Electricidad y Magnetismo.

Practicas de Laboratorio.

 

COMPORTAMIENTO DEL CAMPO ELÉCTRICO  EN  PRESENCIA DE OBJETOS

 

Objetivo: Aprender el comportamiento del campo eléctrico,  de sus líneas de fuerza y sus efectos

t011497aIntroducción: En 1831, el físico y químico británico Michael Faraday descubrió que podía inducirse el flujo de una corriente eléctrica en un conductor en forma de espira no conectado a una batería, moviendo un imán en sus proximidades o situando cerca otro conductor por el que circulara una corriente variable. La forma más fácil de enunciar la íntima relación entre la electricidad y el magnetismo, perfectamente establecida en la actualidad, es a partir de los conceptos de campo eléctrico y magnético. La intensidad, dirección y sentido del campo en cada punto mide la fuerza que actuaría sobre una carga unidad (en el caso del campo eléctrico) o una corriente unidad (en el caso del campo magnético) situadas en ese punto.

Las cargas eléctricas estacionarias producen campos eléctricos; las corrientes —esto es, las cargas en movimiento— producen campos eléctricos y magnéticos. Un campo eléctrico también puede ser producido por un campo magnético variable, y viceversa. Los campos eléctricos ejercen fuerzas sobre las partículas cargadas por el simple hecho de tener carga, independientemente de su velocidad; los campos magnéticos sólo ejercen fuerzas sobre partículas cargadas en movimiento.

t011520aAlessandro Volta (a quien Napoleón nombró conde por su trabajo en el campo de la electricidad) es famoso por fabricar la primera pila eléctrica, conocida como pila voltaica. Volta, profesor de física y gran experimentador, realizó muchas otras contribuciones a la ciencia, como la invención del electróforo, un aparato para generar cargas estáticas. La unidad de potencial eléctrico, el voltio, recibe este nombre en su honor.

Estos hallazgos cualitativos fueron expresados en una forma matemática precisa por el físico británico James Clerk Maxwell, que desarrolló las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales que llevan su nombre. Las ecuaciones de Maxwell relacionan los cambios espaciales y temporales de los campos eléctricos y magnéticos en un punto con las densidades de carga y de corriente en dicho punto.

El principio, permite calcular los campos en cualquier momento y lugar a partir del conocimiento de las cargas y corrientes eléctricas.

El campo eléctrico, es una región del espacio donde se ponen de manifiesto los fenómenos eléctricos. Se representa por E y es de naturaleza vectorial.
  
En el Sistema Internacional de unidades el campo eléctrico se mide en newton/culombio (N/C). La región del espacio situada en las proximidades de un cuerpo cargado posee unas propiedades especiales. Si se coloca en cualquier punto de dicha región una carga eléctrica de prueba, se observa que se encuentra sometida a la acción de una fuerza.  Este hecho se expresa diciendo que el cuerpo cargado ha creado un campo eléctrico. La intensidad de campo eléctrico en un punto se define como la fuerza que actúa sobre la unidad de carga situada en él. Si E es la intensidad de campo, sobre una carga Q actuará una fuerza; F = Q · E
La dirección del campo eléctrico en cualquier punto viene dada por la de la fuerza que actúa sobre una carga positiva unidad colocada en dicho punto.

Las líneas de fuerza en un campo eléctrico están trazadas de modo que son, en todos sus puntos, tangentes a la dirección del campo, y su sentido positivo se considera que es el que partiendo de las cargas positivas termina en las negativas.

La intensidad de un campo eléctrico creado por varias cargas se obtiene sumando vectorialmente las intensidades de los campos creados por cada carga de forma individual.
 
El campo eléctrico E ubicado en un punto en el espacio se define como la fuerza eléctrica Fe que actúa sobre una carga de prueba qo positiva colocado en dicho punto, dividida entre la magnitud de la carga de prueba: E  =  Fe / qo. A una distancia r de una carga puntual q, el campo eléctrico debido a la carga esta dado por:E  =  Ke  (q v / r 2). Las líneas de campo eléctrico, describen al campo eléctrico en cualquier región del espacio.

Correlación  con temas  y subtemas  del programa  de estudio vigente:

Unidad Tema Subtema

 

1

 

Electrostática

    • introducción
    • sistemas de unidades  electrostáticas
1.3 Cargas eléctricas y sus propiedades

Material y equipo necesario


Generador de Van de Graff 1Electroscopio 1
Penacho  1
Mechero 1
Jaula de Faraday 1
Pieza de plástico con pista de aluminio 1
Vela 1
Aisladores 1
Puntas metálicas 1
Simulador de Campo 1
Conectores caimánConectores banana


figura 1Metodología:
Cuadro de texto: Generador  de Van de Graff


E1. Líneas  radiales del campo eléctrico.  Con el generador parado y un asistente  sobre un taburete aislante pone la mano sobre el domo y en la otra sujeta el penacho de papeles. Se pone en marcha el generador. El cuerpo de la persona que sujeta el penacho se va cargando y las hojas del penacho acaban por separarse y eventualmente los pelos se ponen de punta. Para facilitar el proceso se debe agitar la cabeza para que se deshagan las hebras de pelo, hay que asegurarse que si no se quita la mano del domo, no se toca a nadie, ni a ninguna cosa, tampoco se baja de la silla. Si se infringen estas normas se siente un calambre desagradable.

E2.  Líneas  radiales del campo eléctrico y conductividad humana.  Se repite el experimento con varios asistentes, sobre taburetes aislantes y agarrados de la mano, antes de poner en marcha el generador. El último sujeta el penacho de papeles que se repelen, cuando el generador se pone en marcha. Eventualmente los pelos de los jóvenes agarrados de la mano se ponen en punta.  

