PRACTICAS EXPERIMENTALES: PRACTICO DE DIFRACCIÓN; PRACTICO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA Y PRACTICO DE MAPEO DE CAMPO MAGNÉTICO

2014

Octubre ~ 2014

Carol Ribeiro

Horacio de Crecenzio

Lucia Martínez

Gabriela Olivera

Leticia Zabalveytia

PARCIAL de FÍSICA EXPERIMENTAL II

Índice ---------------------------------------------------- 1

Practico de Difracción --------------------------------------- 3

Fundamento teórico ----------------------------------- 4

Objetivo --------------------------------------------- 4

Materiales -------------------------------------------- 5

Procedimiento ---------------------------------------- 5

Datos obtenidos --------------------------------------- 6

Modelo teórico utilizado --------------------------------- 6

Análisis de datos -------------------------------------- 6

Conclusión ------------------------------------------- 8

Practico de Inducción Magnética ------------------------------- 9

Fundamento teórico ---------------------------------- 10

Objetivo -------------------------------------------- 12

Materiales ------------------------------------------- 12

Procedimiento --------------------------------------- 12

Datos obtenidos -------------------------------------- 13

Conclusión ------------------------------------------ 14

Practico de Mapeo de Campo Magnético ------------------------ 15

Fundamento teórico ---------------------------------- 16

Objetivo -------------------------------------------- 19

Materiales ------------------------------------------- 19

Procedimiento --------------------------------------- 20

Datos obtenidos -------------------------------------- 21

Graficas -------------------------------------------- 22

Análisis de datos ------------------------------------- 23

Conclusión ------------------------------------------ 23

1

Índice

Biografía ------------------------------------------------ 24

2

3

Práctico de Difracción

Fundamento teórico:

Red de Difracción:

Una red de difracción está constituida por una serie de elementos de

difracción espaciados periódicamente. Al incidir sobre la red, la luz se difracta

dando lugar a una serie de máximos en la intensidad de la luz. El ángulo (o

ángulos) en que se obtiene un máximo de luz es diferente para cada longitud

de onda incidente. En caso de que el haz iluminador incida normalmente, la

condición de máximo para él es:

2d . sen(α)=n . K

Donde α es el ángulo que forman la dirección de incidencia y la dirección

en la que se produce el máximo para la longitud de onda λ, "d" es la separación

entre los elementos difractores de la red y "n" es el orden del máximo (en

nuestro caso nos vamos a interesar por el primer orden, con lo que n=1).

Interferencia o Difracción

En general se utiliza el término INTERFERENCIA, para definir a la

distribución de energía disponible sobre una pantalla produciendo un conjunto

de franjas, originadas a partir de un número finito de radiadores elementales

coherentes. Por el contrario, se dice DIFRACCIÓN a la combinación de ondas

que se originan al subdividir una onda en radiadores infinitesimalmente

coherentes, por ejemplo las rendijas de la red de difracción.

Objetivos:

Observando el espectro correspondiente a la lámpara de helio (He), a

través de una red de difracción de 600 líneas/mm y utilizando una tabla de

longitudes de ondas característica, se determinará la distancia que se

encuentra entre la red de difracción y el pizarrón.

Materiales:

4

Tubo de luz de Helio

Red de difracción 600 lin/mm

Soportes

Fuente de alta tensión

Conectores

Pizarrón

Regla

Procedimiento:

Se realiza el montaje como muestran las siguientes fotos. Es importante

centrar las líneas proyectadas en el pizarrón respecto del centro de la imagen,

para ello marcamos con una línea el lugar donde vemos (proyectando en el

pizarrón) el centro del tubo. A partir de allí las líneas de cada color que

aparecen en los laterales deben ser equidistantes del centro, para ello

inclinamos la red sobre el eje vertical hasta lograr el efecto deseado.

