LABORATORIO DE ELECTRICIDADLABORATORIO Nº 9 “Campo Magnético y Campo Eléctrico” ARAGON MAMANI BERLY MACHACA HUAMANHORCCO EFRAIN PACO ESQUIA GUIDO Alumno (s): Grupo : Semestre : Fecha de entrega : C3-C Profesor: PERCY CARI I 1 6 1 0 201 5 Hora: Nota: CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO I. II. III. LAB 09 Página 1 / 7 OBJETIVOS Realizar pruebas a imanes naturales y permanentes para determinar su comportamiento. Verificar el comportamiento de carga y descarga de un condensador en un circuito eléctrico. MATERIAL Y EQUIPO Dos imanes naturales. Limaduras de hierro. Una bobina con núcleo de hierro. Un multímetro. Una brújula. Fuente de corriente continua. Cables de conexión. Condensadores de diferentes capacidades. FUNDAMENTO TEÓRICO MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO La naturaleza y origen del magnetismo aún no han sido explicados completamente, se han formulado varias teorías explicando el fenómeno magnético, pero no ha habido aprobación unánime. En magnesia, antigua ciudad de Asia Menor, se encontraron los imanes naturales o piedra imán, descubriéndose que estas atraían cuerpos pequeños de hierro, más tarde se le llamo óxido magnético de hierro (Fe304). Históricamente se dice que los fenicios fueron los primeros en aplicar la energía magnética del imán cuando usaron la brújula en sus viajes marítimos comerciales. Siendo así que se usa en la ciencia, industria, navegación aérea y marítima. El magnetismo en la electricidad y la electrónica es fundamental, ya que sin él no sería posible la fabricación de transformadores, motores, generadores, bocinas, audífonos, micrófonos y tantas cosas más que se basan en el magnetismo. IMANES: Se les llaman imanes a las substancias que tienen la propiedad de afectar al hierro, acero, níquel, cobalto, cromo y a otros metales, en menor grado. Pueden ser afectados por atracción o repulsión. Los imanes de dividen en: naturales y artificiales. El imán natural, o piedra imán tiene propiedades magnéticas sin la intervención del hombre, es muy abundante en la naturaleza sobre todo en suelos de antigua formación geológica y es explotado en algunos países como mineral de hierro. Los imanes artificiales, son barras de hierro o acero que adquirieron por medios artificiales propiedades magnéticas. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o bien, por procedimientos eléctricos. Estos imanes son muy usados, dado que conservan su magnetismo. Sin importar la naturaleza del imán, a su alrededor existe un campo magnético, formado por líneas de fuerza imaginarias, se asume que estas líneas salen del polo norte y regresan al polo sur del imán. Si se juntan dos imanes se observará que polos opuestos se atraen y polos iguales se repelen. ELECTRO MAGNETISMO La corriente eléctrica produce un campo magnético alrededor del conductor, la intensidad de éste depende del número de amperios de la corriente; cuanto más fuerte sea la corriente, más fuerte será el campo magnético. Aprovechando este fenómeno, podemos hacer un electroimán, si enrollamos un alambre en forma de bobina (espiral) con núcleo de aire, le aplicamos una corriente eléctrica, las líneas de fuerza no serán tan intensas, obviamente por la reluctancia del aire. Si en cambio le colocamos un núcleo de hierro, las líneas de fuerza serán más intensas y esto generará un campo magnético más intenso y se convierte en un electroimán. Si sabemos la polaridad de la corriente que se le aplica, y la dirección del embobinado, podemos determinar la polaridad de un electroimán, se coloca la mano derecha, tal y como lo haríamos si en realidad tomáramos el electroimán, el pulgar indicará el polo sur, los otros dedos indicarán la dirección de la corriente aplicada. INDUCCIÓN MAGNÉTICA LEY DE FARADAY: Esta indica que siempre que se mueve un alambre a través de las líneas de fuerza de un campo magnético, se genera en éste (alambre) una corriente eléctrica, misma que es proporcional al número de líneas de fuerza cortadas en un segundo. CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO v N d dt LAB 09 Página 2 / 7 CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO LAB 09 Página 3 / 7 CAMPO ELÉCTRICO El campo eléctrico asociado a una carga aislada o a un conjunto de cargas es aquella región del espacio en donde se dejan sentir sus efectos. Así, si en un punto cualquiera del espacio en donde está definido un campo eléctrico se coloca una carga de prueba o carga testigo, se observará la aparición de fuerzas eléctricas, es decir, de atracciones o de repulsiones sobre ella. La fuerza eléctrica que en un punto cualquiera del campo se ejerce sobre la carga unidad positiva, tomada como elemento de comparación, recibe el nombre de intensidad del campo eléctrico y se representa por la letra E. Por tratarse de una fuerza la intensidad del campo eléctrico es una magnitud vectorial que viene definida por su módulo E, y por su dirección y sentido. En lo que sigue se considerarán por separado ambos aspectos del campo