UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMON FACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE FISICA
LABORATORIO DE FISICA BASICA III INFORME Nº 1
SEMESTRE I/2017 DOCENTE: ING. AGREDA LUIS A. ESTUDIANTES: (1) CACERES ROJAS JORGE LUIS (2) FERNANDEZ ZEBALLOS ESTEFANY ALEJANDRA (3) LIMACHI MENDOZA EDDY GRUPO: L5302. DIA: MIERCOLES. HORARIO: 11:15-12:45 TEMA: CAMPO Y POTENCIAL ELÉCTRICO FECHA DE ENTREGA: 5/ABRIL/17
CAMPO Y POTENCIAL ELÉCTRICO OBJETIVOS
Verificar la existencia de líneas de campo eléctrico en el interior de un condensador de placas paralelas. Determinar la relación funcional entre la fuerza eléctrica y el campo eléctrico. Encontrar el valor de la carga eléctrica q.
FUNDAMENTO TEORICO El campo eléctrico E es una magnitud física vectorial que es generado por cargas eléctricas. Para detectar la presencia de un campo eléctrico, generalmente se utiliza una carga de prueba que experimenta la fuerza eléctrica:
F=qE
Calculo de la fuerza eléctrica Con la balanza de torsión se puede determinar la fuerza que una carga eléctrica experimenta, en el equilibrio el torque neto en la balanza de torsión es:
= La fuerza eléctrica produce un torque que es contrarrestado por el torque de restitución en el alambre:
= Donde F es la fuerza eléctrica, b es el brazo, k la constante de torsión y
es el ángulo torcido.
A partir del péndulo de torsión, la constante k es:
= ( ) y el momento de inercia de una varilla con eje que pasa por el centro de masa es:
=
y de la ecuación anterior de la fuerza eléctrica se tiene:
= Calculo del campo eléctrico El campo eléctrico está relacionado con el potencial eléctrico por:
= Y para el caso de un capacitor de placas paralelas, la ecuación anterior se reduce a:
= Donde V es la diferencia de potencial (voltaje), y d es la distancia de separación entre placas. De la ecuación anterior, la magnitud del campo eléctrico es:
= MATERIALES
Balanza de torsión , varilla metálica Balanza digital, regla, cronómetros, calibrado vernier Condensador de placas paralelas circular Paleta (carga puntual) Fuente de alta tensión Kilo-voltímetro analógico Pantalla con escala graduada Lámpara con lente condensador Transformado 220 V a 6 V Soporte de altura variable y soporte universal Dos resistores de 100 M. Vaso de precipitación de 500 ml.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Verificación del campo eléctrico 1. En una de las placas, colocar pedacitos de papel de carbón, seguidamente conectar la fuente de alta tensión al condensador. 2. Al incrementar el voltaje entre las placas del condensador, se observara la alineación de los pedacitos de papel de carbón en la dirección de las líneas de campo eléctrico.
Determinación de la carga eléctrica
Medir la longitud y la masa de la varilla metálica. Medir el brazo de la paleta. Medir el tiempo de oscilación para el cálculo del periodo (seguir las instrucciones del docente). Armar el esquema del montaje de la siguiente figura.
Incrementar el voltaje y medir el desplazamiento S de la luz reflejada en la pantalla con escala graduada. Con las medidas del voltaje y desplazamiento, completar la tabla siguiente.
REGISTRO DE DATOS Escribir los resultados de las siguientes mediciones: Longitud de la varilla:
= .±..% Masa de la varilla:
= .±..% Separación d entre placas del capacitor:
= .±.∗−% Separación de la pantalla y el espejo
= .±..% El valor del periodo:
= .±..% Con la ecuación de la teoría, calcular el momento de inercia:
= .±. ∗−;.%
Con la ecuación teórica de la constante de torsión calcular su valor:
= .±. ∗−;.% En la tabla siguiente registrar los valores de voltaje y los desplazamientos S, y a partir de estos hallar la fuerza F y el campo eléctrico E. Para calcular el ángulo
en radianes se lo calcula de la siguiente forma. = 12 tan− () = =
[]
1
1000
20000
2
2000
40000
3
2500
50000
4
3000
60000
5
3500
70000
6
4000
80000
7
4500
90000
0.0400
0.0266
0.0500
0.0333
0.0700
0.0465
0.0800
0.0531
0.0950
0.0630
0.1025
0.0679
0.1225
0.0810
9.7849 ∗10− 1.2250 ∗10− 1.7105 ∗10− 1.9533 ∗10− 2.3175 ∗10− 2.4977 ∗10− 2.9796 ∗10−
RESULTADOS
= [ = [] −] 20000 40000 50000 60000 70000 80000 90000
∗10 1.2250 ∗10− 1.7105 ∗10− 1.9533 ∗10− 2.3175 ∗10− 2.4977 ∗10− 2.9796 ∗10− 9.7849
A partir de la tabla anterior graficar la fuerza eléctrica en función del campo eléctrico.