Datos obtenidos:

x (d) cm x (i) cm x (media) m

5

azul 41,5 38 0,4

verde 47,5 44 0,46

naranja 56 52 0,54

rojo 62 59 0,65

Modelo teórico utilizado:

senθ= x

√D2+x2 d . senθ=nλ

senθ=nλd

nλd

= x

√D 2+x2 ⇒

n2 λ2

d2= x2

D2+x2 ⇒ D=√x2( d2

n2 . λ2❑−1)

D=x √ d2

n2 . λ2−1

Análisis de datos:

En nuestro caso en particular quisimos conocer la distancia que existía

entre la lámpara y la pizarra en donde esta proyectaba su luz, mediante la

aplicación de las relaciones vistas anteriormente. Para ello utilizamos como

dato conocido la longitud de onda de cada color:

Azul Naranja Naranja Rojo

λ 4,03E-7 5,02E-7 5,88E-7 6,68E-7

6

Para realizar los cálculos también debemos conocer la separación que

existe entre las líneas de la red, en este caso la utilizada nos dice que posee

600 líneas por milímetro. Pasamos ese dato a metros:

600 líneas = 1E-6 m

1 línea = d d=1,67E-9

Realizamos los cálculos necesarios para encontrar la distancia entre el

tubo de luz y la pizarra:

Para el color azul:

D=0,40√¿¿¿¿

Para el color Verde:

D=0.46√¿¿¿¿

Para el color Naranja:

D=0.54√¿¿¿¿

Para el color Rojo:

D=0.65√¿¿¿¿

7

Conclusión:

Mediante el desarrollo de la actividad se pudo apreciar el fenómeno de

difracción de la luz emitida por una lámpara de Helio. Observamos la

descomposición de la luz en diferentes colores, cada uno de ellos representa

una longitud de onda dentro del espectro de emisión del elemento utilizado. El

espectro producido por cada elemento es único y está formado por un conjunto

de ondas electromagnéticas emitidas por los átomos del elemento.

En nuestro caso en particular, teníamos como dato conocido el espectro

de emisión por lo que se intentó conocer la distancia a la que se encontraba la

lámpara emisora del pizarrón. Al respecto de esto el resultado obtenido tuvo un

error de un 30% aproximadamente, por lo que no nos resultó un método exacto

para realizar una medición, pero sí muy útil para poder observar el fenómeno

pudiendo diferenciar claramente los espectros de distintos elementos. Sin

embargo, sí es un método eficaz utilizado por científicos, cuyo objetivo es el

análisis de cuerpos celestes ubicados a grandes distancias; dicho análisis

puede contener especialmente la composición de estos cuerpos (sus

elementos).

8

Practico

Fundamento teórico:

Inducción magnética

Al mover un imán por el interior de una bobina solenoide, el campo magnético

producido por el imán provoca en las espiras de alambre la aparición de una

fuerza electromotriz (FEM) o flujo de corriente de electrones y en su alrededor

un “campo electromagnético” mientras que el imán esté en movimiento en el

interior de.la bobina.

A este fenómeno se lo conoce por “INDUCCIÓN MAGNÉTICA”. (La existencia

de ese flujo de electrones o corriente eléctrica circulando por las espiras del

alambre se puede comprobar conectando la bobina solenoide a un

amperímetro).

Oscilación armónico simple

El oscilador armónico es uno de los sistemas más estudiados en la física, ya

que todo sistema que oscila alrededor de un punto de equilibrio estable se

puede estudiar en primera aproximación como si fuera un oscilador.

La característica principal de un oscilador armónico es que está sometido a una

fuerza recuperadora, que tiende a devolverlo al punto de equilibrio estable, con

una intensidad proporcional a la separación respecto de dicho punto,

F=−k .(x−xo)

donde k es la constante de recuperación y x0es la posición de equilibrio, que la

podemos tomar como x0=0.

La fuerza recuperadora es conservativa, por lo que tiene asociado una energía

potencial,

V (x )=12k x2

La fuerza y la energía potencial están por supuesto relacionadas, la fuerza

recuperadora es directamente proporcional al desplazamiento, pero opuesta a

el en dirección. La energía potencial varía con el cuadrado del desplazamiento.

