2013-14 Electro I Folleto de Protocolo de Practicas de Laboratorio

7/23/2019 2013-14 Electro I Folleto de Protocolo de Practicas de Laboratorio

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PRÁCTICAS DE ELECTROMAGNETISMO I

UCO

GRADO DE FÍSICA, TERCER CURSO

EDUARDO CASADO REVUELTA

FRANCISCO RUIZ MIJE



DEPARTAMENTO DE FÍSICAUNIVERSIDAD DE CÓRDOBA

Electromagnetismo I (primer cuatrimestre)Tercer Curso del Grado de Física

Eduardo Casado Revuelta

Francisco Ruiz Mije Página 1

INTRODUCCIÓN.

NORMAS GENERALES PARA LA REALIZACION DE LAS PRÁCTICAS.

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El alumno está obligado a conocer, comprender y aplicar las normas que a continuación se dan,en caso de no comprenderlas debe de preguntar antes de actuar por su cuenta.

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El alumno tiene el derecho y la obligación de asistir a clase, tanto teórica como práctica, en casocontrario, la falta de asistencia lleva consigo la disminución en su calificación final.

-

Finalizadas todas las sesiones habrá una sesión extraordinaria de recuperación para aquellosalumnos que hayan faltado de forma muy justificada.

- Antes de entrar al laboratorio para realizar la práctica el alumno debe leer el cuaderno de

práctica para saber que se le requiere en la misma, siempre en caso de duda preguntar

antes de actuar por su cuenta, en caso contrario el alumno será expulsado del laboratorio.- La realización, presentación y aprobación de las prácticas son requisitos indispensables para

aprobar la asignatura.

- Las prácticas se harán en parejas fijas, pero la memoria final se realizará individualmente.

-

Cada alumno entregará una memoria final de una de las prácticas realizada, en las condicionesque posteriormente se relatarán.

-

La memoria final será de aquella práctica que a cada alumno se le asigne por sorteo, en la últimasesión práctica y se presentará en la fecha que se fije aquel día.

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Se establecerá en el primer día de clase un calendario de clases teóricas, de clases prácticas, derecuperación y de exámenes.

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Siempre habrá un día o días de tutorías para la recuperación y dudas.

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Al terminar la sesión cada alumno debe presentar al profesor para su firma todos los resultadosexperimentales obtenidos aquel día, sin que haya tachaduras, ni enmiendas para que sirvan debase para la memoria final y como justificante de asistencia a clase.

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La calificación final de cada alumno se obtendrá como la media aritmética de la memoriaobtenida de la realización de la memoria final, de un ejercicio teórico de las diferentes prácticasy del cálculo de errores y de una realización de un examen práctico de una de las sesiones.

-

La memoria final se guardará hasta la convocatoria de Diciembre, siempre que sea positiva, encaso contrario se tomarán las medidas posibles para que pueda ser positiva.

- En la calificación final se tendrá también en cuenta los siguientes criterios: asistencia, actitud yforma de trabajo en el laboratorio.

- El alumno debe respetar a las personas y cuidar los aparatos que se encuentren el laboratorio.







NORMAS DE PRESENTACION DE LA MEMORIA FINAL.

-

La memoria debe presentarse escrita en formato PDF en un CD o escrita en ordenador.

- Las hojas de la memoria deben estar grapadas y numeradas.

-

El escrito presentado debe ser claro y no demasiado extenso.

La estructura de cada memoria será:

- La portada de la memoria de cada sesión debe contener:

• Número, título de la sesión.• Apellidos y nombre del alumno (en ese orden).• Grupo de prácticas al que pertenece• Fecha y hora de la realización de la sesión.

-

Cada memoria debe aportar la hoja de laboratorio, sin tachadura o enmienda.

-

Cada memoria debe contener:

• Objetivo• Material• Algunos de los fundamentos teóricos• Desarrollo de la misma• Resultados• Objetivos conseguidos o no conseguidos y causas• Bibliografía y programas de ordenador utilizados• Resultados del laboratorio• Cálculo de errores

Resultados finales:

-

Resalte claramente los resultados finales. Asegúrese que no son absurdos.

-

Ponga las cifras significativas adecuadas.

- No olvide nunca las unidades.

-

No olvide el error, correctamente expresado. Indique también el error relativo.

Presentaciones gráficas:

-

Se pueden hacer las gráficas bien manualmente o por medio del ordenador, en este caso secomentará el programa utilizado.

- Indique el título de la gráfica de una forma orientativa.

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Magnitudes que se representan en cada eje, con su símbolo y unidades.

-

Elección de escalas adecuadas. La nube de puntos debe ocupar al menos el 70% del papel.

