Universidad Nacional Autónoma de México
Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Oriente
Saavedra Vazquez Elias Miguel Hernández Briseño Edgar Brandon
Gpo: 852
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 1. GENERADORES DE DIFERENCIA DE POTENCIAL
Colegio de Ciencias y Humanidades Plantel Oriente
Saavedra Vazquez Elias Miguel Hernández Briseño Edgar Brandon
Gpo: 852
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 1. GENERADORES DE DIFERENCIA DE POTENCIAL
A. ACTIVIDAD CON EL GENERADOR VAN DE GRAAFF
Se sabe que una de las formas de cargar eléctricamente un cuerpo es mediante la fricción con otro. Basándose en esta característica se construyó la máquina electrostática de Wimshurst, que fue muy utilizada en las escuelas durante muchos años y con la cual se podían alcanzar voltajes altos. Sin embargo, la investigación requería de generar voltajes aún más grandes y de forma continua. Esto llevó al desarrollo de un generador de carga eléctrica por el físico Robert Jamison Van de Graaff en 1931. Este generador consiste en una banda elástica ancha colocada entre dos poleas, que se mueve mediante un motor eléctrico. En cada uno de los extremos de la banda están dos escobillas metálicas, una de ellas está conectada a tierra y la otra a una esfera metálica, de manera que, conforme la banda se mueve la esfera se carga eléctricamente.
Indagación de ideas
• ¿Cómo podemos detectar el campo eléctrico que genera el Van de Graaf?
En el experimento el campo lo detectamos poniendo pedazo de papel sobre la maquina
• ¿Qué experiencias eléctricas podemos llevar a cabo con este generador?
A continuación se proponen algunas actividades.
Material
• 1 Generador Electrostático Van de Graaff
• 1 Electroscopio
• Globos inflados
• Hilo nylon
Procedimiento
• Pon a funcionar el Van de Graaff durante unos segundos, en seguida acerca el electroscopio a la esfera del generador y observa lo que sucede con la aguja del electroscopio. Ver la figura 3.1.
• Observa cuidadosamente lo que sucede con la aguja del electroscopio. ¿Notas alguna relación entre la aguja del electroscopio con la distancia entre éste y la esfera del Van de
Graaff?
Pues sí, la aguja del electroscopio se empieza a mover.
Pues sí, la aguja del electroscopio se empieza a mover.
• Aleja el electroscopio de la esfera del Van de Graaff y observa lo que pasa con la aguja. ¿Notas hasta qué distancia la aguja deja de moverse?
No, no me percate hasta que punto dejo de moverse
No, no me percate hasta que punto dejo de moverse
• Con cuidado acerca el electroscopio hasta tocar la esfera del Van de Graaff (esto lo debes hacer tomando el electroscopio por la base para no recibir una descarga eléctrica). ¿Qué ocurre?
el movimiento de la aguja se vuelve a iniciar
• Ata un hilo a los globos para que puedas colgarlos. Acerca uno de los globos a la esfera del Van de Graaff. Ahora aléjate del generador e intenta juntar los globos. ¿Qué sucede con el globo después de juntarlo con la esfera?
Se cargan y ambos se repelen
Se cargan y ambos se repelen
• Después de haber puesto en contacto el globo con la esfera del generador, une el globo al electroscopio, ¿notas alguna reacción en la aguja del electroscopio?
No recuerdo que hicieramos eso...
ANTES DE CONTINUAR
Podrás darte cuenta que cuando acercas el electroscopio al Van de Graaff, o se te pide que lo acerques en una dirección determinada, de manera que lo puedes hacer de arriba hacia abajo, de izquierda a derecha o en la dirección que elijas. Esto lleva a pensar que la interacción entre los dos objetos es de carácter radial, es decir, la interacción se presenta en todas direcciones.
Seguramente habrás notado que la aguja del electroscopio se desplaza más entre más cercano esté con la esfera del Van de Graaff, de manera que la interacción entre el electroscopio y la esfera es mayor cuando la distancia entre ellos es menor. Al poner en contacto el globo con la esfera, observarás que el globo trata de alejarse de la esfera, es de suponer que el globo adquiere esa propiedad que posee la esfera, en otras palabras, parte de la “carga eléctrica” de la esfera se trasfiere al globo, ambos cuerpos poseen entonces la misma carga eléctrica.
