Física ambiental

Condensador. Campo magnético. Radiactividad # Camp magnètic. Radioactivitat. Interferència. Difracció

  • Enviado por: Bitxeta
  • Idioma: catalán
  • País: España España
  • 14 páginas
publicidad

PRÀCTIQUES DE

FÍSICA AMBIENTAL

Índex

Corbes de càrrega i descàrrega d'un condensador 3

Camp magnètic creat per una espira circular 6

Radioactivitat 10

Representació de camps 14

Làser: interferència i difracció 17

Corbes de Càrrega i descàrrega d'un condensador

OBJECTIU

La nostra finalitat en realitzar aquesta pràctica és veure les corbes de càrrega i descàrrega d'un condensador i determinar el temps de relaxació per la càrrega i el temps de relaxació per la descàrrega.

INTRODUCCIÓ

Un condensador està constituït per dues superfícies carregades amb la mateixa càrrega Q en valor absolut, de signe contrari, i que solen estar molt juntes.

Nosaltres tenim un circuit elèctric que quan es tanca el generador va fornint el condensador de càrrega elèctrica. A través del generador, part de la càrrega negativa procedent de la placa positiva es va acumulant en la placa negativa fins que la diferència de potencial entre les plaques iguali la diferència de potencial del generador.

Els gràfics ;

Voltatge o diferencia de potencial entre les dues plaques del condensador.

temps

Diferència de potencial molt gran

Quan V augmenta la Q augmenta.

REALITZACIÓ

Hem de mesurar el temps que passa entre que la Q és 0 fins que és un 63'2% de la seva càrrega total.

Per mesurar el temps de relaxació hem de polsar l'interruptor del nostre circuit i el hold de l'aparell i aconseguirem una gràfica com aquesta :

V" 5

V = 0

Desprès premem el cursor de la dreta i el moure'm de manera que sapiguem la diferencia de potencial

V màxima que arriba el condensador

Fem el mateix apretant el botó de la dreta i ens surten les verticals per a poder emmarcar la gràfica.

Fent això hem trobat que el temps total experimental de càrrega és d'1 segon i 8 centèsimes i una V de 6'16 volts.

Mitjançant una regla de tres trobem que el 63'2 % de la càrrega és 3'89 volts, i mitjançant les línies del gràfic, les movem fins a trobar aquesta diferència de càrrega i ens dóna un temps experimental aproximat de 83'5 mS

Si fem el mateix per a la descàrrega trobem que el temps total és de 253 mS i una V igual que a la càrrega. El 63'2% de la V és de 3'89 volts, i en el gràfic de la descàrrega trobem que el temps aproximat de descàrrega del 63'2% és de 33'5mS

Teòricament utilitzem la fórmula;

= R · C

 = 220·220·10-6 = 0.0484 segons que tardaria en carregar-se.

Si calculem la Q teòrica;

C=Q/V

Q= C · V= 220·10-6 · 5 Volts = 1'1·10-3C

Experimentalment :

Q= C·V=220·10-6· 6'16 Volts = 1'36·10-3C

Veiem que ambdós valors s'aproximen per tant no creiem que ens haguem equivocat, els valors son acceptables i creïbles.

Per últim, hem buscat si a la natura passa quelcom semblant i hem trobat que a la membrana cel·lular hi ha una funció de produir, modular i conservar gradients electroquímics entre un costat i un altre de la membrana. El manteniment d'aquest gradient electroquímic a banda i banda de la membrana plasmàtica constitueix el fonament físico -químic de l'excitabilitat, la propietat que tenen les cèl·lules de reaccionar front els estímuls de l'ambient i elaborar respostes adequades.

Camp magnètic creat per una espira circular

OBJECTIUS

L'objectiu de la pràctica és poder constatar experimentalment el camp magnètic creat per una espira circular i determinar, amb les dades obtingudes experimentalment, el valor del camp magnètic terrestre.

Unaltre dels objectius és poder observar com depèn la intensitat circulant amb el camp magnètic creat per l'espira circular.

INTRODUCCIÓ

Un camp és la força que actua per unitat de massa. La força sobre un cos a la superfície de la Terra ve donada pel camp gravitatori, que és la força exercida per un cos sobre unaltre de massa igual a la unitat, en aquest cas la força sempre és atractiva. En un camp elèctric les forces poden ser atractives o repulsives.

REALITZACIÓ PRÀCTICA

Per fer la pràctica disposem d'un aparell generador de corrent que està connectat a un fil de coure formant 100 espires, això conforma un camp magnètic. Amb l'aparell generador de corrent anem augmentant la intensitat (sense superar mai el valor de 1A) i la brúixola col·locada prop del camp creat per l'espira circular ens indica com varia.

Una primera part de la pràctica consisteix en deixar la brúixola a una distància constant de 40 cm de l'espira i anar augmentant la intensitat del corrent, per tal de determinar el camp magnètic terrestre. Cal observar com va variant l'angle a mesura que anem augmentant la intensitat. Anotem els resultats i obtenim el següent:

Intensitat

Angle (º)

Angle (rad)

tan (angle)

0

0

0

0

0.15

5

0.087266463

0.08748866

0.23

6

0.104719755

0.10510424

0.46

15

0.261799388

0.26794919

0.55

20

0.34906585

0.36397023

0.64

23

0.401425728

0.42447482

0.76

25

0.436332313

0.46630766

0.83

27

0.471238898

0.50952545

0.93

30

0.523598776

0.57735027

Si representem els valors de la tangent de l'angle a l'eix d'abscisses i els valors de intensitat (I) a l'eix d'ordenades:

Obtenim una sèrie de punts que ajustant-los gràficament a una recta tenim que:

y = 0.6384x - 0.0114

A partir del pendent d'aquesta recta es pot donar una estimació del valor del camp magnètic terrestre amb l'expressió:

Bt = n ( o R2/ 2 (x2 + R2)3/2)

(1)

Sabent que:

. R és el radi mig de la bobina, amb un valor de 0.158 m;

. n és el nombre d'espires que formen la bobina, en aquest cas 100;

. x és la distància des del punt on avaluem el camp magnètic fins al centre de la bobina, és a dir, 0.4 m;

. o val 4·10-7 ;

.  és el pendent, que hem obtingut amb l'ajust gràfic a una recta i que és de 0.6384;

Amb tot això podem dir que el camp magnètic terrestre és d'aproximadament:

Bt = 3.092 10-5 T

La segona part de la pràctica consisteix en constatar experimentalment la dependència del camp magnètic creat per la bobina amb la distància al centre d'aquesta, per això aplicarem una intensitat constant de 0.25A i ara el que variarem serà la distància de la brúixola al camp magnètic (mai sobrepassant els 20 cm) i observant com varia l'angle aquest cop. Amb tot això obtenim una taula amb els següents valors:

x (m)

angle (graus)

0.4

10

0.35

15

0.3

20

0.25

30

0.2

40

Amb aquestes dades podem construir un gràfic amb els valors d' x2 en funció de (1/tan)2/3:

x

x2

angle (º)

angle (rad)

(1/tan)2/3

0.4

0.16

10

0.17453293

3.18019795

0.35

0.1225

15

0.26179939

2.40601519

0.3

0.09

20

0.34906585

1.96165556

0.25

0.0625

30

0.52359878

1.44224957

0.2

0.04

40

0.6981317

1.12406385

Com en el cas anterior, amb els punts resultants podem ajustar a una recta:

A partir de l'expressió (1) s'obté l'equació:

x2 = [n (0IR2/2Bt)]2/3 [1/tan]2/3 - R2

On [n (0IR2/2Bt)]2/3 és el pendent de la recta, és a dir, 0.0586 i on les demés dades de R, n, 0 són les mateixes que en el cas anterior. Essent així aïllem Bt en la fórmula i substituint els valors trobem que:

Bt = 6,692·10-6 T

Radioactivitat

OBJECTIU

Estudiarem la radioactivitat de diferents elements, l'efecte zero de l'ambient, i les 3 radiacions  ,  i 

INTRODUCCIÓ

La radioactivitat és el fenomen pel qual s'emeten partícules alfa, beta i gamma.

Aquestes son;

 fotons

 electrons

 nucli d'Heli

Les més perilloses son la Gamma i la Beta. La Gamma ho penetra tot, menys el plom.