- Puntos experimentales y su ajuste al conjunto de puntos experimentales.







Recomendaciones finales:

- Haga al final de la práctica unos breves comentarios sobre el trabajo realizado.

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La limpieza, orden y disciplina son importantes a la hora de la presentación y realización de lasprácticas.

NORMAS DE SEGURIDAD.

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Todo laboratorio es un lugar peligroso si no se conocen y observan las mínimas normas deseguridad y nuestras prácticas se han diseñado y estructurado evitando los riesgos, pero aún asíexisten estos riesgos, tenga el máximo cuidado posible.

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Sea limpio, ordenado y disciplinado.

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No manipule aparatos eléctricos conectados a la red eléctrica con los pies o las manos mojadas o

en presencia de elementos mojados o zonas inundadas.

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Trabaje alejado de las partes móviles de los aparatos que las tengan.

- Aleje de los focos caloríficos los recipientes de las sustancias utilizadas y el instrumentaldelicado.

- Cierre los recipientes que contienen los productos químicos y procure no aspirar sus vapores.

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Antes de conectar los autotransformadores a la red, procure que estén a cero.

-

Antes de conectar los aparatos de medida confirme que están bien instalados y en la escalaadecuada.

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Ante cualquier duda, no actúe por su cuenta, consulte con el profesor.

- Nunca mire directamente a los focos luminosos.

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Respete a las personas y a los instrumentos que se encuentren en el laboratorio.

-

Procure no perturbar a sus compañeros hablando en voz alta, fumando,....................

- Deje siempre el laboratorio mejor o igual a como lo encontró.

-

Respete el horario, así no molestará a sus compañeros a la hora de trabajar.

OTRAS RECOMENDACIONES.

Aunque en la mayor parte de los experimentos que va a realizar, tanto los aparatos como los métodosoperativos no son de gran precisión, debe seguir fielmente el método recomendado, sin modificarlo paraganar tiempo y de esta forma adquirir datos coherentes; no tome hábitos malos de trabajo, con estasprácticas el alumno está formándose de la mejor manera posible gracias a los muchos o a los pocosmedios que disponemos en la actualidad, por todo ello:

- Use bata blanca, en lo posible, para evitar el deterioro de su vestimenta.

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Cerciórese de la sesión que le corresponde hacer y prepáresela en conciencia antes de venir allaboratorio.

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Al principio de cada sesión solicite al profesor el material necesario, compruebe la relación dedicho material. Caso de faltar algo, comuníqueselo automáticamente al profesor.







-

Trabaje pausada y continuamente, consultando con el manual todos los procesos a realizar. Encaso de duda consulte al profesor.

-

Deje el material y el puesto de trabajo siempre limpio y ordenado, si puede ser, mejor que se loencontró, piense que detrás vendrá otro compañero para realizar la práctica.

-

Deje todos los instrumentos desenchufados y los grifos cerrados.

-

En los lugares de trabajo no fume, ni tire nada al suelo.

- Un laboratorio es un lugar de trabajo pero no de tertulia, procure hablar lo necesario con suscompañeros, ni cambie de puesto de trabajo.

POR ÚLTIMO, EN CUALQUIER ACTIVIDAD RESPETE A LAS PERSONAS, VALORELAS IDEAS Y CUIDE LAS COSAS.

GRACIAS.-







CAMPOS MAGNÉTICOS CREADOS POR HILOS

Objetivos:

-

Medir el campo magnético creado por un hilo rectilíneo por el que pasa una corriente I y a partirde esta medida calcular la permeabilidad magnética del vacío.

-

Estudiar el campo magnético creado por dos distribuciones rectilíneas paralelas de corriente deigual u opuesto sentido.

Material: Teslámetro y sonda. Regla de medida. Polímetro. Fuente de corriente alterna. Transformador.Hilo recto. Espiras conductoras. Medidor de flujo magnético. Cables varios.

Las fotografía siguiente nos muestra un montaje de la práctica que tenemos que realizar (másinformación en el Anexo I).

Breve teoría: Una corriente rectilínea puede considerarse como formada por sucesivos elementos decorriente dl. Cada uno de ellos crea su propio campo magnético, de modo que el campo total originadoserá la suma de todos los campos elementales.

Cada elemento de corriente dl va a producirun elemento de campo

µ0 I dl x r0

dB = ————————4 π r 2

donde: I es la intensidad que pasa por elcable r es la distancia del elemento dl al

punto donde vamos a estudiar el campo

magnético y r0 es un vector unitario que vadesde el elemento de corriente al punto en el queestudiamos el campo, cuando integramos, se obtieneun vector que cumple:

Módulo: 0 / (2 ) B I x µ π = , donde x es la distancia del hilo al punto.