Otro de los fenómenos que seguramente notaste fue que, cuando pusiste en contacto el globo cargado electrostáticamente con el electroscopio, la aguja de éste se mantuvo desplazada aún cuando el globo fue despegado del electroscopio. ¿Qué indica eso?
ANÁLISIS DE RESULTADOS
Lo observado con el electroscopio
Describe lo que hiciste y observaste cuando usaste el electroscopio.
¿Qué le ocurre al electroscopio cuando lo acercas y alejas de la esfera del Van de Graaff?
La aguja se mueve... y cuando se aleja el nivel de altura de la aguja disminuye
¿Existe alguna relación entre la abertura de la aguja con la distancia al generador?
Sí, este será dependiendo del campo magnético que influya en el electroscopio
¿Qué otra relación conoces que se comporte de esa manera?
Después de que el electroscopio hace contacto con la esfera del generador ¿Qué le sucede a la aguja del electroscopio cuando éste lo acercas o alejas del generador?
Pues la aguja se mueve dependiendo del campo magnético que obtenga
Lo observado con los globos
• ¿Qué les sucedió a los globos después de que tocaron la esfera del Van de Graaff?
Se cargan por el campo eléctrico
• ¿Qué le paso al electroscopio cuando lo acercaste al globo?
No hicimos eso... o al menos no lo recuerdo.
• ¿Qué ocurre entre los globos?
Se repelen.
• ¿Cómo explicas lo que pasa con los globos?
Que están cargados con el mismo signo por lo cual se repelen.
De lo observado en las actividades anteriores, se puede advertir que existe una relación inversa entre la interacción entre los objetos cargados y la distancia entre ellos.
A la región de espacio en torno a un objeto cargado electrostáticamente donde se pone de manifiesto los efectos de esté objeto, se le denomina Campo Eléctrico.
El electroscopio es entonces un aparato que sirve para detectar la presencia de cargas electrostáticas y de cómo éstas se distribuyen en una región del espacio.
Aplicaciones
Existen generadores Van de Graaff de una gran capacidad de carga que permiten generar voltajes muy altos de varios miles de voltios. Su primera aplicación en la investigación fue la de acelerar partículas y de esta manera poder hacer estudios sobre la naturaleza de la materia, al hacer chocar partículas que viajan a gran velocidad. En la actualidad se emplean otros mecanismos mucho más podersos donde las partículas subatómicas se aceleran a velocidades muy grandes, lo que ha permitido conocer la estructura de la materia.
Sin embargo, el Van de Graaff se utiliza en la actualidad para hacer demostraciones en museos de ciencia y en los laboratorios escolares. Una de las experiencias favoritas de los museos es levantar los cabellos de las chicas cuando tocan el generador. ¿Cómo debe tocarse el generado para que se levanten los cabellos pero no se den toques? ¿Qué condiciones deben cumplirse para que la carga del generador no vaya a tierra teniendo como conductor a la persona que lo toca?
Hay muchas demostraciones interesantes con un generado Van de Graaff. Encuentra en Internet al menos tres que te parezcan muy interesantes Puedes llevarlas a cabo en tu laboratorio.
B. Experiencias con la máquina de wimshurst
Se trata de una máquina electrostática, constituida por dos discos de ebonita, paralelos, muy próximos entre si y dispuestos sobre el mismo eje, de tal modo que pueden girar con rapidez en sentido inverso. Su rotación se efectúa con auxilio de un manubrio que actúa sobre dos pares de poleas unidas por una cuerda sin fin, una de ellas cruzada. La cara exterior de cada disco lleva pegados cerca de sus bordes varios sectores de papel de estaño, que durante la rotación frotan con dos pinceles flexibles de hilo metálico, sostenidos en los extremos de un arco metálico. Este arco y su igual de la cara opuesta son movibles y pueden formar un ángulo de 90º, comunican con el suelo y entre si por el eje y realizan el mismo papel que las almohadillas en la máquina de Ramsden. En los extremos del diámetro horizontal, rodean a los platillos dos peines metálicos curvos, unidos a conductores independientes, aislados por columnas aislantes. Con los conductores se articulan dos excitadores provistos de mangos de ebonita, para poder variar sin riesgo la distancia entre las esferas terminales, que son los polos de la máquina. En comunicación con los dos conductores hay dos condensadores de forma de probetas, sirven para aumentar la intensidad y el tamaño de la chispa. No es posible saber la polaridad que la máquina tomará una vez la arranquemos. Por eso algunas máquinas incorporan un trocito de piel que tiene un mínimo de carga de manera que la máquina arrancará siempre con la misma polaridad. Hay cuatro funciones iguales que se realizan, dos en cada disco. Se puede decir que tenemos cuatro electróforos, dos positivos y dos negativos. Al aproximarse la partes positivas y neutras de los discos produce el efecto de electróforo. La corriente estática se almacena en botellas de Leyden.
