guia lab fisica ii

7/24/2019 Guia Lab Fisica II

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Ctedra de Fsica para Qumica y Topografa

GUA DE LABORATORIO PARAFIX-411L FSICA II

Elaborada por:

Lic. Ral Betancourt LpezM.Sc. Silvia Chacn Barrantes

Br. Laura Rojas RojasBr. David M. Chacn Obando

Colaboracin deWilliam Alfaro Moya

2008


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INDICE

Pagina

Presentacin. ---------------------------------------------------------------------------- 3

Mediciones elctricas. --------------------------------------------------------- 5

Estudio del Campo Electrosttico. ------------------------------------------ 11

Dependencia de la Resistencia elctrica con la longitud. ------------ 16

Ley de ohm. ---------------------------------------------------------------------- 21

Circuitos en serie. -------------------------------------------------------------- 24

Circuitos en paralelo. ---------------------------------------------------------- 28

Leyes de kirchhoff. ------------------------------------------------------------- 33

Circuito mixto. -------------------------------------------------------------------- 36

No linealidad. --------------------------------------------------------------------- 40Capacitores. ---------------------------------------------------------------------- 43

Campo magntico. -------------------------------------------------------------- 48

Osciloscopio. --------------------------------------------------------------------- 53

Circuito RC. ---------------------------------------------------------------------- 58

Circuito RL. ----------------------------------------------------------------------- 64

Circuito RLC. ------------------------------------------------------------------- 69


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Presentacin

Este laboratorio es parte del curso de Fsica II para las carreras de Topografa yde Qumica Industrial y constituye el complemento experimental que todo cursode fsica requiere

Objetivos

El laboratorio tiene como objetivos, que los alumnos al finalizar el mismo seancapaces de:

> Poner a prueba algunas de las leyes de la fsica estudiadas enel curso, conun lmite de error razonable de acuerdo a las condiciones del laboratorio.> Medir correctamente con los instrumentos de medicin elctricasutilizados enel laboratorio.> Construir e interpretar grficas as como extraer de las mismas, las relaciones

cuantitativas entre las variables estudiadas.> Aplicar correctamente el tratamiento de los errores o incertidumbres en lasmediciones realizadas durante cada experimento> Elaborar los informes de laboratorio, de acuerdo con las normas cientficas depresentacin establecidas

Instrucciones generales

> La asistencia al laboratorio es obligatoria.> El alumno que tenga ms de dos ausencias perder el curso de laboratorio. > Despus de quince minutos de comenzado el laboratorio, el profesor no

permitir el ingreso de ningn estudiante.> Durante la realizacin del experimento los alumnos no deben salir del

laboratorio sin autorizacin del profesor.> En todas las prcticas el alumno debe traer, lpiz, regla, calculadora, hojas

de papel milimtrico, logartmico y semilogartmico. De no encontrarlo en laslibreras se pueden generar en la siguiente direccin de Internethttp://incompetech.com/beta/plainGraphPaper/log/

> Cada estudiante debe traer al laboratorio un cuaderno exclusivo para el mismo, el cual debe ser de tamao carta. Dicho cuaderno ser debidamenterevisado y firmado por el profesor al finalizar cada prctica.

> El profesor chequear que el alumno se presente en cada laboratorio con el correspondiente pre-reporte en el cuaderno. De no traerlo, el profesor estautorizado para no dejarlo realizar la prctica.

> El informe de laboratorio en el cuaderno debe contener tres partesprincipales:


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1. Los objetivos y una informacin terica breve de lo que trata el experimento osea el ( pre-reporte ).2. Un resumen del mtodo experimental empleado, que incluye los datostabulados, grficas, clculos y la teora de errores aplicada.

3. Una sntesis de los resultados y su discusin, destacando las posibles fuentesde error y algunas sugerencias para mejorar la prctica si tiene.

Cronograma:

En la siguiente tabla aparece la distribucin de prcticas por semana de clase. Noincluye la semana santa u otra semana que por alguna razn se interrumpa ladocencia

Semana Experimento1 Introduccin2 Mediciones elctricas

3 Campo Electrosttico

4 Resistencia elctrica5 Ley de Ohm

6 Circuito en serie

7 Circuito en paralelo

8 Leyes de Kirchhoff9 Circuito mixto10 No linealidad11 Capacitores12 Campo magntico13 Osciloscopio

14 Circuito RC15 Circuito RL

16 Circuito RLC ,17 Examen

Tabla 1 Distribucin de prcticas por semana

Evaluacin

El laboratorio como parte del curso de teora, tiene un 20 por ciento del valor dede la nota final, los cuales estn distribuidos de la siguiente forma :

+ Examen corto a la entrada 5 %+ Cuaderno de laboratorio 5 %+ Trabajo en el laboratorio 5 %+ Examen final de laboratorio 5 %


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Prctica 1: Mediciones elctricas

Objetivos

Identificar las funciones principales que puede realizar un multmetro.Aprender a operar un multmetro, una fuente de poder y un generador de seales,tomando en cuenta las medidas de precaucin necesarias.

Equipos:

* Multmetros* Fuentes de poder* Resistencias* Generador de seales* Cables de conexin* Capacitares* Monedas

Base terica

En la figura ( 1 ) se muestra uno de los tipos de multmetros mas usados en ellaboratorio para medir magnitudes elctricas .Este multmetro digital puede medirde forma directa en la pantalla , con alto grado de precisin y estabilidad , unamplio rango de valores, de parmetros elctricos como , voltaje ,corriente ,resistencia, capacitancia ,frecuencia , continuidad etc. En la figuras ( 2 ) y ( 3 )respectivamente , se muestran adems uno de los tipos de fuente de poder y degenerador de seales , que tambin utilizaremos en el laboratorio . Las partesprincipales de estos dispositivos aparecen indicadas y su funcin sernexplicadas durante la clase con ayuda de su profesor

Multmetro

Figura 1

1) Conexin cable rojo para medidas del orden de 10amperios

2) Conexin para cable negro (COM)3) Conexin para cable rojo4) Rango5) Hold (fija un valor instantneo)6) Mnimo y Mximo ( fija el valor mnimo o

mximo de la medicin)7) Selector de Corriente Directa y Corriente Alterna8) Selector de Funcin


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Fuente de Poder

Figura 2

1) Voltmetro2) Entrada a Corriente Alterna3) Selector de Funcin4) Selector de Voltaje5) Entrada a Corriente Directa6) Ampermetro

Generador de Seales

Figura 3

1) Selector Rango de Frecuencia2) Terminal de Salida3) Selector de Onda4) Para ajustar la seal de frecuencia5) Pantalla frecuencia de salida6) TTL/CM0S output

Para trabajar con estos equipos elctricos es preciso tener presente algunasmedidas de precaucin y seguridadcomo:

Noconectar ningn equipo a la red sin que el profesor lo haya autorizado.