L'efecte zero és el valor mitjà que enregistra l'aparell sense que cap font radioactiva estigui relativament a prop. Així doncs, a l'ambient sempre hi ha una mica de radioactivitat.

El potassi és un element químic que podem trobar a molts llocs com en l'aigua dolça, en el mar, etc. Però un isòtop del potassi, anomenat K-40, és radioactiu i emet raigs  i , però aquest potassi no apareix en gaire proporció.

REALITZACIÓ

Primer de tot determinarem l'efecte zero en el laboratori. La manera de fer-ho es comptar 8 vegades el nombre d'impulsos per minut. Calculem el valor mitjà d'aquests;

EFECTE ZERO;

24

35 -24 = 11

55 -35 = 20

77 -55 = 22

103 -77 = 26

120 -103 = 17

140 -120 = 20

163 -140 = 23

La mitjana és de 20.375

Aquesta mitjana té un error, que es calcula mitjançant la desviació estàndard.

La desviació la calculem amb la fórmula següent;

"(x1-xm)2+…(xn- xm)2

 = = 4.386

n

Error de l'efecte zero;

3· /"n=3·4.386/"8 = 4.653

La mitjana correcte seria: 20.375 ± 4.653

Ara acostem una bosseta amb clorur potàssic al davant de l'aparell i fem el mateix que abans però només 4 minuts.

22 -20.375 = 1.625

37 -22 = 15 -20.375 = -5.375

64 -37 = 27 -20.375 = 6.625

87 -64 = 23 -20.375 = 2.625

En aquests, a més a més, els hem hagut de restar l'efecte zero!

Així veiem que els valors obtinguts amb el K-40, comparats amb l'efecte zero no son gaire superiors, per tant el K-40 no és molt més radioactiu que l'ambient en sí.

Ara toca acostar-hi una reixeta de càmping (camiseta) i repetim el mateix procés:

388 -20.375 = 367.625

785 -388 -20.375 = 376.625

1202-785 -20.375 = 396.625

1610-1202 -20.375 = 387.625

En aquest cas la radiació ja ha augmentat més que en el cas anterior del K-40.

Pels perdigons fem el mateix procés ( no oblidem que a tots els casos els restarem l'efecte zero !)

24 -20.375 = 3.625

45-24 -20.375 = 0.625

63-45 -20.375 = -2.375

82-63 -20.375 = -1.375

Podem afirmar que els perdigons no tenen radioactivitat respecte l'ambient.

Així doncs, la reixeta del càmping és molt més radioactiva que el isòtop del potassi (K-40) i que els perdigons. Així doncs, l'únic que podríem dir que és significativament radioactiu és la reixeta del càmping gas.

En l'altre part d'aquesta pràctica estudiem la penetració dels diferents tipus de radiació.

Sabem que quan posem un full de paper entre la font de Ra-226 i el comptador la radiació alfa ha estat filtrada i no ha arribat al comptador. Si anem posant fulls de paper anirà filtrant cada vegada més radiació, fins a 15 fulls, on l'alfa i la beta no passen, tan sols la gamma travessa els quinze fulls de paper i el comptador ens ho indica. Això queda representat en el següent gràfic:

La radiació per aquests casos és de:

0 fulls 11694 =  +  + 

1 full 8004 =  + 

15 fulls 1670 = 

La proporció dels tres tipus de radiació que emet el Ra-226, en percentatges, és:

/100=3690/11694 = 31.55% 

/100=6334/11694 = 54.16% 

/100=1670/11694 = 13.96% 

Representació de camps

OBJECTIU

En aquesta pràctica estudiarem les superfícies equipotencials, les línies que formen i les compararem en diferents situacions.

INTRODUCCIÓ

Tots aquells punts amb el mateix potencial formen una superfície equipotencial. De la seva definició podem deduir dues coses molt importants:

1.- El treball fet per les forces externes per desplaçar una càrrega per una superfície equipotencial sempre és nul. La trajectòria recorreguda és a través de la superfície i, per tant, tenen el mateix potencial de A a B que de B a A i conseqüentment W=q V=q 0 =0

2.- Les línies de camp elèctric son sempre perpendiculars a la superfície equipotencial.