EXPERIENCIAS
a.Coloca una cartulina o papel entre las dos bolas condensadoras de la máquina de Wimshurts.
¿Qué observas? Explica lo que observas.
En nuestro caso fue una hoja de papel, y se veía como se creaba una "chispia" de bola a bola
b. Coloca dos velas encendidas muy cerca de cada una de las dos bolitas en que termina el excitador de la máquina.
b. Coloca dos velas encendidas muy cerca de cada una de las dos bolitas en que termina el excitador de la máquina.
en la bola derecha re repele la llama y en la izquierda se atrae
Explica lo que observas y trata de predecir la polaridad de las bolitas de la máquina.
c. Coloca un foco de neón cerca de las terminales de la máquina ¿Qué observas? ¿Explica el fenómeno que se presenta?
No hicimos ese experimento
d. Usa los distintos electrodos del Kit de campo eléctrico con la máquina de wimshurst y saca fotos de las lineas de campo que se generan con las semillas en aceite.
ACTIVIDAD C. CONSTRUCCIÓN DE UNA BATERÍA ELÉCTRICA
La primera pila eléctrica fue inventada por Volta estaba formado por celdas de discos de cinc y plata, agrupados por pares, en la que cada par estaba separado por un trapito mojado con ácido sulfúrico y agua. Hay que colocar cada disco alternadamente, de modo que en lo alto de la pila quede un disco de cinc y en la parte inferior uno de plata. Tocando con una mano el disco superior y con la otra el inferior, Volta recibió una ligera descarga. Ello no le sorprendió mucho, pero, en cambio, sí le sorprendió el hecho de que si luego lo volvía a tocar, de nuevo sentía la descarga, de modo que la pila era capaz de dar electricidad durante bastante tiempo.
En esta actividad construiremos una batería formadas con alambres de cobre, papel humedecido y
zinc
Material
10 clips
10 alambres de cobre del Nº 24
UN pedazo de papel higiénico
5 ml de coca-cola
1 led
Desarrollo
1. construye 10 celdas electrolíticas como se indica a continuación. Primero toma un clip y desenrollarlo hasta que este completamente recto. Envuelve un trozo de papel en el centro del clip, procurando dejar los extremos libres, y sobre de él hay que enredar un trozo de alambre de cobre dejando aproximadamente dos centímetros libres.Humedece el papel con unas gotas de coca-cola.
2. Toma una celda electrolítica y conecta el extremo libre de cobre con el extremo de Zinc de otra celda. Conecta la segunda celda con el extremo libre de cobre con la tercera celda en el extremo libre de Zinc, continua así de manera sucesiva hasta la décima celda.
3. Toma un voltímetro y selecciona la región de diferencia de potencial en corriente directa en el rango de 0 a 20 volt. Conecta el cable de polo negativo del voltímetro a la primera celda en el tramo libre de zinc, y haz contacto con la punta positiva del voltímetro al cobre de la primera celda. Observa el valor de diferencia de potencial en el instrumento y registra el valor en una tabla. Mueve la punta positiva del multímetro a la segunda celda en el alambre de cobre y de igual manera registra su voltaje. Continua así hasta la décima celda. Genera una tabla de dos columnas en donde se relacione el número de celda y el voltaje generado. ¿qué observas?
4. Toma un LED y sujeta las patas con dos alambre con caimanes y coloca el alambre que viene de la pata menor (polo negativo o ánodo) al Zinc de la primera celda y ve haciendo contacto con el otro alambre que sujeta al LED al alambre de cobre de cada celda. Observa en que celda se enciende el LED.
5. Toma evidencias (fotos) de tu procedimiento para que respaldes tu reporte en el blog del equipo.
CUESTIONARIO
1. ¿Cuál es la diferencia entre una pila y una batería?
Una Pila es una célula primaria que producen electricidad en un proceso químico irreversible y es necesario eliminarlas y sustituirlas cuando se agotan. Las Baterias son células secundarias acumuladoras que actúan de acuerdo con un principio reversible y es posible recargarlas varias veces, conectándolas con una fuente de corriente eléctrica.
