Experimento 1: Instrumentos eléctricos

El tester realiza mediciones de 3 variables: Diferencia de Potencial o Voltaje que se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas¹, el cual se mide con un voltímetro y cuya unidad de medida es el volt (v); la Corriente Eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material y se debe al movimiento de los electrones en el interior éste², se mide con un Amperímetro y su unidad de medida es el Ampère (A) y la Resistencia Eléctrica que corresponde a una medida de su oposición al paso de corriente³, se mide con un Ohmetro y su unidad de medida es el Ohm (Ω).

Conclusión:

a) La resistencia eléctrica depende de la longitud de ésta, estableciéndose una relación de proporcionalidad directa. Más aún, la resistencia de un conductor depende de la longitud del mismo (L), de su sección (s) y del material con el que está fabricado (p), mediante la siguiente expresión: R = (ro * L) / s Manteniendo constantes el material con el que está fabricado y su sección, debido a la relación de proporcionalidad directa, se tiene que a mayor Longitud, mayor es la resistencia eléctrica.

b) Al mantener la Intensidad de Corriente constante, se establece una relación de proporcionalidad directa entre el Voltaje y la Resistencia Eléctrica, es decir, mientras mayor sea el Voltaje, mayor será la Resistencia del circuito. Nuestros resultados están de acuerdo a la “Ley de Ohm” que establece una relación entre Intensidad de Corriente, voltaje y resistencia.

I = V/R

Experimento 2 y 3: Campo y Potencial eléctrico

Resumen:

En la presente experiencia analizaremos el fenómeno que ocurre al cargar dos objetos eléctricamente, dicha perturbación llamada campo eléctrico, depende principalmente de la distribución de las cargas eléctricas y de la distancia de estas mismas hasta el lugar en donde se desea medir el campo eléctrico. 

Teoría:

Campo eléc. es una propiedad vectorial del espacio debido a cargas eléctricas. De existir, debe haber un objeto cargado eléctricamente, (acá, agua) que está en contacto con los electrodos positivos y negativos. Todo cuerpo cargado eléctricamente modifica las propiedades físicas del espacio que le rodea. El campo en un punto depende de la distribución espacial de las cargas eléctricas y de la distancia de éstas al punto donde se desea conocer el campo. El gráfico es una recta con pendiente negativa (relación proporcional) que muestra las variables de longitud y de voltaje. El voltaje disminuyó de forma constante a medida que nos alejábamos del electrodo de la parte inferior. El sistema cuenta con dos placas metálicas de cobre carga igual, pero de signo contrario, inmersos en un medio electrolito (contiene sales) que facilita la interacción de estas cargas positivas y negativas. Al alejarnos de una en particular (la de abajo en la fotografía) nos acercamos a la otra placa de signo contrario (-), por ende disminuyen las cargas de un signo (+) y aumenta las del otro (-). Es por eso que el voltaje fue disminuyendo. El valor del campo es cercano a cero por que la carga de las placas es la misma, pero opuestas. Las líneas de campo se distribuían del electrodo de carga positiva al de carga negativa, resultando así, el pick de voltaje en el electrodo positivo.

Conclusión:

Los electrodos paralelos aumentan los valores de potencia desde el – a el +, las líneas de campo viajan perpendicularmente hacia el polo (-). Con electrodos circulares el potencial eléctrico es variable entre los electrodos y es constante fuera del más grande y dentro del más chico. La pendiente de la recta es la »razón de cambio» que indica la velocidad a la que varía el voltaje en función de la distancia.

Experimento 4: Carga y descarga del Condensador

Resumen: Se estudió la carga y descarga de un condensador para determinar el comportamiento que presenta voltaje a medida que transcurre el tiempo en ambos procesos.

Teoría:

Carga del Condensador:

Cuando se conecta un condensador descargado a dos puntos que se encuentran a potenciales distintos, el condensador no se carga instantáneamente sino que adquiere cierta carga por unidad de tiempo, que depende de su capacidad y de la resistencia del circuito:

Al cabo de un tiempo igual a RC, la corriente en el circuito ha disminuido a 1/e [≅ 0,368] de su valor inicial. En este momento la carga del condensador corresponde a:

El producto RC es, en consecuencia, una medida de la velocidad de carga del condensador y por ello se llama constante de tiempo capacitiva. Podemos obtener el valor de la constante de tiempo a partir de la ecuación (1), aplicando logaritmo natural tenemos:

Luego, si se grafica ln(V1-VC) versus t se obtiene una recta cuya pendiente es igual al valor recíproco de la constante de tiempo, τ = RC, del circuito.

Descarga del Condensador:

Un condensador en un circuito RC no se descarga inmediatamente cuando es desconectado de una fuente de alimentación de corriente directa. Con el condensador inicialmente cargado, al cerrar el interruptor el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia, según la ecuación:

Al cabo de un tiempo igual a RC, la carga del condensador corresponde a:

Aplicando logaritmo natural a la ecuación (2) obtenemos:

Conclusión:

– A partir del experimento realizado, podemos determinar que la relación que existe entre el tiempo y el voltaje en la carga del condensador es un tipo de relación directa en donde el voltaje crece exponencialmente a medida que transcurre el tiempo.