E. La expresión del módulo de la intensidad de campo E puede obtenerse fácilmente para el caso sencillo del campo eléctrico creado por una carga puntual Q sin más que combinar la ley de Coulomb con la definición de E. La fuerza que Q ejercería sobre una carga unidad positiva 1+ en un punto genérico P a una distancia r de la carga central Q viene dada, de acuerdo con la ley de Coulomb, por: Q 1 Fe K 2 r pero aquélla es precisamente la definición de E y, por tanto, esta será también su expresión matemática EK Q r2 Puesto que se trata de una fuerza electrostática estará aplicada en P, dirigida a lo largo de la recta que une la carga central Q y el punto genérico P, en donde se sitúa la carga unidad, y su sentido será atractivo o repulsivo según Q sea negativa o positiva respectivamente. Si la carga testigo es distinta de la unidad, es posible no obstante determinar el valor de la fuerza por unidad de carga en la forma: E F q Donde F es la fuerza calculada mediante la ley de Coulomb entre la carga central Q y la carga de prueba o testigo q empleada como elemento detector del campo. CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO LAB 09 Página 4 / 7 Esta forma de describir las fuerzas del campo y su variación con la posición hace más sencillos los cálculos, particularmente cuando se ha de trabajar con campos debidos a muchas cargas. La unidad de intensidad de campo E es el cociente entre la unidad de fuerza y la unidad de carga; en el SI equivale, por tanto, al newton (N)/coulomb (C). Campo creado por dos placas planas cargadas con cargas iguales y opuestas Supondremos que las placas son infinitamente grandes o bien, que la separación entre las placas es pequeña comparada con sus dimensiones. En la figura se muestra el campo producido por cada una de las placas y en la figura de abajo, el campo resultante. Sea un condensador formado por dos placas iguales de área S, separadas una distancia d, pequeña en comparación con las dimensiones de las placas. El campo se cancela en la región del espacio situado fuera de las placas, y suma en el espacio situado entre las Por tanto, solamente existe campo las placas del condensador, siendo despreciable fuera de las mismas. se placas. entre Asociación de condensadores en serie V V1 V2 QT Q1 Q2 1 1 1 C eq C1 C 2 Asociación de condensadores en paralelo V V1 V2 QT Q1 Q2 Ceq C1 C2 CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO IV. LAB 09 Página 5 / 7 PROCEDIMIENTO LINEAS DE FUERZA DE CAMPO MAGNÉTICO 1. Rocíe limaduras de hierro sobre una placa acrílica transparente y aproxime uno de los polos del imán natural por el lado opuesto de la placa. 2. Esquematizar y describir el fenómeno mostrado 3. Ahora aproxime por el lado opuesto de la placa acrílica los dos polos del imán, esquematice y describa lo observado. INVESTIGACIÓN 4. ¿Qué propiedad muestran las líneas magnéticas y a qué se debe la forma de su trayectoria? Al realizar el experimento notamos que las limaduras de hierro reaccionan con el campo magnético del imán formando figuras en tres dimensiones en la base de la placa acrílica. Al aproximar los lados opuestos del iman logramos ver como las limaduras de hierro toman las formas de los campos magnéticos de los dos polos. . Las líneas de campo magnético convergen donde la fuerza magnética es mayor y se separan donde es más débil. Por ejemplo en una barra imantada compacta o “dipolo” las líneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en el otro y la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen. DETERMINACIÓN DE LA POLARIDAD 1. Empleando la brújula Notamos que la aguja de la brújula determine la polaridad interactúa con el campo magnético del de un imán. imán. Nos damos cuenta de lo ocurrido Esquematice y describa debía a que la aguja de la brújula cambia lo observado. de direcciones de acuerdo a como movamos el imán, junto con el imán está el campo magnético el cual es el responsable de los cambios en la aguja de la brújula. INVESTIGACIÓN. 2. ¿Cuál es el fundamento Para comprobar cuál es el polo Norte y cuál es el polo Sur en un imán solo basta con acercarlo a una brújula y observar la reacción de su aguja. La aguja apuntará, como en la empleado para Tierra, al polo Sur de nuestro imán. determinar la polaridad del imán? 3. Una vez identificadas CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO LAB 09 Página 6 / 7 las polaridades de los imanes naturales, junte polaridades diferentes. Describa y esquematice con líneas de fuerza lo observado. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. …………………………………………………………………. 4. Luego intente juntar las polaridades iguales. Describa y esquematice con líneas de fuerza lo observado. Al intentar juntar polaridades iguales notamos que hay una fuerza de repulsión, esta fuerza de repulsión de debe a que polos iguales se repelen en cambio polos diferente se atraen. LAB 09 Página 7 / 7 CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO CARGA DE UN CONDENSADOR 1. Armar el circuito mostrado en la figura. R = 10 kΩ C = 470 µF Vin = 9 V 2. Calcule los siguientes parámetros (los resultados tendrán como unidad al segundo) RC Constante de tiempo: Tiempo de carga del condensador: 5 5 R C 5 .................. ..................... 