Dirección: Tangente a una circunferencia de radio x con centro en el hilo y contenida en elplano perpendicular al hilo.

Sentido: Dado por la “regla de la mano derecha”.

dl

I

r

x







Si tuviésemos dos hilos de corriente, el campo magnético en un punto dado, es la suma vectorialde los campos creados por cada hilo.

I. HILO RECTILÍNEO: CÁLCULO DE 0 µ

Método operativo:Primer método:

-

Se hace un montaje con el hilo recto (téngase en cuenta que el hilo tiene un grosor de 4 mm).-

Se coloca la sonda a una distancia entre 1,5 y 1,8 cm del centro del hilo.- Se hace pasar por el hilo corriente entre 20 y 100 A variando la corriente de 5 en 5 A. Para cada

valor de corriente se mide el módulo del campo magnético.Como el polímetro no mide intensidades tan altas, es necesario utilizar el medidor de flujomagnético que genera una corriente en el interior del medidor de valor 100 veces menor que elvalor que pasa por el hilo, siendo la intensidad que pasa por el hilo la que marque el polímetromultiplicada por 100 (1A por cada 1mV)

- Se representa el valor del módulo del campo magnético frente a la intensidad de corriente. De lapendiente se obtiene el valor de la permeabilidad magnética del vacío.

Segundo método:-

Se hace el montaje con el hilo recto.-

Se hace pasar una corriente fija por el hilo de aproximadamente 80 A.- Se coloca la sonda del teslámetro por delante del hilo y se va midiendo el valor del campo

magnético a diferentes distancias del centro del hilo. Mídase a partir de unos 6 mm del centro delhilo moviendo la sonda de 5 en 5 mm, alejándose del hilo (tenga cuidado, no acerca la sonda amenor distancia del hilo, pues el hilo genera calor que hace que pueda dañarse la sonda).

-

Represente el campo magnético frente 1/x y obtenga el valor de la permeabilidad.-

Se repite el proceso de medición anterior, colocando la sonda al otro lado del hilo y se halla unnuevo valor de la permeabilidad.

-

Se hace la media ponderada de las dos permeabilidades.

II. DOS HILOS RECTOS:Método operativo:

a y b.- De igual sentido y diferentes intensidades (a) y de diferentes sentidos e intensidades diferentes (b)

-

Se hace un montaje análogo al apartado anterior pero tomando para el caso (a) y el caso (b) laespira adecuada a cada caso.

-

Se coloca la sonda en el plano de las espiras. Se toma uno de los hilos como eje Y y seconsidera el plano XY como el plano de las espiras. Se mide el módulo del campo magnético alo largo del eje X, que es el eje perpendicular a los hilos de corriente. Se toman medicionesvariando x de 5 en 5 mm la distancia al hilo que se tomó como eje Y (y por lo tanto que marca elvalor x=0.

- La intensidad de corriente se fija alrededor de 80 A.

-

Representaremos el campo B frente a la distancia X al hilo que hemos tomado como eje Y.-

Discuta cómo es la dependencia del campo con x.

c.- De diferente sentido e iguales intensidades.-

Se hace el mismo montaje pero tomando la espira adecuada, con la que tengamos dos hilos quelleven corrientes en sentido contrario.

-

La intensidad la debemos colocar alrededor de 80 A. Se toman de nuevo mediciones de Bvariando de 5 en 5 mm la distancia x al hilo que hemos tomado como eje Y.

- Representaremos el campo frente a la distancia x.-

Discuta cómo es la dependencia del campo con x.

Cautelas:-

El conductor se calienta por efecto Joule. Asegúrese que no quema cuando lo toque.

-

Aunque su medidor de longitudes tiene una sensibilidad de 0,1 mm, dado el tamaño del sensorHall de la sonda del teslámetro, sus medidas de longitud tienen un error no menor que 1 mm.-

Recuerde que el grosor de los hilos es de 4 mm.







-

Al terminar la experiencia, deje todos los instrumentos desconectados y las componentesrecogidas y ordenadas.

Resultados:

- Exponga y discuta los resultados que se han indicado en los apartados I y II.






Francisco Ruiz Mije Página

BALANZA DE CORRIENTE

Objetivo: Comprobar la fuerza que un campo magnético ejerce sobre un conductor recto por el que

circula una corriente.

