INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA
ACADEMIA DE FÍSICA
MANUAL DE PRÁCTICAS
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
2022-2
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Manual para resolver practicas, Guías, Proyectos, Investigaciones de Electromagnetismo
Es un manual para hacer experimentos desde los más basicos como magnetismo hasta la ley de faraday
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
2021/2022
1 / 48
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INSTITUTO POLITECNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERIA MECANICA Y ELECTRICA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA EN COMUNICACIONES Y ELECTRONICA ACADEMIA DE FÍSICA
MANUAL DE PRÁCTICAS
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Revisión y actualización realizada por los profesores José Luis Hernández Tovar y Gerardo Suarez. En el uso de la instrumentación y equipos participaron los técnicos Ingry Aide Flores Galindo, Berenice Morales Ballesteros, Beatriz Alonso Morales y Luis Arturo Navarro González
ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
PRESENTACIÓN
Este manual de prácticas para el curso de laboratorio de la materia de Electricidad y Magnetismo, del segundo semestre de la carrera de Ingeniería en Comunicaciones y Electrónica de la ESIME. Consta de experimentos de electrostática, electrodinámica, inducción magnética e inducción electromagnética. Sin lugar a dudas uno de los pilares fundamentales de la carrera es el conocimiento de los fenómenos electromagnéticos, los cuales, en su mayoría no son detectables por nuestros sentidos. El propósito de los experimentos propuestos en este manual, es hacer tangible lo intangible en lo que, podríamos decir, es una expansión de nuestros sentidos físicos mediante la ayuda del instrumental apropiado, con lo cual el estudiante obtendrá, indirectamente, una experiencia física, de esta manera reforzará sus conocimientos teóricos del tema, lo que redundará en una mejor preparación. Es muy importante que el alumno lea la práctica antes de realizarla y pregunte a su profesor, en caso de duda, ya que se manejará equipo que puede representar algún riesgo (como en el caso del generador de alto potencial eléctrico y/o el arreglo de bobinas para transformador) y en algunos casos se incluyen instrumentos muy delicados (como por ejemplo el dinamómetro de torsión Y/O teslametro). También el conocimiento previo de las prácticas a realizar, permitirá obtener los resultados esperados, que serán el fruto de la cuidadosa ejecución de cada paso, de acuerdo a como esté descrito. ATENTAMENTE ACADEMIA DE FÍSICA Febrero de 2022
ELECTROSTÁTICA
Objetivo Que el alumno: − Verifique que los cuerpos son susceptibles de electrizarse − Identifique los diferentes procedimientos de electrización de los cuerpos − Compruebe la existencia de los tipos de electrización que pueden adquirir los cuerpos. − Diferencié los conductores de los aisladores − Describa los espectros de los campos eléctricos obtenidos entre electrodos de diversas geometrías. − Concluya que en la región que rodea a un cuerpo electrizado existe una fuerza de origen eléctrico que recibe el nombre de campo eléctrico Introducción En nuestra vida diaria hemos observado destellos luminosos: cuando nos quitamos una camisa de nylon en un cuarto oscuro; al frotar los pies sobre una alfombra; en un día seco puede suceder que al tocar a otra persona se sienta una sacudida eléctrica, o al peinar el cabello seco escuchamos chasquidos, estos fenómenos son evidencia de la naturaleza eléctrica de la materia. Se puede considerar que materia es todo aquello que posee masa y que ocupa un lugar en el espacio, presentándose como sólido, líquido o gas. La materia está constituida por lo que se conoce como elementos, por ejemplo: el oxígeno, el nitrógeno, el hidrógeno, que al combinarse originan compuestos cuyas características son diferentes a las de los elementos que los constituyen. La molécula es la parte más pequeña de un compuesto, antes de que se descomponga en sus elementos. A su vez, la parte mas pequeña a la que se puede reducir un elemento, conservando sus propiedades, es el átomo.