No se deben medir voltajes y corrientes ms elevados que los que soportael multmetro.

Dependiendo de la magnitud por medir, debe seleccionar la funcincorrecta en el multmetro y siempre comience en la escala superior.

La medida de la intensidad de corriente siempre se realiza colocando elmultmetro en serie y para la medida del voltaje se conecta en paralelo.

No mover los contactos del multmetro mientras se realiza una medicin.

Al medir una resistencia, no debe estar conectada al circuito.


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Cuando se mide capacitancia es importante descargar el capacitor antes deusarlo y si se trata de capacitor electroltico tendremos que respetar lapolaridad.

El circuito por comprobar continuidad debe estar sin tensin

Trabajo previo:

Investigue como se lee el valor de una resistencia a partir del cdigo decolores as como Qu es una conexin en serie y una en paralelo?

Procedimiento

1. Descripcin del multmetro

Identifique cada uno de los controles, enchufes e indicadores del multmetro, lafuente de poder y el generador de seales que estn en su puesto de trabajo;

guese por los esquemas de las figuras 1,2 y 3 .Anote que funcin realiza cadauno.

2. Medir voltaje en corriente continua CC (CD)

2.1. Coloque las puntas de prueba al Multmetro (rojo en + y negro en - COM).

2.2. Coloque el selector en la funcin de voltaje en CC (o bien CD) y en el rangoadecuado. Si desconoce el voltaje que va a medir utilice el rango ms alto.

2.3. Las medidas de voltaje en CC se obtienen conectando las puntas de pruebaen paralelocon el circuito (o componente a ser chequeado). Conecte estas a lafuente de corriente directa que su profesor le indique, realice la medida de diezvalores de voltaje diferentes seleccionados en la fuente, anote sus resultados en laTabla 2.


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Tabla 2: Medicin del voltaje en corriente directa.

Valor de voltaje indicadopor la fuente

V f

( V )

Valor de voltaje indicadopor el multmetro

V m ( V )

% de error

% e = 100f m

f

V V

V

3. Medir voltaje en corriente alterna CA

3.1. Conecte las puntas de prueba al multmetro (rojo en + y negro en - COM).

3.2. Coloque el selector en la funcin en voltaje en el rango adecuado del voltajepor medir. Recuerde verificar que el multmetro este en funcin de voltaje CA ()que debe aparecer en la pantalla indicando que se va a realizar medidas encorriente alterna (AC)

3.3 Como en los voltajes en CC, las mediciones de voltajes en CA se obtienenconectando las puntas de prueba en paralelo sin importar la polaridad, con el

circuito o componente a ser chequeado. Anote 2 valores medidos en la tabla 3

3.4. Introduzca las puntas a los toma corrientes que se encuentras al lado de sumesa de trabajo. Anotes sus resultados en la Tabla 3 ( * Puede ser que no haya220 V )

Tabla 3: Voltaje en corriente alterna

Valor tericoV T ( V )

Valor experimentalVe (V ) % de error

110

220*


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4. Medir una resistencia:

4.1. Conecte las puntas de prueba al multmetro.

4.2. Coloque el selector en la funcin de resistencia

, si no tiene idea que valortiene la resistencia por medir, use el rango ms alto.

4.3 Tome las puntas del multmetro y coloque cada punta en un extremo de laresistencia. Anote sus resultados en la Tabla 4.

4.4 Tome las puntas del multmetro entre sus dedos y mida el valor de suresistencia. Anote sus resultados en la Tabla 4.

4,5. Repita el punto anterior pero moje levemente sus dedos. Anote sus resultadosen la Tabla 4.

Tabla 4: Medida de la resistencia.

Valor nominal de la resistenciasegn el cdigo de colores

R( )

Valor de la resistenciaen el multmetro

R( )% de error

Tipo cementada

Tipo bobinaCuerpo humano (dedos secos)

Cuerpo humano (dedos mojados)

5. Comprobacin de continuidad audible:

5.1. Ponga el selector en la posicin o))

5.2. Conecte las puntas de prueba negra al terminal de entrada "COM" y la punta

de prueba roja al terminal de entrada / V

5.3. Coloque las puntas de prueba en los extremos de una moneda, como en estecaso la resistencia es menor de 150 , el zumbador sonara.

5.4. Repitan el punto anterior para cinco diferentes materiales, tanto metales comono metales. Anote sus observaciones.


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6. Medida de frecuencia:

6.1. Coloque las puntas de prueba al Multmetro (rojo en + y negro en - COM).

6.2. Coloque el selector en la funcin de frecuencia (Hz).

6.3. Ponga en funcionamiento el generador de seales, conecte a este el cableque tiene a un lado la terminal BNC y en la otra los lagartos. Seleccione variasfrecuencias y mdalas con el multmetro. Anote sus resultados en la tabla 7.

NO MIDA CON EL MULTMETRO FRECUENCIAS SUPERIORES A LOS200 KHZ, YA QUE PUEDE DAARLO.

Tabla 6: Medicin de la frecuencia.

Valor de frecuencia enel generador de seales

fG

( HZ )

Valor de frecuencia enel multmetro

fM

( HZ )

% de error


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Prctica 2: Campo Electrosttico

Objetivos:

Obtener experimentalmente las lneas equipotenciales de unaconfiguracin dada de los electrodos.

Representar grficamente la variacin de (x ) y V(X) con respecto a ladistancia

Materiales a utilizar:

* Cubeta de Pirex con agua.

* Electrodos, placas metlicas y cilindros de cobre.

* VOM (multmetro o tster).

* Fuente de poder.

* Cables de conexin.

* Papel milimtrico.

Introduccin terica:

La diferencia de potencial elctrico entre dos puntos B y A de un campoelctrico E creado por una carga puntual Q es:

1 1( )AB B A

B A

V V V kQr r

(2.1)

donde rAy rBson las distancias desde la carga al punto .Si el punto A setoma en el infinito ( Ar ) entonces el potencial en el punto B es:

BB

QV k

r

(2.2)

De aqu que elpotencial elctrico de todos los puntos situados a igual radio,estarn a igual potencial y a esta superficie generada por estos infinitospuntos se le conoce como superficies equipotenciales.