2. ¿Qué es un acumulador?
Es un dispositivo para el almacenamiento de energía eléctrica.
Es un dispositivo para el almacenamiento de energía eléctrica.
3. ¿Cuál es la diferencia entre una pila seca y una húmeda?
Una batería de pila húmeda trabaja con los mismos principios básicos, usando de un ácido líquido para crear las reacciones electroquímicas. Este ácido líquido también es llamado electrolito. En una batería de pila húmeda, los dos polos están sumergidos en este líquido.
Las pilas secas utilizan una pasta de electrolito como el medio ácido entre los polos. Esta pasta contiene suficiente humedad para permitir que la corriente eléctrica fluya libremente. Debido a que la batería no está llena de líquido, la pila seca se puede utilizar en una variedad de circunstancias, sin la preocupación de fugas o derrames. Como resultado, las pilas secas son las baterías más comúnmente utilizadas en la actualidad.
4. ¿Qué es un catión y un anión?
Cation: Un catión es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica positiva, esto es, con defecto de electrones. Los cationes se describen con un estado de oxidación positivo.
Anion: Un anión es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica negativa, esto es, con exceso de electrones. Los aniones se describen con un estado de oxidación negativo.
Cation: Un catión es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica positiva, esto es, con defecto de electrones. Los cationes se describen con un estado de oxidación positivo.
Anion: Un anión es un ion (sea átomo o molécula) con carga eléctrica negativa, esto es, con exceso de electrones. Los aniones se describen con un estado de oxidación negativo.
5. ¿Qué le sucede a una sustancia cuando se reduce ?
Gana electrones
6. ¿Qué le sucede a una sustancia cuando se oxida?
6. ¿Qué le sucede a una sustancia cuando se oxida?
Pierde electrones
7. Describe el funcionamiento de una pila de litio.
Las baterías de iones de litio proporcionan más densidad energética que las baterías de níquel, lo que da lugar a una mayor autonomía de batería en un diseño más ligero, ya que el litio es el metal más liviano que existe. Además, las baterías de iones de litio te permiten hacer recargas cuando te sea más cómodo, sin tener que esperar a que acabe el ciclo completo de carga o descarga que exigen las baterías de níquel para funcionar a pleno rendimiento (con el tiempo se forman cristales en las baterías de níquel, lo que impide la carga completa de las mismas y obliga a tener que hacer una descarga total).
8. Consideras que es de alto riesgo tirar pilas a terreno abierto
¿ por qué?
Sí, en el caso de las pilas humedas, el liquido que retienen y después soltaran, resulta muy toxico para la tierra, y así contaminamos, dejando las tierras inservibles para plantar o cultivar.
9. En un arreglo de pilas en serie ¿Qué magnitud física cambia significativamente?
Cambia la dirección en la que los iones producen la energía
9. En un arreglo de pilas en serie ¿Qué magnitud física cambia significativamente?
Cambia la dirección en la que los iones producen la energía
10. En un arreglo de pilas en paralelo ¿Qué magnitud física cambia significativamente?
Cambia el sentido y la fuerza de los iones que avanzan para producir energía
Cambia el sentido y la fuerza de los iones que avanzan para producir energía
11. ¿Cómo se puede obtener el hidrógeno en forma libre?
Con el mismo proceso de agua con paneles desarollados
Con el mismo proceso de agua con paneles desarollados
12.¿Cómo se almacena el hidrógeno en una célula de combustible?
Por la porosidad de las moléculas
13. ¿Cómo funciona una pila de combustible? ¿Cómo se puede obtener la energía eléctrica a partir de la misma?
13. ¿Cómo funciona una pila de combustible? ¿Cómo se puede obtener la energía eléctrica a partir de la misma?
Por la composición quimica del combustible que producen los iones mediante reacciones electroquimicas
14. Explica que tipo de transformaciones ocurren en una pila de combustible.
14. Explica que tipo de transformaciones ocurren en una pila de combustible.
Sus componentes quimicos producen iones y energia quimica de lo que obtenemos energia electrica
15. Indica los procesos que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo de una pila de combustible. Los iones negativos estan en el anodo y los positivos en el catodo, los don en contacto producen energia, estos son procesos quimicos
Finalmente, es interesante notar que el movimiento de una partícula cargada en presencia de un campo eléctrico generado por otras cargas (en este caso los electrodos) depende de la dirección del campo eléctrico en un punto dado donde ella s3e encuentre y del signo de esa carga. Así, una carga negativa sentirá una fuerza eléctrica que la obligará a moverse en la dirección contraria al campo, pero si la carga es de signo positivo el efecto es contrario y tenderá a moverse en la misma dirección del campo. En todo caso, habrá trabajo realizado en el sistema carga-campo en cualquiera de las dos circunstancias y la única forma de no realizar trabajo al mover la carga es que ella se desplace “obligadamente” en una superficie equipotencial, de acuerdo con la expresión para el trabajo eléctrico.
