Reporte de la práctica 9 de principios de termodinámica y electromagnetismo

1. Objetivos
a) Formarse el concepto de carga eléctrica, a partir de experimentos.
b) Conocer el principio de funcionamiento de un electroscopio.
c) Descubrir e identificar los tipos de carga eléctrica que existen, a partir de la
convención de Benjamín Franklin.
d) Obtener el modelo gráfico del modelo matemático de la diferencia de potencial Vab
entre los extremos de un resistor en función de la corriente eléctrica que circula por él.
e) Obtener el modelo matemático de la gráfica del inciso anterior.
f) A partir de la ecuación que representa la ley de Ohm, identificar el significado físico
de la
pendiente del modelo gráfico obtenido.
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2. Equipo y materiales necesarios
2 bases
2 varillas de 1 [m]
1 tira de polietileno de 50 [cm] por 3 [cm] aproximadamente
1 cordón de 2 [m] aproximadamente barras cilíndricas de vidrio, ebonita, acrílico, PVC y
nylon frotadores: piel de conejo, seda y franela
1 fuente de poder de 0 a 40 [V]
1 voltímetro analógico de 0 a 50 [V]
1 resistor de 220 [Ω]
4 cables de conexión
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3. Actividades:
Actividad 1
Armamos un electroscopio como el de la figura, con ayuda de la convención de
Benjamín Franklin se identificamos el tipo de exceso de carga que adquirió la tira de
polietileno, después de ser frotada con una franela.
Tipo de carga de la tira de polietileno: (-)
Actividad 2
Frotamos cada una de las barras proporcionadas por el laboratorio, se acercó cada
barra con carga eléctrica a los extremos de la tira de polietileno sin tocarla, y se
registraron las cargas de los materiales.(Ver tabla 1 en apéndice)
Actividad 3
Armamos un circuito eléctrico como el mostrado en el diagrama eléctrico, considerando
que el resistor no tiene polaridad. Con el voltímetro analógico medimos la diferencia de
potencial que existe entre los puntos a y b, correspondientes a los valores de corriente
eléctrica que mide el amperímetro analógico integrado en la fuente de poder.
Llenamos la tabla de datos (ver tabla 2 en apéndice).
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4. Actividad 4
Con base en los datos de la tabla anterior y con ayuda de un par de escuadras,
trazamos la gráfica que relaciona a la diferencia de potencial Vab en función de la
corriente eléctrica I (Ver gráfica 1 en apéndice).
Actividad 5
Con el método de mínimos cuadrados, obtuvimos el modelo matemático que
representa la gráfica anterior. (ver tabla 3 en apéndice)
Actividad 6
Registramos los valores nominales de resistencia y potencia máxima, y las
incertidumbres proporcionados por el fabricante.(ver tabla 4 en apéndice)
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5. Cuestionario
1. Con base en la Ley de Ohm, deduzca el significado físico de la pendiente de la gráfica
correspondiente al modelo matemático de la actividad 5. Justifique su respuesta.
La pendiente indica el valor de la resistencia conectada en el circuito, expresada en Ohms.
2. Obtenga la expresión dimensional, en el SI, para cada término de la ecuación obtenida en la
actividad 5.
[V]=[Ω][A]+[V]
3. Calcule el porcentaje de exactitud para el valor del resistor utilizado, tomando como valor
patrón el que registró en la actividad 6.
%E = [(220-218.76)/220](100)
%E= 0.56%
4. Verifique si el valor del resistor obtenido experimentalmente está contenido en el intervalo
que se define con la información de la actividad 6.
El valor obtenido sí está contenido dentro del intervalo de la incertidumbre de 5%, puesto que
se obtuvo una medida muy cercana al valor establecido por el fabricante y solo se tuvo un error
del 0.56%.
5. En cada renglón de la tabla de la actividad 3, calcule, con la ley de Joule, la potencia
disipada por el resistor. Verifique si alguno de estos valores excede la potencia máxima que
registró en la actividad 6.
De acuerdo a los valores obtenidos con la ley de Joule presentados en la tabla que está a
continuación, podemos observar que sólo en dos casos estos valores pasaron de la potencia
máxima registrada
R [Ω]
I [A]
P [W]
0.02
216.6667
0.08667
0.04
215.8333
0.34533
0.06
216.1111
0.778
0.08
219.1667
1.40267
0.1
217.6667
2.17667
0.12
218.8889
3.152
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6. Conclusiones
En el experimento realizado, se pudo observar el cómo algunos cuerpos que al ser
frotados con diversos materiales atraían a otros o los alejan, esto es atribuible a una
propiedad fundamental de la materia llamada carga eléctrica. Esta carga puede ser de
dos tipos, positiva o negativa, según sea su comportamiento y de acuerdo a la
convención de Benjamín Franklin. Esto nos puede dar un concepto de cómo se
manifiesta la carga eléctrica en todos los cuerpos.