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La diferencia de potencial elctrico entre dos puntos B y A separados unadistancia d, en el campo elctrico E uniforme creado entre dos placascargadas es

. cosB AV V E d (2.3)

de modo que si el ngulo

es de 90

0

entonces la diferencia depotencial V B - V A = 0 . De aqu que las superficies equipotenciales serepresentan por lneas perpendiculares a las lneas del campo elctricocomo se muestra en la figura 1.

Figura 1. Lneas de campos y equipotenciales para una carga puntual y placas paralelas

Si el campo elctrico solo tiene componente en una direccin por ejemplo alo largo del eje x y la separacin entre los puntos es pequea en relacincon el valor del campo, puede calcularse como

B Ax

B A

V VE

X X

(2.4)

As, definiendo !a relacin V/x en varios puntos del grfico V(x), o sea,trazando las tangentes en varios puntos, se pueden averiguar los valoresdel campo elctrico y construir con base en ellos, el grfico que representala variacin del mismo. En e! caso derecho de ,la figura 2 estrepresentado el grfico de la funcin E(x) construido con base en el grficode la funcin V(x) representado la porcin izquierda de !a misma figura.


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Figura 2. Variacin del potencial y el campo elctrico con respecto a la distancia.

Procedimiento:

Figura 3. Montaje para lneas equipotenciales

Mtodo de Voltmetro: Coloque debajo de la cubeta de Pirex una hoja de papelmilimtrico, en la cual Anteriormente fue trazado un sistema de coordenadascartesianas. Vierta un poco de agua en la cubeta. Coloque los electrodossumergidos en el electrolito dbil y separados entre s por unos 12 o 14 cm.Conecte los electrodos a la fuente de poder. Aydese con la figura 3.

Establezca entre ambos electrodos una diferencia de potencial de 12 o 14voltios. Mantenga fija una de las conexiones del voltmetro a uno de loselectrodos. Busque con la otra punta del voltmetro (cable explorador) lospuntos A, B, C... donde el potencial toma los valores Vi, Vii,, Va hastallegar al otro electrodo. Tomando en cuenta los datos obtenidos dibuje laslneas equipotenciales y a partir de ellas, las lneas del campo.

A lo largo de la lnea que une los electrodos, mida la variacin de! potencialV con la distancia x, tomando como origen al electrodo de menor potencia!


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Construya un grfico del potencial V vs x. Obtenga el campo elctrico sobreesta lnea a partir del grfico anterior.

Tabla 1. Voltaje y campo elctrico en relacin con la distanciaDistancia en metros Voltaje con agua y

sal (electrolito)Campo Elctricocalculado

'


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Cuestionario:

1. El campo electrosttico obtenido a partir de las lneas equipotencialeses o no es uniforme? Justifique su respuesta.

2. Qu unidades tiene el campo elctrico, cul es su magnitud y cul es sudireccin?

3. Porqu las lneas de campo son perpendiculares a tas equipotenciales?

4. Qu indica fsicamente la intensidad del campo elctrico en cada punto?

5. Cul es el significado fsico de! potencial V en cada punto?

6. Cul es la principal diferencia entre potencial elctrico y campoelctrico?

7. Demuestre que las unidades de Intensidad de! campo elctrico

(Voltios/metro) son equivalentes a(Newton/Coulomb).8. Construya las graficas de voltaje y campo electrico contra distancia con losdatos de la tabla 1

9. Qu indica la pendiente de la tangente a la curva en el grfico V(x)?

10. Por qu es necesario utilizar un electrolito dbil y no uno fuerte comosolucin?

11. En qu parte del grfico V(x), e! campo elctrico es uniforme?


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Prctica 3. Resistencia elctrica

Objetivos

1. Estudiar la dependencia de la resistencia con la longitud

2. Estudiar el funcionamiento de un puente Wheastone y su importancia enel clculo de la resistencia

Equipos

* Multmetro

* Dos resistencias

* Plantilla de plexigls para conectar resistencias

* Fuente de poder

* Dos cables de doble punta y dos cables de banana

* Puente de Wheastone

Teora

Entre las colisiones con los iones de la red, los electrones en un material

conductor son acelerados por el campo elctrico E y por lo mismo, suvelocidad de deriva (vd) es proporcional a E. La densidad de corriente Jtambin es proporcional vd; es razonable que J deba ser proporcional a E.La constante de proporcionalidad entre la densidad de corriente y el campoelctrico es la co nd uc tiv id ad elctr icadel material:

EJ

(3.1)

La relacin anterior se cumple solamente en materiales isotropitos (dondelas propiedades elctricas son las mismas en todas direcciones)

Un valor grande de indica que el material es un buen conductor decorriente elctrica. La conductividad es una propiedad de todo el material.


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La unidad de conductividad en el SI es el siemens por metro [S/m], donde

[siemens=Volt

Ampere]

Es ms comn caracterizar los materiales segn su resistividad quecorresponde al inverso de la conductividad:

1 (3.2)

La unidad de la resistividad en el SI es el ohm por metro [/m], donde

[ =Volt/ Ampere]

En esta practica trabajamos con materiales hmicos los cuales tienen lacaracterstica que su resistividad no depende de la intensidad del campoelctrico, por lo tanto si graficamos el campo elctrico en funcin de ladensidad de corriente se obtiene una lnea recta cuya pendiente es laresistividad.

Entonces en los materiales hmicos se cumple que la resistividad de unmaterial no depende de la magnitud ni de la direccin del campo elctricoaplicado.

Si deseamos conocer la resistencia de un cierto material hmico, estadefinida por la ecuacin:

ALR (3.3)

Donde L corresponde a la longitud del conductor, A al rea transversal delconductor y a la resistividad del materia.

Para estudiar la dependencia de la resistencia con la longitud se utiliza elpuente Wheastone. Es el circuito ms sensitivo que existe para medir unaresistencia.


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Figura 1. Puente Wheastone

El circuito es el siguiente:

Figura 2. Circuito que representa el puente de Wheastone

Las resistencias R1y R2 (del mismo orden de magnitud), corresponden a larepresentacin del puente de Wheastone cuando el puente se encuentra enequilibrio:

R3y Rx son dos resistncias de valor conocido pero que en este caso, elvalor de una de ellas se quiere corroborar y viene dada por la expresin (3.4)

13

2

x

LR R

L

(3.4)


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Donde L2 y L1 corresponden a las distancias entre el punto donde elpotencial es cero y las terminales del puente.

