<br />
función escalar y que tiene magnitud igual a la <strong>de</strong>rivada <strong>de</strong> esa función respecto a la distancia en esa<br />
14
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Y LINEAS DE CAMPO ELECTRICO<br />
dirección es llamada gradiente <strong>de</strong> la función, entonces, el campo eléctrico E( x,<br />
y,<br />
z)<br />
r<br />
es el gradiente<br />
negativo <strong>de</strong>l potencial V. Esto es:<br />
r r<br />
→ ) ∂V<br />
) ∂V<br />
) ∂V<br />
E(<br />
x,<br />
y,<br />
z)<br />
= −∇V<br />
( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= −gra<br />
d V ( x,<br />
y,<br />
z)<br />
= −(<br />
i + j + k )<br />
(8)<br />
∂x<br />
∂y<br />
∂z<br />
Superficies equipotenciales<br />
En una región don<strong>de</strong> existe un campo eléctrico, las superficies don<strong>de</strong> el potencial tiene el mismo valor se<br />
llaman equipotenciales. Es <strong>de</strong>cir, la diferencia <strong>de</strong> potencial entre dos puntos sobre una superficie<br />
equipotencial es cero. Cuando una carga se <strong>de</strong>splaza un dl r sobre una superficie equipotencial, el<br />
cambio en el potencial es:<br />
r r<br />
dV = −E<br />
⋅ dl<br />
= 0<br />
(9)<br />
Entonces, las líneas <strong>de</strong> campo eléctrico que emanan <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una superficie equipotencial <strong>de</strong>ben ser<br />
perpendiculares a la superficie.<br />
CUESTIONARIO<br />
1. ¿Por qué las líneas <strong>de</strong> campo eléctrico que emanan <strong>de</strong>s<strong>de</strong> una superficie equipotencial <strong>de</strong>ben ser<br />
perpendiculares a la superficie?.<br />
2. Consultar cómo son las líneas <strong>de</strong> campo eléctrico para las diferentes configuraciones mostradas en<br />
la figura 3.1<br />
CAPACITOR DE PLACAS<br />
CAPACITOR CON ELECTRODO<br />
DIPOLO DE CARGA OPUESTA<br />
FUENTE PUNTUAL Y ANILLO DE<br />
PROTECCION<br />
Figura 3.1. Configuraciones para visualizar las líneas <strong>de</strong> campo eléctrico<br />
15
Procedimiento<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES Y LINEAS DE CAMPO ELECTRICO<br />
Sobre papeles conductores se han implementado diversos electrodos, así al aplicar una diferencia <strong>de</strong><br />
potencial entre los distintos electrodos circularán sobre los mismos unas corrientes estacionarias cuyo<br />
comportamiento respon<strong>de</strong> a la ecuación <strong>de</strong> Laplace, por tanto se estará estudiando también un problema<br />
<strong>de</strong> electrostática.<br />
Para cada configuración:<br />
1. Conecte los electrodos <strong>de</strong>l generador en los electrodos <strong>de</strong>l papel tal como lo indica la figura 1.<br />
2. Coloque la fuen<strong>de</strong> <strong>de</strong> DC a 12 V aproximadamente.<br />
3. Con las puntas <strong>de</strong>l voltímetro se mi<strong>de</strong>n los potenciales en distintos puntos <strong>de</strong>l papel (utilizando la<br />
simetría <strong>de</strong> cada configuración se evitará el tener que realizar muchas medidas). En el papel se<br />
anotan los valores <strong>de</strong>l potencial en las coor<strong>de</strong>nadas correspondientes <strong>de</strong>l punto.<br />
4. Se unen los puntos <strong>de</strong> igual valor <strong>de</strong> potencial para obtener las líneas equipotenciales.<br />
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
Los datos que se toman <strong>de</strong>ben contener todas las columnas correspondientes a todos los datos que el<br />
estudiante recopila durante el procedimiento.<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
ANÁLISIS ( Para todas las configuraciones )<br />
1. Dibuje sobre el mismo papel don<strong>de</strong> dibujó las líneas equipotenciales, las líneas <strong>de</strong>l campo eléctrico<br />
correspondiente.<br />
CAPACITOR DE PLACAS PARALELAS<br />
2. ¿Qué valor tiene el campo fuera <strong>de</strong> las placas <strong>de</strong>l capacitor?<br />
3. ¿Cómo es el campo cerca <strong>de</strong> los bor<strong>de</strong>s <strong>de</strong>l capacitor (efecto <strong>de</strong> bor<strong>de</strong>s)?<br />
FUENTE PUNTUAL Y ANILLO DE PROTECCIÓN<br />
4. Cuál es la diferencia <strong>de</strong> potencial en puntos fuera <strong>de</strong>l anillo <strong>de</strong> protección?<br />
5. ¿Qué valor tiene el campo eléctrico fuera <strong>de</strong>l anillo <strong>de</strong> protección?<br />
6. ¿Para qué sirve el anillo <strong>de</strong> protección?<br />
7. Realice una gráfica <strong>de</strong> diferencia <strong>de</strong> potencial (ΔV) en puntos <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l anillo contra la distancia (r)<br />
medida <strong>de</strong>s<strong>de</strong> el centro al punto.<br />
CONDENSADOR CON ELECTRODO FLOTANTE<br />
8. ¿Cómo distorsiona el campo el electrodo circular?:<br />
9. ¿Cuánto vale el potencial sobre el electrodo circular y en su interior?:<br />
10. ¿Qué efecto tendría mover el electrodo?<br />
DIPOLO DE CARGA OPUESTA<br />
11. Contrastar los valores teóricos <strong>de</strong>l potencial sobre la línea que une ambos electrodos con las<br />
medidas experimentales <strong>de</strong>l potencial realizado.<br />
16
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
4<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RESISTIVIDAD<br />
1. Compren<strong>de</strong>r que la resistencia electrica<strong>de</strong> un elemento conductor <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> su geometría, las<br />
características <strong>de</strong>l material, así como <strong>de</strong> su temperatura.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Conductores óhmicos 1<br />
Fuente <strong>de</strong> po<strong>de</strong>r CD 1<br />
Multimetro 1<br />
Micrometro 1<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
La resistencia <strong>de</strong> un conductor <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la naturaleza <strong>de</strong>l material así como <strong>de</strong> su longitud “L” y <strong>de</strong>l<br />
área <strong>de</strong> su sección transversal “A” como se ilustra en la Figura 4.1. La temperatura <strong>de</strong>l material también<br />
es un factor que influye en su resistividad.<br />
Figura 4.1. Conductor cilíndrico<br />
Para i<strong>de</strong>ntificar la manera como <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la naturaleza <strong>de</strong>l material, se <strong>de</strong>fine la resistividad (ρ) <strong>de</strong>l<br />
material mediante la ecuación:<br />
ρ =<br />
E<br />
(1)<br />
( I )<br />
A<br />
en don<strong>de</strong> “E” es el campo eléctrico en el conductor en un punto dado y la relación “I/A” es la corriente en<br />
un punto dividida por el área <strong>de</strong> la sección transversal correspondiente.<br />
La resistencia <strong>de</strong> un conductor pue<strong>de</strong> relacionarse con su resistividad, longitud y sección transversal. En<br />
primer lugar, <strong>de</strong>be recordarse que el voltaje “V” entre los extremos <strong>de</strong>l conductor está relacionado con el<br />
campo eléctrico uniforme “E” en el conductor por la expresión<br />
E=V/L (2)<br />
A<strong>de</strong>más como V/I es la resistencia R, la ecuación anterior conduce a:<br />
17
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RESISTIVIDAD<br />
V<br />
E<br />
ρ = = L<br />
(3)<br />
( I ) I<br />
A A<br />
L<br />
R = ρ<br />
(4)<br />
A<br />
En algunos materiales el valor <strong>de</strong> la resistencia “R” <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la corriente “C” que los atraviesa. La<br />
resistividad “ρ” <strong>de</strong> tales materiales <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong>l valor I/A. Sin embargo, los metales y algunos otros<br />
materiales conservan el mismo valor <strong>de</strong> la resistividad “ρ” (y por tanto el mismo valor <strong>de</strong> R) in<strong>de</strong>pendiente<br />
<strong>de</strong>l valor I/A. Se dice que en estos casos se cumple la ley <strong>de</strong> Ohm.<br />
De la ecuación (4) se <strong>de</strong>duce que si “L” está en metros, “A” en m 2 y R en ohmios, la unidad <strong>de</strong> ρ <strong>de</strong>berá<br />
estar en ohmioxmetro. En la Tabla 4.1 se muestran los valores <strong>de</strong> ρ <strong>de</strong> algunos materiales.<br />
Material ρ(Ωxm)<br />
Plata<br />
Cobre<br />
Aluminio<br />
Tungsteno<br />
Plomo<br />
Constantán (Ni+Cu)<br />
Aleación <strong>de</strong> Fe y Ni<br />
Carbón<br />
Agua salada<br />
Germanio<br />
Oxido <strong>de</strong> cobre (CuO)<br />
Agua <strong>de</strong>stilada<br />
Vidrio<br />
Aceite <strong>de</strong> transformador<br />
Caucho<br />
1,6x10 -8<br />
1,7x10 -8<br />
2,7x10 -8<br />
5,6x10 -8<br />
2,1x10 -7<br />
4,91x10 -7<br />
1,7x10 -6<br />
3,5x10 -5<br />
2,0x10 -1<br />
5,0x10 -1<br />
1,0x10 3<br />
5,0x10 3<br />
1,0x10 12<br />
2,0x10 14<br />
1,0x10 15<br />
Tabla 4.1. Valores <strong>de</strong> resistividad <strong>de</strong> algunos materiales a 20ºC.<br />
Cuestionario<br />
1. Concepto <strong>de</strong> Corriente eléctrica<br />
2. Concepto <strong>de</strong> Densidad <strong>de</strong> corriente<br />
3. Concepto <strong>de</strong> Resistividad<br />
4. Concepto <strong>de</strong> Conductividad<br />
5. Explicar cómo afecta la temperatura a la resistividad y la resistencia <strong>de</strong> un material óhmico<br />
6. Explicar los factores <strong>de</strong> los cuales <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>: la resistencia <strong>de</strong> un material óhmico y la resistividad <strong>de</strong> un<br />
material óhmico.<br />
Procedimiento<br />
1. Colocar sobre la escala métrica uno <strong>de</strong> los alambres resistivos y armar el circuito <strong>de</strong> la Figura 1.<br />
2. Establecer una corriente pequeña en el circuito y medir cada diez centímetros el voltaje en el alambre<br />
resistivo. Llenar la Tabla <strong>de</strong> datos 1.<br />
18
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RESISTIVIDAD<br />
Figura 4.1. Circuito para <strong>de</strong>terminar la resistividad <strong>de</strong> un conductor óhmico.<br />
L(m)<br />
I(A)<br />
∅1(cm)=<br />
V(V) R(Ω) L/A(m -1 0.1m<br />
0.2m<br />
0.3m<br />
0.4m<br />
0.5m<br />
0.6m<br />
0.7m<br />
0.8m<br />
0.9m<br />
1m<br />
)<br />
Tabla 4.2. Dimensiones y medidas <strong>de</strong> corriente y voltaje para cada conductor óhmico.<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
1. Con los datos <strong>de</strong> la Tabla 4.2 trazar la gráfica <strong>de</strong> R en función <strong>de</strong> L/A. Interpretar la gráfica y<br />
<strong>de</strong>terminar la pendiente.<br />