– Por otro lado la relación que se establece entre el voltaje y el tiempo en la descarga del condensador es una especie de relación indirecta, es decir, a medida que transcurre el tiempo, la carga del condensador decrece exponencialmente.

– Mientras mayor es la resistencia, más lento es cualquiera de los procesos, sea carga o descarga del condensador.

Experiencia 5: Ley de Ohm

Resumen:

Establecer la relación voltaje – corriente eléctrica para conductores metálicos y no- metálicos. Verificar la ley de Ohm en circuitos de corriente continua.

Teoría:

Ley de Ohm

Para mantener una corriente eléctrica circulando a través de un conductor debe existir un campo eléctrico aplicado |E|, o bien, un gradiente de potencial |ds/dV| en el interior de él. Si se considera un hilo conductor homogéneo de longitud L y sección transversal uniforme A, por el cual circula una corriente constante i, entonces se define la densidad media de corriente J como:

Los materiales conductores difieren entre sí en el valor de J establecido para un campo eléctrico dado. La razón de la densidad de corriente J a la intensidad E del campo eléctrico se denomina conductividad eléctrica del material considerado; así:

J = σE

La conductividad de un material homogéneo varía con la temperatura. Para muchos materiales, principalmente metales, la conductividad es independiente del campo eléctrico aplicado, y entonces se obtiene:

Experimento 6: Leyes de Kirchhoff

Resumen:

Se realizó el análisis de un circuito eléctrico, en este caso un circuito simple tipo puente de Wheatstone, a partir de las leyes de Kirchhoff.

Teoría:

Las ecuaciones necesarias para poder realizar un análisis de un circuito eléctrico se obtienen a través de las denominadas leyes de Kirchhoff: Ley de las Corrientes y Ley de las Tensiones. La Ley de Kirchhoff para los nudos o de las corrientes, basada en la ley de conservación de la carga eléctrica, establece que: Un nudo en un circuito es un punto donde convergen dos o más corrientes y la suma algebraica de ellas, consideradas todas entrantes o todas salientes deben ser igual a cero. En otras palabras la suma de las corrientes entrantes debe ser igual a la suma de las corrientes salientes. La asignación para la dirección en la que circula la corriente es totalmente arbitraria, ya que al momento de resolver el sistema formado por las ecuaciones, este nos dirá automáticamente en que dirección circula la corriente. La Ley de Kirchhoff para las mallas o de las tensiones, basada en la Ley de conservación de la energía, establece que:

Para un circuito cerrado o de malla, la suma algebraica de las diferencias de potencial entre los extremos de los diferentes elementos, con la condición de que sean tomadas todas en el mismo sentido debe ser igual a cero. El puente de wheatstone o puente de hilo, es un circuito que consiste en tres resistencias conocidas y una resistencia desconocida, conectadas entre sí en forma de diamante. Es una herramienta muy útil, que puede operar tanto con corriente continua como alterna que permite la medida tanto de resistencias ohmicas como las de sus equivalentes en circuitos de corriente alterna, donde existen otros elementos como bobinas y condensadores.

Experiencia 7: Campos Magnéticos

Resumen:

Explorar campo magnético terrestre, de un imán. Analizar el campo magnético producido por una bobina. Establecer la relación “campo magnético versus corriente” en una bobina.

Teoría:

La fuerza entre polos magnéticos obedece a la ley inversa de los cuadrados de la distancia, similarmente como ocurre con la fuerza entre cargas eléctricas. Se establece que los polos magnéticos, Norte y Sur, no pueden separarse como monopolos magnéticos, como ocurre con las cargas eléctricas. Oersted establece una relación entre magnetismo y cargas móviles, al descubrir que una aguja magnética podía ser desviada por una corriente eléctrica que circula por un cable. Estos hechos, llevan a Ampère a idear una teoría que argumentaba que las propiedades magnéticas de todas las sustancias eran debidas a la circulación de corrientes eléctricas ultra microscópicas. En la actualidad, se conoce bien que las propiedades magnéticas de las sustancias se deben a tales corrientes. Estas se conocen como corrientes de Ampère y se deben principalmente al spin de los electrones. Los descubrimientos anteriores permiten establecer que los campos magnéticos pueden crearse a partir de corriente eléctrica. Biot y Savart establecen una relación que permite obtener campos magnéticos a partir de corrientes eléctricas.

La fuerza magnética que experimenta una carga eléctrica q en movimiento con una velocidad v, está dada por la ecuación:

F =qv x B

Las corrientes eléctricas están constituidas por muchas partículas cargadas en movimiento a lo largo del conductor. Si el conductor se encuentra sumergido en un campo magnético, todas las partículas que forman la corriente experimentan una fuerza. Esta fuerza se traduce en una fuerza neta sobre el conductor. La expresión de fuerza que ejerce un campo magnético sobre un conductor de corriente, se expresa por: