Fundamentos Experimentales de Electricidad: Ley de Ohm, Capacitores y Campos Eléctricos

Estudio de la Ley de Ohm en Circuitos de Corriente Continua

Montaje Experimental

Arme el siguiente circuito utilizando los siguientes componentes:

• Fuente de Corriente Continua (inicialmente en 1 V).
• Resistencia (elemento óhmico) con valor de 470 Ω.
• Voltímetro.
• Amperímetro.
• Interruptor.

Procedimiento y Medición

Se tomará una serie de medidas variando la diferencia de potencial (ΔV) de la fuente. En el amperímetro se medirá la intensidad de corriente (I) que circula por el elemento, y en el voltímetro se medirá la diferencia de potencial en los extremos de dicho elemento.

Fundamento Teórico: Ley de Ohm

La Ley de Ohm establece que, a una temperatura dada, existe una proporcionalidad directa entre la diferencia de potencial que se aplica entre los extremos de un conductor y la intensidad de la corriente que circula por él. Esto define un Elemento Óhmico.

Relación:

$$\Delta V \propto I$$

La resistencia (R) se define como el cociente entre la diferencia de potencial y la intensidad de corriente:

$$R = \frac{\Delta V}{I}$$

Comportamiento de una Lámpara Incandescente

Materiales

• Fuente de Corriente Continua (C.C.).
• Conductores.
• Amperímetro.
• Voltímetro.
• Lámpara incandescente.

Procedimiento

Se arma el circuito y se toman las medidas aumentando la diferencia de potencial en incrementos de 0,50 V.

Fundamento Teórico

La Ley de Ohm establece que $\Delta V \propto I$. Sin embargo, la relación se convierte en $\Delta V = R \cdot I$ solo cuando la Temperatura (T) es constante. En una lámpara incandescente, la resistencia varía significativamente con la temperatura, por lo que no se comporta como un elemento puramente óhmico.

Fundamentos y Tipos de Capacitores

Materiales

• Fuente de Corriente Continua.
• Capacitores electrolíticos.
• Multímetro (voltímetro).
• Conectores.

Definición de Capacitor y Capacidad

Un Capacitor es un dispositivo que permite almacenar carga y energía eléctrica. Un ejemplo histórico es la Botella de Leyden, que consiste en una botella de agua cargada por una máquina electrostática a través de una cadena.

La capacidad (C) de un capacitor se define como el cociente entre la carga de las placas (Q) y la diferencia de potencial entre ellas ($\Delta V$):

$$C = \frac{Q}{\Delta V}$$

Capacidad con Dieléctrico

La capacidad de un capacitor con un dieléctrico (material aislante) es el producto entre la capacidad del capacitor en el vacío ($C_0$) y la constante dieléctrica (k) determinada por el material aislante utilizado. La capacidad del capacitor cambia según el material aislante:

$$C = k \cdot C_0$$

Energía Almacenada

La energía eléctrica almacenada en un capacitor (U) se determina a partir del producto entre la carga de las placas (Q) y la diferencia de potencial ($\Delta V$) entre ellas, dividido por 2:

$$U = \frac{Q \cdot \Delta V}{2}$$

Tipos de Capacitores

Los diferentes tipos de capacitores incluyen:

• Capacitores electrolíticos: Poseen una capa delgada de óxido no conductor entre una lámina metálica. Tienen una diferencia de potencial máxima permitida (indicada en la cubierta) y poseen polaridad.
• Capacitores de cerámica.
• Capacitores de Tantalio.

Principio de Conservación de la Carga

El Principio de Conservación de la Carga establece que la carga total en un sistema cerrado se conserva.

Nota: Los valores de las capacidades C suelen tener una incertidumbre del 10 %.

Estudio de la Descarga de un Capacitor (Circuito RC)

Objetivo

Estudiar cómo varía la intensidad de corriente (I) con el tiempo (t) en un proceso de descarga de un capacitor.

Procedimiento Experimental

Arme el circuito RC, asegurándose de que la diferencia de potencial aplicada sea tolerable por el capacitor y, si es electrolítico, teniendo en cuenta su polaridad.

1. Carga: Ponga el interruptor en la posición A para cargar el capacitor.
2. Descarga y Medición: Pase el interruptor a la posición B. En ese instante, el capacitor comienza a descargarse. Tome valores de intensidad de corriente cada 10 segundos.

Parámetros del Circuito

Anote los siguientes valores:

• R (Resistencia): 97,5 kΩ
• C (Capacidad del capacitor): (470 µF ± 10%)
• I₀: Intensidad de corriente inicial.
• e: Base de logaritmos neperianos (aproximadamente 2,718...).

Mapeo de Campos Eléctricos y Superficies Equipotenciales

Metodología Práctica Operacional (MPO)

1. Realizar un circuito con los materiales anteriormente mencionados (generalmente papel conductor y electrodos).
2. Con ayuda del voltímetro, marcar las equipotenciales en valores concretos de voltaje, utilizando papel carbónico para registrarlas en la hoja blanca.
3. Utilizar la hoja blanca para determinar la incertidumbre de las equipotenciales y obtener la distancia (X) desde la mitad de la equipotencial hasta el borde del papel.
4. Realizar cálculos para obtener la pendiente, que está relacionada con el campo eléctrico.

Conceptos Fundamentales

Campo Eléctrico

El Campo Eléctrico (E) es una región del espacio en la que interactúa la fuerza eléctrica. Es un campo físico que se representa mediante un modelo que describe la interacción entre cuerpos con propiedades de naturaleza eléctrica. Se describe como un campo vectorial en el cual una carga eléctrica puntual q sufre los efectos de una fuerza eléctrica F.

La magnitud del campo eléctrico se relaciona con la diferencia de potencial y la distancia:

$$E = \frac{\Delta V}{X}$$

Campo Eléctrico Uniforme

Un Campo Eléctrico Uniforme es aquel que tiene la misma intensidad en todos sus puntos. Se puede crear un campo eléctrico uniforme utilizando dos placas cargadas eléctricamente con signos opuestos. El valor de E en este campo es constante.

Superficies Equipotenciales

Las Superficies Equipotenciales son aquellas en las que el potencial eléctrico toma un valor constante. Por ejemplo, las superficies equipotenciales creadas por cargas puntuales son esferas concéntricas centradas en la carga.

Las líneas de campo eléctrico son, en cada punto, perpendiculares a las superficies equipotenciales y se dirigen siempre hacia donde el potencial disminuye.