2. La pendiente <strong>de</strong>terminada en el numeral anterior correspon<strong>de</strong> a la resistividad <strong>de</strong>l conductor utilizado.<br />
Con ayuda <strong>de</strong> este valor i<strong>de</strong>ntifique el material correspondiente en la Tabla 4.1. Calcule el porcentaje <strong>de</strong><br />
error para cada material, tomando el valor i<strong>de</strong>ntificado en al Tabla 4.1 como el valor teórico y haga un<br />
análisis <strong>de</strong> las fuentes <strong>de</strong> error.<br />
19
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
5<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
1. Investigar y analizar las tres variables involucradas en la relación matemática conocida como Ley <strong>de</strong><br />
Ohm (Voltaje, corriente y resistencia).<br />
2. Comprobar las variables involucradas en la ley <strong>de</strong> Ohm para diferentes topologías <strong>de</strong> circuitos<br />
resistivos.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Tablero <strong>de</strong> Conexiones 1<br />
Multimetro Digital 1 Debe medir corriente<br />
Fuente <strong>de</strong> voltaje 1<br />
Cables <strong>de</strong> Conexión varios<br />
Juego <strong>de</strong> Resistencias 10<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
LEY DE OHM<br />
La ley <strong>de</strong> Ohm recibe este nombre en honor <strong>de</strong>l físico alemán Georg Simon Ohm a quien se le acredita<br />
el establecimiento <strong>de</strong> la relación voltaje-corriente para la resistencia. Como resultado <strong>de</strong> su trabajo<br />
pionero, la unidad <strong>de</strong> la resistencia eléctrica lleva su nombre. La ley <strong>de</strong> Ohm establece que el voltaje a<br />
través <strong>de</strong> una resistencia es directamente proporcional a la corriente que fluye a lo largo <strong>de</strong> ésta. La<br />
resistencia medida en ohm, es la constante <strong>de</strong> proporcionalidad entre el voltaje y la corriente, y <strong>de</strong>pen<strong>de</strong><br />
<strong>de</strong> las características geométricas y <strong>de</strong>l tipo <strong>de</strong> material con que la resistencia este construida. Un<br />
elemento <strong>de</strong> circuito cuya característica eléctrica principal es que se opone al establecimiento <strong>de</strong> la<br />
corriente se llama resistencia, y se representa con el símbolo que se muestra a continuación.<br />
20
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
Una resistencia es un elemento <strong>de</strong> circuito que pue<strong>de</strong> adquirirse con ciertos valores estándar en una<br />
tienda <strong>de</strong> repuestos electrónicos. La relación matemática <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> Ohm se ilustra en la ecuación:<br />
V=RI ; R≥ 0 (1)<br />
Se usa el símbolo Ω para representar los ohms y, por lo tanto:<br />
Figura, símbolo <strong>de</strong> resistencia<br />
RESISTENCIAS EN SERIE Y EN PARALELO<br />
Cuando varios elementos <strong>de</strong> circuito, como resistencias, baterías, están conectados en sucesión como<br />
se indica en la figura 1; con un solo camino <strong>de</strong> corriente entre los puntos, se dice que están conectadas<br />
en serie. De las resistencias <strong>de</strong> la figura 2 se dice que están conectadas en paralelo entre los puntos a y<br />
b, porque cada resistencia ofrece un camino diferente entre los puntos y están sometidos a la misma<br />
diferencia <strong>de</strong> potencial.<br />
Con respecto a cualquier combinación <strong>de</strong> resistores como en la figura 3, siempre se pue<strong>de</strong> hallar un solo<br />
resistor que podría tomar el lugar <strong>de</strong> la combinación y dar por resultado la misma corriente y diferencia<br />
<strong>de</strong> potencial totales, la resistencia <strong>de</strong> este único resistor se conoce como resistencia equivalente.<br />
FIGURA 1. R1,R2,R3 en serie<br />
FIGURA 2. R1,R2,R3 en paralelo<br />
21
CUESTIONARIO:<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
FIGURA 3. R1,R2,R3 en circuito Mixto<br />
1. Consultar concepto <strong>de</strong> Circuito Electrico<br />
2. Consultar concepto <strong>de</strong> nodo, rama y malla.<br />
3. Consultar código <strong>de</strong> colores <strong>de</strong> Resistencias<br />
4. Consultar cómo se operan Resistencias en circuito serie.<br />
5. Consultar cómo se operan Resistencias en circuito paralelo.<br />
6. Consultar cómo se operan Resistencias en circuitos mixtos.<br />
7. Consultar relación entre voltaje-corriente-resistencia(ley <strong>de</strong> Ohm)<br />
Procedimiento<br />
I PARTE<br />
1. Selecciona una resistencia; utilizando el código <strong>de</strong> colores <strong>de</strong>codifica el valor <strong>de</strong> la resistencia y anota<br />
este valor en la primera columna <strong>de</strong> la tabla 1.<br />
Coloca el selector <strong>de</strong>l multimetro en la escala <strong>de</strong> corriente (presta atención a las indicaciones <strong>de</strong>l<br />
multimetro, cómo conectar las puntas para medir corriente):<br />
• La punta roja se conecta en la parte que indica mA (miliAmperios)<br />
• La punta negra se conecta en la parte que indica COM (Tierra),como se visualiza en la figura 1.<br />
3. Implementa el circuito <strong>de</strong> la figura 1<br />
Figura 1. Como medir corriente<br />
22
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
4. Conecta el multimetro y lee la intensidad <strong>de</strong> corriente que circula por la resistencia. Anota este valor<br />
en la segunda columna <strong>de</strong> la tabla 1.<br />
5. Cambia la resistencia por una <strong>de</strong> diferente valor. Anota su valor en la tabla 1, luego mi<strong>de</strong> y toma nota<br />
<strong>de</strong> la corriente (pasos 4). Repite este proceso con 4 resistencias más.<br />
6. COMO MEDIR TENSION (VOLTAJE)<br />
Desconecta el multimetro y conecta un cable entre el terminal positivo <strong>de</strong> la pila y el extremo <strong>de</strong> la<br />
resistencia. Modifica el selector <strong>de</strong>l multimetro girándolo a la escala que indica voltaje (V), las puntas se<br />
distribuyen ahora así:<br />
• La punta roja se conecta en la parte que indica V (Voltaje)<br />
• La punta negra se conecta en la parte que indica COM (Tierra), como se visualiza en la figura 2.<br />
7. Utilizando la primera resistencia, mi<strong>de</strong> la tensión(voltaje) y anótala en la tabla 1.<br />
8. Cambia las resistencias y realiza todas las mediciones necesarias para completar la tabla 1.<br />
Figura 2.Como medir Voltaje<br />
II PARTE<br />
9. Selecciona tres resistencias <strong>de</strong> diferente valor. Anota su código <strong>de</strong> colores en la tabla 2. Llamaremos a<br />
las resistencias R1, R2 y R3.<br />
10. Determina el valor <strong>de</strong> las resistencias utilizando el código <strong>de</strong> colores. Anota este valor en la columna<br />
Resistencia codificada <strong>de</strong> la tabla 2. Anota el valor <strong>de</strong> la tolerancia según lo indica el color en la columna<br />
correspondiente.<br />
11. COMO MEDIR RESISTENCIA<br />
Modifica el selector <strong>de</strong>l multimetro girándolo a la escala que indica Resistencia las puntas se distribuyen<br />
ahora así:<br />
• La punta roja se conecta en la parte que indica Ω (Ohmios)<br />
• La punta negra se conecta en la parte que indica COM (Tierra).<br />
12. Utiliza el multimetro para medir el valor <strong>de</strong> las resistencias y anota estos valores en la tabla 2<br />
(Resistencia Medida).<br />
13. Determina el porcentaje experimental <strong>de</strong> error <strong>de</strong> cada resistencia y anótalo en la columna<br />
apropiada.<br />
14. Conecta las tres resistencias en serie como en la figura 3, utilizando los resortes <strong>de</strong>l tablero. Mi<strong>de</strong> los<br />
valores <strong>de</strong> resistencia en la combinación indicada en el diagrama <strong>de</strong> la figura 3 conectando las puntas<br />
<strong>de</strong>l multimetro en los extremos <strong>de</strong> las flechas.<br />
15. Construye un circuito paralelo Figura 4, primero con dos resistencias y luego utiliza las tres<br />
resistencias. Mi<strong>de</strong> y anota los valores para este circuito.<br />
23
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
Figura 3. Resistencias en serie<br />
Figura 4. Resistencias en paralelo<br />
Figura 5. Resistencias en Circuito Mixto<br />
16. Intenta <strong>de</strong>ducir una regla para el cálculo <strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> resistencia <strong>de</strong> un circuito Serie y uno Paralelo.<br />
17. Conecta las resistencias <strong>de</strong> manera tal <strong>de</strong> formar el circuito mixto que indica la figura 5. ¿Concuerdan<br />
los valores <strong>de</strong> esta medición con la regla enunciada anteriormente?<br />
24
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
I PARTE<br />
II PARTE<br />
R1<br />
R2<br />
R3<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
Resistencia, Ω Corriente, A Tensión, V Tensión/Resistencia<br />
Tabla 1. Toma <strong>de</strong> datos<br />
% <strong>de</strong> Error = [(Medido – Codificado) / Codificado] x 100%<br />
Colores<br />
1º 2º 3º 4º<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
Tabla 2.<br />
Resistencia<br />
Codificada<br />
Resistencia<br />
Medida<br />
% <strong>de</strong><br />
Error<br />
Tolerancia<br />
I PARTE<br />
1. Realiza un gráfico <strong>de</strong> la corriente en función <strong>de</strong> la resistencia<br />
2. Calcula el cociente Tensión/Resistencia para cada juego <strong>de</strong> datos. Compara los valores que calculaste<br />
con los valores que mediste <strong>de</strong> la corriente.<br />
3. En el gráfico que realizaste, cuál es la relación matemática entre la corriente y la resistencia.<br />
4. La ley <strong>de</strong> Ohm dice que la corriente es equivalente al cociente tensión/resistencia. ¿Concuerdan tus<br />
datos con lo que dice la ley <strong>de</strong> Ohm?<br />
5. ¿Cuáles son las posibles fuentes <strong>de</strong> error en esta práctica? ¿Cómo crees que esto afectaría tus<br />
mediciones?<br />
II PARTE<br />
6. ¿Cuál es la relación entre el % <strong>de</strong> error y la tolerancia <strong>de</strong> fabricación <strong>de</strong> tus resistencias?<br />
25
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Circuito Serie – Circuito Paralelo – Ley <strong>de</strong> Ohm<br />
7. ¿Cuál es la regla aparente para la combinación <strong>de</strong> resistencias <strong>de</strong> diferente valor en circuitos serie, y<br />
en circuitos paralelo? Cita ejemplos <strong>de</strong> tus mediciones.<br />