Para la configuración de placas planas paralelas realice un análisis cuantitativo de la distancia con el voltaje. Tome por ejemplo datos de voltaje y distancia con respecto al electrodo negativo de referencia, para al menos tres trayectorias de líneas rectas no perpendiculares entre sí, y realice tres gráficas en cada caso que muestren el comportamiento del voltaje en función de la distancia al electrodo negativo. Considere en ese análisis, que una de las posibles trayectorias es la correspondiente a la trayectoria mínima posible entre los electrodos, y muestre porqué es precisamente esa trayectoria la más adecuada para describir el campo eléctrico.
MATERIALES Y EQUIPO
Fuente de voltaje DC.
Voltímetro
Cubeta plástica rectangular
Electrodos rectangulares
Agua
Cables de conexión
Cable de conexión en que termina en punta.
Regla de plástico.
CUESTIONARIO
Analice y discuta si en vez de usar agua entre los electrodos se considerara una región con aire o en espacio vacío.¿Es necesario un medio conductor en su modelo?
15. Indica los procesos que tienen lugar en el ánodo y en el cátodo de una pila de combustible. Los iones negativos estan en el anodo y los positivos en el catodo, los don en contacto producen energia, estos son procesos quimicos
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 2. LÍNEAS EQUIPOTENCIALES
Toda carga crea en el espacio que lo rodea tanto un campo eléctrico vectorial E como un campo de potencial eléctrico escalar V, cuyas expresiones están en función de la distancia r de un punto dado en consideración y de la magnitud de la carga.
En general, la dependencia espacial explícita de esos campos E y V depende de la forma como espacialmente estén distribuidas las cargas. En el caso de cargas puntuales se presenta una simetría esférica, de modo que los campos E y V presentan una disminución radial en sus valores y tienden a cero a medida que nos alejamos de las cargas que producen los campos.Matemáticamente hablando, expresamos esas variaciones como:
donde Q es la magnitud de la carga que genera el campo eléctrico E con su respectivo signo y es el vector unitario dirigido desde la carga hasta el punto donde se calcula el campo eléctrico E. En el caso de dos placas conductoras paralelas el campo E presenta un valor constante en la región comprendida entre las placas; pero el potencial eléctrico V es directamente proporcional a la distancia PERPENDICULAR medida en referencia a uno de los electrodos, que desde el punto de vista experimental generalmente es tomada en un circuito desde el punto de potencial cero o tierra. Notamos entonces dos cosas importantes: la diferencia en el valor que toman el campo eléctrico E y el potencial eléctrico V, y adicionalmente el hecho de que solo para distancias perpendiculares la variación de V es proporcional con la distancia.
Un aspecto importante de los campos electrostáticos es que en la región entre los electrodos tendremos conjuntos de puntos geométricos que presentan el mismo valor del potencial. A esas superficies que cumplen ese requerimiento se les llama superficies equipotenciales, y la perpendicular a esa superficie mostrará la dirección del campo eléctrico, de acuerdo con los argumentos mencionados anteriormente. La superficie de un material conductor es siempre una superficie equipotencial. Una lámina conductora puede ser cargada negativa o positivamente según la conectemos al borne positivo o negativo de una fuente de poder, y así el conductor se convierte en un electrodo y en nuestro objeto cargado que genera un campo eléctrico alrededor de él.
Un aspecto importante de los campos electrostáticos es que en la región entre los electrodos tendremos conjuntos de puntos geométricos que presentan el mismo valor del potencial. A esas superficies que cumplen ese requerimiento se les llama superficies equipotenciales, y la perpendicular a esa superficie mostrará la dirección del campo eléctrico, de acuerdo con los argumentos mencionados anteriormente. La superficie de un material conductor es siempre una superficie equipotencial. Una lámina conductora puede ser cargada negativa o positivamente según la conectemos al borne positivo o negativo de una fuente de poder, y así el conductor se convierte en un electrodo y en nuestro objeto cargado que genera un campo eléctrico alrededor de él.