Procedimiento

1- Mida con el Multmetro las resistencias que se encuentran en la plantillade plexigls. Anote los resultados

2- Construya el circuito mostrado en la Figura 2, colocando primero dosresistencias con valores cercanos a 1K en las posiciones de R1 y Rx, noencienda la fuente de voltaje hasta que el profesor revise el circuito.

3- Suministre un voltaje de 5V

4- Desplace la terminal libre del Multmetro a lo largo del puente paraencontrar como vara el voltaje. Realice la cantidad de puntos que seanecesario, cuando vea que el voltaje est cerca de cero realice las medidasen intervalos de distancias menores, hasta encontrar el punto donde el

voltaje sea cero . Anote los resultados en la Tabla 1.

5- Repita el procedimiento para una resistencia desconocida y unaconocida. Anote los resultados en la Tabla 2.

Tabla 1. Variacin del Voltaje con la longitud para dos resistencias conocidas

R3=________ Rx=________Distancia(cm)Voltaje

(V)

Tabla 2. Variacin del Voltaje en funcin de la longitud para una resistenciaconocida

R3=________Distancia(cm)Voltaje(V)


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Anlisis

Utilice la ecuacin (3.4) y corrobore los valores de las resistencias Rx

Realice un grfico de Voltaje en funcin de la longitud para los dos casos

Explique el comportamiento del voltaje al desplazarse por el puente

Wheastone.

Pregunta adicional

1- Explique como se puede utilizar este sistema como censor para medir latemperatura de un lquido.


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Prctica 4. Ley de Ohm.

Objetivo:

Comprobar experimentalmente la relacin que existe entre la diferencia depotencial aplicada a un resistor y la corriente que circula por l, sin laInfluencia de la temperatura.

Equipos:

* Fuente de poder

* Tablero de conexiones

* Multmetro

* Cables

* Resistencias

Marco Terico:

Ley de Ohm

La intensidad de la corriente Ique circula por un conductor es directamente

proporcional a la diferencia del potencial V entre sus extremos: La constantede proporcionalidad que se obtiene se denomina resistencia (R), y seexpresa en ohm ( )

VR

I

(4.1)

Volt

Amperio

Potencia

La rapidez de transferencia de energa es igual al producto de la diferenciade potencial por la corriente. Un resistor siempre extrae energa elctrica deun circuito.

IVP

(4.2)


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Procedimiento:

1. Arme el circuito con ayuda del esquema de la figura 1, sobre el tablerode instalaciones. Utilice una fuente de corriente directa que permita variar elvalor del voltaje que vamos a aplicar. Utilice resistencias de una magnitud

estre 100 y 1000.

Figura 1

2. Haga variar el voltaje de 1 a 10 voltios para cada resistencia porseparado y en cada caso mida la corriente que pasa por ella .Anote losresultados en las tablas 1, 2 y 3 correspondientes .Los valores de lasresistencias R1, R2y R3 deben medirse por el cdigo de los colores queellas tienen y con el multmetro. Anote los valores en la tabla 4

Tabla 1. Evaluacin de la ley de Ohm para la resistencia R1 =_______

Voltaje(V) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corriente(mA)


Voltaje(V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corriente(mA)


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Voltaje(V)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Corriente(mA)

3. En un mismo papel milimtrico, construya las tres grficas del voltaje enfuncin de la corriente y calcule la pendiente de cada una de las rectas.

4. En la tabla 4 escriba el valor de las pendientes obtenidas y compareestos valores con el medido con el multmetro y con el valor indicado en lapropia resistencia, denominado valor terico RT

Tabla 4. Comparacin de las resistencias obtenidas

Resistencia cdigode colores

RT()

ResistenciaMultmetro

RMult()

ResistenciaExperimental

Rexp()

%errorRMult

%errorRexp

Cuestionario

1- Escriba para cada recta la ecuacin correspondiente y calcule elcoeficiente de correlacin de la misma

2- Calcule la potencia con que cada resistencia disipa energa cuando ladiferencia de potencial entre sus extremos es de 8, 9 y 10 voltios.

Compare este valor con el valor mximo de potencia que puededisipar cada resistencia.

3- A que valor de voltaje y corriente se alcanza el valor mximo de lapotencia?

4- Qu sucede a partir de ese valor de corriente?


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Prctica 5: Circuito en serie

Objetivo:

Poner a prueba el algoritmo mediante el cual se obtiene la resistenciaequivalente de dos o ms resistores en serie.

Equipos:

* Fuente de corriente directa

* Multmetro digital

* Tres resistencias de diferentes valores

* Tablero

* Puentes

Teora:

Recuerde que la Ley de Ohm dice que la relacin entre la corriente que segenera en un circuito cuando se le aplica una cierta diferencia de potencial,depende nicamente de la resistencia del circuito:

RIV (5.1)

En un circuito en el que hay presentes varias resistencias en serie, ladiferencia de potencial suministrada por la fuente, es igual a la suma de lasdiferencias de potencial a travs de cada resistencia:

j

Rjfuente VV (5.2)

y de acuerdo con la Ley de Ohm:

jRj RIV

entonces

j j

jRjfuente RIVV


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y como la corriente es la misma a travs de todo el circuito

j

jfuente

j

j

j

Rjfuente

RIV

RIVV

lo que significa que tener un circuito con varias resistencias conectadas enserie, equivale a tener un circuito con una nica resistencia equivalente,cuyo valor viene dado por:

j

jeq RR (5.3)

Procedimiento:

1) En la figura 1a y 1b se presentan los diagramas esquemticos para laconexin de 2 y 3 resistencias en serie respectivamente.

Figura 1: Circuito con dos (a) y tres (b) resistencias en serie

Recuerde que un voltmetro es un instrumento utilizado para determinar ladiferencia de potencial entre dos puntos, y que un ampermetro es elinstrumento para determinar la corriente elctrica que existe en unadeterminada rama de un circuito.

2) Una vez armado el circuito con dos resistencias (las de menor valor),haga variar el voltaje de la fuente de 1 en 1 hasta 10 voltios, mida lacorriente del circuito y el voltaje en las resistencias R1y R2, as como entre

A y B, complete la tabla 1.


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Tabla 1: Valores de la corriente y voltaje en un circuito en serie de dosresistencias

R1=________ R2=________

Vfuente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VAB

VR1

VR2

I

3) Grafique VABen funcin de I para los valores de la tabla 1

4) Arme el circuito (1b) agregando la tercera resistenciaR3. Proceda al igualque en actividad (2) y complete la tabla 2

Tabla 2: Valores del corriente y voltaje en un circuito en serie de tresresistencias

R1=________ R2=________ R3=________

Vfuente 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

VAB

VR1

VR2

VR3

I

5) Grafique VABen funcin de I para los valores de la tabla 2


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Cuestionario.

