fisica experimental ii 2014-1 (2)

5/27/2018 Fisica Experimental II 2014-1 (2)

1/30

1

Departamento de Fsica

Gua de laboratorio del curso

Fsica Experimental II

Carrera 1E No. 18A10, Edificio IP. Conmutador 3394949 3394999 Extensin 2730. Directo:3324500. Fax: 3324516. Apartado Areo 4976. Bogot, D. C.


2/30

2

ndice general

1. Calor especfico de un slido 3

2. Calor latente del agua 4

3. Dilatacin trmica de los slidos 7

4. Dilatacin trmica del agua 10

5. Gas ideal 12

6. Equivalente mecnico del calor 15

7. Lneas de campo elctrico 17

8. Lneas equipotenciales 19

9. Ley de Ohm 22

10. Equivalente elctrico del calor 24

11. Carga y descarga de un condensador 27

12. Campo magntico 29

13. Campo magntico terrestre 31

14. Examen final 33


3/30

3

Prctica 1Calor especfico de un slidoObjetivos

Medir experimentalmente el calor especfico de diferentes materiales conocidos

MaterialesCalormetro, termmetro, agua y slidos de diferentes materiales.

Mtodo

Al poner en contacto trmico varios sistemas a temperaturas distintas, ocurre intercambiode calor entre ellos. Mediante la medicin de temperaturas se puede calcular el calorespecfico de los materiales involucrados.

Teora

- Para este laboratorio se deben tener claros los conceptos de transferencia de calor ycmo, conociendo las temperaturas iniciales de los sistemas puestos en contacto y latemperatura final de equilibrio, se puede deducir el calor especfico de cada uno de lossistemas. Tambin se debe tener claros los conceptos de calor especfico, capacidadcalorfica, y conocer el valores del calor especfico para el hierro, el aluminio y el cobre.

En estos experimentos de calorimetra usaremos siempre la calora como unidad de calor: Lacalora se define como la cantidad de calor que debe absorber 1 gramo de agua para que sutemperatura aumente en 1C. Otra manera de decirlo es que el calor especfico del agua sedefine como 1 cal/gC y los calores especficos de otras sustancias se dan en trminos ste.


4/30

4

Procedimiento

Un calormetro es un recipiente trmicamente aislado del medio ambiente. Sin embargo el

calormetro est hecho de algn material, lo que hace que absorba cierta cantidad de calor.Para tener buenos resultados experimentales se debe conocer la capacidad calorfica delcalormetro para saber cunto calor absorbi o cedi.

- La primera parte del experimento consiste en determinar la capacidad calorfica delcalormetro. Para esto se realiza una experiencia en la que haya transferencia de calorentre el calormetro y agua caliente. El procedimiento es el siguiente: se llena elcalormetro con agua fra;, se espera de 2 a 3 minutos y se toma la temperatura delagua, esta ser la temperatura inicial del calormetro. Se retira el agua fra delcalormetro y se vierte inmediatamente agua caliente con temperatura conocida; seasla el sistema, se espera a que llegue a su estado de equilibrio, se mide la

temperatura final y la masa de agua dentro del calormetro.

- La segunda parte del experimento permite calcular el calor especfico de diferentesslidos. El procedimiento es el siguiente: para determinar la temperatura inicial delcalormetro, se llena con agua fra, se espera 2 a 3 minutos, y se mide la temperatura,sta ser la temperatura inicial del calormetro y del agua. En un recipiente aparte secalienta agua, se sumerge el slido y despus de cierto tiempo se mide la temperatura,sta ser la temperatura inicial del slido. Se traslada nicamente el slido delrecipiente al calormetro, se asla el sistema y cuando llegue al equilibrio trmico semide la temperatura final, la masa de agua dentro del calormetro y la masa del slido.

Anlisis cualitativo

- Realizar un diagrama cualitativo del flujo de calor que hay en el sistema cuando serealiza la segunda manipulacin.

Anlisis cuantitativo

- La primera parte consiste en calcular la capacidad calorfica del calormetro. Al final delprocedimiento se deben tener los siguientes datos: la temperatura inicial del

calormetro, la temperatura inicial del agua caliente, la masa del agua caliente y latemperatura final de equilibrio. Con estos datos y aplicando la conservacin de energadeducir la capacidad calorfica del calormetro.

- La segunda parte consiste en calcular el calor especfico de cada uno de los tresslidos. Se realiza la segunda manipulacin y se toman los datos importantes: paracada uno de los slidos: la temperatura inicial del calormetro y el agua sern enprincipio la misma, la temperatura inicial del slido, la temperatura final de equilibrio, lamasa del slido y la masa de agua dentro del calormetro. Con los diferentes datospara cada slido calcular el respectivo calor especfico y compararlo con el valorterico.

Conclusiones


5/30

5

Prctica 2

Calor latente del aguaObjetivos

Medir experimentalmente el calor latente (de fusin y de evaporacin) del agua.

Materiales

Calormetro, termmetro, hielo, agua, horno microondas, recipiente para hervir agua.

Mtodo:

Sumergimos en agua un cubo de hielo y esperamos a que se derrita completamente. Luegomedimos la temperatura final de equilibrio del sistema para calcular el calor latente de fusin.

Para determinar el calor latente de vaporizacin ponemos a hervir un recipiente con agua.Antes de que llegue a ebullicin medimos la rapidez con que el agua se calienta, paradeterminar la potencia (calor/tiempo). Cuando comienza a hervir medimos la rapidez con quese evapora (masa/tiempo). Relacionando estos dos resultados encontramos el calor latente(calor/masa).

