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2014 Octubre ~ 2014 PARCIAL de FÍSICA EXPERIMENTAL II Leticia Zabalveytia Gabriela Olivera Lucia Martínez Horacio de Crecenzio Carol Ribeiro
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PRACTICAS EXPERIMENTALES: PRACTICO DE DIFRACCIÓN; PRACTICO DE INDUCCIÓN MAGNÉTICA Y PRACTICO DE MAPEO DE CAMPO MAGNÉTICO

Jul 26, 2015

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1. 2014 2. ndice ---------------------------------------------------- 1Practico de Difraccin --------------------------------------- 3Fundamento terico ----------------------------------- 41Objetivo --------------------------------------------- 4Materiales -------------------------------------------- 5Procedimiento ---------------------------------------- 5Datos obtenidos --------------------------------------- 6Modelo terico utilizado --------------------------------- 6Anlisis de datos -------------------------------------- 6Conclusin ------------------------------------------- 8Practico de Induccin Magntica ------------------------------- 9Fundamento terico ---------------------------------- 10Objetivo -------------------------------------------- 12Materiales ------------------------------------------- 12Procedimiento --------------------------------------- 12Datos obtenidos -------------------------------------- 13Conclusin ------------------------------------------ 14Practico de Mapeo de Campo Magntico ------------------------ 15Fundamento terico ---------------------------------- 16Objetivo -------------------------------------------- 19 3. Materiales ------------------------------------------- 19Procedimiento --------------------------------------- 20Datos obtenidos -------------------------------------- 21Graficas -------------------------------------------- 222Anlisis de datos ------------------------------------- 23Conclusin ------------------------------------------ 23Biografa ------------------------------------------------ 24 4. 3 5. 4Fundamento terico: Red de Difraccin:Una red de difraccin est constituida por una serie de elementos dedifraccin espaciados peridicamente. Al incidir sobre la red, la luz se difractadando lugar a una serie de mximos en la intensidad de la luz. El ngulo (ongulos) en que se obtiene un mximo de luz es diferente para cada longitudde onda incidente. En caso de que el haz iluminador incida normalmente, lacondicin de mximo para l es:2. () = . Donde es el ngulo que forman la direccin de incidencia y la direccinen la que se produce el mximo para la longitud de onda , "d" es la separacinentre los elementos difractores de la red y "n" es el orden del mximo (ennuestro caso nos vamos a interesar por el primer orden, con lo que n=1). Interferencia o DifraccinEn general se utiliza el trmino INTERFERENCIA, para definir a ladistribucin de energa disponible sobre una pantalla produciendo un conjuntode franjas, originadas a partir de un nmero finito de radiadores elementalescoherentes. Por el contrario, se dice DIFRACCIN a la combinacin de ondasque se originan al subdividir una onda en radiadores infinitesimalmentecoherentes, por ejemplo las rendijas de la red de difraccin.Objetivos:Observando el espectro correspondiente a la lmpara de helio (He), atravs de una red de difraccin de 600 lneas/mm y utilizando una tabla delongitudes de ondas caracterstica, se determinar la distancia que seencuentra entre la red de difraccin y el pizarrn. 6. 5Materiales: Tubo de luz de Helio Red de difraccin 600 lin/mm Soportes Fuente de alta tensin Conectores Pizarrn ReglaProcedimiento:Se realiza el montaje como muestran las siguientes fotos. Es importantecentrar las lneas proyectadas en el pizarrn respecto del centro de la imagen,para ello marcamos con una lnea el lugar donde vemos (proyectando en elpizarrn) el centro del tubo. A partir de all las lneas de cada color queaparecen en los laterales deben ser equidistantes del centro, para elloinclinamos la red sobre el eje vertical hasta lograr el efecto deseado. 7. 6Datos obtenidos:x (d) cm x (i) cm x (media) mazul 41,5 38 0,4verde 47,5 44 0,46naranja 56 52 0,54rojo 62 59 0,65Modelo terico utilizado: = 2 +2 . = = = 2+2 = + = 2 ( 22 .2 1)22 . 2 1 = Anlisis de datos:En nuestro caso en particular quisimos conocer la distancia que existaentre la lmpara y la pizarra en donde esta proyectaba su luz, mediante laaplicacin de las relaciones vistas anteriormente. Para ello utilizamos comodato conocido la longitud de onda de cada color: 8. 