Si se divide el átomo, éste deja de existir y aparecen unas partículas subatómicas, las cuales tienen una característica muy importante: aparecen en todos los átomos de todos los elementos. Estas partículas son los electrones, protones y neutrones, por eso se dice que todos los cuerpos (materia) están constituidos por estas partículas. En el centro del átomo o núcleo se encuentran los protones y neutrones, los electrones gravitan en torno de ese núcleo Se sabe que la carga eléctrica de los protones es positiva, los neutrones no tienen carga y los electrones tienen electricidad negativa. Como los protones y neutrones se encuentran en el núcleo, este se encuentra electrizado, (cargado), positivamente. En todas las operaciones ordinarias de la física y la química, los núcleos de los átomos no son alterados, conservando íntegramente su carga, sin embargo, bajo diversas influencias, el átomo puede ganar o perder electrones, esto se efectúa en la última órbita del átomo, conocida como de valencia, y los electrones que se encuentran en dicha órbita reciben el nombre de electrones de valencia. De manera natural los átomos son eléctricamente neutros ya que la carga negativa representa el conjunto de electrones y es igual al valor absoluto de la carga positiva en el núcleo. Es debido a esta propiedad de neutralizarse mutuamente, lo que justifica los signos (+), (-) atribuidos a las dos formas de electricidad. Si un cuerpo pierde electrones, la carga positiva global de los núcleos de todos los átomos, no están neutralizados por la carga negativa global de los electrones restantes y el cuerpo se electriza positivamente. Si se proporcionan electrones el cuerpo se electriza negativamente. Caracterizamos el estado de electrización de un cuerpo, definido por una masa, por la carga eléctrica representada por la letra q. Así, cualquier porción de materia, o cualquier partícula, está caracterizada por dos propiedades fundamentales independientes que son: la masa y la carga; por lo que toda electrización aparece como una transferencia de electrones. Un péndulo eléctrico, cargado, se inclina cuando se aproxima a la región que rodea a uno o más cuerpos electrizados. La inclinación del péndulo se invierte si se cambia el signo de su carga, con lo que se prueba que la carga eléctrica, prácticamente puntual, del péndulo,
Por lo antes expuesto, hay dos formas diferentes de representar gráficamente un campo electrostático: a) Por un conjunto de líneas (líneas de fuerza) que indican en cada punto la dirección de la intensidad del campo eléctrico. b) Por un conjunto de superficies (superficies equipotenciales) que indican en cada punto el potencial eléctrico. Las líneas de fuerza son líneas imaginarias que corresponden a la trayectoria que seguirían pequeños cuerpos de electricidad positiva que se movieran libremente en el campo que se trate. La relación entre las líneas de fuerza y el vector intensidad del campo eléctrico es la siguiente:
- La tangente a una línea de fuerza en un punto cualquiera nos indica la dirección de en este punto.
- Las líneas de fuerza se dibujan de modo que el número de líneas por unidad de área de sección transversal sea proporcional a la magnitud de. A la representación gráfica de las líneas de fuerza de un campo eléctrico se le designa con el nombre de Espectro del Campo Eléctrico. Finalmente cabe recalcar, en esta introducción, la importancia del conocimiento de los conceptos de carga, electrización y campo eléctrico, ya que son de mucha utilidad en la Ingeniería Eléctrica y Electrónica, por ejemplo: en el tubo de rayos catódicos, en filtros electrostáticos, en el pararrayos, en la protección de circuitos integrados, etc. Material (^1) Péndulo Eléctrico 1 Soporte aislante (^1) Paño de nylon 1 Cuba electrostática Aceite de ricino y aserrín Paño de lana 1 Juego de 6 accesorios para la cuba electrostática (^1) Barra de vidrio 4 Cables de conexión (^1) Barra de Poliestireno 1 Generador de Van de Graaff (^1) Barra de hierro 1 Fuente de alimentación (^1) Electrodo de prueba
Desarrollo experimental I.- Electrización de un cuerpo Existen tres procedimientos por medio de los cuales los cuerpos pueden electrizarse: por frotamiento, por contacto y/o por inducción. 1.1.- Electrización por frotamiento Dispositivo: Se emplea un péndulo eléctrico, figura 1 Figura 1 Procedimiento: Realice las actividades siguientes y explique sus observaciones en cada caso: a) Frote la barra de vidrio con el paño de lana. Acérquela a algunos trocitos de papel. b) Nuevamente frote la barra de vidrio con el paño de lana y aproxímela, sin tocar, a la esfera de sauco del péndulo eléctrico. c) Ahora frote la barra de poliestireno y aproxímela al péndulo eléctrico, sin tocar la esfera de sauco. Repita el procedimiento anterior con el electrodo de prueba plano en su parte metálica. Explique detalladamente sus observaciones 1.2.- Electrización por contacto Procedimiento.- Tome la barra de vidrio, cargada previamente por frotamiento con el paño de lana, y póngala en contacto con el electrodo de prueba plano, como se indica en la figura 2, y acérquelo a la esfera del péndulo eléctrico. Anote sus observaciones.