8. ¿Cuál es la regla aparente para la combinación <strong>de</strong> resistencias <strong>de</strong>l mismo valor en circuitos serie, y en<br />
circuitos paralelo? Cita ejemplos <strong>de</strong> tus mediciones.<br />
26
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
6<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
1. Enten<strong>de</strong>r las leyes <strong>de</strong> conservación <strong>de</strong> energía eléctrica y <strong>de</strong> la conservación <strong>de</strong> la carga en<br />
circuitos eléctricos<br />
2. Comprobar experimentalmente las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff a partir <strong>de</strong> tensiones y corrientes en los<br />
circuitos.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Tablero <strong>de</strong> conexiones. 1<br />
Fuente <strong>de</strong> Voltaje 1<br />
Cables <strong>de</strong> conexión. varios<br />
Resistencias 10<br />
Multímetro Digital 1 Que mida voltaje y<br />
corriente<br />
27
Marco teórico y Cuestionario<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
LEYES DE KIRCHHOFF<br />
En la práctica, muchas re<strong>de</strong>s <strong>de</strong> resistencias no se pu<strong>de</strong>n reducir a combinaciones simples en serie o en<br />
paralelo. La figura 1 representa un circuito <strong>de</strong> “puente”, que se utiliza en muchos tipos distintos <strong>de</strong><br />
sistemas <strong>de</strong> medición y control. No es necesario recurrir a ningún principio nuevo para calcular las<br />
corrientes en estas re<strong>de</strong>s, pero hay ciertas técnicas que facilitan el manejo sistemático <strong>de</strong> este tipo <strong>de</strong><br />
problemas.<br />
Describiremos las técnicas i<strong>de</strong>adas por el físico alemán Gustav Robert Kirchhoff, que están basadas<br />
en dos leyes importantes. La primera ley, es la Ley <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong> Kirchhoff, la cual establece que la<br />
suma algebraica <strong>de</strong> las corrientes que entran a cualquier nodo (punto <strong>de</strong> conexión <strong>de</strong> dos o más<br />
elementos <strong>de</strong>l circuito) es cero o también que la suma <strong>de</strong> las corrientes que entran en un nodo es igual a<br />
las sumas <strong>de</strong> las corrientes que salen <strong>de</strong>l nodo. En forma matemática, la ley aparece como:<br />
N<br />
∑ I = 0<br />
j1 =<br />
j<br />
y físicamente significa que en un punto <strong>de</strong>l conductor (nodo) la carga no pue<strong>de</strong> acumularse, don<strong>de</strong> Ij es<br />
la j-ésima corriente que entra al nodo a través <strong>de</strong> la rama j y N es el número <strong>de</strong> ramas (parte <strong>de</strong>l circuito<br />
que tiene un solo elemento) conectados al nodo.<br />
La segunda ley <strong>de</strong> Kirchhoff, llamada Ley <strong>de</strong>l voltaje <strong>de</strong> Kirchhoff, establece que la suma algebraica <strong>de</strong><br />
los voltajes alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> cualquier malla (trayectoria cerrada en la cual un nodo no se encuentra más <strong>de</strong><br />
una vez) es cero. Físicamente significa la cosnsrvación <strong>de</strong> la energía eléctrica. En general la<br />
representación matemática <strong>de</strong> la ley <strong>de</strong> voltaje <strong>de</strong> Kirchhoff es:<br />
N<br />
∑ V = 0<br />
j1 =<br />
j<br />
Don<strong>de</strong> V es el voltaje a través <strong>de</strong> la j-ésima rama en una malla que contiene N voltajes.<br />
j<br />
Figura1. Circuito Puente<br />
28
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
CUESTIONARIO<br />
1. Consultar código <strong>de</strong> colores <strong>de</strong> Resistencias<br />
2. Explicar más <strong>de</strong>tenidamente las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
3. Realizar ejercicios en los que aplique las Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
Procedimiento<br />
I PARTE<br />
1. Conecta tres resistencias <strong>de</strong> igual valor en serie como lo indica la figura 2. Con dos cables conecta la<br />
fuente <strong>de</strong> voltaje, presta atención que cable <strong>de</strong>bes conectar al terminal positivo y cual al negativo.<br />
2. Utiliza el multímetro para medir la tensión (Voltaje) en cada resistencia y en las combinaciones<br />
indicadas en la figura 2. Ten cuidado con la polaridad <strong>de</strong> las puntas <strong>de</strong>l multímetro y <strong>de</strong> las indicaciones<br />
dadas en el laboratorio anterior para medir tensión (rojo es positivo, negro es negativo). Toma nota <strong>de</strong><br />
tus mediciones en la tabla 1.<br />
Figura 2. Circuito en serie<br />
3. Ahora implementa el circuito paralelo <strong>de</strong> la figura 3 utilizando las mismas resistencias. Mi<strong>de</strong> el tensión<br />
en cada una <strong>de</strong> las resistencias y las combinaciones y toma nota. Ten cuidado con las polarida<strong>de</strong>s.<br />
Figura 3. Circuito en paralelo<br />
4. Conecta las resistencias formando el circuito mixto <strong>de</strong> la figura 4. Realiza las mediciones y toma nota.<br />
29
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
Figura 4. Circuito Mixto<br />
5. Utiliza tres resistencias <strong>de</strong> diferentes valor (RA, RB, RC) para construir los siguientes<br />
circuitos. Realiza las mismas mediciones <strong>de</strong> los pasos 1 a 4. Utiliza ahora la tabla 2<br />
Figura 5. Circuito en serie<br />
30
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
Figura 6. Circuito paralelo<br />
Figura 7. Circuito Mixto<br />
31
II PARTE<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
6. Conecta las mismas resistencias <strong>de</strong> los experimentos anteriores en el circuito serie <strong>de</strong> la figura 7.<br />
Figura 7. Circuito serie<br />
7. Conecta las puntas <strong>de</strong>l multímetro <strong>de</strong> manera tal que puedas medir corriente. Debes usar la escala<br />
apropiada para medir corriente, pi<strong>de</strong>le ayuda a tu profesor antes <strong>de</strong> hacer cualquier medición. Para medir<br />
corriente <strong>de</strong>bes interrumpir el circuito y hacer que la corriente circule por el multímetro. Desconecta el<br />
cable <strong>de</strong>l terminal positivo <strong>de</strong> la fuente <strong>de</strong> alimentación y conéctalo a la punta roja <strong>de</strong>l multímetro.<br />
Conecta la punta negra <strong>de</strong>l multímetro a la resistencia R1 don<strong>de</strong> estaba conectado el cable. Anota esta<br />
medicion en la tabla 3 como I0.<br />
Figura 8. Circuito para medir corriente<br />
8. Ahora conecta el multímetro en las diferentes posiciones indicadas en la figura 9, interrumpiendo cada<br />
vez el circuito y tomando nota <strong>de</strong> las mediciones. Completa la tabla 3. Introduce en la tabla los valores <strong>de</strong><br />
las mediciones <strong>de</strong> la parte I.<br />
32
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
Figura 9. Diferentes posiciones para medir corriente en circuito serie<br />
9. Implementa el circuito paralelo <strong>de</strong> la figura 10. Sigue las mismas indicaciones <strong>de</strong>l paso 2 para<br />
conectar el multímetro para medir corriente. Conecta primero el multímetro entre el terminal positivo <strong>de</strong> la<br />
fuente <strong>de</strong> alimentación y la unión <strong>de</strong> las resistencias para medir I0. Luego interrumpe cada brazo <strong>de</strong>l<br />
circuito paralelo para medir la corriente en cada uno <strong>de</strong> ellos. Toma nota <strong>de</strong> tus mediciones en la tabla 4.<br />
Figura 10. Diferentes posiciones para medir corriente en circuito paralelo<br />
III PARTE<br />
10. Implementa el circuito <strong>de</strong> la figura 11 utilizando cualquier resistencia <strong>de</strong> las que dispones. Anota en la<br />
tabla 5 los valores <strong>de</strong> las resistencias. Sin que circule corriente mi<strong>de</strong> la resistencia total <strong>de</strong>l circuito entre<br />
los puntos A y B.<br />
11. Con el circuito conectado a la alimentación, y la corriente circulando, mi<strong>de</strong> las tensiones en cada una<br />
<strong>de</strong> las resistencias y toma nota <strong>de</strong> los valores en la tabla 5.<br />
12. Ahora mi<strong>de</strong> la corriente que circula por cada resistencia. Interrumpe el circuito y coloca el multímetro<br />
en serie para obtener la corriente. Asegúrate <strong>de</strong> medir y anotar todas las corrientes individuales y la<br />
corriente total que ingresa o sale <strong>de</strong>l circuito, IT.<br />
33
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
I PARTE<br />
II PARTE<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
Figura 11. Circuito Puente<br />
R1 V1<br />
R2 V2<br />
R3 V3<br />
R12 V12<br />
R23 V23<br />
R123 V123<br />
Tabla 1<br />
RA VA<br />
RB VB<br />
RC VC<br />
RAB VAB<br />
RBC VBC<br />
RABC VABC<br />
Tabla 2<br />
34
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
R1 I1 V1<br />
R2 I2 V2<br />
R3 I3 V3<br />
R12 V12<br />
R23 V23<br />
R123 I0 V123<br />
Tabla 3<br />
R1= I1= V1=<br />
R2= I2= V2=<br />
R3= I3= V3=<br />
R123= I4= V123=<br />
I0=<br />
Tabla 4<br />
III PARTE<br />
Resistencia, Ω Tensión, Volts Corriente, mA<br />
R1 V1 I1<br />
R2 V2 I2<br />
R3 V3 I3<br />
R4 V4 I4<br />
R5 V5 I5<br />
R6 V6 I6<br />
RT VT IT<br />
Tabla 5<br />
35
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
Tensiones y corrientes en Circuitos – Leyes <strong>de</strong> Kirchhoff<br />
I PARTE<br />
En base a los datos que obtuviste en la tabla 1 <strong>de</strong>l circuito serie <strong>de</strong> la figura 2, en qué forma se distribuye<br />
la tensión en circuitos serie con resistencias <strong>de</strong> igual valor. De acuerdo a los datos que ingresaste en la<br />
tabla 2 <strong>de</strong> la figura 5, <strong>de</strong> qué forma se distribuye la tensión en circuitos serie con resistencias <strong>de</strong> distintos<br />
valores. Hay alguna relación entre el valor <strong>de</strong> la resistencia y la tensión resultante.<br />
Utilizando los datos <strong>de</strong> la figura 3, <strong>de</strong> qué manera se distribuye la tensión en un circuito paralelo con<br />
resistencias <strong>de</strong>l mismo valor. En base a los valores obtenidos <strong>de</strong>l circuito <strong>de</strong> la figura 6, <strong>de</strong> qué manera<br />
se distribuye la tensión en circuitos paralelo con resistencias <strong>de</strong> diferentes valores. Hay alguna relación<br />
entre el valor <strong>de</strong> la resistencia y la tensión resultante.<br />