Teora

- Para este laboratorio se deben tener claros los conceptos de transferencia de calor ycmo, conociendo las temperaturas iniciales de los sistemas, en diferentes estadospuestos en contacto y la temperatura final de equilibrio, se puede deducir el calorlatente y la capacidad calorfica de cada uno de los sistemas. Tambin se debe tener

claro los conceptos de capacidad calorfica, calor latente y conocer el valor del calorlatente de fusin y de vaporizacin del agua.


6/30

6

Procedimiento:

Un calormetro es un sistema aislado trmicamente del medio ambiente, es decir, no permiteel intercambio de calor desde ni hacia su interior. Sin embargo el calormetro est hecho dealgn material, lo que hace que absorba cierta cantidad de calor. Para tener buenosresultados experimentales se debe conocer la capacidad calorfica del calormetro para sabercunto calor absorbi o cedi.

- La primera parte del experimento consiste en determinar la capacidad calorficadel calormetro, as como se hizo en la prctica anterior (Calor Especfico).

- Para calcular el calor latente de fusin, primero se determina la temperatura inicialdel calormetro: se llena el calormetro con agua caliente, se espera 1 a 2 minutos,y se mide la temperatura; sta ser la temperatura inicial del calormetro. Luego semide la masa del agua utilizada, se aade hielo con masa y temperaturaconocidas (el hielo debe dejarse un rato fuera del congelador para poder suponerque su temperatura es de 0C y no menor), se asla el sistema y cuando llegue alequilibrio trmico se mide la temperatura final.

- Para medir el calor latente de vaporizacin se pone a calentar una cantidadconocida de agua. Se mide la temperatura a intervalos regulares. Cuandocomienza a hervir, se deja hirviendo por un tiempo determinado y se mide la masafinal.

Anlisis cualitativo

- Realizar un diagrama cualitativo del flujo de calor que hay en el sistema cuando serealiza la segunda manipulacin.- El agua caliente invierte calor en dos procesos: primero en el cambio de estado y

segundo en calentar el agua. En el primer proceso, la temperatura del hielo cambia?Cul es la temperatura inicial del agua en la que queda convertida el hielo?

- Cuando el agua entra en ebullicin, sigue absorbiendo calor. Aumenta sutemperatura? Qu sucede con la energa absorbida?


- La primera parte consiste en calcular la capacidad calorfica del calormetro, de lamisma manera que en la prctica anterior.- Para calcular el calor latente de fusin del agua se plantea la conservacin de energa,

incluyendo el calor cedido por el calormetro. Se introducen los datos medidos y sedespeja el calor latente.

- Para calcular el calor latente de vaporizacin, se grafica temperatura versus tiempopara la etapa de calentamiento, y de la pendiente se obtiene la potencia absorbida porel agua. Luego se calcula la rapidez de evaporacin del agua (disminucin de masadividida por el tiempo empleado) en la etapa de ebullicin. Relacionando esta rapidezcon la potencia absorbida se obtiene el calor latente de vaporizacin.

Conclusiones


7/30

7

Prctica 3

Dilatacin trmica de los slidosObjetivos

Comprobar que la longitud de un objeto vara con la temperatura y medirexperimentalmente el coeficiente de expansin lineal del cobre y del aluminio.

Materiales

Tubos aluminio, cobre, erlenmeyer con agua, mechero, termmetro, soporte y relojcomparador.

Mtodo

Se quiere someter un tubo a una variacin de temperatura y medir la variacin del largodel tubo. Con los datos medidos se calcula el coeficiente de expansin lineal.

Teora

Es necesario para este laboratorio:- Tener claro el concepto de dilatacin trmica y en qu rangos es vlido.- Explicar qu efecto podemos predecir sobre el dimetro del tubo. El hecho que el

objeto estudiado sea tridimensional afecta la medida? Determinar la expresin de coeficiente espacial o volumtrico de expansin trmica en funcin del coeficiente deexpansin lineal .


8/30

8

Procedimiento

Se realiza el montaje experimental propuesto en la figura, en donde se tiene un

erlenmeyer con agua previamente calentada en un microondas y un tubo metlico que se va aestudiar. El erlenmeyer se conecta a travs de una manguera de caucho al tubo metlico ydespus se colocar sobre un mechero para hervir el agua. La idea es medir la diferencia delongitud del tubo metlico cuando se mide antes y despus de haber sido calentado a latemperatura de ebullicin del agua.

El procedimiento experimental es el siguiente: se empieza montando el tubo metlico quese va a estudiar sobre el soporte preparado con antelacin. Del lado de donde llega el vaporcaliente al tubo, se tiene que inmovilizar bien el tubo sobre el soporte. Del otro lado el soporteservir de gua y no se debe apretar. Del lado con el extremo libre, se fija al tubo un tope paraque se pueda medir la dilatacin con el reloj comparador. El reloj comparador debe fijarse

bien sobre un soporte aparte. Una vez montado el tubo se procede a la medida del largo tildel tubo. Anotar este largo til L0 as como el error sobre su medida L0. Anotar el valormarcado por el comparador (este valor inicial no importa que sea diferente de 0 lo importantees solamente la variacin). Precalentar el agua en el microondas y conectar el vapor al tubo.Verificar que el valor marcado por el comparador no se ha movido. No tocar ms el montaje.Dejar hervir el agua y esperar ms o menos 10 minutos. Cuando el comparador alcanza unvalor mximo es porque el tubo ha alcanzado la temperatura del vapor. Anotar este valormximo x correspondiente a la expansin trmica y la incertidumbre x de esta medida. Unavez terminada la medida desmontar el tubo y enfriarlo con agua. Hacer la medicin dos vecespara cada tubo. Apague el mechero cuando no se est utilizando. Revise el nivel de alcoholantes de cada manipulacin para no quemar totalmente la mecha. Con el termmetro se mide

la temperatura inicial de cada tubo y la temperatura de ebullicin del agua.

