UNIVERSIDAD CATÓLICA SANTA MARÍA FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERÍAS FÍSICAS Y FORMALES PROGRAMA PROFESIONAL DE INGENIERÍA INDUSTRIAL
PRÁCTICA 3
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL FÍSICA: ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
GRUPO 11
INTEGRANTES: ARIAS OCSA, JHAIR ARRATIA MOSCOSO, GABRIELA JENNIFER PONCE DE LEÓN RAMÍREZ, XIOMARA HILLARY HI LLARY VALCARCEL HUACO, DARLENE VILCA DIAZ, LIZ NAYELI
-2018-
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL I.
COMPETENCIAS
II.
UCSM
El estudiante explica y terminar la carga eléctrica elemental en una solución de sulfato de cobre, mediante el transporte de cargas por iones. i ones. El estudiante demuestra que la carga esta cuantizada.
FUNDAMENTOS TEORICOS
Cuando en agua se disuelven cristales de , alcohol y conseguimos conductor líquido, en general un líquido se vuelve conductor cuando tiene disueltas soluciones como por ejemplo el cloruro de sodio en agua. Al pasar corriente eléctrica por un conductor líquido produce una migración de iones, es el fenómeno de la electrólisis, que es la descomposición química de ciertas sustancias por efecto de una corriente eléctrica. Cuando en un conductor liquido se encuentran electrodos, al pasar la corriente eléctrica se produce una migración de iones entre los electrodos cargados positiva y negativamente. Al sumergir dos placas llamadas electrodos en una solución electrolítica y se conectan a una fuente DC, se produce un campo eléctrico E, los electrodos se cargan eléctricamente y la solución se ioniza. Los iones positivos (cationes) de la disolución se mueven hacia el electrodo negativo o cátodo y los iones negativos (aniones) se mueven hacia el electrodo positivo o ánodo. Al llegar a los electrodos, los iones pueden ganar o perder electrones y transformarse en moléculas o átomos neutros. Se puede medir la masa depositada por unidad de tiempo en un electrodo, si la relación de la carga y la masa de cada ion y el número de iones por unidad de masa es conocida y se establece una corriente. Utilizando las leyes de Faraday se puede mostrar la siguiente relación:
∆ = ] ∆∶ ∆ ∶ ∶ [ ∶ ∶ óó ==0,10635 0635 [] [á ∶ ∶ú ú = = 6, 0. 0 . 2310 2 3 10 ] ú ó = 2 ∶ é Donde:
1
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL III.
UCSM
MATERIALES
Agua destilada o solución de sulfato de cobre Un vaso de 1000 Ml Dos electrodos de cobre Un reóstato (resistencia variable) Un amperímetro digital Una fuente de tensión PHYWE de 12V/5A Una balanza digitar (0.01 g) Un calibre vernier Un cronometro digital Papel lijar Dos pinzas de cocodrilo Cuatro cables de conexión Texto de consulta (del estudiante)
10 Ω/1
Ilustración 1 -Esquema
IV.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 4.1. Lije los electrodos de cobre por ambos lados tratando de quitarle todo el óxido que contenga.
Ilustración 2 - lijado de electrodos
2
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL
UCSM
4.2. Enjuague ambos electrodos en un chorro de agua, tenga cuidado de no tocar con los dedos la superficie lijada.
Ilustración 3 - enjuagado de electrodos
4.3. Una vez secos, identifíquelos como el ánodo y el cátodo.
Ilustración 4 - identificación de ánodo y cátodo
4.4. Determine la masa de cada uno de ellos. Anote los resultados como masa inicial la tabla N° 1.
en
Ilustración 5 - masa de electrodos
4.5. Vierta en el vaso la solución s olución de sulfato de cobre.
Ilustración 6 - envase con sulfato de cobre
3
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL
UCSM
4.6. Instale el equipo como se muestra en el esquema de la ilustración 1, tratando que los electrodos no se toquen. Antes de conectar el circuito a 12 V, pida al profesor que verifique dicho circuito.