En el circuito mixto, la distribución <strong>de</strong> la tensión, ¿sigue la misma relación que en los circuitos puramente<br />
serie o paralelo? Si no es así, enuncia la regla que tu ves en la operación <strong>de</strong> estos circuitos.<br />
II PARTE<br />
En base a los datos <strong>de</strong> la tabla 3, en qué forma varía la corriente en un circuito serie. A esta altura <strong>de</strong>bes<br />
ser capaz <strong>de</strong> <strong>de</strong>scribir las características <strong>de</strong> la corriente, la tensión y la resistencia en un circuito serie.<br />
Según la tabla 4 <strong>de</strong> qué manera se distribuye la corriente en un circuito paralelo? Describe las<br />
características <strong>de</strong> corriente, tensión y resistencia <strong>de</strong> un circuito paralelo.<br />
III PARTE<br />
Determine el flujo neto <strong>de</strong> corriente que ingresa o egresa <strong>de</strong> cada nodo <strong>de</strong>l circuito.<br />
Determine la caída <strong>de</strong> tensión a lo largo <strong>de</strong> por lo menos 3 mallas <strong>de</strong>l circuito. Recuerda que si la tensión<br />
aumenta, toma el valor como positivo (+), y si la tensión disminuye, toma este valor como negativo (-).<br />
Utiliza los resultados experimentales para analizar tu circuito según las leyes <strong>de</strong> Kirchhoff. Compara los<br />
resultados analíticos con tus mediciones para fundamentar tus conclusiones.<br />
36
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
7<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
MEDICION DEL CAMPO MAGNETICO EN UN<br />
SOLENOIDE<br />
Medir el campo magnético producido en el interior <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong> por una corriente continua a través <strong>de</strong><br />
la fuerza magnética sobre una espira que conduce una corriente.<br />
Materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Fuentes <strong>de</strong> Voltaje (10A) 2<br />
Solenoi<strong>de</strong> (N = 118 espiras, L = 15cm) 1<br />
Espira rectangular 1<br />
Reóstato <strong>de</strong> 5Ω y 100W 1<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
CAMPOS MAGNETICOS<br />
Figura 7.1. Montaje Experimental<br />
Calculo <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>. Un solenoi<strong>de</strong> es un alambre largo enrollado en la forma<br />
<strong>de</strong> una hélice. Con esta configuración es posible producir un campo magnético razonablemente uniforme<br />
en el espacio ro<strong>de</strong>ado por las vueltas <strong>de</strong>l alambre. Cuando las vueltas están muy próximas entre si, cada<br />
una pue<strong>de</strong> consi<strong>de</strong>rarse como una vuelta circular, y el campo magnético neto es el vector suma <strong>de</strong> los<br />
campos <strong>de</strong>bido a todas las vueltas. Un solenoi<strong>de</strong> i<strong>de</strong>al es aquel cuando el espacio entre las vueltas es<br />
muy pequeño y la longitud es gran<strong>de</strong> en comparación con el radio. En este caso, el campo fuera <strong>de</strong>l<br />
solenoi<strong>de</strong> es débil comparado con el campo <strong>de</strong>ntro y el campo ahí es uniforme en un gran volumen. La<br />
expresión para calcular la magnitud <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong> i<strong>de</strong>al, con espacio<br />
vació entre las bobinas es:<br />
37
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
MEDICION DEL CAMPO MAGNETICO EN UN<br />
B<br />
μo<br />
NI<br />
L<br />
b<br />
= (7.1)<br />
don<strong>de</strong>,<br />
N : Numero <strong>de</strong> vueltas <strong>de</strong> solenoi<strong>de</strong><br />
L: Longitud <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong><br />
Ib: Corriente que circula por el solenoi<strong>de</strong> (Bobina)<br />
μo: Permeabilidad <strong>de</strong>l espacio libre (constante)<br />
La dirección <strong>de</strong>l campo <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong> esta dado por la regla <strong>de</strong> la mano <strong>de</strong>recha, según la ley <strong>de</strong><br />
Biot – Savart.<br />
Fuerza magnética sobre la espira. Cuando una partícula cargada aislada se mueve a través <strong>de</strong> un<br />
campo magnético, sobre ella se ejerce una fuerza magnética. No <strong>de</strong>be sorpren<strong>de</strong>r entonces, que un<br />
alambre que conduce una corriente experimente también una fuerza cuando se pone en un campo<br />
magnético. Esto es el resultado <strong>de</strong> que la corriente representa una colección <strong>de</strong> muchas partículas<br />
cargadas en movimiento; por tanto, la fuerza resultante sobre el alambre se <strong>de</strong>be a la suma <strong>de</strong> las<br />
fuerzas individuales ejercidas sobre las partículas cargadas.<br />
La expresión para calcular la fuerza magnética F sobre un alambre recto en un campo magnético<br />
uniforme B, esta dado por la expresión:<br />
→<br />
→<br />
→<br />
F = I L X B<br />
(7.2)<br />
don<strong>de</strong> L es un vector <strong>de</strong> magnitud igual a la longitud <strong>de</strong>l alambre y dirección igual a la dirección <strong>de</strong> la<br />
corriente I que conduce el alambre.<br />
Cuando se cierra el interruptor (ver figura 1), la balanza se <strong>de</strong>sequilibra <strong>de</strong>bido a la fuerza magnética<br />
sobre la espira . La magnitud <strong>de</strong> esta fuerza se pue<strong>de</strong> calcular con la expresión (7.2), resultando:<br />
F I edB<br />
m = (7.3)<br />
Don<strong>de</strong> d es el ancho <strong>de</strong> la espira , Ie la corriente en la espira y B el campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la<br />
bobina.<br />
Calculo experimental <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la bobina.<br />
De la expresión (7.3) se pue<strong>de</strong> calcular el campo B <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la espira si conocemos la fuerza Fm .<br />
Después que la balanza se ha <strong>de</strong>sequilibrado <strong>de</strong>bido a la fuerza magnética, colocamos un cuerpo <strong>de</strong><br />
peso conocido W en el otro extremo <strong>de</strong> la balanza <strong>de</strong> tal forma que logre equilibrar la fuerza magnética.<br />
Entonces, po<strong>de</strong>mos calcular la magnitud <strong>de</strong>l campo magnético con la siguiente expresión:<br />
W<br />
I d<br />
B =<br />
(7.4)<br />
e<br />
Cuestionario<br />
1. Calcular el campo magnético sobre el eje <strong>de</strong> un solenoi<strong>de</strong> y llegar a la expresión (1).Utilizar la ley <strong>de</strong><br />
Ampere.<br />
2. Demostrar la expresión (7.3) y (7.4) realizando los esquemas necesarios para las corrientes, el campo<br />
y la fuerza resultante.<br />
3. Consultar sobre el campo magnético producido por un alambre recto que conduce una corriente.<br />
4. Calcular la fuerza magnética entre dos conductores.<br />
5. Investigar el valor <strong>de</strong> la constante <strong>de</strong> permeabilidad magnética <strong>de</strong>l espacio libre, μo<br />
38
Procedimiento<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
MEDICION DEL CAMPO MAGNETICO EN UN<br />
1.Conecte la fuente <strong>de</strong> corriente directa a la bobina y ajuste una corriente inicial <strong>de</strong> 3,4 A.<br />
2.Conecte la fuente <strong>de</strong> corriente directa a la espira y ajuste una corriente inicial <strong>de</strong> 1A <strong>de</strong> tal forma que la<br />
balanza se <strong>de</strong>sequilibre <strong>de</strong>l lado mostrado en la figura por acción <strong>de</strong> la fuerza magnética.<br />
3. Registre en una tabla 7.1 todos los datos necesarios para calcular el campo en la bobina a través <strong>de</strong><br />
la ecuación (7.1).<br />
4. Coloque en el extremo <strong>de</strong> la balanza hilos <strong>de</strong> longitud y <strong>de</strong>nsidad lineal <strong>de</strong> masa conocida y varié la<br />
corriente sobre la espira hasta que la balanza se equilibre.<br />
5. Calcule la <strong>de</strong>nsidad lineal <strong>de</strong> masa <strong>de</strong>l hilo utilizado.<br />
6. Repita el numeral 4 para tres hilos <strong>de</strong> diferentes longitud y registre los datos necesarios para calcular<br />
el campo magnético en la bobina a través <strong>de</strong> la ecuación (7.4) en la tabla 7.2<br />
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
Permeabilidad magnetica<br />
<strong>de</strong>l espacio libre, μo<br />
HILO 2<br />
HILO 2<br />
HILO 3<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
Número <strong>de</strong> espiras<br />
en el solenoi<strong>de</strong>, N<br />
39<br />
Corriente en el<br />
Solenoi<strong>de</strong>, Ib<br />
Tabla 7.1. Calculo <strong>de</strong>l campo magnético.<br />
ANCHO DE LA ESPIRA d:<br />
Longitud <strong>de</strong>l<br />
Solenoi<strong>de</strong>, L<br />
Peso W Corriente <strong>de</strong> la espira, Ie Densidad lineal <strong>de</strong> masa <strong>de</strong>l hilo<br />
Tabla 7.2. Calculo <strong>de</strong>l campo magnético.<br />
Campo<br />
Magnético, B<br />
Campo<br />
Magnético, B<br />
1. Explica por qué se crea un campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>. ¿Está <strong>de</strong> acuerdo la dirección <strong>de</strong>l<br />
campo con la dirección <strong>de</strong> la corriente en la bobina?<br />
2. Realiza un esquema don<strong>de</strong> se muestre la dirección <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>, la<br />
dirección <strong>de</strong> la corriente en la espira y la dirección <strong>de</strong> la fuerza magnética sobre la espira. ¿Está <strong>de</strong><br />
acuerdo la <strong>de</strong>flexión <strong>de</strong> la espira (dirección <strong>de</strong> la fuerza magnética) con la ecuación (7.2)?<br />
3. Que suce<strong>de</strong>rá si cambia el sentido <strong>de</strong> la corriente en la bobina? ¿Que suce<strong>de</strong>rá si cambia el sentido<br />
<strong>de</strong> la corriente en la espira?<br />
4. Calcule el campo magnético en la bobina con la ecuación (7.1).<br />
5. Calcule el campo magnético en la bobina para cada valor <strong>de</strong> corriente en la espira con la ecuación<br />
(7.4) y promedie.<br />
6. Realice una gráfica <strong>de</strong> fuerza magnética sobre la espira Fm (or<strong>de</strong>nada) contra corriente en la espira Ie<br />
(abcisa). Calcule la pendiente <strong>de</strong> la recta obtenida y con ella el campo magnético <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l solenoi<strong>de</strong>.<br />
7. Compare los valores <strong>de</strong>l campo magnético obtenido por los métodos <strong>de</strong>scritos anteriormente<br />
(porcentaje <strong>de</strong> error).