Figura 4 Explique sus observaciones y, en ambos casos, anote sus conclusiones. II.- Clases de Carga Eléctrica y Fuerzas de Origen Eléctrico. Procedimiento. Toque con la barra de vidrio, frotada con el paño de lana, la esfera de médula de sauco del péndulo durante un corto intervalo de tiempo. Anote sus observaciones. Descargue la esfera tocándola con los dedos y repita el procedimiento anterior empleando la barra de poliestireno. Anote sus observaciones. Explique lo ocurrido, obtenga sus conclusiones. Nuevamente cargue la esfera de médula de sauco, poniéndola en contacto con la barra de vidrio, previamente frotada con el paño de lana. Explique sus observaciones. Ahora, acerque suficientemente la esfera cargada del péndulo eléctrico, sin hacer contacto, primero a la barra de vidrio cargada y después a la barra de poliestireno frotada con el paño de lana. Explique sus observaciones y señale que sucede con el espacio que rodea a un cuerpo cargado. Anote sus conclusiones. III.- Conductores y Aisladores Dispositivo.- Arme el dispositivo que se muestra en la figura 5
Figura 5 Procedimiento: Toque el extremo A de la barra de poliestireno con la barra de vidrio cargada, previamente, por frotamiento con el paño de lana. Observe el péndulo eléctrico. Descargue la barra de vidrio y colóquela en el soporte aislante, en lugar de la barra de poliestireno y cargue esta última repitiendo el experimento. Explique sus observaciones. Anote sus conclusiones. IV.- Espectros del Campo Eléctrico. Dispositivo.- Vierta el aceite de ricino en la cuba electrostática, hasta tener una capa de 4 mm de profundidad. Espolvoreé un poco de aserrín e instale una lenteja y el arillo grande (figura 6), en los porta electrodos de la cuba y éstos a su vez conéctelos a tierra y a la esfera del generador de Van de Graaff, respectivamente. Figura 6 Precaución: No tocar simultáneamente ambos electrodos cuando el generador esté funcionando.
Cuestionario.
- ¿Qué es la carga eléctrica?
- ¿Cuántas clases de carga identificó en este experimento?
- ¿Cómo se comportan las cargas eléctricas entre sí?
- ¿Qué interpretación se da al principio de la conservación de la carga eléctrica, cuando se carga la barra de vidrio por frotamiento con el paño de lana?
- ¿Cómo se podría usar una barra, cargada negativamente, para cargar, por inducción, dos barras metálicas, de manera que una quede con carga positiva y otra con carga negativa?
- ¿Cuál es la diferencia entre un conductor y un aislador?
- ¿Cómo afecta el medio ambiente a estos experimentos?
- ¿Cómo se descubrió que la carga eléctrica estaba cuantizada?
- Explique la Ley de Coulomb.
- Defina los siguientes términos: a) Campo, b) Polarización, c) Dipolo, d) Ionización, e) Carga puntual, f) Gradiente de potencial
- ¿Por qué las líneas de fuerza nunca se cruzan?
- Obtenga el valor de E, entre las placas de un condensador, a partir de la Ley de Gauss.
- ¿Qué es una superficie equipotencial?
- Dos cargas, de magnitud y signos desconocidos, están separados una distancia d. la intensidad del campo eléctrico es cero en un punto situado entre ellas, en la línea que las une. ¿Qué se puede decir respecto a las cargas?
- Explique la Ley de Gauss
DISTRIBUCIÓN DE LAS CARGAS ELÉCTRICAS EN LOS
CONDUCTORES
Objetivos: Que el alumno − Determine, empleando un electroscopio, si un cuerpo está cargado, y si está cargado el signo de la carga. − Verifique que en los conductores, la carga eléctrica se distribuye en la superficie exterior, al realizar las experiencias de Cavendish y Franklin − Verifique, mediante el empleo de un electroscopio, que en un conductor hueco, el campo eléctrico es nulo. − Explique que sucede con el efecto de puntas al realizar las experiencias de: a).- El rehilete electrostático, b) La bujía (flama de una vela), c) El mechón de cabellos. Introducción En la realización de los primeros experimentos de la electricidad, los científicos observaron que las substancias diferían en su facultad de mantener lo que en aquellos tiempos llamaban “la virtud eléctrica”, pues algunas sustancias podían electrizarse fácilmente por diferentes procedimientos y mantener su estado, y otras, a las que en aquellos tiempos no podían electrizar por ningún procedimiento. Esto dio origen a que se elaboraran listas en las que se clasificaban a las sustancias en eléctricas y no eléctricas. A principios del siglo XVIII los científicos de la época lograron electrizar intensamente las sustancias no eléctricas, si éstas se apoyaban sobre una barra de vidrio o si se suspendían de hilos de seda.. En 1750, en Inglaterra, Stephen Gray demostró que la virtud eléctrica podía conducirse de un cuerpo a otro a grandes distancias por medio de un cordón horizontal de una sustancia no eléctrica, con tal de que el propio cordón estuviese sostenido de hilos de seda., Además de que se demostró que una esfera metálica no aislada perdía su virtud eléctrica en un lapso muy corto y que una esfera metálica colocada sobre una base aislante mantenía su virtud eléctrica durante algunos días.