Anlisis cualitativo

- Cual es la temperatura inicial del tubo? Explicar por qu. Considerando que elexperimento se realiza a una altura diferente a la del nivel del mar que medidacomplementaria se debe hacer para aumentar la precisin del experimento?


- Calcular la diferencia = Tf

-Tientre temperatura inicial y final y su error . A partir delas medidas de L0, L0, x,x, y calcular para cada medida realizada el coeficiente

de expansin lineal del cobre y del aluminio y el error (por la formula de propagacinde error) sobre esta constante en unidades internacionales.

- Comparar en el caso tanto del aluminio como del cobre los resultados obtenidosexperimentalmente del coeficiente para cada una de las medidas. Son estosresultados coherentes si se tienen en cuenta las barras de error calculadas en cadacaso?

- Comparar el promedio de los coeficientes del aluminio y del hierro con los valoresreales Al = 24x10

-6

K-1

y Cu = 17x10-6

K-1

. Estn estos valores dentro de las barras deerror calculadas a partir de los experimentos? Si no es el caso, de donde puede

provenir el error suplementario observado.

Conclusiones


9/30

9

Prctica 4

Dilatacin trmica del aguaObjetivos

Medir el coeficiente de expansin volumtrica del agua.

Materiales

Capilar, termmetro, erlenmeyer, agua y papel milimetrado.

Mtodo

Se quiere someter una cierta cantidad de agua a variaciones de temperatura y relacionarestas variaciones con el volumen del lquido. Se espera deducir de la dinmica de dilatacin,

el coeficiente de expansin volumtrica.

Teora relevante

- Se debe tener claro el concepto de dilatacin trmica y en qu rangos es vlido.

Procedimiento

Se realiza el montaje experimental propuesto en la figura, en donde se tiene unErlenmeyer con agua que llena igualmente parte de un tubo capilar. El Erlenmeyer, quecontiene el agua que se va a estudiar, se encuentra sumergido dentro de un bao trmico o

reservorio trmico (al hacer referencia al agua del reservorio trmico se hablar de baotrmico, al hacer referencia al agua dentro del Erlenmeyer se dir simplemente el agua). Laidea es medir la altura del nivel del agua en el capilar para diferentes temperaturas.


10/30

10

El procedimiento experimental es el siguiente: se empieza con un bao trmico a unatemperatura ms alta que la temperatura ambiente, de esta forma no hay riesgo de que elagua desborde fuera del capilar. Luego, a pasos, se disminuye lentamente la temperatura delbao agregando poca agua fra o en su defecto reemplazando parte del agua por agua fra(Es importante que la disminucin de temperatura sea gradual, de otra forma no se podrantomar suficientes datos). Despus de esperar a que el sistema llegue a un estado de equilibrio(2 a 3 minutos), se toma la medida del nivel del agua dentro del tubo capilar. Eventualmentese puede disminuir la temperatura del bao utilizando trozos de hielo una vez se ha llegado ala temperatura ambiente; en este caso es importante que los trozos de hielo estn derretidosantes de tomar la medida.

Finalmente para realizar el anlisis de datos es necesario medir el volumen del aguautilizado con ayuda de una probeta. Recordar incluir el volumen dentro del capilar.

Anlisiscualitativo

- Desde un punto de vista termodinmico Cul es la funcin delreservorio trmico y como sera un reservorio trmico ideal?

- Qu le sucede al agua a medida que la temperatura disminuye?Justificar esta dinmica utilizando argumentos fsicos.

Anlisiscuantitativo

- Realizar el procedimiento experimental y para diferentes temperaturas del baoregistrar la altura del nivel del agua dentro del tubo capilar. Se sugiere que el primer

dato sea aquel para el cual el nivel del agua se encuentre en el borde superior del tubocapilar y que este punto sea el nivel de referencia desde el cual se mida la altura h.

- Con los datos obtenidos de T y h, realizar una grfica de la altura en funcin de latemperatura. Describir y comentar la curva obtenida basndose en la ecuacin querelaciona la dilatacin y el cambio en temperatura.

- Tener en cuenta que el volumen V0 es el volumen del agua dentro del Erlenmeyer masel del capilar de la condicin inicial. De la misma forma T0 es la temperatura de lacondicin inicial. Medir la cantidad de agua que cabe dentro del Erlenmeyer mas en elcapilar hasta el punto que se tom como condicin inicial.

- Calcular a partir de los resultados de la regresin el coeficiente de expansinvolumtrica del agua. Comentar y analizar los resultados.

Conclusiones


11/30

11

Prctica 5

Gas ideal

Objetivos:

(A) Determinar experimentalmente la relacin entre volumen y temperatura para una muestrade aire a presin constante.(B) Determinar la relacin entre presin y temperatura, manteniendo constante el volumen.(C) Encontrar la escala absoluta (o el cero absoluto) de temperatura.

Materiales:

Matraz con tapn y manguera. Calormetro. Termmetro. Regla. Agua caliente. Jeringa.

Mtodo:

Variamos la temperatura de una muestra de aire rodendola de agua a temperatura

controlada. El aire est atrapado por una cantidad de agua en una manguera en forma de U.Para distinguir los dos niveles del agua en la U llamaremos nivel 1 el nivel que est mscerca del matraz; el nivel 2 es el nivel en el extremo libre de la manguera. Para mantenerconstante la presin, se debe maniobrar con el extremo libre de la manguera para igualar losdos niveles, de modo que la presin del aire encerrado coincida con la presin atmosfrica, yel nivel de agua permite calcular el volumen de la muestra. Para mantener constante elvolumen, se debe mantener fijo el nivel 1, y la diferencia entre los dos niveles permite calcularla presin.