1- Obtenga las resistencias equivalentes de cada circuito a partir de lasgrficas.

2- Calcule el porcentaje de error de las resistencias equivalentes usandocomo referencia el valor calculado a partir de la ecuacin (5.3) y discuta losresultados obtenidos por ambos procedimientos.


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Prctica 6: Circuito en paralelo

Objetivo:

Poner a prueba el algoritmo para obtener la resistencia equivalente de un

conjunto de resistores en paralelo.

Equipo:

* Fuente variable de corriente directa

* Tres resistencias de diferentes valores

* Multmetro digital

* Tablero

* Puentes

Teora:

Recuerde que la Ley de Ohm dice que la relacin entre la corriente que segenera en un circuito cuando se le aplica una cierta diferencia de potencial,

depende nicamente de la resistencia del circuito:RIV (6.1)

En un circuito en el que hay presentes varias resistencias en paralelo, porconservacin de la carga, la corriente total debe ser igual a la suma de lascorrientes que pasan a travs de cada resistencia:

j

jT II (6.2)

y de acuerdo a la Ley de Ohm:

jjRj RIV

entonces

j j j

Rj

jTR

VII .


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La diferencia de potencial a travs de cada resistencia, es igual a ladiferencia de potencial suministrada por la fuente:

fuenteRj VV

por lo tanto

eq

fuente

j j

fuenteT

j j

fuente

j j

Rj

j

jT

R

1V

R

1VI

R

V

R

VII

lo que significa que tener un circuito con varias resistencias conectadas enparalelo, equivale a tener un circuito con una nica resistencia equivalente,

cuyo valor viene dado por:

j jeq R

1

R

1 (6.3)

Procedimiento:

1) En las figuras 1a y 1b, se presentan los diagramas esquemticos para laconexin de 2 y 3 resistencias en paralelo respectivamente.

Figura 1: Circuito en paralelo de (a) dos y (b) tres resistencias en paralelo


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2) Una vez armado el circuito de dos resistencias en paralelo (las de menorvalor), haga variar el voltaje de la fuente de 1 en 1 hasta 10 voltios.

3) Para cada voltaje seleccionado en la fuente, mida la diferencia depotencial entre los extremos de cada resistencia, mida tambin la corriente

que atraviesa a cada una de las resistencias (I1e I2), as como la corrientetotal (IT) y el voltaje VAB.

4) Cercirese de que IT= I1+ I2

5) Complete la tabla 1

Tabla 1: Valores de corriente y voltaje en un circuito en paralelo de dosresistencias.

R1=________ R2=________

Vfuente VR1 I1 VR2 I2 VAB


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6) Grafique VABen funcin de IT.

7) Coloque ahora la tercera resistencia en paralelo con R1y R2, de acuerdoa la figura 1 b.

8) Proceda igual que en 2, 3, y 4. Complete la tabla 2. Grafique de acuerdoal punto 6. ( VABen funcin de ITpara los valores de la tabla 2 )

Tabla 2: Valores del corriente y voltaje en un circuito en paralelo de tresresistencias

R1=________ R2=________ R3=________

Vfuente VR1 I1 VR2 I2 VR3 I3 IT


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Cuestionario.

1- Obtenga las resistencias equivalentes de cada circuito a partir de lasgrficas realizadas.

2- Calcule el porcentaje de error de las resistencias equivalentes usandocomo referencia el valor calculado a partir de la ecuacin (6.3) y discuta losresultados obtenidos por ambos procedimientos.

3- Suponga que las mismas dos resistencias se utilizan para formar primero uncircuito en serie y luego otro en paralelo. Suponga que a esos circuitos se lesaplica la misma diferencia de potencial por medio de una fuente. Cul de los doscircuitos tendr la mayor corriente total? Explique


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Prctica 7: Leyes de Kirchhoff

Objetivos

Poner a prueba experimentalmente, las leyes de Kirchhoff para las corrientesen un nodo y los voltajes en una malla

Materiales

* Resistencias de 100 , 200 y 300

* Fuentes de poner

* Tableros de conexiones

* Multmetro

* Cables de conexin

Teora

Las leyesde Kirchhoff se utilizan para la resolucin de un circuito en la formaque se expone a continuacin. Utilizaremos como ejemplo de aplicacin elcircuito de la figura 1

Figura 1. Circuito elctrico

La ley de nodos proviene de la conservacin de la carga y dice,esencialmente, que la suma de las corrientes que llegan a un nodo (punto

donde concurren tres o ms corrientes) es cero

0K

I (7.1)

es decir, que el total de corriente que entra, es igual al total de la comenteque sale del nodo. Esta ley ha de aplicarse a tantos nodos existan ennuestro circuito, menos uno y para aplicarse debe asignarse un sentido de la


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corriente en cada rama del circuito y adoptar un convenio de signos para lascorrientes que entran al nodo y las corrientes que salen del nodo.

La ley de mallas proviene de la ley de conservacin de la energa yestablece que la suma de las diferencias de potencial a lo largo de una malla

(trayectoria cerrada) debe ser igual a cero

0KV (7.2)

Para su aplicacin es preciso previamente asignar un sentido de recorrido alas mallas y dar algn convenio de signos.

Una f.e.m se tomar como positiva si en nuestro recorrido salimos por el polopositivo. Una cada de potencial se tomar como negativa si en nuestrorecorrido vamos a favor de la corriente cuando pasamos por el elemento(resistencia). En nuestro circuito las cadas de potencial son todas enresistencias hmicas; si es I la intensidad que atraviesa a una resistencia R,la cada de potencial es I R.

Procedimiento

1. Disee un circuito semejante al de la figura 1 utilizando las fuentes yresistencias que tenga en su puesto de trabajo y determine las corrientes yel voltaje en cada resistencia de forma terica aplicando las reglas deKirchhoff. Los valores de R1, R 2 y R 3 puede medirlos por el cdigo decolores y los valores del voltaje de la fuente escogidos no deben ser muy

grande (entre O V y 10 V). Anote los valores tericos en la tabla 12. Arme el circuito semejante al de la figura 1 (diseado) y mida los voltajes ylas corrientes en cada resistencia. Anote los resultados experimentales en latabla 1Tabla 1. Valores tericos y experimentalmente

ELEMENTO RESISTENCIACORRIENTE VOLTAJE

TEORICA

EXP

%

ERROR

TERICA

A

EXP

A%

ERRORTERICA

V

EXP

VV

%ERROR

R1

R2

R3

E1

E 2


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Resultados:

1. Determine la relacin entre las corrientes medidas que entran a un nodo y las

que salen de l.Compruebe si la suma es cero.2. Sume los valores de los voltajes medidos en R1y R3con el de la fuente 1y compruebe si da cero. Recuerde el convenio de signos.