ESQUEMA Ilustración 7 - Esquema armado
4.7. Regule el valor de la intensidad de corriente con ayuda del reóstato r eóstato (Resistencia variable), moviendo el cursor del reóstato de tal forma que el amperímetro marque una intensidad de corriente en un amperio (1A). 4.8. Luego tome el tiempo de 25 minutos manteniendo siempre constante la corriente de un amperio (1A) con ayuda del reóstato. Si hay variación de intensidad de la corriente anótela. 4.9. Transcurridos los 25 minutos interrumpa la corriente en el circuito. Saque los electrodos del agua destilada o de la solución de sulfato, enjuáguenlos y séquelos. 4.10. Mida nuevamente las masas de cada electrodo y anótelas en la Tabla N° 1 como masa final
á Á
° 97. 28 84.2
4
97. 79 83.79
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL V.
UCSM
ANALISIS DE DATOS 5.1.Cálculo 5.1. Cálculo de área sumergida de cada electrodo. Anotada en la tabla N° 2 En Cátodo:
= 8.8.215± 15 ± 0.005 005 ℎ= ℎ = 7.525± 25 ± 0.005 ÁÁ Á = = ℎ ℎ Á = = 8.21515 7.7.52525 Á =61.818 = 8.8.155± 55 ± 0.005 005 ℎ= ℎ = 7.495± 95 ± 0.005 ÁÁ Á = = ℎ ℎ Á = = 8.15555 7.7.49595 Á =61.122
En Ánodo:
5.2.Con 5.2. Con los datos de la Tabla N° 1, encuentre la diferencia de masas del ánodo y del cátodo y anotar en la Tabla N° 2
= á áá = 97.=0.7997. 2 8 8 511 = á áá= 83.=0.7984. 2 411 ° á ∆=0.51 Á 0. 0 0618 0.41 0.00611 Á
En cátodo:
En ánodo:
5
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL
UCSM
5.3.Calcule 5.3. Calcule la incertidumbre de masa EN CÁTODO: Masas:
Incertidumbre de masas:
=97. = 97.2789 ±0.±0.001111
∆∆ == 0.010. 011 ∆ =0.022
Diferencia de masas con incertidumbre
EN ÁNODO:
∆= ∆= ∆ = 97.79±0.011 97.28±0.011 ∆= ∆ = 0.51±0.022
Masas:
Incertidumbre de masas:
=84. = 83.2709 ±0.±0.001111
∆∆ == 0.010. 011 ∆ =0.022
Diferencia de masas con incertidumbre
∆= ∆= ∆ = 83.79±0.011 84.20±0.011 ∆= ∆ = 0.41±0.022
5.4.Calcule 5.4. Calcule el valor de la carga eléctrica elemental mediante la fórmula 3.1 (de masa depositada por unidad de tiempo) Datos
∆=0. 0 0051 0051 =1500 =0,0635
6
=1 á ==6,2 0.2310 á
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL
UCSM
Cálculo de carga elemental
∆ = = ∆ 1500 0. 0 635[ ] 1 1 1500 = 6.02310 [á ]] 2 0.00051[ ]] = 1.5504504 1010− DESPEJANDO “e”
5.5.Calcule 5.5. Calcule la incertidumbre del valor de la carga eléctrica elemental Datos
− =1. 5 50410 == =
1500 0.01 1
∆= ∆== ∆ =
0.02 0.00051 0.00002
Cálculo de incertidumbre de carga eléctrica elemental:
∆ = √ ∆ 0. 0 1 0. 0 2 0. 0 0002 − = 1.550410 √ 1500 1 0.00051 =0.068310− = (1.5504 ±0.0683 683 10−)
El valor de la carga eléctrica el emental con su incertidumbre es:
1
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL 5.6.Calcule 5.6. Calcule el espesor del cobre acumulado usando para la densidad de
=,
VI.
UCSM
el valor de
= ∆ = = 2 8 8 = 61.81897.7997. 8.92 =0.00092 0092 =0.0092
COMPARACION Y EVALUACION DE RESULTADOS 6.1.Compare 6.1. Compare el valor obtenido experimentalmente de la carga eléctrica fundamental con: Valor bibliográfico Valor teórico: Valor experimental:
− =. − − =1.602210 = 1.5504 5504 1010 %=| ó ó |100% − − 1. 6 02210 1. 5 504 50 4 10 %= 1.602210− 100% %=3.23%
6.2.¿Se 6.2. ¿Se ha cometido algún tipo de error? El error siempre va existir ya que para este experimento muchos son los factores los cuales intervienen para poder calcular el valor de la carga eléctrica elemental como la medida del tiempo con el cronometro, la medida de la masa con la balanza y la medida de la intensidad con el multímetro.
2
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL VII.
CONCLUSIONES
VIII.
UCSM
Se logró realizar el experimento con éxito empezando por las conexiones que debíamos realizar hasta el cálculo de la carga eléctrica elemental, el error calculado entre la práctica experimental y los datos teóricos arrojaron un valor bajo como es el 3%. El valor de la carga eléctrica elemental arrojo un dato positivo debido a que la masa que se ha utilizado fue la ganada gan ada que pertenecía al cátodo. En todo experimento siempre va ver errores debido a las incertidumbres que tiene cada herramienta de medición como lo son el multímetro, la balanza, el vernier, etc. El tiempo determinado para realizar el experimento no es precisamente el que se debe usar ya que la masa que gane el cátodo dependerá d ependerá de este tiempo y al momento de aplicarlo en la fórmula tendrá congruencia con el valor de la carga elemental del electrón.
CUESTIONARIO FINAL 8.1.¿Por 8.1. ¿Por qué utilizamos agua destilada o la solución de sulfato de cobre en el experimento? Porque el cobre es un ion positivo y sulfato un ion negativo, se van a disociar y pueden comportarse de una u otra manea como negativo o positivo y la corriente que usamos fluye de forma normal. 8.2.Explique 8.2. Explique ¿Qué ocurre en el cátodo?
++
Al momento de sumergir los dos electrodos de cobre en esta solución los iones de (catión) se atrajeron hacia el cátodo, es decir, el electrodo conectado al terminal negativo de la batería. Al llegar al cátodo, cada ion tomará electrones de él y se convertirá en átomos de cobre neutros.
++
8.3.Explique 8.3. Explique ¿Qué ocurre en el ánodo?
−
−
El (anión) los iones son atraídos por el ánodo, es decir, el electrodo conectado al terminal positivo de la batería. Así que los iones se moverán hacia el ánodo, donde ceden dos electrones y se convierten en radical.
Pero como el radical no puede existir en el estado neutro eléctrico, atacará el ánodo de cobre y formará sulfato de cobre.
3
CARGA ELECTRICA ELEMENTAL
UCSM
8.4.¿Cuál 8.4. ¿Cuál es el número de átomos de cobre que se depositan en el área sumergida del cátodo?
=0. 5 1 1 =63, 5 46 ú =1 =6.02310 á ú = ú = 63.0.55146 ú ú = 0.008008 ú ú ú ú= = ú 6. ú = = 0. 0 08 08 6. 0 2310 =4.81810
8.5.Encuentre 8.5. Encuentre la constante de Faraday. Compárelo con el valor bibliográfico. ¿A qué conclusión llega? Explique.
IX.
==6.1.550042310 1010− = . − 1. == 6.6.002310 1. 5 504 10 − 2310 1.1.5504 10 =93380.592 []
BIBLIOGRAFÍA
[1]"Principle of Electrolysis of Copper Sulfate Electrolyte", Electrical4u.com, 2018. [Online]. Available: https://www.electrical4u.com/principle-of-electrolysis-of-copper-sulfateelectrolyte/. [Accessed: [Accessed: 18- Apr- 2018]. [2]"Sulfato de cobre (II)", Es.wikipedia.org, 2018. [Online]. Available: https://es.wikipedia.org/wiki/Sulfa https://es.wikipedia.org/wiki/Sulfato_de_co to_de_cobre_(II). bre_(II). [Accessed: 18- Apr- 2018]. 20 18]. [3]"Carga del electrón. Artículo de la Enciclopedia.", Enciclopedia.us.es, 2018. [Online]. Available: http://enciclopedia.us.e http://enciclopedia.us.es/index.php/Ca s/index.php/Carga_del_electr%C3% rga_del_electr%C3%B3n. B3n. [Accessed: 18Apr- 2018]. [4]R. Linares Guillen, Guía de laboratorio de física electricidad y magnetismo. 2018. [5]Uv.es, 2018. [Online]. Available: https://www.uv.es/zuniga/3.2_Prop https://www.uv.es/zuniga/3.2_Propagacion_de_errores.pdf. agacion_de_errores.pdf. [Accessed: 18- Apr- 2018]. 2018] .
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