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
8<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RELACION CARGA-MASA<br />
1. Observar y <strong>de</strong>scribir la interacción entre cargas eléctricas en movimiento y campos magnéticos<br />
creados por bobinas.<br />
2. Determinar que clase <strong>de</strong> partícula emite un filamento al calentarse midiendo su relación carga – masa.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Dispositivo para la medida <strong>de</strong> la<br />
razón q/me<br />
1<br />
Fuente <strong>de</strong> 6,3 VCD o C.A 1<br />
Fuente <strong>de</strong> 0-300 VCD 1<br />
Fuente <strong>de</strong> 6-9 VCD; 2 A 1<br />
Voltímetro 0-300 VCD 1<br />
Amperímetro 0-2 A CD 1<br />
Cables para conexión 6<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
Bobinas <strong>de</strong> Helmholtz<br />
Cuando por las bobinas circula una corriente directa y constante se crea un campo magnético<br />
aproximadamente uniforme en su interior (representado por x en la figura 1) que se pue<strong>de</strong> calcular con<br />
la siguiente expresión:<br />
Nμo<br />
I<br />
B =<br />
(1)<br />
3/<br />
2<br />
⎛ 5 ⎞<br />
⎜ ⎟⎠ R<br />
⎝ 4<br />
don<strong>de</strong>:<br />
N: Número <strong>de</strong> vueltas <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz.<br />
I: Corriente a través <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz<br />
μo = 4πx10 -7 T.m/A (Permeabilidad magnética <strong>de</strong>l espacio libre)<br />
R: Radio <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz<br />
Las bobinas usadas tienen: N = 130 y R = 15cm<br />
Electrones acelerados por el campo eléctrico<br />
Cuando se calienta el filamento por la fuente <strong>de</strong> corriente alterna, este emite partículas, tal como se<br />
evaporan las moléculas <strong>de</strong> un liquido al calentarse. Este fenómeno se llama emisión termoiónica. El<br />
potencial acelerador crea un campo eléctrico entre el ánodo y el cátodo que acelera las partículas<br />
emitidas por el filamento. Si las partículas parten <strong>de</strong>l reposo, al final <strong>de</strong> la región <strong>de</strong> campo eléctrico<br />
tendrán una velocidad (v), don<strong>de</strong> la energía cinética (ΔEk) ganada, será igual a la energía potencial<br />
eléctrica perdida (ΔU):<br />
ΔU = ΔEk (2)<br />
Es <strong>de</strong>cir,<br />
2<br />
qV = mv<br />
(3)<br />
40<br />
1<br />
2
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RELACION CARGA-MASA<br />
don<strong>de</strong>,<br />
V: diferencia <strong>de</strong> potencial entre el ánodo y el cátodo (igual a la fuente <strong>de</strong> alimentación)<br />
q,m: carga y masa <strong>de</strong> las partículas emitidas por el filamento.<br />
Partícula cargada entrando al campo magnético<br />
Cuando las partículas salen <strong>de</strong>l campo eléctrico entran al campo magnético<br />
→<br />
→<br />
B creado por las bobinas<br />
<strong>de</strong> Helmholtz. La fuerza magnética ( F m ) que actúa sobre cada una <strong>de</strong> las partículas, cuando entra con<br />
→<br />
→ → →<br />
una velocidad v en el campo magnético está dada por Fm = q v×<br />
B . Si el vector <strong>de</strong> velocidad <strong>de</strong> la<br />
particula es perpendicular al vector <strong>de</strong>l campo magnético, la magnitud <strong>de</strong> la fuerza magnetica será:<br />
Fm = q v B (4)<br />
Bajo estas condiciones la particula se moverá en una trayectoria circular <strong>de</strong> radio r, experimentando una<br />
fuerza centrípeta <strong>de</strong> la forma :<br />
2<br />
mv<br />
Fc<br />
= (5)<br />
r<br />
Quien obliga a la partícula a moverse en la trayectoria circular es el campo magnético, entonces la fuerza<br />
centrípeta en este caso es la fuerza magnética, es <strong>de</strong>cir.<br />
Fc = Fm (6)<br />
Así, <strong>de</strong> las ecuaciones (3),a la (6), se pue<strong>de</strong> extraer la relación siguiente:<br />
2 2 m<br />
r = V<br />
(7)<br />
2<br />
B q<br />
Cuestionario<br />
1. De una <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz y <strong>de</strong> su utilidad.<br />
2. De una explicación más <strong>de</strong>tallada para llegar <strong>de</strong> la ecuación (2) a la ecuación (7), realizando los<br />
esquemas necesarios para las fuerzas que actúan y analice como cambia el radio <strong>de</strong> acuerdo a los<br />
valores <strong>de</strong> la corriente en las bobinas y <strong>de</strong>l potencial acelerador.<br />
3. De la ecuación (7), encuentre la relación carga-masa (q/m).<br />
4. Consultar los valores <strong>de</strong> la relación carga-masa para las partículas fundamentales más importantes<br />
(Ej: electrones. protones, y otras). ¿por qué es importante esta relación para las partículas atómicas?.<br />
5. Consultar y <strong>de</strong>scribir el experimento histórico <strong>de</strong> Thomson para la medida <strong>de</strong> la relación carga-masa.<br />
6. Consultar las unida<strong>de</strong>s para el campo magnético y su relación entre ellas (Tesla, Gauss, Weber/m 2 ,<br />
Maxwell)<br />
Procedimiento<br />
Después <strong>de</strong> realizar las conexiones <strong>de</strong> las fuentes <strong>de</strong> voltaje para el filamento (∼6.3V), para los<br />
electrodos y para las bobinas teniendo en cuenta las especificaciones mostradas en la figura 1, realice<br />
el siguiente procedimiento:<br />
1. Encienda la fuente que calienta el filamento y asegúrese <strong>de</strong> que éste se coloca <strong>de</strong> color rojo.<br />
2. Encienda la fuente para el potencial acelerador y ajuste inicialmente un voltaje <strong>de</strong> 200V. Debe<br />
observar una huella recta <strong>de</strong> las particulas en el gas Helio al ser acelerados por el campo eléctrico.<br />
3. Encienda la fuente para las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz en un rango <strong>de</strong> voltaje entre 6V – 9V y ajuste<br />
inicialmente una corriente <strong>de</strong> 1A. Debe observar a los electrones <strong>de</strong>scribir una trayectoria circular.<br />
2. Manteniendo la misma corriente en las bobinas <strong>de</strong> 1A mida el radio <strong>de</strong> la trayectoria circular <strong>de</strong>l haz<br />
electrónico para potenciales <strong>de</strong> aceleración <strong>de</strong> 200, 220, 240, 260 y 280 V. Regístrelos en la Tabla 1.<br />
41
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RELACION CARGA-MASA<br />
4. Repita el procedimiento <strong>de</strong> los numerales 1 y 2 para corrientes <strong>de</strong> 1,4 A y 1,8 A en la bobina <strong>de</strong><br />
Helmholtz y complete la Tabla 1.<br />
5. Utilizando la ecuación (1) calcule el campo magnético (en Tesla) creado por las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz<br />
para cada uno <strong>de</strong> los tres valores <strong>de</strong> corrientes utilizados. Registre sus cálculos en la tabla 2.<br />
6. Con la ecuación (7) encuentre la relación q/m (en C/Kg) para cada valor <strong>de</strong> campo magnético, radio y<br />
potencial respectivo y calcule un promedio. Calcule un valor promedio final <strong>de</strong> q/m <strong>de</strong> los tres obtenidos.<br />
Análisis <strong>de</strong> datos<br />
V(V)<br />
200<br />
220<br />
240<br />
260<br />
280<br />
Figura 1. Esquema experimental<br />
I1 = 1.0A I2= 1.4A I3 = 1.8A<br />
r(m) r(m) r(m)<br />
Tabla 1. Valores <strong>de</strong>l radio <strong>de</strong> la trayectoria circular <strong>de</strong>l electrón en función <strong>de</strong>l potencial <strong>de</strong> aceleración,<br />
para diferentes corrientes en las bobinas.<br />
42
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
RELACION CARGA-MASA<br />
V(V) B1 =<br />
r<br />
q/m<br />
(C/Kg)<br />
B2= q/m<br />
(C/Kg)<br />
B3 = q/m<br />
(C/Kg)<br />
2 (m 2 )<br />
2<br />
r (m 2 ) r 2 (m 2 200<br />
20<br />
240<br />
260<br />
280<br />
)<br />
Prom= Prom= Prom=<br />
Promedio final q/m =<br />
Tabla 2. Registro <strong>de</strong> cálculos para el calculo <strong>de</strong> la relación carga-masa utilizando la ecuación (7)<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
1. Con los datos <strong>de</strong> la Tabla 2, trazar la curva <strong>de</strong> r 2 en función <strong>de</strong>l potencial V, para cada corriente<br />
utilizada en la bobina <strong>de</strong> Helmholtz y <strong>de</strong>termine la pendiente <strong>de</strong> cada una <strong>de</strong> las tres(3) curvas.<br />
2. Utilizando la pendiente <strong>de</strong> cada curva (<strong>de</strong>l numeral anterior) y su respectivo campo magnético B,<br />
<strong>de</strong>terminado en el numeral 5 <strong>de</strong>termine el valor <strong>de</strong> q/m (en C/Kg) para cada corriente utilizada y<br />
<strong>de</strong>termine un promedio entre los tres obtenidos.<br />
3. Busque en la tabla <strong>de</strong> relaciones q/m y <strong>de</strong>duzca que clase <strong>de</strong> partículas emite el filamento al<br />
calentarse. ¿Es la partícula que esperaba?<br />
4. Compare el valor <strong>de</strong> q/m obtenido experimentalmente por los dos métodos, con el valor teórico<br />
aceptado. Calcular el porcentaje <strong>de</strong> error en cada caso e indique las fuentes <strong>de</strong> error.<br />
5. Exprese los resultados <strong>de</strong> los campos magnéticos obtenidos en Gauss (G) y compare estos<br />
valores con el campo magnético <strong>de</strong> la tierra cuyo valor aproximado es <strong>de</strong> 0.5 G.<br />
6. Influye el campo magnético terrestre en el experimento. Explique.<br />
43
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
9<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
1. Estudiar y comprobar los principios <strong>de</strong> la inducción electromagnética <strong>de</strong>scritos por la ley <strong>de</strong> inducción<br />
<strong>de</strong> Faraday y la ley <strong>de</strong> Lenz.<br />
2 Aplicar los conceptos involucrados en la ley <strong>de</strong> Faraday y la la ley <strong>de</strong> Lenz al transformador<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido<br />
Galvanómetro <strong>de</strong> cuadro móvil<br />
Cantidad Observaciones<br />
con cero en ele centro <strong>de</strong> la<br />
escala<br />
1<br />
Bobinas cilíndricas 2<br />
Barras magnéticas 2<br />
Fuente <strong>de</strong> CC 1<br />
Transformador <strong>de</strong><br />
<strong>de</strong>smontables y bobinas<br />
bobinas<br />