3. Sume los valores de los voltajes medidos en R2y R3con el de la fuente E2ycompruebe si da cero.

4. Determine la diferencia de potencial entre los puntos a y b, c y d, f y e. Qurelacin hay entre ellos?

5. Discuta los resultados obtenidos de forma terica y de forma experimental ascomo las posibles fuentes de errores


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Prctica 8: Circuito elctrico mixto

Objetivo:

.Aplicar los conocimientos y habilidades adquiridas en las prcticasanteriores.

.Comparar los resultados tericos obtenidos con los experimentales.

Equipo:

- Plantilla de plexiglas

- Resistencias de varios valores

- Multmetros

- Fuentes de corriente directa variable

- Cables de conexin

Trabajo Previo

Coloque valores a las resistencias del circuito que se muestra msadelante y redzcalo mediante la solucin de circuitos en paralelos ycircuitos en serie.

Procedimiento:

1) Para el siguiente circuito elija usted los valores de cada una de las

resistencias, as como el valor de la fuente (entre O V y 10 V) de acuerdo

con lo disponible en el laboratorio, (escoja todas sus resistencias contercera banda igual y que no sean de un valor muy alto).


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2) A partir de los valores elegidos determine la corriente y la diferencia depotencial a travs de cada una de las resistencias, por medio de losmtodos tericos aprendidos en el curso. Anote sus resultados en la tabla 1.

3) Reproduzca en su tablero de pruebas el circuito 1 y complete la tabla 1.

4) Determine experimentalmente y tericamente la resistencia equivalente

del circuito.

5) Para el siguiente circuito (Figura 2 )elija usted los valores de cada una de

las resistencias, as como el valor de las fuentes (entre 0 y 10 V) deacuerdo a lo disponible en el laboratorio, (escoja todas sus resistencias contercera banda igual y que no sean de un valor muy alto).

Figura 2: Circuito mixto con dos fuentes


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6) A partir de los valores elegidos determine la corriente y la diferencia depotencial a travs de cada una de las resistencias, por medio de losmtodos tericos aprendidos en el curso. Anote sus resultados en la tabla 2.

7) Reproduzca en su tablero de pruebas el circuito de la figura 2 y complete

la tabla 2.

Tabla 1: Circuito mixto resistivo ( E= ---------V )

ELEMENTO

RESISTENCtA* CORRIENTE VOLTAJE

TERICA

EXP

%

ERROR

TERICA

AEXP

A

%

ERROR

TERICA

V

EXP

V

%

ERROR

R1R2

R3

R4

R5

R6

R7

R8

R9

El valor terico es el indicado por el cdigo de colores, y elexperimental el indicado por el multimetro.

Tabla 2: Circuito mixto con dos fuentes

ELEMENTO RESISTENCIACORRIENTE VOLTAJE

TEORICA

EXP

%

ERROR

TERICA

A

EXP

A%

ERRORTERICA

V

EXP

VV

%ERROR

R1

R2

R3

R4

1 - - -

2 - - -


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Resultados

1-. De acuerdo a la figura 1 y a los resultados de la tabla 1. Determine lasuma de la corriente en R2, R3y R4, igual a que valor es esta?

2-. Por qu la corriente en R1y R5son iguales. Qu sucede con la sumade la corriente en R6y R7?

3-. Sume el voltaje de V1V2, V5y V7, a que valor es igual esta suma?.

4-. Por qu V2, V3y V4son iguales?.

5-. Si suma V6y V8, a que otro valor se asemeja este. Por qu ocurre loanterior?

6-. De acuerdo a la figura 2 y a los resultados de la tabla 2. Determine el

valor del voltaje entre los puntos a y b; c y d; e y f. Qu relacin hay entreellos? Por qu se da esta relacin?

7-. Determine el valor del voltaje entre los puntos c y a; b y f; e y a. Qurelacin hay entre ellos? Por qu se da esta relacin?

8-. Anote sus conclusiones.

NOTA: Si No trae la solucin terica no se le permitir realizar laprctica. Recuerde que debe asegurarse de que en el laboratorio tengadisponible los elementos elegidos.


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Prctica 9. No linealidad

Objetivo:

Poner a prueba la relacin entre la diferencia de potencial aplicada a una

resistencia y la corriente que circula por ella, cuando el valor de laresistencia cambia con la corriente.

Teora:

En los laboratorios anteriores se trabaj con elementos resistivos quecumplen con la ley de Ohm y por eso son conocidos como elementoslineales, es decir, elementos en los cuales la corriente y el voltaje aumentanlinealmente. Sin embargo, la linealidad se cumple dentro de un ciertombito de temperatura.

Se dice que un elemento es no lineal si no cumple la ley de Ohm. Parasaber si un elemento es o no es lineal, es conveniente estudiar su curvacaracterstica de voltaje en funcin de corriente. En la prctica de hoyestudiaremos la curva caracterstica para un filamento de tungsteno.

Equipo:

- Generador de corriente alterna

- Resistencia variable R

- Multmetro digital- Bombillo de filamento de tungsteno B

- Tablero

- Puente BC

Precauciones:

- El bombillo va a ponerse caliente

- La conexin del voltmetro debe ser entre los puntos que se indican

- Recuerde quitar el puente a la hora de utilizar el multmetro comoampermetro

- Recuerde desconectar el multmetro antes de cambiarle la funcin

- Recuerde apagar la fuente antes de quitar el puente


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Procedimiento:

1) Arme el circuito de la figura 1.

Figura 1: Circuito no lineal

2) Ajuste el valor de la resistencia variable a aproximadamente 5 .

3) Observe que el bombillo y la resistencia variable estn conectados enserie, la corriente en ambos elementos es la misma.

4) Coloque un extremo del multmetro fijo en B y con el otro extremo al tocarA, determinar el voltaje en R, y al tocar D medir el voltaje en el bombillo.

5) Ajuste el voltaje de la fuente hasta que VBD(voltaje en el bombillo) seaaproximadamente 1V. Mida VAB, VBDy quite el puente entre B y C paramedir la corriente entre esos puntos.

6) Vare el voltaje de la fuente para medir al menos 10 datos entre 1 y 10voltios, 9 de 10 a 50 voltios y 6 de 50 a 100 voltios. Recuerde que el voltajeque toma como referencia es el del bombillo.