Material: Trípode. Espiras conductoras de 12,5 mm; 25 mm; 50 mm y espira de dos vueltas de 50 mm.Fuente de tensión y de intensidad (la fuente de intensidad, IL, alimentará a las espiras. La fuente detensión provocará una corriente IM que alimentará a un electroimán que generará un campo magnéticoB). Dos polímetros. Electroimán. Un puente de diodo. Caja interruptor. Cables varios. Dos cables que seconectan a las espiras (TENGA CUIDADO CON ESTOS CABLES QUE SI SE TOCAN ENTRE SÍDIRECTAMENTE O POR MEDIO DE ALGO METÁLICO SE QUEMAN CON FACILIDAD), balanzade corriente, teslámetro y sonda.

Breve teoría:

Si se coloca un conductor metálico móvil en un campo magnético, B, y por dicho conductor nocircula corriente alguna, se observará que el campo no ejerce fuerza sobre el conductor, aunque loselectrones del “gas electrónico” y los iones positivos de la red cristalina estén en movimiento, debido ala agitación térmica. La razón de esto se debe a que los movimientos de los electrones y de los iones serealizan en todas las direcciones; en consecuencia, las fuerzas también actúan en todas las direcciones ysentidos y se anulan mutuamente.

En cambio, si por el conductor circula una corriente, se observará que dicho conductor sedesplaza dentro del campo magnético por la acción de una fuerza.

Cuando una carga eléctrica entra en un campo magnético con una determinada velocidad, se vesometida a una fuerza, denominada “Fuerza de Lorentz”, cuyo valor es:

F = q v x B

pero si la carga forma parte de una corriente eléctrica, cuya intensidad es IL, el producto q v, se

transforma en:

q v = IL l ; de donde:

La comprobación experimental de la fuerza con que un campo magnético actúa sobre unconductor cuando por él circula una corriente puede realizarse con un dispositivo denominado “balanzade corriente o de Cotton”. Con él la medida de la fuerza, cuando el campo es perpendicular a la intensidadde la corriente, se reduce a la simple realización de una pesada, pudiendo observarse la proporcionalidadde la fuerza ejercida por el campo con la intensidad de la corriente I L o con la intensidad de campo B ycon la longitud del conductor l.

En las figuras siguientes, nos encontramos con un esquema teórico de esto y un montajeexperimental con el que vamos a trabajar (más información en el Anexo II):

B

l ,IL F = IL l x B

F = IL l x B






Francisco Ruiz Mije Página !

I. FUERZA PROPORCIONAL A LA INTENSIDAD DEL CONDUCTOR:Método operativo:

-

Monte el conductor más pequeño (12,5 mm) de forma que las zapatas del imán estén paralelasal conductor y haga pasar corriente eléctrica, IL, por él desde 0 a 5 A aumentando de 0,5 A en0,5 A, mientras que la fuente de intensidad IM permanece fija en 12 V (esta fuente es la de loshuecos y el interruptor macho, nunca pase la tensión de esta fuente a 15 V).

-

En cada caso mida la fuerza ejercida por el campo magnético, mediante el peso que mide labalanza de corriente, esta fuerza es la diferencia de peso entre el peso medido para intensidadcero y la que se mida en cada intensidad.

-

Represente gráficamente F frente a IL, comprobando la dependencia lineal de la fuerza respectoa la intensidad que pasa por el conductor.

- Repita la operación con cada uno de los conductores, 25 mm; 50 mm y 2 x 50 mm y compare laspendientes.

II. FUERZA PROPORCIONAL A LA LONGITUD DEL CONDUCTOR:Método operativo:

-

Tome de los datos obtenidos en el apartado anterior, las fuerzas ejercidas por el campo cuando elvoltaje es de 12 V para IL = 0,5 A.

-

Represente esas fuerzas frente a la longitud de cada conductor ( l ), comprobando la dependencialineal de la fuerza respecto a la longitud del conductor.

-

Haga lo mismo con las otras intensidades de IL y compare las diferentes pendientes.

III. FUERZA PROPORCIONAL AL CAMPO MAGNÉTICO:Método operativo:

-

Encienda el teslámetro para que se vaya calentando la sonda.-

Monte el conductor de 2 x 50 mm y haga pasar por él una intensidad de 3 A.-

Mida la fuerza ejercida sobre el conductor, cambiando la tensión de I M desde el valor máspequeño al valor mayor, sin llegar nunca a 15 V.

-

Represente gráficamente F frente a IM, comprobando que F~ IM.- Desmonte el conductor, introduciendo la sonda teslámetro entre las zapatas.-

Repita el cambio de IM, mientras se mide el campo magnético.-

Represente gráficamente B frente a IM, comprobando que B~ IM.- Si las dos proporciones halladas en este apartado se cumplen, tendremos que F~ B.-

Si se cumplen todas las proporciones, tendremos que es cierta la Ley de Lorentz.