1<br />
Auto transformador variable 1<br />
Multimetros <strong>de</strong> C.A 2<br />
Cables para conexión Varios<br />
44
Marco teórico y Cuestionario<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY<br />
En 1831 Faraday observó experimentalmente que cuando en una bobina se establece un flujo magnético<br />
variable mediante el movimiento <strong>de</strong> un imán, como se ilustra en la Figura 1.<br />
Figura 9.1. Circuito en el cual se establece un flujo magnético variable.<br />
Y se produce una <strong>de</strong>sviación en el galvanómetro lo que es equivalente a producir una corriente inducida<br />
en la bobina, Este fenómeno suce<strong>de</strong> únicamente cuando el imán está en movimiento. De este y otros<br />
experimentos, Faraday estableció que se induce una fem (fuerza electromotriz) en la bobina don<strong>de</strong> está<br />
conectado el galvanómetro, y que la magnitud <strong>de</strong> la fem inducida <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la rapi<strong>de</strong>z <strong>de</strong> la variación<br />
<strong>de</strong> flujo magnético. Definimos al flujo magnético como:<br />
Y la fem inducida<br />
.<br />
<br />
<br />
A la ecuación anterior se conoce como “Ley <strong>de</strong> la Inducción <strong>de</strong> Faraday”, don<strong>de</strong> ε es la fem inducida, y<br />
dφB<br />
es la razón <strong>de</strong>l cambio <strong>de</strong>l flujo magnético, con respecto al tiempo.<br />
dt<br />
LEY DE LENZ<br />
En la sección anterior se analizó cómo se inducen las fem pero no se mencionó nada acerca <strong>de</strong> la<br />
dirección <strong>de</strong> esta fem, y por tanto <strong>de</strong> la corriente inducida. Fue el físico Aleman H. F. Lenz,<br />
contemporáneo <strong>de</strong> Faraday, quien en una forma sencilla, estableció el sentido <strong>de</strong> las corrientes<br />
inducidas, mediante el siguiente enunciado que se conoce con el nombre <strong>de</strong> Ley <strong>de</strong> Lenz: “La corriente<br />
que es inducida en un circuito tendrá una dirección <strong>de</strong> tal forma que se oponga a la causa que la<br />
produce”; que es una consecuencia directa <strong>de</strong>l principio <strong>de</strong> la conservación <strong>de</strong> la energía.<br />
45
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
FEM INDUCIDA<br />
De acuerdo a la Ley <strong>de</strong> Faraday que se <strong>de</strong>fine con la Ecuación 1 se pue<strong>de</strong>n inducir fem cuando existe<br />
una razón <strong>de</strong> cambio <strong>de</strong>l flujo magnético con respecto al tiempo, vamos a consi<strong>de</strong>rar un ejemplo sencillo<br />
en el cual se tiene una espira <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> un campo magnético (el eje <strong>de</strong> la espira es paralelo a la<br />
dirección <strong>de</strong>l campo para simplificar el ejemplo) si el campo magnético varía con el tiempo, entonces, se<br />
induce una fem en la espira, si movemos la espira perpendicularmente a la dirección <strong>de</strong>l campo<br />
magnético, que se mantiene uniforme (con una velocidad constante), también se induce una fem .<br />
Cuestionario:<br />
1. Explicar concepto <strong>de</strong> Flujo magnetico. Hacer esquema.<br />
2. Explicar cómo se genera una FEM (Fuerza electromotriz) inducida a partir <strong>de</strong> un campo magnético.<br />
3. Explicar las propieda<strong>de</strong>s <strong>de</strong> Paramagnetismo, Ferromagnetismo y diamagnestismo<br />
4. Explicar el funcionamiento <strong>de</strong>l transformador (Razón <strong>de</strong> voltajes, potencia, pérdidas)<br />
Procedimiento<br />
PARTE I. INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
La corriente en una bobina pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>scribirse como circulando en sentido horario o antihorario. A partir<br />
<strong>de</strong> la <strong>de</strong>flexión <strong>de</strong>l galvanómetro y <strong>de</strong> la inspección <strong>de</strong>l arrollamiento <strong>de</strong> la bobina, pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar la<br />
dirección <strong>de</strong> la corriente. Para cada uno <strong>de</strong> los experimentos tomar nota <strong>de</strong> la dirección <strong>de</strong> la corriente en<br />
las bobinas.<br />
1. Conectar los terminales <strong>de</strong> la bobina a los terminales <strong>de</strong>l galvanómetro, Figura 9.1.<br />
Figura 9.1. Montaje para generar una fem.<br />
2. Coloque la barra magnética, con el polo norte hacia abajo, <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la bobina. Tomar nota <strong>de</strong> lo<br />
observado en el galvanómetro.<br />
3. Insertar el imán con la polaridad invertida. Tomar nota <strong>de</strong> las observaciones.<br />
4. Colocar la bobina primaria <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la secundaria y conectar aquella,a la fuente <strong>de</strong> CC (ver Figura<br />
9.2).<br />
46
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
Figura 9.2. Montaje para producir una FEM inducida en la bobina secundaria.<br />
7. Con la polaridad <strong>de</strong> la fuente e inspeccionando los arrollamientos <strong>de</strong> las bobinas, <strong>de</strong>termine la<br />
dirección <strong>de</strong> la corriente inducida en la bobina secundaria.<br />
8. Relacionar las <strong>de</strong>flexiones <strong>de</strong>l galvanómetro; con la dirección <strong>de</strong> la corriente en la bobina secundaria.<br />
Reducir al mínimo el tiempo <strong>de</strong> conexión <strong>de</strong>l circuito para evitar recalentamiento <strong>de</strong> la bobina.<br />
PARTE II. TRANSFORMADOR<br />
10. Realizar el montaje <strong>de</strong> la Figura 9.3, utilizando una bobina <strong>de</strong> 500 espiras en el primario (Np) y otra<br />
<strong>de</strong> 250 vueltas en el secundario (Ns). Variar el voltaje en el primario <strong>de</strong> 10 en 10 voltios hasta 120 V y en<br />
cada caso registre los valores correspondientes a Vs, sin sobrepasar el máximo <strong>de</strong> las escala <strong>de</strong>l<br />
voltímetro, llenar la Tabla <strong>de</strong> datos 1.<br />
Figura 9.3. Circuito <strong>de</strong>l transformador<br />
11. Manteniendo fijo el voltaje en el primario en 120 V medir el voltaje en la bobina <strong>de</strong>l secundario.<br />
Utilizando otras bobinas en el secundario (Ns=200, 100, 50 espiras) realizar el procedimiento anterior y<br />
llenar la Tabla <strong>de</strong> datos 9.2.<br />
Analisis <strong>de</strong> Datos<br />
Vp Vs Ns Vs<br />
Tablas <strong>de</strong> datos-1) Vs vs Vp manteniendo fijas Np y NsM; 2) Vs vs Ns manteniendo fijo Np y Vp.<br />
47
Preguntas <strong>de</strong> Control<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
INDUCCION ELECTROMAGNETICA<br />
Describir y dar la explicación física <strong>de</strong> todos los efectos observados en los numerales:<br />
1. ParteI: 2 a 5<br />
2. Parte II: 6 a 8.<br />
3. Numeral 9.<br />
4. Con los datos <strong>de</strong>l numeral 10, realizar una gráfica <strong>de</strong> Vs en función <strong>de</strong> Vp e interprete<br />
la misma.<br />
48
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGIA<br />
Objetivos<br />
No<br />
10<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CARGA Y DESCARGA DE CONDENSADORES<br />
1. Determinar la constante <strong>de</strong> tiempo RC , utilizando valores calculados y medidos.<br />
2. Apren<strong>de</strong>r a utiliza la carta universal para la carga y <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador.<br />
3. analizar la variación <strong>de</strong> la capacitancia <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> placas paralelas al variar su geometría o<br />
al introducirle un material dieléctrico.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Con<strong>de</strong>nsadores Electroliticos 4<br />
Protoboard 1<br />
Multimetro 1<br />
Cronometro 1<br />
Fuente <strong>de</strong> Voltaje 1<br />
Capacitor <strong>de</strong> placas paralelas 1<br />
Hojas tamaño carta 5 Lo <strong>de</strong>be traer el estudiante<br />
Vidrio o acrílico (tamaño hoja carta) 1 Lo <strong>de</strong>be traer el estudiante<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
CONDENSADORES<br />
Un con<strong>de</strong>nsador o capacitor se opone al cambio <strong>de</strong> voltaje, un inductor (Bobina o solenoi<strong>de</strong>) se opone al<br />
cambio en la corriente, y una resistencia se opone al voltaje y a la corriente ya sea que estén cambiando<br />
o no. La constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong> un circuito es la cantidad <strong>de</strong> tiempo requerido para que la corriente en<br />
un circuito inductivo o el voltaje en un circuito capacitivo, alcancen aproximadamente el 63% <strong>de</strong> su valor<br />
máximo. La constante <strong>de</strong> tiempo (t) <strong>de</strong> un circuito RC <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> los valores <strong>de</strong> R y C ( t=RC). La<br />
constante <strong>de</strong> tiempo <strong>de</strong>l circuito RC mostrado en la figura 10.1 es:<br />
49
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR<br />
Figura 10.1. Circuito tipico RC<br />
en el con<strong>de</strong>nsador), el voltaje a través <strong>de</strong> C es el 63 % <strong>de</strong> la fem aplicada, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> una constante <strong>de</strong><br />
tiempo ó 50ms:<br />
VC = VA x 63%<br />
VC= 10 x 0.63<br />
VC = 6.3 V<br />
Después <strong>de</strong> 5 constantes <strong>de</strong> tiempo el voltaje alcanza aproximadamente el 99 % <strong>de</strong> su valor máximo. El<br />
con<strong>de</strong>nsador se consi<strong>de</strong>ra cargado ( o <strong>de</strong>scargado) <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 5 constantes <strong>de</strong> tiempo. En este<br />
ejemplo, el tiempo requerido para que el con<strong>de</strong>nsador se cargue ( o <strong>de</strong>scargue) completamente es:<br />
5 τ = 5 x 50 ms<br />
= 250 ms<br />
La figura 2 muestra una carta universal <strong>de</strong> tiempo. Con ayuda <strong>de</strong> esta carta, usted pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>terminar la<br />
cantidad <strong>de</strong> voltaje o corriente que pasa por un con<strong>de</strong>nsador o inductor.<br />
Curva para la <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un capacitor<br />