REALITZACIÓ

Provoquem una diferencia de potencial entre dues línies paral·leles. Busquem els punts on el voltímetre senyala el mateix valor de potencial i així fem les línies de camp, saben que son perpendiculars a les línies equipotencials.

'Física ambiental'

El que tenim en vermell son els camps creats per les superfícies equipotencials (de negre i ralla fina). El que hem dibuixat en ralla més gruixuda son les dues línies amb potencial.

En cas que les plaques fossin infinites les línies també serien infinites

'Física ambiental'

L'expressió que correspon a la capacitat d'un condensador de plaques planes és:

C = 0 S/d

On 0 és la permeativitat del medi, propietat elèctrica que relaciona la influència de les forces entre les càrregues elèctriques. Aquesta constant mesura la disminució de la força elèctrica que sofreix un camp elèctric en el medi.

S és la superfície de les plaques i d la distància que les separa.

C = 0 S/d = 8.85·10-12 F/m 0.16m 0.005m/0.06m = 1.18·10-9F

Làser: interferència i difracció

OBJECTIUS

L'objectiu de la pràctica és comprovar experimentalment la naturalesa ondulatòria de la llum mitjançant interferència i difracció amb llum monocromàtica (làser), amb una longitud d'ona  de 663nm.

INTRODUCCIÓ

La difracció i la interferència són propietats típiques del moviment ondulatori de la llum.

El làser produeix una llum monocromàtica (d'un sol color) que té una sola longitud d'ona i en una única direcció. En canvi la llum d'una bombeta és llum blanca, és a dir, llum formada per tots els colors (policromàtica). Per tant la llum d'una bombeta és un conjunt d'ones electromagnètiques de moltes longituds d'ona diferents que van en totes direccions.

El muntatge per fer l'experiment és el següent:

On L val 2,45 metres.

REALITZACIÓ PRÀCTICA

(a) Reixeta Simple

En primer lloc hem observat la difracció per una sola escletxa, on aplicarem la fórmula següent per trobar l'amplada de l'escletxa real:

y = L  / a

(1)

on:

. a és l'amplada de l'escletxa teòrica, que val 0,04 cm, és a dir, 4·10-5 m;

. L és la distància del làser a la paret, que val 2,45 m;

.  és la longitud d'ona del làser, 663·10-9 m;

. y és l'amplada dels màxims secundaris reflexats a la paret desprès de passar per la reixeta (mirar última pàgina) i que val 0,035 m.

Segons aquestes dades i fent els càlculs pertinents trobem que:

a = 4,64·10-5 m

Gràficament es pot representar de la següent manera:

(b) Reixeta amb múltiples escletxes

En segon lloc hem posat la reixeta de múltiples escletxes on, com en el cas anterior, aplicarem una fórmula específica per trobar la a (1), i a continuació la fórmula següent per trobar la d:

y = L  / d

(2)

Essent y1 la meitat de la distància del màxim principal (mirar última pàgina) que val 0,03 m, i aplicant la fórmula (1) trobem que:

a = 5,41·10-5 m

I essent y2 la distància entre els dos màxims deguts a difracció que val 0,005 m, i aplicant la fórmula (2) obtenim que:

d = 3,24·10-4 m

Les zones on el feix de llum és més uniforme correspon a la difracció i les demés zones són degudes a interferències. Tot això es pot representar gràficament de la següent manera:

(c) Xarxa de difracció

Per últim hem col·locat una xarxa de difracció a 24 cm de la paret. En aquest cas s'utilitzarà la següent fórmula:

_______

 = d / "1+(L/y)2

(3)

On:

.  és la longitud d'ona pràctica, en metres;

. d val 1'66·10-6, tenint en compte que en la xarxa de difracció consta de 600 escletxes en un mil·límetre;

. L val 0,24 m en aquest cas, distància entre la paret i la xarxa de difracció;

. y és la distància entre els punts (mirar última pàgina) que és de 0,1 m.

Amb aquestes dades i aplicant la fórmula (3) obtenim que:

 = 6,38·10-7 m

Si el resultat el passem en nanòmetres ens dóna 638, que és aproximadament la teòrica que ja teníem.

14

Reixeta

Làser

Paret

L

2y

y

Interferències

Difracció