9

Practico

Una masa unida a un resorte ideal con constante de fuerza k y libre al moverse

sin fricción es un ejemplo ideal de un oscilador armónico simple, caracterizando

lo también como un movimiento periódico.

Este tipo de movimiento se repite de forma precisa, y se puede describir por los

términos:

➢ Periodo: el tiempo necesario para realizar un ciclo completo, T en

segundos/ciclo

➢ Frecuencia: el número de ciclos por segundo, f en 1/segundos o

Hercios (Hz)

➢ Amplitud: el máximo desplazamiento desde el equilibrio, A

En una gráfica de un movimiento periódico en función del tiempo, el periodo se

puede considerar como el tiempo que tarda el movimiento en repetirse. La

frecuencia es el recíproco del periodo.

f= 1T

f = frecuencia

T=1f

T = periodo

Frecuencia angular.

La frecuencia del movimiento armónico simple como en una masa sobre un

muelle, se determina por la masa m y la rigidez del muelle, expresado en

términos de la constante de elasticidad del muelle.

El movimiento se describe por:

ω=√k /m

10

donde ω es la frecuencia angular.

Objetivos:

Analiza en qué consiste el fenómeno de inducción electromagnética utilizando

un imán y una bobina conectada a un transformador, mediante la ley de

Faraday y Lenz

Materiales:

❖ Bobina

❖ Imán

❖ Resorte

❖ Censor multilab

❖ Soportes

Procedimiento:

Se arma el dispositivo como muestra la siguiente figura. Luego se hace

pasar corriente por la bobina y se suelta el sensor de tal forma que oscile

dentro de la bobina, registrando los valores obtenidos de B y V:f(t).

Datos obtenidos:

11

Conclusión:

12

Mediante este sencillo experimento, pudimos observar (aunque con fallas

experimentales) que el comportamiento del imán al oscilar dentro de la bobina

corresponde a un movimiento armónico simple; ya que ambas gráficas, tanto

de B:f(t) como V:f(t) son representaciones de ese tipo especial de movimiento.

A medida que acercamos el imán a la parte interna de la bobina, observamos

en la gráfica cómo aumenta el B dentro de ella, y se da la inversa cuando lo

alejamos. Caso similar ocurre para V.

Sin embargo, las gráficas no resultaron de gran precisión, debido a errores

experimentales, tanto de uso de materiales como de apreciación de estos.

13

14

Práctico de

Mapeo de

Campo

Magnético

Fundamento teórico:

Efecto hall

El fenómeno conocido como efecto Hall en honor a su descubridor Edwin

Duntey Hall (Estados Unidos 1855-1938) se caracteriza por la aparición de un

campo eléctrico en un material conductor o semiconductor por el cual circula

una corriente, este es atravesado perpendicularmente por un campo magnético

el cual desvía las cargas y genera una diferencia de potencial y un campo

eléctrico en el material.

La diferencia de potencial (VOLTAJE HALL) se genera entre las caras

transversales a las que está conectada la corriente de la batería. El voltaje

producido es proporcional a la relación entre la magnitud de la corriente y el

valor del campo magnético.

Pero el voltaje Hall tiene una polaridad diferente para los portadores de cargas

positivas o negativas y se ha usado para el estudio de los detalles de la

conducción en los semiconductores y otros materiales que muestran una

combinación de portadores de cargas positivas y negativas.

Ley de Ampere

El campo magnético en el espacio alrededor de una corriente eléctrica, es

proporcional a la corriente eléctrica que constituye su fuente, de la misma

forma que el campo eléctrico en el espacio alrededor de una carga, es

proporcional a esa carga que constituye su fuente. La ley de Ampere establece

que para cualquier trayecto de bucle cerrado, la suma de los elementos de

longitud multiplicada por el campo magnético en la dirección de esos elementos

de longitud, es igual a la permeabilidad multiplicada por la corriente eléctrica

encerrada en ese bucle.

∮❑B .dl=μ0 I T

La integral del primer miembro es la circulación o integral de línea del campo

magnético a lo largo de una trayectoria cerrada, y:

15

➢ μ0 es la permeabilidad del vacío

➢ dl es un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto

➢ I T es la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por la

trayectoria, y será positiva o negativa según el sentido con el que

atraviesa a la superficie.

Campo magnético en la tierra

El campo magnético de la Tierra es similar al de un imán de barra inclinado 11

grados respecto al eje de rotación de la Tierra.

Los campos magnéticos rodean a las corrientes eléctricas, de modo que se

supone que esas corrientes eléctricas circulantes, en el núcleo fundido de la

Tierra, son el origen del campo magnético. Un bucle de corriente genera un

campo similar al de la Tierra. La magnitud del campo magnético medido en la

superficie de la Tierra es alrededor de medio Gauss. Las líneas de fuerza

entran en la Tierra por el hemisferio norte.

El campo magnético de la Tierra se atribuye a un efecto dinamo de circulación

de corriente eléctrica, pero su dirección no es constante. Muestras de rocas de

diferentes edades en lugares similares tienen diferentes direcciones de

magnetización permanente. Se han informado de evidencias de 171

reversiones del campo magnético, durante los últimos 71 millones años

16

Solenoide

El solenoide es un alambre largo devanado en una hélice fuertemente

apretada y conductor de una corriente i.La hélice es muy larga en

comparación con su diámetro.

Campo magnético que genera el

solenoide

En la imagen se puede apreciar, la sección

de solenoide “extendido”. En los puntos

cercanos a una sola vuelta del solenoide, el

observador no puede percibir que el alambre

tiene forma de arco. El alambre se comporta

magnéticamente casi como un alambre recto

largo, y las líneas de B debidas a esta sola vuelta son casi círculos

concéntricos.

El campo del solenoide es la suma vectorial de los campos creados por todas

las espiras que forman el solenoide. En dicha figura los campos tienden a

cancelarse entre alambres contiguos. También en los puntos dentro del

solenoide y determinadamente alejados de los alambres, B es paralelo al eje

del solenoide.

Cuando el solenoide se vuelve más y más ideal, es decir, cuando se aproxima

a la configuración de una lámina de corriente cilíndrica e infinitamente larga, el

campo B en los puntos de afuera tiende a cero. Considerar que el campo

externo sea cero es una buena hipótesis de un solenoide práctico si su longitud

es mucho mayor que su diámetro y si consideramos únicamente los puntos

externos cerca de la región central del solenoide, es decir, lejos de los

extremos.

Líneas de Campo Magnético

Las líneas del campo magnético representan la acción de fuerzas mecánicas.

Este concepto tiene solo una utilidad limitada, y hoy día usamos las líneas de B

principalmente para formarnos una imagen mental.

17

Las líneas de campo convergen donde la fuerza magnética es mayor y se

separan donde es más débil. Por ejemplo, en una barra imantada compacta o

"dipolo", las líneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en el

otro y la fuerza magnética es mayor cerca de los polos donde se reúnen. El

comportamiento de las líneas en el campo magnético terrestre es muy similar.

Objetivo:

❖ Determinar y analizar la componente horizontal del campo magnético

terrestre.

❖ Estudiar el campo magnético generado en el interior de un solenoide.

Materiales:

Sensor de campo magnético

Software para análisis de datos

Brújula

Solenoide

Hoja de papel

Procedimiento:

18

regla de 3 entre campo real y datos obtenidos

buscar el 0 a la mitad

El práctico consta de dos partes, en la primera de ellas se analizará la

componente horizontal del campo magnético de la tierra. En la segunda parte

estudiaremos el campo magnético producido por un solenoide, se analizará el

campo interno de este elemento.