Curva para la carga <strong>de</strong> un capacitor<br />
1 τ 2 τ 3 τ 4 τ 5 τ<br />
Figura 10.2. Carta Universal para <strong>de</strong>terminar la carga y <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador<br />
Para <strong>de</strong>mostrar el uso <strong>de</strong> la carta universal <strong>de</strong> constantes <strong>de</strong> tiempo, utilizaremos el circuito RC mostrado<br />
en la figura 10.3. Asumiremos que el con<strong>de</strong>nsador C ya está completamente cargado con 10 V. Cuando<br />
50
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR<br />
se cierra el interruptor, el con<strong>de</strong>nsador se <strong>de</strong>scarga a través <strong>de</strong> la resistencia R. El con<strong>de</strong>nsador se<br />
<strong>de</strong>scarga a una velocidad dictada por la constante <strong>de</strong> tiempo RC.<br />
τ = RC<br />
τ = 10k Ω x 3μF<br />
τ =30ms<br />
Supóngase que <strong>de</strong>seamos conocer el voltaje a través <strong>de</strong> C, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 900 ms ( 2 constantes <strong>de</strong><br />
tiempo). Mirando en la carta universal <strong>de</strong> constante <strong>de</strong> tiempo, se pue<strong>de</strong> ver que el voltaje a través <strong>de</strong>l<br />
con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong>bería ser el 14% <strong>de</strong>l valor original, <strong>de</strong>spués <strong>de</strong> 2 constantes <strong>de</strong> tiempo:<br />
VC = VA x 14%<br />
VC = 10 x01.4<br />
VC = 1.4 V<br />
Cuestionario<br />
1. Investigar concepto <strong>de</strong> Con<strong>de</strong>nsador o capacitor<br />
2. Investigar formalismo matemático para expresar la carga y <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> capacitores.<br />
3. Investigar formalismo matemático para expresar la corriente en el tiempo <strong>de</strong> carga y <strong>de</strong>scarga <strong>de</strong> un<br />
capacitor.<br />
4.investigar como cambia la capacitancia con un material dieléctrico.<br />
Procedimiento<br />
1. Ensamble en el protoboard el circuito <strong>de</strong> la figura 10.1. Pida ayuda al profesor o persona encargada<br />
<strong>de</strong>l laboratorio.<br />
2. Conecte la fem al circuito para suministrar 10 V.<br />
3. Ajuste el multimetro a la escala <strong>de</strong> voltaje directo; conéctelo a los bornes <strong>de</strong>l capacitor.<br />
4. Una vez hecho los numerales 2 y 3 oprima el interruptor, observe en el multimetro lo que suce<strong>de</strong>.<br />
5. Con ayuda <strong>de</strong> la carta universal compruebe que el valor dado por el multimetro cuando ha transcurrido<br />
dos constantes <strong>de</strong> tiempo es igual al 86%<strong>de</strong>l valor <strong>de</strong> la fem(10V).<br />
6.Con ayuda <strong>de</strong> un cronómetro verifique que una constante <strong>de</strong>l tiempo equivale a la que usted obtuvo<br />
matemáticamente.Registre los datos en la tabla 10.1.<br />
7. Una vez realizado lo anterior <strong>de</strong>sconecte la fem <strong>de</strong>l circuito; con el multimetro conectado todavía a los<br />
bornes <strong>de</strong>l capacitor, observe en el multimetro lo que suce<strong>de</strong>.<br />
8. Variación <strong>de</strong> la capacidad con la geometría.<br />
Para estudiar la variación <strong>de</strong> la capacitancia con la geometría, utilize el capacitor <strong>de</strong> placas paralelas y<br />
varie la distancia cinco veces y <strong>de</strong>termine su capacitancia con el LCR.<br />
9. Variación <strong>de</strong> la capacidad el medio dieléctrico<br />
Usando medios aislantes que ocupen todo el volumen entre las placas, estudiar la variación <strong>de</strong> la<br />
capacidad con las características <strong>de</strong>l medio aislante, dieléctrico. Como dieléctrico pue<strong>de</strong> usar papel,<br />
vidrio, acrílico. El cociente <strong>de</strong> la capacidad con y sin dieléctrico, para un misma geometría <strong>de</strong> los<br />
capacitores planos (igual área y distancia entre las placas) <strong>de</strong>termina el valor <strong>de</strong> la constante dieléctrica,<br />
k, <strong>de</strong>l medio. Para el caso <strong>de</strong>l papel, realice el mismo análisis que<br />
en el punto anterior pero usando el papel como medio dieléctrico y separador al mismo tiempo. Del<br />
gráfico <strong>de</strong> C versus d, <strong>de</strong>termine la constate dieléctrica <strong>de</strong> esta sustancias. Estime el error <strong>de</strong> sus<br />
<strong>de</strong>terminaciones. Para todas las sustancias dieléctricas usadas, <strong>de</strong>termine el valor <strong>de</strong> K y compare con<br />
los valores tabulados.<br />
51
Analisis <strong>de</strong> datos<br />
Valor medido<br />
Valor calculado<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR<br />
Capacitor C Resistor R τ =RC V63% V86% V95% V98% V99%<br />
Tabla 10.1. Circuito RC tipico<br />
1. Graficar C versus. d y que pue<strong>de</strong> concluir <strong>de</strong> la variación <strong>de</strong> la capacitancia con la geometría<br />
2. Para el caso <strong>de</strong>l papel, realice el mismo análisis que en el punto anterior pero usando el papel<br />
como medio dieléctrico y separador al mismo tiempo. Del gráfico <strong>de</strong> C versus d, <strong>de</strong>termine la<br />
constate dieléctrica <strong>de</strong> esta sustancias. Estime el error <strong>de</strong> sus <strong>de</strong>terminaciones. Para todas las<br />
sustancias dieléctricas usadas, <strong>de</strong>termine el valor <strong>de</strong> K y compare con los valores tabulados<br />
Preguntas <strong>de</strong> control<br />
1. Demuestre a partir <strong>de</strong>l formalismo matemático que consultó para el presente laboratorio,<br />
porque para una constante <strong>de</strong> tiempo equivale al 63% <strong>de</strong>l valor máximo <strong>de</strong> fem, haga lo<br />
mismo para los otros porcentajes.<br />
52
DEPARTAMENTO DE<br />
FISICA Y GEOLOGÍA<br />
Objetivos<br />
No<br />
11<br />
UNIVERSIDAD DE PAMPLONA<br />
FACULTAD DE CIENCIAS BÁSICAS<br />
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CAMPO MAGÉTICO DE LA TIERRA<br />
1. Verificar la existencia <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong> la tierra y su dirección.<br />
2. Calcular la magnitud <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong> la tierra.<br />
Esquema <strong>de</strong>l laboratorio y materiales<br />
Montaje Experimental<br />
Equipo requerido Cantidad Observaciones<br />
Bobinas <strong>de</strong> Helmholtz 1<br />
Fuente Variable 1<br />
Multímetro 1<br />
Resistencia 1<br />
Brújula 1<br />
Marco teórico y Cuestionario<br />
Figura 1. Esquema experimental.<br />
La Tierra tiene un campo magnético con polos Norte y Sur y alcanza 36 000 millas en el espacio, (más o<br />
menos hasta unas cinco veces el radio <strong>de</strong> la tierra). El campo magnético <strong>de</strong> la Tierra es<br />
aproximadamente igual al <strong>de</strong>l exterior <strong>de</strong> una esfera uniformemente imantada y está ro<strong>de</strong>ado <strong>de</strong> la<br />
magnetosfera, la cual previene que la mayoría <strong>de</strong> las partículas <strong>de</strong>l Sol, que se trasladan con el viento<br />
solar, choquen contra la Tierra, pero algunas partículas <strong>de</strong>l viento solar pue<strong>de</strong>n penetrar la magnetosfera
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA<br />
y son estas partículas son las que dan origen a los espectáculos <strong>de</strong> luces <strong>de</strong> la Aurora. El Sol y otros<br />
planetas tienen magnetosferas, pero la Tierra tiene la más fuerte <strong>de</strong> todos los planetas rocosos.<br />
¿CÓMO GENERA LA TIERRA SU CAMPO MAGNÉTICO? El núcleo terrestre es líquido, como<br />
se observa en la Figura 2. Se trata <strong>de</strong> un magma muy caliente, un material conductor. Como el<br />
planeta gira, dicho magma también lo hace, aunque no <strong>de</strong> manera uniforme. Una rotación no<br />
uniforme <strong>de</strong> un material conductor crea una dínamo, y es ella la que da lugar al campo<br />
magnético terrestre, que presenta un polo Norte y un polo Sur. En algunos momentos se han<br />
intercambiado: el polo Norte ha pasado a ser el polo Sur y viceversa.<br />
Ante todo, <strong>de</strong>bemos tener presente que la Tierra se comporta como un gigantesco imán<br />
ubicado en su centro, cuyo eje está inclinado unos 11º respecto al eje <strong>de</strong> rotación, lo cual<br />
genera líneas <strong>de</strong> fuerzas magnéticas que entran por el polo norte magnético (cerca <strong>de</strong>l polo<br />
norte geográfico), penetran hacia <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong> la Tierra y salen por el polo sur magnético, como se<br />
observa en la Figura 3.<br />
El efecto dínamo es una teoría geofísica que explica el origen <strong>de</strong>l campo magnético principal <strong>de</strong><br />
la Tierra como una dínamo auto-excitada (o auto-sustentada). En este mecanismo dínamo el<br />
movimiento fluido en el núcleo exterior <strong>de</strong> la Tierra mueve el material conductor (hierro líquido) a<br />
través <strong>de</strong> un campo magnético débil, que ya existe, y genera una corriente eléctrica (el calor <strong>de</strong>l<br />
<strong>de</strong>caimiento radiactivo en el núcleo induce el movimiento convectivo). La corriente eléctrica<br />
produce un campo magnético que también interactúa con el movimiento <strong>de</strong>l fluido para crear un<br />
campo magnético secundario. Juntos, ambos campos son más intensos que el original y yacen<br />
esencialmente a lo largo <strong>de</strong>l eje <strong>de</strong> rotación <strong>de</strong> la Tierra.<br />
Figura 2. Corteza terrestre. Figura 3. Líneas <strong>de</strong> Campo<br />
magnético <strong>de</strong> la tierra.<br />
¿QUÉ ES EL MAGNETISMO? Hasta 1821 sólo era conocida una forma <strong>de</strong> magnetismo, la<br />
producida por imanes <strong>de</strong> hierro. Posteriormente, un científico danés, Hans Christian Oersted,<br />
mientras <strong>de</strong>mostraba a sus amigos el flujo <strong>de</strong> una corriente eléctrica en un alambre, notó que la<br />
corriente causaba que la aguja <strong>de</strong> una brújula cercana se moviera. El nuevo fenómeno fue<br />
Escrito por: Claudia Patricia Parra Medina y Rómulo Sandoval Flórez.