Teora

Variacin de la presin con la profundidad: P = gh. Comportamiento de gases ideales.

Procedimiento:


12/30

12

La cantidad de agua en la U debe ser tal que ocupa entre 50 y 100 cm de manguera.Inicialmente el matraz debe estar inmerso en agua fra. Medimos y anotamos la temperatura(en grados Celsius). Observamos los niveles de agua en la U. Con la manguera

desconectada del matraz movemos el extremo suelto de la manguera hacia arriba o haciaabajo hasta dejar el nivel inicial cerca del centro de la regla o un poco ms abajo. Entoncesconectamos la manguera al matraz y no lo volvemos a desconectar en todo el experimento.Maniobrando con el extremo libre volvemos a igualar los niveles, y anotamos la altura de esenivel inicial. Este ser el nivel de referencia para todo el experimento.

Ahora aadimos al calormetro 10 o 15 cm3de agua caliente, y revolvemos bien. Lo ideal esque la temperatura aumente aproximadamente 1C. Cuando la temperatura del aire llega alequilibrio, hacemos dos mediciones:

A. Primero bajamos un poco la manguera, para que se equilibren los niveles de agua, y

medimos la altura en que eso ocurre. Esto es para medir la variacin del volumenmanteniendo constante la presin.

B. Luego subimos un poco la manguera para que el nivel 1 vuelva a coincidir con el nivelinicial, y medimos el nivel 2. Esto es para medir la variacin de la presin manteniendoconstante el volumen.

El resto del experimento consiste en repetir los pasos anteriores, obteniendo mediciones para8 o 10 temperaturas diferentes (por ejemplo, entre 18C y 35C).

Anlisis cualitativo:

Cmo se comporta el volumen al aumentar T y mantener constante P? Cmo se comportala presin al aumentar T y mantener constante V?

Anlisis cuantitativo:

Primero calculamos las variaciones de nivel, es decir las diferencias entre los niveles medidosy el nivel inicial.

Para el experimento A medimos el dimetro interno de la manguera y hacemos el mejorestimado posible del volumen inicial del aire. Con las variaciones de nivel calculamos las

variaciones de volumen. Calculamos el volumen total del aire para cada temperatura.Graficamos volumen contra temperatura. Parece una recta? Hacemos una regresin lineal.Extrapolamos hacia volmenes pequeos: Para qu temperatura se anulara el volumen?

Para el experimento B averiguamos la presin atmosfrica en el laboratorio. Con lasdiferencias de nivel y la densidad del agua calculamos las variaciones de presin. Calculamosla presin absoluta (baromtrica) para cada temperatura. Graficamos presin contratemperatura. Parece una recta? Hacemos una regresin lineal. Extrapolamos haciapresiones pequeas: Para qu temperatura se anulara la presin?

Comentar y analizar los resultados. Qu tan precisas resultaron las rectas? Cul de losdos experimentos fue ms preciso? Por qu?

Conclusiones


13/30

13

Prctica 6

Equivalente Mecnico del CalorObjetivos:

Mostrar que el calor es una forma de energa. Encontrar la equivalencia entre caloras yjoules.

Materiales:

Cilindro giratorio con su base. Una o varias pesas (de 1 o 2 kg). Cuerda. Termmetroconvencional. Gotero con agua.

Mtodo:Girando el cilindro se puede levantar la pesa, logrando que la nica fuerza que levanta la pesaes la friccin entre la cuerda y el cilindro, de modo que la friccin es igual al peso. Con lafriccin conocida, y el dimetro del cilindro y el nmero de rotaciones, se puede calcular eltrabajo realizado por la fuerza de friccin. El calentamiento del cilindro se puede medir con untermmetro. Con la masa del cilindro y el calor especfico del aluminio ya conocido, se calculael calor absorbido por el cilindro. Idealmente este calor es igual al trabajo realizado por lafriccin.

TeoraEquilibrio de fuerzas. Trabajo. Friccin cintica. Calor especfico del aluminio.


14/30

14

Procedimiento:

El cilindro de aluminio tiene un orificio donde se puede colocar unas gotas de agua y luego

introducir el termmetro. El agua slo es para mejorar el contacto trmico entre el termmetroy el aluminio. Medimos (y anotamos!) la temperatura inicial del cilindro. Sacamos eltermmetro!!!

Luego enrollamos la cuerda alrededor del cilindro (unas 4 vueltas) y comenzamos a girar lamanivela. La(s) pesa(s) debe(n) levantarse del piso, pero slo unos pocos centmetros, ypermanecer colgada(s) a esa altura fija. El otro extremo de la cuerda debe quedar flojo (sintensin) (por qu?). Giramos la manivela un nmero de vueltas (por ejemplo 100) yvolvemos a medir la temperatura. De nuevo: Sacamos el termmetro!!!

Precaucin: No hay que permitir que se moje la cuerda.

Repetimos estos pasos unas 58 veces y tabulamos las temperaturas con los respectivosnmeros de vueltas.


Cmo se comporta la temperatura en relacin al nmero de vueltas? Habr prdidas decalor?


Averiguamos la masa del cilindro y el calor especfico del aluminio (en cal/gC). A cadatemperatura medida restamos la temperatura inicial, obteniendo los T. Con estos datoscalculamos las cantidades de calor absorbidas por el cilindro.

Medimos el dimetro del cilindro y la masa de las pesas utilizadas. Con estos datoscalculamos el trabajo mecnico hecho sobre el cilindro.

Graficamos trabajo (en joule) versus calor (en cal). Es una recta? Si no lo es, cul puedeser la causa? De la pendiente de la grfica obtenemos la equivalencia entre joule y calora.Estimar la incertidumbre de la medicin.