7Azul Naranja Naranja Rojo 4,03E-7 5,02E-7 5,88E-7 6,68E-7Para realizar los clculos tambin debemos conocer la separacin queexiste entre las lneas de la red, en este caso la utilizada nos dice que posee600 lneas por milmetro. Pasamos ese dato a metros:600 lneas = 1E-6 m1 lnea = d d=1,67E-9Realizamos los clculos necesarios para encontrar la distancia entre eltubo de luz y la pizarra:Para el color azul: = , (, )(, ) = , Para el color Verde: = . (, )(, ) = , Para el color Naranja: 9. 8 = . (, ) (. ) = , Para el color Rojo: = . (, )(. ) = , Conclusin:Mediante el desarrollo de la actividad se pudo apreciar el fenmeno dedifraccin de la luz emitida por una lmpara de Helio. Observamos ladescomposicin de la luz en diferentes colores, cada uno de ellos representauna longitud de onda dentro del espectro de emisin del elemento utilizado. Elespectro producido por cada elemento es nico y est formado por un conjuntode ondas electromagnticas emitidas por los tomos del elemento.En nuestro caso en particular, tenamos como dato conocido el espectrode emisin por lo que se intent conocer la distancia a la que se encontraba lalmpara emisora del pizarrn. Al respecto de esto el resultado obtenido tuvo unerror de un 30% aproximadamente, por lo que no nos result un mtodo exactopara realizar una medicin, pero s muy til para poder observar el fenmenopudiendo diferenciar claramente los espectros de distintos elementos. Sinembargo, s es un mtodo eficaz utilizado por cientficos, cuyo objetivo es elanlisis de cuerpos celestes ubicados a grandes distancias; dicho anlisispuede contener especialmente la composicin de estos cuerpos (suselementos). 10. 9 11. 10Fundamento terico: Induccin magnticaAl mover un imn por el interior de una bobina solenoide, el campo magnticoproducido por el imn provoca en las espiras de alambre la aparicin de unafuerza electromotriz (FEM) o flujo de corriente de electrones y en su alrededorun campo electromagntico mientras que el imn est en movimiento en elinterior de.la bobina.A este fenmeno se lo conoce por INDUCCIN MAGNTICA. (La existenciade ese flujo de electrones o corriente elctrica circulando por las espiras delalambre se puede comprobar conectando la bobina solenoide a unampermetro). Oscilacin armnico simpleEl oscilador armnico es uno de los sistemas ms estudiados en la fsica, yaque todo sistema que oscila alrededor de un punto de equilibrio estable sepuede estudiar en primera aproximacin como si fuera un oscilador.La caracterstica principal de un oscilador armnico es que est sometido a unafuerza recuperadora, que tiende a devolverlo al punto de equilibrio estable, conuna intensidad proporcional a la separacin respecto de dicho punto, = . ( )donde k es la constante de recuperacin y 0es la posicin de equilibrio, que lapodemos tomar como 0 = 0.La fuerza recuperadora es conservativa, por lo que tiene asociado una energapotencial,() =12 2 12. La fuerza y la energa potencial estn por supuesto relacionadas, la fuerzarecuperadora es directamente proporcional al desplazamiento, pero opuesta ael en direccin. La energa potencial vara con el cuadrado del desplazamiento.Una masa unida a un resorte ideal con constante de fuerza k y libre al moversesin friccin es un ejemplo ideal de un oscilador armnico simple, caracterizandolo tambin como un movimiento peridico.Este tipo de movimiento se repite de forma precisa, y se puede describir por lostrminos:11 Periodo: el tiempo necesario para realizar un ciclo completo, T ensegundos/ciclo Frecuencia: el nmero de ciclos por segundo, f en 1/segundos oHercios (Hz) Amplitud: el mximo desplazamiento desde el equilibrio, AEn una grfica de un movimiento peridico en funcin del tiempo, el periodo sepuede considerar como el tiempo que tarda el movimiento en repetirse. Lafrecuencia es el recproco del periodo. = 1f = frecuencia = 1T = periodo Frecuencia angular.La frecuencia del movimiento armnico simple como en una masa sobre unmuelle, se determina por la masa m y la rigidez del muelle, expresado entrminos de la constante de elasticidad del muelle. 13. 12El movimiento se describe por: = /donde es la frecuencia angular.Objetivos:Analiza en qu consiste el fenmeno de induccin electromagntica utilizandoun imn y una bobina conectada a un transformador, mediante la ley deFaraday y LenzMateriales: Bobina Imn Resorte Censor multilab SoportesProcedimiento:Se arma el dispositivo como muestra la siguiente figura. Luego se hacepasar corriente por la bobina y se suelta el sensor de tal forma que osciledentro de la bobina, registrando los valores obtenidos de B y V:f(t). 14. 13Datos obtenidos: 15. 