E3. Tubo fluorescente.  Se pone en marcha el generador de Van de Graff y se coloca muy próximo un fluorescente que se sujeta por un extremo y se aproxima sobre el otro. Apagando la luz puede apreciarse como el fluorescente se enciende.

E4. Efecto  fuga de puntas. Se realizo también, aproximando una vela  encendida  con su llama  de fuego, en un extremo  de  un  cono  con punta  y  se conecta al generador .  Se enciende el generador  y por el efecto de fuga en puntas, podemos ver  como la llama es desviada  por  un chorro de electrones que  se están fugando por la punta.  Como  si  fuera un viento  fuerte  que sopla la llana  de la vela.

E5. Jaula de Faraday y protección de campos eléctricos.  Se coloco el electroscopio dentro de la jaula de Faraday  y se acerca al generador electrostático. Y observamos  que dentro de la jaula de farday no existen campos eléctricos. Comprobado  con el electroscopio no registra  ninguna cantidad de carga eléctrica.

Conductor con un hueco dentro.

Supongamos un conductor con un hueco dentro. Rodeamos el hueco con una superficie cerrada S:

  • El campo E=0 en el interior del conductor es cero.
  • El flujo a través de la superficie cerrada S será cero.
  • figura 2La carga q en el interior de dicha superficie será también cero.

Por tanto, el exceso de carga se sitúa en la superficie exterior del conductor.

 

E6. Motor  electrostático de Franklin.
Para este  experimento utilizaremos  un reguilete  de alambre  con  puntas dobladas en la misma dirección, montado  en una base  que le permita girar, en seguida   se conecta mediante un cable al generador  Van de Graff , el cual  se enciende  y empieza a generar carga eléctrica, la que se fugara  por las puntas, generando un par de torsión impulsando   a gira  al reguilete.

http://tbn2.google.com/images?q=tbn:0eFeohQmEYKL5M:http://www.zs-lighting.com/Upload/PicFiles/2008.1.11_22.43.27_9422.jpgE7. Pistas de un circuito electrónico. Utilizaremos el  Generador  de Van de Graff,  tabilla de plástico transparente, con pistas de aluminio  discontinuas,  cables. Primero hacemos la conexión luego encendemos el generador y veremos como  los electrones  circulan  por  el camino  de aluminio que es conductor. Observando que a pesar de que  el aluminio  tiene  discontinuidades, el potencial es  suficiente mente alto para que  brinque de un lado a otro. Por lo cual  demostramos que  salta una chispa  atreves el aire, se logra observar debido  la ionización del aire.  Si  el experimento no logra verse  apagar las luces.  Este experimento  nos permite  la comprensión del cálculo de aislamientos  y protecciones.

E8. Luces de tormenta. Solicitamos al encargado un aparato de luces de tormenta
Asegurándonos  que  esta conectada con el adaptador correcto,  checando su voltaje, por que  existen en el laboratorio  varios de distinto tamaño y   si no cuidamos en esto podernos dañar el equipo. Al estar conectado el alumno podrá tocarlo sin peligro y observar  las diferentes reacciones,  facilitándonos  observar  las líneas radiales del campo eléctrico y   también  nos  servirá  para  materializar  una  superficie gaussiana  y analizar sus presencia.

 

Final  de la práctica

Descargar  el generador  y  todos los accesorios utilizados. Conectándolos a tierra

Sugerencias didácticas:

  • Propiciar  la búsqueda  y selección  de información  de temas a fines a la practica

              En libros de texto, revistas  de actualidad científica,  en internet.

  • Propiciar el debate para plantear  otras alternativas para el estudio  de cargas eléctricas
  • Uso de video   para mejorar  la comprensión  de los conceptos
  • Desarrollo de  nuevos modelos didácticos  por los  mismos alumnos
  • Uso de software y  laboratorios virtuales  en la solución de problemas y  como  complementó de  la comprensión de conceptos
  • Elaborar  con el estudiante  un banco de problemas  para reforzar los temas vistos en clase 

 

Reporte  del alumno: (resultados y Conclusiones)
Resultados 
 El alumno entarugara un reporte
En el cual  explique  paso a paso cada uno de los experimento, apoyándose con fotografías del experimento  realizado en el  laboratorio. Y contestara las siguientes preguntas.

1.- Por que es importante  evitar  los filos  o puntas  en los conductores utilizados  en los equipos  eléctricos de alto voltaje
2.- Que  dispositivo  emplearía  para protegería  un circuito  electrónico o un laboratorio de campos eléctricos  no deseados
3.- explique  por que en condiciones de equilibrio electrostático todos los puntos  de un conductor  deben  encontrarse  al mismo potencial
4.- explique  la diferencia  entre potencial  eléctrico y energía potencial  eléctrica
5.- explique  la razón  de que  la energía potencial  de dos  cargas  del mismo signo  sea positiva, mientras que la energía  potencial  de dos cargas  de  signo contrario  es negativa.

 

Conclusiones

 El alumno   elaborara sus conclusiones  relacionando los principios observados,  sus  respuestas   a las preguntas  y las posibles  situaciones  de la vida  diaria y profesional

 

Bibliografía preliminar:
Libro de texto  oficial de la materia
Serway   Raymon y Jewett John.
Física II: Texto basado en calculo
                                   Ed. Internacional Thompson Editores,  ISBN 970-696-340-0

Lea Susan y Burke John (2000)
Física  la naturaleza de  las cosas.  Volumen
Ed. Internacional Thompson Editores,  ISBN  968-7529-38-5
 
                                 Sargent- Welch,  todo para ciencia  de principio a fin, Catalogo 2005
                                 http://sargentwelch.com/

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Elaborado en: Enero del 2004 | Ultima actualización: febrero del 2010.