exterior, lo que explica que cuando se tenga que trabajar con equipo eléctrico, éste se ubique dentro de un recinto llamado Jaula de Faraday. Material 1 Generador de Van der Graaff 1 Fuente de alimentación 1 Banco aislado 1 Punta de metal 1 Copa de Faraday 1 Rehilete electrostático 1 Recipiente de plástico con esferas de cripsota 1 Mechón de cabellos 1 Paño de seda 1 Esfera hueca 1 Paño de lana 2 Hemisferios de Cavendish 1 Barra de vidrio 1 Electroscopio 1 Barra de poliesterina 2 Cables de Conexión 1 Electrodo de prueba 1 Vela 1 Electrodo de prueba Desarrollo experimental 1.- El electroscopio Descripción: Es un dispositivo (Fig. No. 7), formado por dos láminas (L. L’), ligerísimas, de aluminio, fijas a una varilla metálica (V), coronada por una esferilla también metálica (E). La varilla se ajusta en un tapón aislador (T), las dos ventanillas de cristal, una frente a la otra, permiten ver el interior
Figura No.7.- Electroscopio de hojas Procedimiento Acerque a la esfera del electroscopio una barra de vidrio sin frotar. Observe. Realizado lo anterior, cargue (frote) la barra de vidrio y acérquela hasta tocar la esfera del electroscopio. Anote sus observaciones. Toque la esfera (E) con la mano y repita el procedimiento anterior con la barra de poliesterina y anote sus observaciones Con el electroscopio tocándolo con la barra de vidrio frotada con el paño de lana, de manera que las hojas queden sólo un poco separadas, acerque a la esfera, pero sin llegar a tocarla, un objeto cargado negativamente. Anote lo que sucede. Ahora acerque a la esfera, pero sin llegar a tocarla, un objeto cargado positivamente. Anote lo que sucede. Por último aproxime a la esfera, pero sin tocarla, un objeto que no haya sido frotado y que en consecuencia esté probablemente descargado ¿Qué sucede? Discusión ¿Por qué desciende la carga de la esfera hasta las hojas? - Cuando se cargó el electroscopio con un tipo de carga y se acercó una barra cargada con el otro tipo, ¿Qué se observó? - Si se le acerca una barra cargada con carga del mismo signo ¿Qué sucede? - Empleando los resultados de las observaciones hechas en este experimento ¿Cómo podría identificar el tipo de carga que adquiere un objeto cualquiera al ser frotado con otro?
Ahora tome los dos hemisferios metálicos descargados, provistos de mangos aisladores, y cubra la esfera metálica con ellos, como se muestra en la figura No. 9. Después de unos segundos separe ambos hemisferios y, con la ayuda de la sonda prueba y del electroscopio, descargado, determine si existe carga eléctrica en la esfera y en los hemisferios. Registre sus observaciones. Figura No. 9 Discusión ¿Cómo obtuvo la esfera hueca, carga eléctrica en este experimento? ¿Cómo la detectó? ¿Por qué, cuando se hace contacto en la superficie de la esfera cargada, con la sonda de prueba, ésta adquiere la carga del punto de contacto? ¿Por qué podemos considerar, en este experimento que el área de contacto entre la esfera y la sonda de prueba, permanece constante? Diga si la carga adquirida, por contacto, por la sonda prueba, pasa íntegramente al electroscopio. ¿Cómo haría para que ésto sucediese? Cuando los hemisferios metálicos cubren a la esfera metálica ¿Cuál es la superficie externa del conjunto? Después de haber retirado los hemisferios de la esfera ¿Detectó carga eléctrica en la esfera? ¿En los hemisferios? La carga que detectó en los hemisferios metálicos ¿Fue del mismo signo que la de la esfera metálica? Explique ¿cómo podría comprobar lo anterior?
3.- Experiencia de Franklin Dispositivo: Monte el arreglo experimental que se muestra en la figura 10 Figura No. 10 Instale en la parte superior de la esfera colectora del Van der Graff, previamente descargada, el recipiente de plástico, con base de metal. Ponga a funcionar a su mínima velocidad durante algunos segundos. Observe lo que sucede y regístrelo Realizando lo anterior, desconecte el generador y descárguelo. Quite el recipiente con paredes de plástico del generador e instale en su lugar el cilindro metálico, (cilindro de Faraday), con las esferas conductoras, como se muestra en la figura No. 11, y ponga a funcionar el generador a su mínima velocidad, durante algunos segundos. Observe lo que sucede y regístrelo.