Comentarios. causas de error?

Conclusiones


15/30

15

Prctica 7:

Lneas de Campo ElctricoObjetivos

Establecer y graficar las lneas de campo entre dos cargas de igual magnitud y diferentedistribucin.

Materiales

Fuente de voltaje (12V), multmetro, comps, elementos metlicos de diferentes formas ypapel milimetrado.

Mtodo

Por medio de un comps, cuyas terminales estn conectadas a un voltmetro, se

determina la direccin y la magnitud de las lneas de campo generadas por cargas simuladaspor dos electrodos conectados a una fuente de voltaje.

Teora

Es necesario tener claro los siguientes conceptos:- Lnea de campo, cules son sus caractersticas, qu representan, cmo se dibujan,

etc.- Dibujar para dos cargas puntuales Q+ y Q las lneas de campo asociadas.

Procedimiento:


16/30

16

Se realiza el montaje experimental como se propone en la figura y se ubican doselectrodos, uno circular y otro plano dentro de la cubeta. Dentro de la cubeta se extiende unaligera capa de solucin salina que acta como agente conductor.

Cada electrodo debe ir conectado a uno de los bornes de la fuente de voltaje y se sugiereuna diferencia de potencial de 12V entre ellos. El procedimiento experimental a seguir paraubicar las lneas de campo es el siguiente:

Se sumerge el comps conectado al voltmetro dentro de la cubeta, y dejando esttico deuna de las puntas, se gira formando un crculo. Segn la lectura del voltmetro se puedeestablecer la direccin de mxima diferencia de potencial a partir de ese punto: en esadireccin, de mxima diferencia de potencial se extiende una lnea de campo. Se desplazaluego el comps en dicha direccin y se repite el procedimiento desde este nuevo punto.Uniendo los diferentes puntos encontrados se determina la direccin de una lnea de campo.

Para determinar la direccin de una segunda lnea se repite el procedimiento anteriorcomenzando desde otro punto.

Anlisis cualitativo

- Para la distribucin de carga con la que se trabaja, esto es la geometra de loselectrodos, anticipe la direccin de las lneas de campo y dibjelas sobre un sistema decoordenadas como en el que se encuentran los electrodos.

- Las lneas de campo tienen direccin y sentido. Segn la polaridad de loselectrodos cul ser el sentido de las lneas de campo que se van a determinar?

- Por qu se puede asegurar que es en la direccin de mxima diferencia depotencial que se extiende cada lnea de campo?

Anlisis cuantitativo- Realizar en papel milimetrado una reproduccin a escala del rea de la cubeta

indicando la posicin de los electrodos. Seguir el procedimiento experimental y ubicar 5lneas de campo. En cada caso recorrer siempre desde uno de los electrodos hasta elotro. Registrar las coordenadas de los puntos seleccionados junto con el voltaje entreellos en la hoja de papel milimetrado.

- Con los datos obtenidos trazar las lneas de campo uniendo con una curva suave lospuntos medidos y justificar fsicamente esta distribucin.

- Para cada lnea de campo sumar los voltajes parciales que se midieron con elvoltmetro a lo largo de cada lnea. Comparar esta suma con la diferencia de voltaje

entre los electrodos y analizar las diferencias.- Para cada lnea de campo, utilizando los puntos que la conforman, dibujar el vector

campo elctrico asociado.

Conclusiones


17/30

17

Prctica 8:

Lneas EquipotencialesObjetivos

Establecer, para una distribucin de carga cualquiera, la direccin de las lneasequipotenciales del sistema.

Materiales

Fuente de voltaje (12V), multmetro, comps, elementos metlicos de diferentes formas ypapel milimetrado.

Mtodo

Con un montaje similar al usado en el experimento de lneas de campo, y con ayuda de unvoltmetro se establecen las lneas equipotenciales para dos distribuciones de carga.

Teora

Para este laboratorio es necesario:- Definir el concepto de lneas equipotenciales y cules son sus caractersticas.- Realizar un anlisis comparativo entre las lneas equipotenciales elctricas generadas

por una distribucin de carga y las lneas equipotenciales gravitacionales generadaspor una distribucin de masa.

Procedimiento:


18/30

18

Se realiza el montaje experimental presentado en la figura. Este montaje es el mismoutilizado en el experimento de lneas de campo, la nica diferencia est en las conexiones devoltmetro. Antes el voltmetro estaba conectado a un comps que se sumerga en la solucinsalina, ahora este tiene un borne conectado a uno de los electrodos, y el otro borne libre. Esteborne libre est pensado para ser sumergido en la solucin, en cualquier punto y ser llamadoborne explorador.

El procedimiento mediante el cual se buscan las lneas de campo es el siguiente: Como elvoltmetro est diseado para medir diferencias de potencial, al sumergirlo en el agua, lalectura va a indicar la diferencia de potencial entre el electrodo al que est conectado unaterminal y el punto en el que est sumergido el explorador. Al desplazar dentro del agua elexplorador del voltmetro se buscan los puntos para los cuales la diferencia de potencialpermanezca constante, obteniendo de esta as la trayectoria de una lnea equipotencial.

La dinmica consiste en escoger un punto cualquiera y realizar un barrido sistemtico detoda la cubeta encontrando los puntos para los cuales se obtiene la misma lectura sobre elvoltmetro.

Anlisis cualitativo

- Moviendo el explorador dentro del agua observar cmo vara el potencial cuando setraslada de uno de los electrodos hacia el otro. De la misma forma cuando se aleja elexplorador hacia la periferia de la cubeta. Describir la forma en que vara el potencial yjustificarla con argumentos fsicos.


- Realizar en papel milimetrado una reproduccin a escala del rea de la cubetaindicando la posicin de los electrodos luego seguir el procedimiento experimental yubicar al menos 5 lneas equipotenciales. Recordar anotar las coordenadas de lospuntos seleccionados para trazar las lneas y para cada una de ellas registrar la lecturadel voltmetro.

- Con los datos obtenidos de la medicin anterior trazar las lneas equipotenciales,describirlas y comentarlas.

- Realizar el mismo procedimiento y anlisis para un segundo par de electrodos conformas geomtricas distintas, para luego realizar un anlisis comparativo de losresultados.

- Para cada una de las configuraciones realizadas anteriormente, graficar sobre el

mismo papel milimetrado en el que grafic las lneas equipotenciales, la direccin delas lneas de campo asociadas a cada distribucin de carga. Qu tipo de relacinencuentra y cmo se justifica?

Conclusiones


19/30

19

Prctica 9

Ley de OhmObjetivos:Comprobar la ley de Ohm sobre diferentes resistencias. Comprobar las reglas de composicinde resistencias (en serie y en paralelo).

Materiales:Multmetros, resistencias, fuente de voltaje y papel milimetrado.Opcional: Computador, interfaz para LabView.

MtodoPara el circuito de corriente directa presentado en la figura, se medirn con ayuda de unvoltmetro y de un ampermetro la corriente y el voltaje respectivamente para varios valores devoltaje suministrados por la fuente. Luego se relacionarn estas variables para corroborar laley de Ohm.

Teora- Exponer claramente la ley de Ohm y establecer los casos en los cuales se puede aplicar. -Exponer las caractersticas fsicas de una resistencia y cul es el papel que juega dentro deun circuito elctrico. - Investigar acerca del cdigo de colores utilizado para marcar lasresistencias. Resitencia equivalente de combinaciones de resistores en serie y en paralelo.

Procedimiento:Tener muy presente que para medir voltajes en el multmetro se utiliza la escala de voltios (V),los cables en la posicin de voltios (V) y la medida se hace con el multmetro en paralelo conla resistencia. Para medir corrientes se utiliza la escala de amperios (A), los cables en lasconexiones para amperios (A) y la medida se hace con el multmetro en serie con laresistencia. Es importante recordar que este tipo de circuitos utilizan corriente directa y asmismo debe estar configurado el multmetro. El procedimiento experimental ser el siguiente:para cada resistencia medir su valor directamente con el multmetro en posicin de hmetro yluego realizar el montaje propuesto en la figura. Luego de conectar adecuadamente laresistencia, la fuente, el ampermetro y el voltmetro se cambia gradualmente el valor delpotencial en la fuente para medir la corriente y el voltaje sobre la resistencia.


20/30

20

Anlisis cualitativo- Por qu para medir voltajes se conecta el multmetro en paralelo con la resistencia y paramedir corrientes en serie? - Cmo pueden afectar las medidas los cables de conexin?

AnlisiscuantitativoPara cada una de las resistencias propuestas establecer su valor nominal siguiendo el cdigode colores, luego utilizando el hmetro y finalmente calculndolo a partir de datosexperimentales. - Tomar entonces 10 parejas de datos para cada resistencia siguiendo elprocedimiento experimental. - Realizar con cada conjunto de datos una grfica de voltaje enfuncin de la corriente. Luego con una regresin lineal deducir el valor de la resistenciautilizada. - Realizar un anlisis comparativo entre las diferentes medidas de cada resistencia.Para realizar este anlisis y tener bases para argumentar acerca de la validez de la ley deOhm es necesario tener en cuenta las incertidumbres en la toma de datos de cada medicin:la incertidumbre en el instrumento de medida al utilizar el hmetro, la incertidumbre de cada

resistencia segn el cdigo de colores y la correlacin de la regresin lineal.

Conclusiones


21/30

21

Prctica 10

Equivalente Elctrico del CalorObjetivo:Medir la potencia disipada en forma de calor en un resistor elctrico. Compararla con lapotencia elctrica suministrada al resistor.

Materiales:Calormetro, termmetro, resistencia elctrica, fuente de voltaje, voltmetro, ampermetro.

Mtodo:Calentaremos agua mediante una resistencia elctrica inmersa. Mediremos la rapidez con quese calienta el agua. Mediremos el voltaje sobre el resistor y la corriente que fluye a travs del.

Teora:Potencia disipada en un resistor en trminos de voltaje y corriente. Calor especfico del agua.

Procedimiento:

Medimos la cantidad de agua y su temperatura inicial. Conectamos el resistor a la fuente.Conectamos el voltmetro y el ampermetro. Fijamos un voltaje adecuado y medimos lacorriente. A intervalos regulares (midiendo el tiempo) medimos la temperatura. Antes de cadamedicin revolvemos el agua para homogenizar su temperatura.


Cmo se comporta la temperatura? Se observa diferencias de temperatura segn el lugar

donde se ubica el termmetro? Qu prdidas puede haber?


22/30

22


Graficamos temperatura contra tiempo. Es una recta? Si no lo es, por qu puede ser? De la

grfica determinamos la rapidez con que aumenta la temperatura. Con la masa del aguacalculamos la potencia calorfica en caloras/segundo. Igualndola con la potencia elctrica,obtenemos la equivalencia entre la calora y el joule.

Conclusiones:Hicimos dos experimentos para obtener la equivalencia de la calora en joules. Cul esmejor? Por qu?


23/30

23

Prctica 11

Carga y descarga de un condensadorObjetivos

Determinar el tiempo caracterstico de carga y descarga de un condensador.