3. Cierre el interruptor SW1 en la posición 1 (desde la posición inferior a la superior). Anotar los valores de los instrumentos para cinco tiempos (referenciales). TIEMPO VOLTAJE t=0s t= ……… t= ……… t= ……… t= ……… . 4. Para el tiempo y voltaje grafique las curvas de carga del condensador. Utilice los valores de la tabla anterior. 5. ¿Cuál es la tensión CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO que indica el voltímetro cuando se carga el condensador? 6. ¿Cuál es el tiempo de carga del condensador utilizado? 7. Qué intensidad mostraría el amperímetro cuando: El condensador está descargado. El condensador está cargado. Justifique sus respuestas V. LAB 09 Página 8 / 7 ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. ………………………………………………………………………………………………… ……………………………………. OBSERVACIONES Y/O CONCLUSIONES OBSERVACIONES: Hemos encontrado que el módulo ERFI no funcionaba por lo que tuvimos que cambiarnos de modulo para haci no atrasarnos con la sesión del laboratorio. Nos dieron la indicación de que al momento de colocar el condensador en el circuito debíamos de colocarlo respetando las polaridades tanto positivas como negativas de lo contrario el condensador corría el riesgo de explotar debido q una sobrecarga. Encontramos que no habían suficientes imanes para realizar la experiencia con las limaduras de hierro, por lo que todos los grupos tuvimos que compartir el imán y las limaduras de hierro turnándonos y respetando un orden. Las limaduras de hierro se pegan al imán cuando las acercamos de forma directa lo que resulta una pérdida de tiempo en estar limpiando el imán, lo recomendable era no acercar el imana las limaduras de hierro. Los cables de conexión estaban malogrados por lo que procedimos a cambiarlos por otros en mejores condiciones. CONCLUSIONES LAB 09 Página 1 / 7 CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO Hemos aprendido acerca del tema de los condensadores el cual nos pareció similar al tema de resistencias ya que al asociarlos las reglas se cumplen solo que tiene que ser el inverso de la resistencia. Hemos comprobado la existencia del campo magnético atravez del paso de la fuerza eléctrica. Hemos aprendido como sacar la medición del campo magnético mediante datos experimentales. Hemos aprendido acerca de las polaridades de los imanes, saber cómo funciona su polaridad con ayuda de la brújula también que pasaría si invertimos las polaridad del imán y de cómo reaccionaría la brújula. Hemos aprendido como se comportan las limaduras de hierro al interactuar con el campo magnético del imán y descrito las diferentes formar y figuras que realizan las limaduras de hierro. Hemos aprendido a utilizar un poco mejor el módulo ERFI Hemos aprendido que el campo magnético y el campo eléctrico van de la mano que no puede existir uno solo, necesariamente si existe campo magnético tiene que existir campo eléctrico y viceversa. Ac tividad: Apellidos Nombres alumno: y del Observaciones Sección: Docente : Grupo: Fecha: Documentos de Evaluación Hoja de trabajo Archivo informático Informe técnico Planos Caso Otros CRITERIOS A EVALUACIÓN Excelen te Requier Bueno e Mejora No acept. LABORATORIO 1. Asistencia y puntualidad en el laboratorio. Culminación de la tarea en el tiempo previsto. 2. Realización de la actividad (montado de circuitos, conexionado, adquisición de datos, etc.). 3. Responsabilidad en el ATS (utilización de equipos, seguridad en el laboratorio, etc.). 3 2 1 0 4 3 2 0 2 1.5 0.5 0 4. Orden y limpieza. 2 1.5 0.5 0 Puntaj e Lograd o LAB 09 Página 1 / 7 CAMPO MAGNÉTICO Y ELÉCTRICO 5. Evaluación. 3 2 1 0 3 2 1 0 3 2 1 0 20 14 7 0 INFORME FINAL 1. Informe final (datos, cálculos, simulaciones, etc.) 2. Conclusiones, observaciones. TOTAL Comentarios al alumno: Excelente Bueno Requiere mejora No aceptable Nombre: Completo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo todos los requerimientos. Entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo la mayoría de requerimientos. Bajo entendimiento del problema, realiza la actividad cumpliendo pocos de los requerimientos. No demuestra entendimiento del problema o de la actividad. Mesa: EVALUACION Calcular la capacidad equivalente de la siguiente configuración de condensadores. Sabiendo que sus capacidades son C1=10mF, C2=10mF, C3=20mF, C4=20mF y C5=5mF. Tres condensadores A, B y C, de 20 µF, 40 µF y 60 µF respectivamente, se montan de la siguiente manera: los dos primeros, A y B, en paralelo y este conjunto en serie con el condensador C. En los extremos de la asociación se establece una diferencia de potencial de 200V. Calcular: a) La capacidad equivalente de la asociación. b) La carga total almacenada. c) La carga y la tensión de cada condensador.
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