Cautelas:-

Al terminar la experiencia deje todo desconectado y recogido.-

No pase la fuente de IM a 15 V.

O

F = IL l x B

B

IL






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Resultados: Exponga los resultados obtenidos en los apartados anteriores, y discuta cómo esos resultados

corroboran la expresión L

F I l B= ×

para la fuerza magnética sobre un conductor







LÍNEAS EQUIPOTENCIALES

Objetivo: Dibujar y analizar las líneasequipotenciales producidas por variasdistribuciones de carga.

Material:1 Clavijeros de seguridad de 4 mm2 Electrodo de medición 3 Cubeta de plástico 4 Electrodos de barra 5 Electrodos redondos 6 Aro de aluminio7 Portador transversal aislado 8 Papel milimetrado 9 Soporte base 10 Barra soporte

Teoría: Remítase a la teoría explicada enclase por el profesor.

Método operativo:

La práctica se compone de una cubeta de plástico en la que se vierte agua destilada y seintroducen los electrodos principales entre los que se aplica una tensión. Una hoja de papel milimetradocon las figuras de los electrodos se sitúa debajo de la cubeta. Con un electrodo sonda (electrodo demedición en forma de punta) se mide el potencial en un punto. Desplazando este electrodo vemos lospuntos que tienen el mismo valor de potencial. El valor del potencial en estos puntos se anota en una hojaigual a la que está debajo de la cubeta. De esa forma vemos la posición de una línea equipotencial. Serepite el proceso partiendo de otro punto con otro valor de potencial. Se determina así un patrón de líneas

equipotenciales. En la práctica, se estudian estos patrones para distintas combinaciones de electrodosprincipales rectangulares y circulares

Montaje experimental

Fig. 1 Montaje del experimento

El montaje experimental se muestra en la figura 1

Desarrollo de la práctica:

Tendrá que realizar las siguientes tareas con las configuraciones de electrodos principales barra-barra,redondo-redondo y barra-redondo:







I. En el laboratorio:

a. Identifique el electrodo principal que está a tierra (potencial cero) y el positivo, colocando unadiferencia de potencial entre ambos de unos 4 voltios.

b. Con el electrodo sonda mida el valor del potencial en un punto, y determine, mediante mediciones delpotencial, en qué otros puntos el potencial tiene el mismo valor. Dibuje así líneas equipotenciales paracada configuración de los electrodos principales (barra-barra, redondo-redondo y barra-redondo).Determine al menos 7 líneas por configuración y 7 puntos por línea (ver figura 2). Indique el valor delpotencial en cada línea equipotencial.

Fig. 2 Líneas equipotenciales con cargas “puntuales”

c. ¿Qué pasa con las formas de las equipotenciales, si se varia la diferencia de potencial? Paradeterminarlo, varíe la diferencia de potencial entre los electrodos principales en una de las

configuraciones de éstos. Escoja uno de los puntos por lo que trazó anteriormente una equipotencial, midael valor de potencial en ella, y moviendo el electrodo sonda determine la forma de la curva que pasa porese punto (con el nuevo potencial).

d. Para la distribución barra-redondo, haga una hipótesis sobre lo que ocurriría con las líneasequipotenciales y el campo eléctrico si se coloca a tierra el electrodo que tenía potencial positivo y sepone a potencial positivo el que estaba a tierra. Verifíquelo mediante las mediciones que considerenecesarias.

II. Fuera del laboratorio:

e. En las mismas hojas en que ha dibujado las equipotenciales, dibuje 5 líneas de campo de campo

eléctrico. Escoja dos de las líneas de campo dibujadas y estime el valor del campo eléctrico en tres puntosdiferentes de cada una de ellas. Dibuje en esos puntos el vector campo eléctrico.

f. En cada distribución determine en qué zona es mayor la intensidad del campo eléctrico y justifique porqué.

g. En la distribución barra-barra discuta la desviación de sus resultados experimentales respecto a losteóricos para el potencial entre dos placas paralelas infinitas.

Cautelas:

- Al terminar la experiencia deje todo desconectado y recogido, la cubeta vacía y los electrodossecos.

-

No ponga nunca más de 5 voltios entre los electrodos principales.

-

No hace falta el cálculos de errores.







Resultados: Para cada distribución debe presentar en papel milimetrado los dibujos realizados de las curvasequipotenciales indicando el valor de potencial en ellas, las líneas de campo eléctrico trazadas y el valordel campo en los puntos en que lo ha estimado.Además, debe responder las preguntas que se le han planteado y argumentar sus respuestas.







ANEXO I

























ANEXO II






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