14Conclusin:Mediante este sencillo experimento, pudimos observar (aunque con fallasexperimentales) que el comportamiento del imn al oscilar dentro de la bobinacorresponde a un movimiento armnico simple; ya que ambas grficas, tantode B:f(t) como V:f(t) son representaciones de ese tipo especial de movimiento.A medida que acercamos el imn a la parte interna de la bobina, observamosen la grfica cmo aumenta el B dentro de ella, y se da la inversa cuando loalejamos. Caso similar ocurre para V.Sin embargo, las grficas no resultaron de gran precisin, debido a erroresexperimentales, tanto de uso de materiales como de apreciacin de estos. 16. 15 17. 16Fundamento terico: Efecto hallEl fenmeno conocido como efecto Hall en honor a su descubridor EdwinDuntey Hall (Estados Unidos 1855-1938) se caracteriza por la aparicin de uncampo elctrico en un material conductor o semiconductor por el cual circulauna corriente, este es atravesado perpendicularmente por un campo magnticoel cual desva las cargas y genera una diferencia de potencial y un campoelctrico en el material.La diferencia de potencial (VOLTAJE HALL) se genera entre las carastransversales a las que est conectada la corriente de la batera. El voltajeproducido es proporcional a la relacin entre la magnitud de la corriente y elvalor del campo magntico.Pero el voltaje Hall tiene una polaridad diferente para los portadores de cargaspositivas o negativas y se ha usado para el estudio de los detalles de laconduccin en los semiconductores y otros materiales que muestran unacombinacin de portadores de cargas positivas y negativas. Ley de AmpereEl campo magntico en el espacio alrededor de una corriente elctrica, esproporcional a la corriente elctrica que constituye su fuente, de la mismaforma que el campo elctrico en el espacio alrededor de una carga, esproporcional a esa carga que constituye su fuente. La ley de Ampere estableceque para cualquier trayecto de bucle cerrado, la suma de los elementos delongitud multiplicada por el campo magntico en la direccin de esos elementosde longitud, es igual a la permeabilidad multiplicada por la corriente elctricaencerrada en ese bucle.. = 0La integral del primer miembro es la circulacin o integral de lnea del campomagntico a lo largo de una trayectoria cerrada, y: 18. 0 es la permeabilidad del vaco es un vector tangente a la trayectoria elegida en cada punto es la corriente neta que atraviesa la superficie delimitada por latrayectoria, y ser positiva o negativa segn el sentido con el queatraviesa a la superficie.17 Campo magntico en la tierraEl campo magntico de la Tierra es similar al de un imn de barra inclinado 11grados respecto al eje de rotacin de la Tierra.Los campos magnticos rodean a las corrientes elctricas, de modo que sesupone que esas corrientes elctricas circulantes, en el ncleo fundido de laTierra, son el origen del campo magntico. Un bucle de corriente genera uncampo similar al de la Tierra. La magnitud del campo magntico medido en lasuperficie de la Tierra es alrededor de medio Gauss. Las lneas de fuerzaentran en la Tierra por el hemisferio norte.El campo magntico de la Tierra se atribuye a un efecto dinamo de circulacinde corriente elctrica, pero su direccin no es constante. Muestras de rocas dediferentes edades en lugares similares tienen diferentes direcciones demagnetizacin permanente. Se han informado de evidencias de 171reversiones del campo magntico, durante los ltimos 71 millones aos 19. 18 Solenoide El solenoide es un alambre largo devanado en una hlice fuertementeapretada y conductor de una corriente i.La hlice es muy larga encomparacin con su dimetro. Campo magntico que genera elsolenoideEn la imagen se puede apreciar, la seccinde solenoide extendido. En los puntoscercanos a una sola vuelta del solenoide, elobservador no puede percibir que el alambretiene forma de arco. El alambre se comportamagnticamente casi como un alambre rectolargo, y las lneas de B debidas a esta sola vuelta son casi crculosconcntricos.El campo del solenoide es la suma vectorial de los campos creados por todaslas espiras que forman el solenoide. En dicha figura los campos tienden acancelarse entre alambres contiguos. Tambin en los puntos dentro delsolenoide y determinadamente alejados de los alambres, B es paralelo al ejedel solenoide.Cuando el solenoide se vuelve ms y ms ideal, es decir, cuando se aproximaa la configuracin de una lmina de corriente cilndrica e infinitamente larga, elcampo B en los puntos de afuera tiende a cero. Considerar que el campoexterno sea cero es una buena hiptesis de un solenoide prctico si su longitudes mucho mayor que su dimetro y si consideramos nicamente los puntosexternos cerca de la regin central del solenoide, es decir, lejos de losextremos. Lneas de Campo MagnticoLas lneas del campo magntico representan la accin de fuerzas mecnicas.Este concepto tiene solo una utilidad limitada, y hoy da usamos las lneas de Bprincipalmente para formarnos una imagen mental. 