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA<br />
estudiado en Francia por André-Marie Ampere, quien concluyó que la naturaleza <strong>de</strong>l magnetismo<br />
era muy diferente <strong>de</strong> la que se creía. Era básicamente una fuerza entre corrientes eléctricas: dos<br />
corrientes paralelas en la misma dirección se atraen, en direcciones opuestas se repelen. Los<br />
imanes <strong>de</strong> hierro son un caso muy especial, que Ampere también fue capaz <strong>de</strong> explicar. En la<br />
naturaleza los campos magnéticos son producidos en el gas rarificado <strong>de</strong>l espacio, en el calor<br />
resplan<strong>de</strong>ciente <strong>de</strong> las manchas solares, y en el núcleo fundido <strong>de</strong> la Tierra. Tal magnetismo<br />
<strong>de</strong>be ser producido por corrientes eléctricas, pero permanece en un gran <strong>de</strong>safío encontrar cómo<br />
se producen esas corrientes.<br />
Cuando <strong>de</strong>cimos que un imán <strong>de</strong> brújula tiene un polo norte y un polo sur, <strong>de</strong>beríamos <strong>de</strong>cir<br />
mejor que tiene un polo que ’busca el norte’ y un polo ’busca el sur ’. al <strong>de</strong>cir esto, queremos<br />
expresar que un polo <strong>de</strong>l imán busca o apunta hacia, el polo norte geográfico <strong>de</strong> la tierra. En<br />
vista <strong>de</strong> que el polo norte <strong>de</strong> un imán es atraído hacia el polo geográfico <strong>de</strong> la tierra, concluimos<br />
que el polo sur magnético <strong>de</strong> la tierra está localizado cerca <strong>de</strong>l polo norte geográfico, y el<br />
polo norte magnético está localizado cerca <strong>de</strong>l polo sur geográfico.<br />
Bobinas <strong>de</strong> Helmholtz<br />
Cuando por las bobinas circula una corriente directa y constante se crea un campo magnético<br />
aproximadamente uniforme en su interior (representado por x en la figura 1) que se pue<strong>de</strong><br />
calcular con la siguiente expresión:<br />
N I<br />
don<strong>de</strong>:<br />
B<br />
o<br />
3/<br />
2<br />
N: Número <strong>de</strong> vueltas <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz.<br />
I: Magnitud <strong>de</strong> la corriente a través <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz<br />
o = 4 x10 -7<br />
T.m/A (Permeabilidad magnética <strong>de</strong>l espacio libre)<br />
R: Radio <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz<br />
5<br />
4<br />
Escrito por: Claudia Patricia Parra Medina y Rómulo Sandoval Flórez.<br />
R<br />
(11.1)<br />
Para medir experimentalmente el campo magnético terrestre, , se hace interactuar una brújula<br />
con el campo magnético resultante <strong>de</strong> la superposición <strong>de</strong>l campo magnético terrestre y el<br />
campo magnético, generado por la corriente que circula por las bobinas <strong>de</strong> alambre<br />
conductor. En el caso particular en que es perpendicular a , el campo magnético <strong>de</strong> la<br />
combinacion resulta como se indica en la Figura 4. La aguja <strong>de</strong> la brújula se orientara en la<br />
dirección <strong>de</strong>l campo resultante.<br />
De acuerdo con la Figura 4:<br />
, (11.2)<br />
Puesto que el campo magnético producido por una corriente eléctrica es proporcional a la<br />
intensidad <strong>de</strong> la corriente, es <strong>de</strong>cir, . De don<strong>de</strong> se <strong>de</strong>duce que:<br />
. (11.3)<br />
En base a la ecuación anterior se espera una variación lineal entre y la intensidad <strong>de</strong> la<br />
corriente, a partir <strong>de</strong> la cual po<strong>de</strong>mos calcular el campo terrestre .<br />
El valor <strong>de</strong> la constante <strong>de</strong>pen<strong>de</strong> <strong>de</strong> la geometría <strong>de</strong>l sistema <strong>de</strong> bobinas que se use en el<br />
experimento (espiras, solenoi<strong>de</strong>, bobinas <strong>de</strong> Helmholtz, etc.).
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA<br />
Para este experimento k tiene como valor la relación dada por la ecuación (11.1).<br />
La apreciación <strong>de</strong>l amperímetro (error sistemático) utilizado es <strong>de</strong> 0.1 mA y la <strong>de</strong>l<br />
goniómetro <strong>de</strong> la brújula es <strong>de</strong> 0.5 . Los datos anteriores téngalos en cuenta para el cálculo<br />
<strong>de</strong> las incertidumbres en las mediciones.<br />
Figura 4. Representación <strong>de</strong> la dirección <strong>de</strong>l campo magnético terrestre y el campo<br />
magnético <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz.<br />
Cuestionario:<br />
1. Consultar el esquema <strong>de</strong> las líneas <strong>de</strong> campo magnético <strong>de</strong> la tierra. Averiguar cómo entran<br />
y cómo emergen las líneas <strong>de</strong> campo magnético en el planeta.<br />
2. Con el fin <strong>de</strong> estimar el campo magnético en el lugar <strong>de</strong>l experimento, se utiliza el programa<br />
Geomagnetic Field Synthesis Program (Compute Values of Earth's Magnetic Field (Version<br />
3.1). Al cual se pue<strong>de</strong> acce<strong>de</strong>r haciendo uso <strong>de</strong>l internet. Allí se pue<strong>de</strong> calcular el campo<br />
magnético <strong>de</strong> un lugar sobre la tierra, como lo es el caso, en Cúcuta-Colombia. Calcule el<br />
campo magnético terrestre en Colombia, para la ciudad más cercana al laboratorio.<br />
Procedimiento<br />
1. Realice el montaje mostrado en la Figura 1.<br />
2. Registre en la Tabla <strong>de</strong> datos 1, el valor <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> vueltas N y el radio R <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong><br />
Helmholtz, estos datos están en la etiqueta <strong>de</strong> las bobinas <strong>de</strong> Helmholtz.<br />
3. Sin haber encendido la fuente, coloque la brújula en el centro <strong>de</strong> las bobinas. La dirección hacia<br />
don<strong>de</strong> apunta la brújula, es la dirección <strong>de</strong>l campo magnético terrestre. Ubique las bobinas <strong>de</strong><br />
modo que su plano esté en la dirección <strong>de</strong>l campo magnético terrestre, o sea que su eje este en<br />
la dirección este-oeste, como se observa en la Figura 4.<br />
4. Coloque la brújula en el centro <strong>de</strong> las bobinas. Encienda la fuente <strong>de</strong> voltaje y ajuste una<br />
corriente hasta que la aguja <strong>de</strong> la brújula se ubique en . La aguja <strong>de</strong> la brújula se orienta en<br />
dirección <strong>de</strong>l campo magnético resultante <strong>de</strong> combinar el campo magnético <strong>de</strong> las bobinas, y<br />
el campo magnético terrestre, Tome la dirección norte-sur para medir los ángulos, es <strong>de</strong>cir,<br />
tome como la orientación <strong>de</strong> la aguja <strong>de</strong> la brújula cuando la corriente por las bobinas es<br />
cero, como se observa en la Figura 4. Registre la medida <strong>de</strong> la corriente mostrada en el<br />
multímetro, en la casilla <strong>de</strong> en la Tabla 1.<br />
Escrito por: Claudia Patricia Parra Medina y Rómulo Sandoval Flórez.
LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO<br />
CAMPO MAGNÉTICO DE LA TIERRA<br />
5. Tome los valores <strong>de</strong> la corriente para ángulos <strong>de</strong> 10 y regístrelos<br />
en la Tabla 1.<br />
6. Encuentre la tangente <strong>de</strong> cada uno <strong>de</strong> los ángulos y regístrelos en la Tabla 1. Grafique Vs<br />
en una hoja <strong>de</strong> papel milimetrado.<br />
7. Encuentre el campo magnético terrestre haciendo uso <strong>de</strong> la pendiente <strong>de</strong> la gráfica en base a la<br />
ecuación (11.3) anterior y regístrelo en la Tabla 1.<br />
8. Comparando este valor con el <strong>de</strong>l campo magnético <strong>de</strong>l lugar (Valor teórico), Calcule el error<br />
relativo.<br />
Preguntas <strong>de</strong> control.<br />
Tabla 1. Datos y cálculos <strong>de</strong> la práctica.<br />
1. ¿Si quisiéramos cancelar el campo magnético <strong>de</strong> la tierra colocando una enorme espira <strong>de</strong><br />
corriente alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l ecuador, en qué dirección tendría que moverse la corriente?<br />
2. ¿Qué factores externos pue<strong>de</strong>n afectar el experimento?<br />
Conclusiones<br />
No <strong>de</strong> vueltas <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz (N)<br />
Radio <strong>de</strong> la bobina <strong>de</strong> Helmholtz R (m)<br />
Ángulo ( ) tan Corriente ( ) (Amperios A)<br />
5<br />
Campo magnético terrestre<br />
En este espacio el estudiante <strong>de</strong>be anotar las conclusiones <strong>de</strong> lo observado en la práctica, <strong>de</strong><br />
manera sencilla y coherente.<br />
Bibliografía<br />
http://www.fcaglp.unlp.edu.ar/extension/preguntas/geomagnetismo.html<br />
Revista <strong>de</strong> la Sociedad astronomica <strong>de</strong>l planetario alfa. Fasciculo No 17.<br />
Visita www.astronomos.org.Campo magnético terrestre.<br />
Escrito por: Claudia Patricia Parra Medina y Rómulo Sandoval Flórez.