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Tabla 1: Circuito no lineal

Voltaje en la fuente

De 1 a 10 voltios De 10 a 50 voltios De 50 a 100 voltios

VAB

VBD

IBC

7) Grafique el voltaje en funcin de la corriente para la resistencia. (Grfica1: VABvs IBC)

8) Grafique el voltaje en funcin de la corriente para el bombillo. (Grfica 2:VBDvs IBC)

Cuestionario:

1) Mencione el nombre de otro dispositivo no hmico que responde nolinealmente.

2) Encuentre el valor de la resistencia del restato a partir de la grfica 1.Calcule el porcentaje de error tomando como referencia el valor medido porel multmetro.

3) Comente cuidadosamente la grfica del voltaje en funcin de la corrienteobtenida para el bombillo. Grafique la lnea de mejor ajuste, justifique el tipode ajuste que utilice.


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Prctica 10: Capacitores

Objetivos:

- Construir las grficas de carga y descarga de un capacitor.

- Analizar un circuito RC en corriente directa.

Equipos:

- Dos multmetros

- Fuente de poder de corriente directa

- Resistencias de 47 K y100 K

- Capacitores de 10 F

- Cables de conexin

- Tablero de pruebas

- Puentes

Base terica:

Un capacitor o condensador es un dispositivo de circuito formado por dosconductores denominados placas o armaduras que estn separados por unmaterial aislante denominado dielctrico. El propsito del condensador esalmacenar carga elctrica, que mas tarde puede ser utilizada durante sudescarga a travs de un resistor R. El proceso de carga del capacitor sehace en un circuito como el de la figura (1), La resistencia R permite quela corriente del circuito y, por tanto, el condensador tarde ms tiempo encargarse que si se hace directamente. La grfica de la carga delcondensador a travs de la resistencia que aparece a la par de la mismafigura, permite apreciar que el aumento de la carga a medida que transcurre

el tiempo es exponencial max 1 exp( t

Q Q RC

. Una constante detiempo = RC es el tiempo en que el un condensador alcanza un 63 % dela carga total; en la segunda constante de tiempo, alcanza un 63% de lacarga restante; y as sucesivamente de modo que el condensador nuncaalcanzara su carga total; sin embargo en la prctica, suponemos que lacarga completa se alcanza una vez transcurridas cinco constantes detiempo. Algo similar acontece en el proceso de descarga. Cuando un


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condensador se descarga a travs de una resistencia, durante la primeraconstante de tiempo se descarga un 63 % de la carga total; en la segundase descargar un 63 % de la carga restante, y as sucesivamente. Segnesto, la descarga total nunca se alcanzara; sin embargo, en la prctica seconsidera un condensador totalmente descargado cuando han transcurrido

cinco constantes de tiempo.

Figura 1. Circuito de carga del capacitor

Procedimiento:

En esta prctica se tratar de trazar las grficas de voltaje y corrientecontra tiempo de carga y de descarga de un condensador en un circuitocon resistencias y deben participar tres estudiantes en cada puesto detrabajo con el fin de que uno controle el tiempo y dos controlen losmultmetros.

I PARTE: CARGA DEL CAPACITOR

1. Arme en su tablero de conexiones un circuito como el mostrado en lafigura 2 A , para ello tome dos resistencias iguales R1y R2( mayor de 20k ) que se encuentran en su mesa y un capacitor de capacitancia C.

Asegrese que el capacitor est descargado y que los interruptores s1y s2estn desconectados.

Figura 2. Proceso de carga y descarga de un capacitor.


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2. Determine la constante de tiempo = RC y anote los valores en la partesuperior de la tabla 1.

3. Conecte la fuente y ajuste el voltaje para que suministre 20 V.

4. Introduzca un voltmetro en paralelo con el capacitor C y otro voltmetroen paralelo a la resistencia R

5. Prepare un reloj o cronmetropara contar los perodos de lectura apartir de que active el interruptor S1

6. Conecte el circuito de carga ( fig 2 B ) activando el interruptor S1 ycomience a controlar el tiempo: Cada 5 segundos, leer la indicacin decada voltmetro y anotarla en las columnas correspondientes del procesode carga en la tabla 1. * La corriente de carga IC se puede obtenerindirectamente al dividir la lectura que da el voltmetro conectado en

paralelo con la resistencia entre el valor de la resistencia.

II- PARTE: DESCARGA DEL CAPACITOR

7. Conecte el voltmetro a la resistencia 2 y cambie el modo del otromultmetro a ampermetro para conectarlo en serie con la resistencia 2 y asmedir la corriente de descarga ID directamente.

8. Haga los ajustes para controlar el tiempo y registrar los voltajes y lacorriente en la tabla 2 cuando comience a descargarse el capacitor.

9. Conecte el circuito de descarga ( fig 2 C ) desconectando el interruptorS1 al tiempo que conecta el interruptor S2 y en ese mismo tiempocomience a controlar el tiempo: Cada 5 segundos, leer la indicacin decada multmetro y anotarla en las columnas correspondientes al procesode descarga en la tabla 1.

RESULTADOS

10. Construya las grficas de voltaje contra tiempo y de corriente contratiempo, tanto para el proceso de carga como para descarga del capacitor.

11. A partir de las grficas determine el voltaje y la corriente remanentescuando ha transcurrido un tiempo igual a una constante de tiempo.

12 A partir de las grficas determine el voltaje y la corriente remanentes cuandoha transcurrido un tiempo igual a cinco constante de tiempo.

13. A partir de las grficas determine el voltaje y la comente mximos para cadacircuito armado.


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Tabla 1: Carga y descarga de un condensador: C = ____F; R =.___ ; =___s.