MaterialesUn juego de condensador, resistencia e interruptor, multmetros, fuente de voltaje,

cronometro y papel semilogartmico.

Mtodo

Se plantea un circuito con una fuente de voltaje y un condensador sobre el cual se mide elvoltaje V y la corriente I. En este circuito I y V estn directamente relacionados con la cargadel condensador. y , aplicando leyes de Kirchhoff resolviendo la ecuacin diferencial

asociada se puede establecer cul es la dinmica mediante la cual se carga un condensador.

El montaje propone utilizar una resistencia en serie con el condensador para obtener unmecanismo que regule el flujo de corriente evitando que la carga y descarga del condensadorse realice bruscamente.

Teora:

- Obtener, utilizando la ley de Kirchoff para voltajes, las ecuaciones diferenciales enfuncin de la carga Q(t). De la misma forma resolver la ecuacin diferencial para

obtener la dependencia en t, y poder escribir la ecuacin para la corriente en la fase de


24/30

24

carga (posicin a del interruptor) y para el voltaje en la fase de descarga (posicin

Donde V es el voltaje suministrado por la fuente, R la resistencia, C la capacitancia, Qila

carga inicial y t el tiempo.

- tener presentes los conceptos de energa acumulada en un condensador y depotencial disipada por una resistencia.

- recordar como realizar una grfica en papel semilogartmico y una regresinexponencial en la calculadora.

Procedimiento

Se realiza el circuito como se presenta el esquema propuesto, el cual sirve para estudiar ladinmica de carga de un condensador con el interruptor en la posicin a y la dinmica dedescarga con el interruptor en la posicin b. Se recomienda tener el voltmetro en una escalagrande, del orden de 200V (al medir voltaje) y de 20mA o 2mA (al medir corriente), esto parano tener tantas cifras significativas (solo 3) y poder realizar medidas ms fcilmente.

Para cada una de las resistencias suministradas se tienen dos manipulaciones muy

parecidas con el mismo condensador.- La primera es para estudiar la carga del condensador y se miden corriente. Los pasos

a seguir son. Con el interruptor en la posicin b se ubica el ampermetro en serie paramedir corriente. Se verifica que la corriente que circula a travs del montaje sea cero.Se pasa a la posicin a al mismo tiempo que se acciona el cronometro. Ahora,observando la corriente para un valor cualquiera, se detiene el cronmetro con el botnauxiliar (split). Se lee el dato marcado por el ampermetro cuando se detuvo elcronometro y el tiempo transcurrido hasta ese momento. Teniendo en cuenta que lacorriente ha seguido cambiando y como el cronometro est en la funcin acumulativa(split mode), al volver a hundir el botn auxiliar se vuelve al tiempo que ha transcurrido

desde el principio. Se puede entonces, volver a escoger un valor cualquiera para lacorriente y repetir la misma operacin con el botn auxiliar. De esa forma se puedentomar varios datos en un solo proceso de carga.

- La otra manipulacin es para estudiar el proceso de descarga y es muy parecida a laanterior, slo que se mide voltaje entre las dos placas del condensador. Recordarcambiar de posicin y de escala el multmetro. En este caso se parte de la posicin a,con un voltaje igual al que suministra la fuente y se pasa a la posicin b activando elcronmetro. Se toman datos para el voltaje de la misma forma que se tom para lacorriente, utilizando la funcin split.

Por cada proceso de carga o descarga se pueden tomar unos 5 datos y volver a realizar laexperiencia hasta juntar el nmero deseado de datos. Detalles a tener al realizar la toma de

datos:- Tener el condensador o totalmente descargado o totalmente cargado segn los datosque se vayan a tomar. Para esto verifique la lectura de su multmetro (para descargar


25/30

25

el condensador completamente, desconectarlo de la fuente y unir las dos terminalesdel condensador con un cable o una resistencia.

- Prestar mucha atencin a la manipulacin del multmetro como voltmetro y comoampermetro y la forma de conectarlo.

- Para agilizar la toma de datos darse cuenta que se puede durante la carga delcondensador tomar datos de corriente, luego modificar el montaje y tomar datos devoltaje en la descarga. Una vez descargado volver a tomar una nueva serie de datostanto en carga como en descarga.

Anlisiscualitativo

Realizar el montaje propuesto ubicando el multmetro entre las placas paralelas en formade voltmetro y proceder a cargar y descargar el condensador variando la posicin delinterruptor. En este estudio cualitativo se quiere ver la dinmica del sistema, as que solo seanalizar el voltaje tanto en carga como en descarga.

- Describa la forma en la que se carga el condensador segn la observacin delvoltmetro.- porqu al final del proceso de carga, la diferencia de potencial del condensador es

igual a la de al batera, si bien hay una resistencia en serie? Cul es el papel de laresistencia en este momento? Cul es el papel del condensador e este momento?

- Tericamente cuanto tiempo hay que esperar para que el condensador estcompletamente cargado y como justifica fsicamente su respuesta?

Anlisiscuantitativo

- Para cada una de las resistencias propuestas realizar el procedimiento experimentalsugerido para la carga y la descarga del condensador, y tomar en total 20 datos tantoen la carga como en la descarga. Para esto puede ser necesario realizar varias vecescada proceso (recuerde que el orden de los datos no es relevante). Se recuerdanuevamente prestar atencin cuando cambie de posicin el multmetro de voltmetro aampermetro.

- Realizar las grficas en papel semilogartmico de los datos obtenidos. Voltaje enfuncin del tiempo y corriente en funcin del tiempo y hacer la regresin exponencialde los datos.

- Analizar las grficas y comparar los datos de la regresin y los datos tericos. Quinformacin da la pendiente de cada una de las rectas y qu informacin el corte?