20. Las lneas de campo convergen donde la fuerza magntica es mayor y seseparan donde es ms dbil. Por ejemplo, en una barra imantada compacta o"dipolo", las lneas de campo se separan a partir de un polo y convergen en elotro y la fuerza magntica es mayor cerca de los polos donde se renen. Elcomportamiento de las lneas en el campo magntico terrestre es muy similar.19Objetivo: Determinar y analizar la componente horizontal del campo magnticoterrestre. Estudiar el campo magntico generado en el interior de un solenoide.Materiales:Sensor de campo magnticoSoftware para anlisis de datosBrjulaSolenoideHoja de papel 21. 20Procedimiento:regla de 3 entre campo real y datos obtenidosbuscar el 0 a la mitadEl prctico consta de dos partes, en la primera de ellas se analizar lacomponente horizontal del campo magntico de la tierra. En la segunda parteestudiaremos el campo magntico producido por un solenoide, se analizar elcampo interno de este elemento. Primera parte:Se marca la diagonal de una hoja de papel y se coloca esta sobre unamesa, sobre ella se coloca una brjula y se orienta la hoja de tal forma que ladiagonal marcada coincida con la direccin norte sur de la brjula; luego deconseguido esto fijamos la hoja a la mesa con cinta adhesiva. (figura 1)Se coloca el sensor sobre la diagonal, apuntando hacia el norte yregistramos la lectura que nos proporciona el software utilizado. A continuacincomenzamos a girar el sensor en sentido horario y vamos registrando los datosobtenidos para diferentes ngulos, completando de esta forma los valores de latabla 1. Segunda parte:Se coloca sobre la mesa de trabajo un solenoide conectado a una fuenteregulable. Paulatinamente acercamos el sensor en direccin paralela al 22. solenoide y en sentido hacia su centro, se contina hasta pasar parcialmente elsensor hacia el otro lado, pasando este por dentro del solenoide. (Figura 2)21Datos obtenidos:Tabla 1B (Teslas) ngulo ()-2,5E-6 0-2,2E-6 20-1,5E-6 40-4,1E-7 608,8E-7 801,8E-6 902,5E-6 1003,6E-6 1204,6E-6 1405,3E-6 160 23. 225,4E-6 180Grfica 1Grfica 2 24. 23Anlisis de datos:Al observar los datos obtenidos en la primera parte se aprecia que lacalibracin del instrumento no es correcta ya que la magnitud del campomagntico en esta zona geogrfica es un dato conocido (18E-9 T segn datosde la administracin nacional ocenica y atmosfrica de los EEUU). Por estemotivo, nuestro valor mximo debe ser 18 nT, el dato obtenido fue de 5,4E-6 Tes aproximadamente 2000 veces .Un punto a aclarar sobre los resultados obtenidos, es centrar los datosrespecto al valor 0 de campo, tericamente los datos que existen por encima ydebajo del 0 deben ser iguales en mdulo y opuestos en signo. Para estotomaremos los datos obtenidos y buscaremos el valor medio, en ese puntoestar el valor 0, que debera corresponderse con el punto cardinal este.Comenzamos buscando el cero, el mximo valor obtenido fue de 5,4 E-2TConclusin:Al respecto de la primera parte del prctico pudimos observar mediantemediciones la componente horizontal del campo magntico de la tierra. Cuandoapuntamos el sensor hacia el norte el valor de la medicin fue mximo, ya queel elemento receptor de las lneas de campo se ubica de tal forma que alapuntarlo hacia el norte las lneas pasan por l de forma perpendicular. Por esarazn se observa que el campo disminuye a medida que giramos el sensor, yaque las lneas van formando un ngulo cada vez menor respecto al elementoreceptor; teniendo un valor 0 cuando se apunta hacia el este (el ngulo en 0entre el receptor y las lneas). Cuando continuamos girando en el mismosentido, los valores obtenidos comienzan a ser negativos, lo que significa quelas lneas pasan por el sensor en sentido opuesto a como lo hacaninicialmente. El valor mnimo obtenido es cuando apuntamos hacia el sur yaque el ngulo que forman las lneas con el sensor es de.-90. 25. 24 Resnick, Robert. Fsica, tomo 1. Tercera edicin, Mxico 1993. Resnick, Robert. Fsica, tomo 2. Tercera edicin, Mxico 1993. Tipler, Paul A. Fsica, tomo 2. http://www.investigacion.frc.utn.edu.ar/sensores/Tutorial/TECNO2.pdf http://webs.uvigo.es/mdgomez/DEI/Problemas_res/Cuestiones_Septiembre-09_respuesta.pdf http://ific.uv.es/~nebot/Oscilaciones_y_Ondas/Tema_1.pdf http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electromagnetismo/contenidos/induccion-magnetica/induccion-magnetica.pdf http://intercentres.edu.gva.es/iesleonardodavinci/Fisica/Magnetismo/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