Método analítico (mínimos cuadrados ) N 1
] = [] = [ − 20000
2
40000
3
50000
4
60000
5
70000
6
80000
7
90000
∗10 1.2250 ∗10− 1.7105 ∗10− 1.9533 ∗10− 2.3175 ∗10− 2.4977 ∗10− 2.9796 ∗10− 9.7849
∑ = 410000 = 2.497285656 ∗10− ≈ 2.497∗10− ∑ = 1.366209∗ 10− = 2.90585123∗ 10− ≈ 2.906∗10− ∑ =2.75∗10 r = 0.9869114166 ≈ 0.987 ∑ = 2.968658652∗10− ∑ = 90.14978 ∑ = ∑ 2∑ 2∑ + +2∑ + ∑ = ∑ = 7.858747637∗10− = ∑− = √ ∑∆ σ = 1.571749527 ∗10− σA = 1.330954175∗ 10− ≈ = .±. ∗ −;.%
∆= ∑ ∑ ∆= 2.44 ∗10
√ = ∆
= 2.12346827 ∗10− ≈ 0.212∗ 10−
= .±. ∗−;.% = . Según la curva de ajuste de la gráfica el modelo de ajuste es:
= + = .+ . Con el método de mínimos cuadrados, determinar los parámetros de la curva ajustada con sus respectivos errores:
= .±. ∗−;.% = .±. ∗−;.% = . La ecuación de ajuste escogida es, comparando con la ecuación obtenida por teoría, y despreciando el parámetro A la ecuación es:
= . Comparando la ecuación teórica de fuerza eléctrica, con el modelo de ajuste escogido, determinar el valor de la carga eléctrica con su respectivo error:
= .±. ∗−;.%
CONCLUCIONES Para este experimento se realizó una serie de procesos de medición y tratamiento de datos para llegar a demostrar la relación funcional entre fuerza eléctrica entre campo eléctrico por lo cual nuestros datos se llegaron a ajustar a un tipo de modelo lineal. Dándonos como un valor de carga de .
2.906∗10−
CUESTIONARIO 1. Explicar el funcionamiento de la balanza de torsión Está constituida por un material elástico sometido a torsión. Cuando se le aplica una torsión, el material reacciona con un par torsor contrario o recuperador.
2. Demostrar que el campo eléctrico producido por una superficie conductora es Mediante la ley de gauss podemos definir que el campo eléctrico en las proximidades de la superficie y perpendicular a ella:
= = = → 3. Explicar las condiciones en las cuales se asume que la paleta es una carga puntual Una carga puntual consiste en dos cuerpos con carga que son muy pequeños en comparación con la distancia que los separa.
4. Demostrar la ecuación
= = =
Momento de inercia de la varilla
=
La constante k es:
= ( )
Reemplazando en la anterior Ec.
= ( ) = = 5.- ¿Por qué se alteran la estructura metálica de los equipos eléctricos? Por una parte, todos sabemos que conectar a tierra la estructura metálica de la instalación nos puede salvar de un susto en caso de que haya alguna derivación de los cables o de las propias placas a la propia estructura. O sea, lo mismo que conectar la nevera a tierra. Es evidente y de todos conocido que el lugar mas seguro durante una tormenta es dentro del coche , porque esta aislado de tierra por los neumáticos y no se conoce caso alguno en el que haya caido un rayo (o parte de el) sobre un coche. Mientras que un pararrayos es un elemento metalico (eso si con punta) conectado a tierra.
RESUMEN En el experimento para este tema de carga y campo eléctrico se realizó una serie de procedimientos, los cuales nos dieron como resultado el objetivo principal, el cual era de demostrar la carga eléctrica. Para este experimento se utilizaron algunos materiales como la balanza de torsión, del cual por una serie de datos también se llegó a demostrar en el anterior informe su constante de torsión, el cual usamos para el cálculo de la fuerza eléctrica, también se usaron materiales como una balanza digital, reglas, cronómetros, paleta de carga puntual, fuente de alta tensión, lámpara con lente, kilo- voltímetro,…con los cuales se hizo la medición del voltaje, y la cierta magnitud “S” que marc o la lámpara para cierto kilo-voltio. Con estos datos se construyó el tipo de modelo de ajuste lineal y se llegó a objetivo esperado.