Finalmente, es interesante notar que el movimiento de una partícula cargada en presencia de un campo eléctrico generado por otras cargas (en este caso los electrodos) depende de la dirección del campo eléctrico en un punto dado donde ella s3e encuentre y del signo de esa carga. Así, una carga negativa sentirá una fuerza eléctrica que la obligará a moverse en la dirección contraria al campo, pero si la carga es de signo positivo el efecto es contrario y tenderá a moverse en la misma dirección del campo. En todo caso, habrá trabajo realizado en el sistema carga-campo en cualquiera de las dos circunstancias y la única forma de no realizar trabajo al mover la carga es que ella se desplace “obligadamente” en una superficie equipotencial, de acuerdo con la expresión para el trabajo eléctrico.
MATERIALES Y EQUIPO
Fuente de voltaje DC.
Voltímetro
Cubeta plástica rectangular
Electrodos rectangulares
Agua
Cables de conexión
Cable de conexión en que termina en punta.
Regla de plástico.
CUESTIONARIO
Analice y discuta si en vez de usar agua entre los electrodos se considerara una región con aire o en espacio vacío.¿Es necesario un medio conductor en su modelo?
Sí, para que algo más haga la función de conductor y el voltaje aumente
¿Qué otros materiales se podrían emplear?
Otro tipo de liquidos que sean conductores
¿Por qué es posible realizar este experimento con agua, si en principio es un medio no-conductor?
Porque la energía producida viaja a traves de los pocos iones que este produce
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 3. CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR ELÉCTRICO
…………………………………………..ecuación (1)
PROPOSITOS:
1. Medir y graficar la diferencia de potencial y la corriente en función del tiempo, durante los procesos de carga y descarga de un capacitor.
2. Analizar las gráficas obtenidas para calcular la carga y la energía total almacenada por el capacitor.
CONTEXTO
El capacitor es un dispositivo que almacena carga eléctrica y está formado por dos conductores separados por un medio material no conductor conocido como dieléctrico.. Cada conductor recibe el nombre de electrodo, cuando a uno de los electrodo se deposita una carga eléctrica en el otro electrodo se induce la misma cantidad pero de signo distinto. Si se aumenta la carga en el capacitor, la diferencia de potencial entre sus electrodos se incrementa en forma proporcional. La relación entre la carga total Q en uno de sus electrodos y la diferencia de potencial V entre los electrodos es una constante denominada capacitancia “C” del capacitor, que se expresa como:
…………………………………………..ecuación (1)
La unidad de medida de la capacitancia es el Faradios y se denota con F. La magnitud de la capacitancia de un capacitor depende de la geometría de los conductores que forman y del medio material que las separa.
El capacitor almacena energía eléctrica por la formación de campo eléctrico entre los conductores y se determina por:
W= (1/2) QV = (1/2) CV² = Q²/2C …………………ecuación (2)
En donde:
W, energía almacenada (J).
Q, carga almacenada (C).
V, diferencia de potencial (V).
C, capacitancia (F).
La energía total almacenada en el capacitor es el área bajo la línea recta generada al graficar la carga en función del voltaje, y también como el área bajo la curva generada al graficar la corriente en función del tiempo.
La energía almacenada queda disponible para usarla en el futuro. Los usos pueden ser por ejemplo en el encendido de un foco (flash), en moderar el voltaje de salida en las fluctuaciones de corriente rectificada, en arranque de motores, entre otros muchos usos.
MATERIALES E INSTRUMENTOS
1. Un capacitor electrolítico de 1000 µF a 16 V.
2. Un resistor de 10 KΩ a ½ Watt.
3. Una fuente de alimentación de corriente directa.
4. Una tableta Protoboard.
5. Alambritos para Protoboard.
6. Seis alambres con punta caimán-caimán.
7. Un amperímetro o un sensor de corriente eléctrica.
8. Un voltímetro o un sensor de voltaje.
9. Papel milimétrico.
10. Interruptor simple.
11. Hoja de cálculo “Excel”
12. Cámara de vídeo.
PROCEDIMIENTO
1. Conecta la resistencia, el capacitor, el amperímetro, voltímetro y el interruptor (en posición apagado) a la tableta protoboard, como se ilustra en el circuito de la figura 1.
Figura 1. Diagrama del circuito, nótese que el amperímetro se conecta en serie y el voltímetro en paralelo con la fuente de poder.
2. Conecta la fuente de alimentación al circuito anterior y ajústala para que proporcione 9 volt.
3. Selecciona en el multímetro medidas de 0 a 200 mili ampere.
4. Selecciona en el voltímetro medidas de 0 a 20 volt de corriente directa.
CUESTIONARIO
- ¿Por qué la corriente inició en un valor máximo y descendió hasta cero?
Porque se inicio cuando ya estaba cargado, al dejar de cargarlo fue perdiendo su energía - ¿Cuál es la función de la resistencia en el circuito?
Hae que la energía viaje y tenga una estabilidad adecuada para su distribución - Compare los diferentes valores obtenidos de energía y carga.
- Demuestre que el producto RC tiene dimensiones de tiempo y que 1Ω ·1F =1 s
- ¿Cuál es el valor en porcentaje de la carga almacenada en el capacitor a un tiempo RC?
- ¿Qué tipo de función matemática presenta la carga y descarga del capacitor?
Una divición; la carga entre el voltaje c=Q/v
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 4. POTENCIA EN CIRCUITOS DE CORRIENTE ALTERNA
PROPÓSITOS:
1. Construir un circuito en serie y otro paralelo con focos y conectarlo a una fuente de alimentación de corriente alterna, para registrar la corriente y la diferencia de potencial en cada resistencia.
2. Medir el voltaje pico a pico, el rms y el máximo de cada resistencia con el uso del osciloscopio.
3.Determinar la potencia máxima y la potencia promedio de cada circuito.
PROCEDIMIENTO
CIRCUITO EN SERIE
1. Conecte en serie tres focos de 200 Ohm. Alimente el circuito con corriente alterna usando una fuente de alimentación del laboratorio, alimente con el máximo voltaje (23 volt).
2. Mida la corriente RMS en el circuito con un multímetro.
3. Mida en cada resistencia, el valor del voltaje pico a pico, el voltaje rms y el voltaje máximo usando un osciloscopio. Compare la suma del voltaje rms con el total en el circuito.
3. Determine la potencia promedio y la máxima del circuito.
4. Calcule la frecuencia de la señal alterna usando la imagen de la señal que proporciona el osciloscopio.
CIRCUITO EN PARALELO
5. Construya un circuito en paralelo con tres focos de 200 Ohm . Alimente el circuito con corriente alterna usando una fuente de alimentación del laboratorio, alimente con el máximo voltaje (23 volt).
6. Mida la corriente RMS en el circuito con un multímetro.
7. Mida la corriente eléctrica en cada resistencia.
8. Mida en cada resistencia, el valor del voltaje pico a pico, el voltaje rms y el voltaje máximo usando un osciloscopio. Compare la suma del voltaje rms con el total en el circuito.
9. Determine la potencia promedio y la máxima del circuito.
10. Calcule la frecuencia de la señal alterna usando la imagen de la señal que proporciona el osciloscopio
PROPÓSITOS:
1. Construir un circuito en serie y otro paralelo con focos y conectarlo a una fuente de alimentación de corriente alterna, para registrar la corriente y la diferencia de potencial en cada resistencia.
2. Medir el voltaje pico a pico, el rms y el máximo de cada resistencia con el uso del osciloscopio.
3.Determinar la potencia máxima y la potencia promedio de cada circuito.
PROCEDIMIENTO
CIRCUITO EN SERIE
1. Conecte en serie tres focos de 200 Ohm. Alimente el circuito con corriente alterna usando una fuente de alimentación del laboratorio, alimente con el máximo voltaje (23 volt).
2. Mida la corriente RMS en el circuito con un multímetro.
3. Mida en cada resistencia, el valor del voltaje pico a pico, el voltaje rms y el voltaje máximo usando un osciloscopio. Compare la suma del voltaje rms con el total en el circuito.
3. Determine la potencia promedio y la máxima del circuito.
4. Calcule la frecuencia de la señal alterna usando la imagen de la señal que proporciona el osciloscopio.
CIRCUITO EN PARALELO
5. Construya un circuito en paralelo con tres focos de 200 Ohm . Alimente el circuito con corriente alterna usando una fuente de alimentación del laboratorio, alimente con el máximo voltaje (23 volt).
6. Mida la corriente RMS en el circuito con un multímetro.
7. Mida la corriente eléctrica en cada resistencia.
8. Mida en cada resistencia, el valor del voltaje pico a pico, el voltaje rms y el voltaje máximo usando un osciloscopio. Compare la suma del voltaje rms con el total en el circuito.
9. Determine la potencia promedio y la máxima del circuito.
10. Calcule la frecuencia de la señal alterna usando la imagen de la señal que proporciona el osciloscopio
ACTIVIDAD EXPERIMENTAL 5. BOBINA DE THOMSON
PROPÓSITOS:
1. Realizar experiencias demostrativas con la bobina de inducción.
2. Determinar el número de vueltas en el primario conociendo el número de vueltas en el secundario.
3. Determinar el coeficiente de inducción mutua entre la bobina larga y la corta de una bobina de Thomson.
EQUIPO Y MATERIAL
- Bobina de inducción con núcleo de hierro con aditamentos: anillo abierto, anillo cerrado, bobina secundaria con foco y sin foco, placa metálica y disco giratorio.
- Multímetro.
- Fuente de alimentación.
- Osciloscopio.
INTRODUCCIÓN
El aparato de Thomson, consiste en una bobina con núcleo de hierro que se magnetiza con corriente alterna. Este dispositivo se usa en un gran número de demostraciones de inducción electromagnética. Por ejemplo el del “salto del anillo de aluminio” en el cual se coloca un anillo de aluminio sobre la base. Cuando la corriente pasa a través de la bobina, una corriente se induce en el aluminio de tal manera que se genera una fuerza promedio hacía arriba sobre el anillo.
Acerca de la inducción
Una aplicación muy importante de la inducción electromagnética son los transformadores. Un transformador es un dispositivo que permite transferir la energía eléctrica de un circuito (bobina) a otro, modificando la intensidad y la tensión de la corriente. La base de su funcionamiento es la presencia de la inductancia (L) y la inductancia mutua (M).
La inductancia (L) es una medida de la oposición a un cambio de corriente de una bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético, y se define como la razón entre el flujo magnético ( ) que existe en la bobina y el número de espiras (N) en el devanado.
La inductancia mutua (M) es el efecto de producir una fem en una bobina, debido al cambio de corriente en otra que se encuentra acoplada. La fem inducida en la bobina se determina por la ley de Faraday y su dirección siempre es opuesta al cambio del campo magnético producido en ella (Ley de Lenz).
La fem inducida en la bobina 2, originada por el cambio en la corriente
Figura 1. Diagrama del transformador.
En donde el coeficiente de inducción mutua (M) se puede estimar conociendo la densidad de flujo magnético en la bobina primaria ( ) producida por la corriente ( ) que pasa en ella, al establecerse una diferencia de potencial (ξ1), ver figura 1.
El campo que pasa a través de la bobina 2 crea un flujo magnético Φ21. El coeficiente de inducción mutua de la bobina 1 con respecto a la dos, se determina:
En donde n es un vector unitario paralelo al eje de las bobinas y dirigido hacia la derecha (figura 2), y
El flujo producido sobre la bobina 2 es:
Donde :
µr = Permeabilidad relativa del núcleo de hierro.
µ0= Permeabilidad magnética del espacio vacío.
N1= número de vueltas en el primario.
N2= número de vueltas en el secundario.
l= Longitud de la bobina primaria.
S= Sección transversal de la bobina primaria.
Coeficiente de acoplamiento
Los coeficientes de inductancia (L) y de inductancia mutua (M) se pueden expresar en función del número de espiras de las bobinas (N1 y N2) y de una constante K llamada coeficiente de acoplamiento, tomando en cuenta lo siguiente:
Es importante tener en claro que en todo el análisis hecho L1 y L2 son parámetros eléctricos del circuito de la figura1 y 2 respectivamente, que tienen la vinculación matemática dada por la ecuación 8, donde es común llamar N1/N2 = a, relación que aparece reiteradamente en la prosecución del estudio de bobinas acopladas. Este detalle hace que la ecuación 7 represente el parámetro vinculante de ambos circuitos por la intervención de k. Esto nos permite comentar, que si el acoplamiento es ideal se tiene un valor de K= 1, entonces L1 =L 2 = M y las ecuaciones del transformador ideal se cumplen. Por otro lado, si el valor de K se encuentra entre 0 y 1, entonces se trata de un sistema real y L1 es diferente a L2. Por lo tanto hay que calcular L1 y L2 por separado.
Una forma de determinar L2, es conociendo la resistencia de la bobina primaria (Rp) ,secundaria (Rs) y L1. En el caso ideal se tiene que:
DESARROLLO