Primera parte:

Se marca la diagonal de una hoja de papel y se coloca esta sobre una

mesa, sobre ella se coloca una brújula y se orienta la hoja de tal forma que la

diagonal marcada coincida con la dirección norte sur de la brújula; luego de

conseguido esto fijamos la hoja a la mesa con cinta adhesiva. (figura 1)

Se coloca el sensor sobre la diagonal, apuntando hacia el norte y

registramos la lectura que nos proporciona el software utilizado. A continuación

comenzamos a girar el sensor en sentido horario y vamos registrando los datos

obtenidos para diferentes ángulos, completando de esta forma los valores de la

tabla 1.

Segunda parte:

Se coloca sobre la mesa de trabajo un solenoide conectado a una fuente

regulable. Paulatinamente acercamos el sensor en dirección paralela al

solenoide y en sentido hacia su centro, se continúa hasta pasar parcialmente el

sensor hacia el otro lado, pasando este por dentro del solenoide. (Figura 2)

19

Datos obtenidos:

Tabla 1

B (Teslas) ángulo (°)

-2,5E-6 0

-2,2E-6 20

-1,5E-6 40

-4,1E-7 60

8,8E-7 80

1,8E-6 90

2,5E-6 100

3,6E-6 120

4,6E-6 140

5,3E-6 160

5,4E-6 180

Gráfica 1

20

Gráfica 2

Análisis de datos:

Al observar los datos obtenidos en la primera parte se aprecia que la

calibración del instrumento no es correcta ya que la magnitud del campo

magnético en esta zona geográfica es un dato conocido (18E-9 T según datos

21

de la administración nacional oceánica y atmosférica de los EEUU). Por este

motivo, nuestro valor máximo debe ser 18 nT, el dato obtenido fue de 5,4E-6 T

es aproximadamente 2000 veces .

Un punto a aclarar sobre los resultados obtenidos, es centrar los datos

respecto al valor 0 de campo, teóricamente los datos que existen por encima y

debajo del 0 deben ser iguales en módulo y opuestos en signo. Para esto

tomaremos los datos obtenidos y buscaremos el valor medio, en ese punto

estará el valor 0, que debería corresponderse con el punto cardinal este.

Comenzamos buscando el cero, el máximo valor obtenido fue de 5,4 E-2

T

Conclusión:

Al respecto de la primera parte del práctico pudimos observar mediante

mediciones la componente horizontal del campo magnético de la tierra. Cuando

apuntamos el sensor hacia el norte el valor de la medición fue máximo, ya que

el elemento receptor de las líneas de campo se ubica de tal forma que al

apuntarlo hacia el norte las líneas pasan por él de forma perpendicular. Por esa

razón se observa que el campo disminuye a medida que giramos el sensor, ya

que las líneas van formando un ángulo cada vez menor respecto al elemento

receptor; teniendo un valor 0 cuando se apunta hacia el este (el ángulo en 0

entre el receptor y las líneas). Cuando continuamos girando en el mismo

sentido, los valores obtenidos comienzan a ser negativos, lo que significa que

las líneas pasan por el sensor en sentido opuesto a como lo hacían

inicialmente. El valor mínimo obtenido es cuando apuntamos hacia el sur ya

que el ángulo que forman las líneas con el sensor es de.-90°.

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Resnick, Robert. Física, tomo 1. Tercera edición, México 1993.

Resnick, Robert. Física, tomo 2. Tercera edición, México 1993.

Tipler, Paul A. Física, tomo 2.

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http://webs.uvigo.es/mdgomez/DEI/Problemas_res/

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http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/

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Ley_de_Ampere.pdf

http://www.ual.es/~mjgarcia/redesdifraccion.pdf

http://www.ugr.es/~laboptic/s8_TP.pdf

http://taller2.fisica.edu.uy/Repartidos/practica7.pdf

http://users.df.uba.ar/mirtav/F2Q/Redes.pdf

http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/oscilaciones/mas/mas.htm

http://es.slideshare.net/AndreaGarcaZubizarreta/induccin-

electromagntica?related=2

23

Bibliografía

PDF

Páginas Web