Segn la regresin, que tanto se acerca la teora a la experiencia, comentar losresultados y analizar los errores obtenidos.

- Realizar un anlisis en energa del sistema. De dnde sale la energa para cargar elcondensador? Cul es la energa total almacenada en el condensador al final de lacarga? A dnde se va esta energa en el proceso de descarga? Etc.

Conclusiones


26/30

26

Prctica 12

Campo MagnticoObjetivos:

Describir la fuerza que ejerce un imn sobre una corriente elctrica. Medir el campomagntico a diferentes distancias del imn.

Materiales:

Imn, alambres, fuente de corriente, ampermetro, regla, transportador.

Mtodo:

Acercando un imn a un alambre con corriente observaremos la fuerza ejercida sobre elalambre. Logrando situaciones de equilibrio esttico podremos cuantificar la fuerza entrminos de la masa del alambre.

Teora relevante:

Equilibrio esttico, especialmente anulacin del torque neto. Fuerza de un campo magntico

sobre un conductor con corriente.

Procedimiento:

El alambre debe estar doblado en forma de columpio para que pueda moverse fcilmente.1. Fijamos una corriente de 1 A. Acercamos el imn a la parte horizontal del alambre desdediferentes ngulos, y tambin invirtiendo el imn, y tomamos nota de los efectos.Determinamos cul es el polo norte del imn, es decir, de cul polo salen las lneas decampo magntico.2. Manteniendo siempre un mismo valor de la corriente, equilibramos el columpio en variosngulos con respecto a la vertical (por ejemplo 0, 10, 20 90) y en cada posicin

medimos la distancia entre el imn y el alambre.3. Con el columpio equilibrado en posicin horizontal (90) variamos la corriente, y para cadavalor medimos la distancia. Qu se observa?


27/30

27


Describimos todo lo que se puede deducir sobre la fuerza de un campo magntico sobre unalambre con corriente. Se cumple la relacin del producto vectorial?Al aumentar el ngulo del columpio, la distancia entre el imn y el alambre aumenta,disminuye o queda igual? Por qu?Cmo depende la fuerza de la corriente?


En la parte 2, para cada posicin del columpio calculamos la fuerza que debe estar haciendoel imn para mantener el columpio en equilibrio: Primero en trminos del peso del alambre, yluego pesamos el alambre para tener los datos exactos de la fuerza. Con el dato conocido de

la corriente calculamos el campo magntico en gauss o en teslas. Graficamos los valores delcampo contra las respectivas distancias. Qu relacin se puede deducir de la grfica?Dnde est el polo del imn, en lasuperficie o en su interior?

En la parte 3 fijamos varios valores de la corriente, pero la fuerza es siempre la misma. Porqu? En cada caso deducimos el valor del campo magntico y los productos IB. Los valoresresultan iguales? Determinamos la precisin con que podemos medir el campo magntico.

Conclusiones:


28/30

28

Prctica 13

Campo Magntico TerrestreObjetivos

Medir el campo magntico terrestre.

Materiales

Multmetro, alambre, anillo de aluminio, fuente de voltaje, brjula y papel milimetrado.

Mtodo

Sobre un aro circular delgado se tiene un cable enrollado por el que circula una corriente.Al variar la corriente que pasa por el aro cambia el campo magntico producido por el flujo deelectrones y se puede alterar la orientacin de una brjula colocada en medio del sistema.Manteniendo fijo el aro en la direccin norte sur, al variar la corriente que pasa por cable quelo rodea se medir la desviacin de la brjula.

Teora relevante:

- Segn el esquema propuesto en la figura Cul es la expresin para el campomagntico en el centro del aro si el cable enrollado hace N vueltas y teniendo encuenta que por l atraviesa una corriente I?

- Si el aro se orienta de manera que su dimetro quede en la direccin norte-sur, elcampo magntico producido en el centro del sistema ser perpendicular al campoterrestre. Encontrar la expresin de la desviacin de la brjula respecto al norte cuandocircula una corriente I a travs del cable.

Procedimiento


29/30

29

Colocar la brjula en medio del aro y orientarlo en la direccin norte-sur de la manera msexacta posible, esto es que la normal al aro sea paralela a la direccin del campo magnticoterrestre. Luego conectar el aro a una fuente de corriente variable de 0-2Ay un ampermetroen serie en esta misma escala. La toma de datos consiste en variar la corriente y registrar lasdesviaciones de la brjula respecto al norte terrestre.

Anlisiscuantitativo

- Luego de realizar el montaje experimental propuesto en la figura, y sin necesidad detomar datos, observar el comportamiento de la brjula al aumentar la corriente en labobina. Describir y justificar este comportamiento.

- En el procedimiento experimental se sugiere ubicar la brjula en el centro del aro.Justificar con argumentos fsicos esta ubicacin y discutir acerca de lasaproximaciones que implica no contar con una brjula puntual.

Anlisiscuantitativo

- Siguiendo el procedimiento experimental registrar los datos de corriente y desviacinentre 0 y 80 grados cada 5 grados.

- Con los datos obtenidos en el punto anterior graficar la corriente I en funcin del ngulode desviacin en papel milimetrado, luego analizar y comentar el comportamiento dela grfica.

- Segn la ecuacin deducida en el marco terico la corriente es proporcional a tan,ms exactamente la relacin es potencial de la forma matemtica: I=a(tan)

b

. Paradeducir los coeficientes a y b graficar los datos en papel logartmico y realizar una

regresin potencial (podra pensarse que la regresin es lineal, pero los datospresentan un mejor comportamiento en papel logartmico). A partir de estos clculosdeducir y discutir el valor del campo magntico terrestre.

Conclusiones


30/30

30

Prctica 14

Examen Final