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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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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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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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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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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

I [A] R [Ω] 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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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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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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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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Apéndice

Tabla 1. Resultados de actividad 2

Barra Frotador

Acrílico Ebonita PVC Vidrio Nylon

franela + + - + +

piel + + - + +

seda + - - + +

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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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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Referencias

Notas de clase de Principios de Termodinámica y Electromagnetismo. Profesor Rigel

Gámez Leal.