Para poder determinar qué carga tiene cada cuerpo al ser frotado, se necesita un
electroscopio, el cual funciona mediante el acercamiento a un material previamente
cargado mediante el frotamiento, en este caso el material utilizado fue una tira de
polietileno con una franela. Esta tira queda de carga negativa del lado del que se frotó
con la franela, por lo cual al colgar la tira tiende a desplegarse por la repulsión que se
tiene de las cargas iguales; al acercar un objeto, si éste tiende a hacer que la tira se
acerque hacia él, entonces se dice que tiene una carga positiva, en caso contraria, se
dice q tiene una carga negativa.
Esto parte de la convención de Benjamín Franklin, el cual a través de frotar vidrio con
seda pudo observar el comportamiento de atracción y respulsión que tuvo con otros
materiales, además de que hizo el experimento también con una vara de ebonita
frotandola con una piel de conejo, con lo cual pudo observar el proceso inverso que con
la vara de vidrio; con estas observaciones, determinó que el vidrio posee carga a la que
llamó positiva, mientras que a la ebonita le asoció el tipo de carga negativa. Gracias a
esta convención y a través de más observaciones, pudimos ver que los objetos que
tienen la misma carga se repelen, mientras que los que tienen cargas diferentes se
atraen, lo cual es un fenómeno que se presenta en la naturaleza, por lo cual se puede
considerar como general.
La otra parte del experimento tuvo que ver con la interacción de las cargas pero al
aplicar una diferencia de potencial. Este circuito estaba compuesto de una resistencia
de 220 Ω, además de que esa corriente llevaba cierta intensidad, la cual dependía
directamente de la diferencia de potencial. Para medir todo esto, fue necesario el
empleo de un multímetro, el cual nos permitía conocer el valor numérico de estos
datos; se debe tomar en cuenta que no siempre se van a tener los datos fijos por el
flujo de corriente que se tiene, por lo que se tuvieron que hacer varias mediciones para
determinar un promedio del voltaje obtenido a cierta intensidad de corriente, por lo cual
se necesitó realizar el modelo gráfico que relacionara el voltaje con la intensidad de
corriente, además de obtener el modelo matemático de la diferencia de potencial Vab
entre los extremos de un resistor en función de la corriente eléctrica que circula por él
que nos permitiera conocer más valores que se puedan necesitar.
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7. Al hacer este modelo matemático, se puede observar que al hacer la regresión lineal
con los valores obtenidos y a partir de la ley de Ohm, la pendiente es justamente el
valor de la resistencia que interactúa en el circuito, por lo cual no debe sorprender que
sea una aproximación del valor real que tiene la resistencia. Se debe tomar en cuenta
que cada resistencia tiene cierta tolerancia para la toma de medidas, por lo cual no
debe sorprender que no sea exacto el valor obtenido de manera teórica, puesto que
depende de las condiciones en las cuales se desarrolló el experimento, además de la
manipulación del equipo y los errores que se pudieron generar al tomar las medidas.
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8. Comentarios
Al principio de la práctica, parecía que no correspondían lo que proponía el
experimento con lo que se observaba al realizarlo; sin embargo, es importante decir
que el éxito para ver las propiedades depende mucho de la forma en que se froten los
objetos, ya que esto puede generar que el fenómeno no se presente como debería,
sino que pueda hacer cosas contrarias a las ya establecidas; esto nos lleva a decir que
se debe tener cuidado al leer las instrucciones de la práctica, además de poner gran
atención a lo que se está haciendo y a los fenómenos que ocurren al realizarlo
correctamente, ya que esto puede hacer que en un futuro podamos generar menos
errores.
También se debe tomar en consideración la correcta interpretación de la simbología
utilizada en la segunda parte de la práctica, esto para el armado del equipo y que
pueda funcionar correctamente sin que haya accidentes o toma de lecturas erróneas.
Se debe poner especial atención a la forma en que el equipo registra las lecturas, para
no confundir los números y así poder hacer los modelos matemáticos de manera
óptima.
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9. Apéndice
Tabla 1. Resultados de actividad 2
Barra
Acrílico
Ebonita
PVC
Vidrio
Nylon
franela
+
+
-
+
+
piel
+
+
-
+
+
seda
+
-
-
+
+
Frotador
Tabla 2: Resultados de actividad 3
I [A]
0.02
4.6
4.2
4.2
4.333
0.04
8.7
8.7
8.5
8.633
0.06
13.1
12.8
13
12.9667
0.08
17.4
17.7
17.5
17.5333
0.1
21.7
21.9
21.7
21.7667
0.12
26.3
26.3
26.4
26.3333
Gráfica 1. Gráfica de actividad 4
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10. Tabla 3. Resultado de la actividad 5: Modelo matemático de la gráfica 1
Modelo matemático
y = 218.76x - 0.0244
Tabla 4. Datos de la actividad 6
Datos
Resistencia
Máxima
220 [Ω]
Potencia Máxima
2 [W]
Incertidumbres
5%
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11. Referencias
Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel
Gámez Leal.
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