TIEMPOt

(s)

Proceso de carga Proceso de descarga

Voltaje encapacitor

(V)

Voltaje en R1

(V)

Corriente IC

*

(mA)Voltaje en R

2

(V)

Corriente ID

(mA)

05

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

70

75

85

95

105

115

120125

135

145

155

165

175

185

200

215

230245

260

275

290

310

330


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Prctica 11: Campo magntico

Objetivos:

1. Estudiar el campo magntico generado por un imn permanente y

algunas de sus propiedades.2. Estudiar el campo magntico generado por una espira cuadrada concorriente

3. Poner a prueba algunos usos de los electroimanes.

Equipos:

* Caja de ELECTRICIDAD PHYWE (completa)

* Hojas de papel blanco, imanes rectos y en forma de herradura

*Alambre de cobre y reglas graduadas

*Brjulas, fuente de DC , cables de conexin, lagartos

* Modelo de bobina cuadrada montada en un marco de madera, con basede cartn acoplada

Marco terico

A finales del siglo XVIII y principios del XIX se investigaron simultneamente

las teoras de la electricidad y el magnetismo. En 1831, despus de queHans Oersted comenzara a describir una relacin entre la electricidad y elmagnetismo, y el francs Andr Marie Ampre seguido por el fsico francsDominique Francois profundizarn en dicho campo, el cientfico britnicoMichael Faraday descubri que el movimiento de un imn en lasproximidades de bobina induce en sta una corriente elctrica; este efectoera inverso al hallado por Oersted de que una corriente genera un campomagntico. La unificacin plena de las teoras de la electricidad y elmagnetismo se debi al fsico britnico James Clerk MaxweII, que predijo laexistencia de ondas electromagnticas e identific la luz como un fenmeno

electromagntico. Despus de que el fsico francs Pierre Emst Weisspostular la existencia de un campo magntico interno, molecular, en losmateriales como el hierro, las propiedades magnticas se estudiaron deforma cada vez ms detallada, lo que permiti que ms tarde otroscientficos predijeran muchas estructuras atmicas del momento magnticoms complejas, con diferentes propiedades magnticas.


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Figura 11.1 Campo Magntico en el centro de una bobina cuadrada

Si se construye una bobina cuadrada con un alambre y se le hace pasaruna corriente como se muestra en la figura 11.1. El campo magnticoproducido en su centro tendr una direccin perpendicular a la bobina deacuerdo a la regla de la mano derecha, y su magnitud se relaciona con ellargo Lde uno de los lados de la espira, con el numero Nde vueltas delalambre y con el valor de la corriente I que circula segn la siguienteecuacin.

L

NIxBB

71028 (11.1)

Trabajo previo

1. Investigue Qu es un imn?. Que propiedades tiene? Cmo serepresenta el campo magntico de un imn?Qu forma tienen las lneasdel campo magntico para un imn recto y otro en forma de herradura U.2. Qu es la regla de la mano derecha?

Procedimiento:

I Parte. Imanes y campo magntico.

1. Coloque sobre la mesa, un imn y cbrelo con una hoja de papel blanco,esparza las limaduras de hierro sobre el papel lo ms uniforme posible.Describa lo observado y representarlo mediante un dibujo tratando de


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visualizar la forma de las lneas del campo magntico. Si le es posiblepuede fotografiarlo.

2. Repita el ejercicio del paso anterior pero ahora con un imn en forma deherradura U. Compare los resultados con lo que ud esperaba de acuerdo al

estudio previo a la prctica

II Parte. Campo magntico creado por un conductor.

1. Emplee ahora el modelo de bobina cuadrada, construida en la base demadera que aparece en su puesto de trabajo (figura 11.2). Verifique que lafuente est apagada y en la posicin este al mnimo antes de conectar losterminales de la bobina a la salida de la fuente de corriente continua.

(Figura 11.2 )

2. Coloque la bobina de modo que el alambre de la seccin superior se encuentrealineado con la aguja de la brjula. Conecte el ampermetro en serie con la bobinay ajuste la corriente en cero. Comience a suministrar corriente (no utilice valoresmuy elevados) y complete la tabla 11.1. Para medir el ngulo utilice la escala delpapel polar que est sobre la base de cartn y para el clculo del campomagntico utilice la ecuacin ( 11.1 )


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Tabla 11.1 Campo magntico en una espira cuadrada con corriente

L=_________, N=_________

Corriente (mA) Angulo () Campo Magntico (T)

3. Repita el paso anterior pero intercambiando la polaridad de la fuente ycomplete la tabla 11.2.

Tabla 11.2 Campo magntico de la espira con polaridad invertida

L=_________, N=_________

Corriente (mA) Angulo () Campo Magntico (T)


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III Parte. Instrumentos de medicin para la corriente

a. Galvanmetro, instrumento con imn girable

1. Fije el soporte especial en el pie redondo de plstico (Figura 11.3).

2. Coloque primero la bobina de 1600 espiras, luego la escala delGalvanmetro y finalmente el sistema girable.

3. Ajuste el contrapeso excntrico hasta obtener una posicin de reposopara el marcador en el centro de la escala.

Figura 11.3

1. Conecte los terminales de la bobina con la salida de la comente continuadel transformador y rectificador y ajuste una comente pequea. Observe la

direccin y la magnitud de la desviacin del sistema girable.2. Sin variar la posicin de la perilla, intercambie ahora los polos. Luego conla misma posicin de la perilla, use la salida para la corriente alterna.

3. Describa sus observaciones. Sirve este instrumento de medicin tantopara la corriente continua como para alterna?

IV Parte. Mquinas electromagnticas

a. Gra electromagntica

1. Enrosque la varilla corta en el ncleo U y fije el mismo en forma invertidaa cierta altura sobre el nivel de la mesa (figura 11.4), empleando el materialrequerido de construccin. Calce ambos brazos con las bobinas de 400espiras respectivamente y mantngalas en esta posicin usando clavos quedeben meterse en los respectivos agujeros del ncleo.


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Figura 11.4

2. Conecte ambas bobinas en serie, para obtener un reforzamiento mutuode los dos campos magnticos. Haga primero mediante un cable corto unaconexin entre los bordes superiores de las bobinas, y conecte luego los

bordes inferiores con los de la salida de corriente continua ajustable deltransformador.

3. Ajuste una corriente intermedia y acerque el ncleo U por debajo de labarra de hierro dulce. Por supuesto que la barra ser atrada; trate luego deseparar las dos piezas mientras est conectada la corriente. Seguidamente,interrumpa la corriente sin jalar la barra.

-Trate de explicar por qu se observan ahora fuerzas magnticas tangrandes.

- Cmo interviene en este experimento el magnetismo remanente?

4. Repita el procedimiento anterior, pero con una hoja de papel entre elncleo U y la barra de modo que no haya contacto ntimo entre las dospartes de hierro dulce.

Cuestionario

1. Qu relacin existe entre la direccin de la corriente elctrica (la positiva

tradicional) y la direccin del campo magntico, indicada por la flecha de labrjula?

2.Explique como se cumple la regla de la mano derecha de acuerdo a loobservado en el laboratorio.

3. Qu le ocurre a la intensidad del campo magntico al aumentar la intensidadde la corriente?


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Prctica 12: Osciloscopio

Objetivos

Definir las partes de un osciloscopio

Comprender la utilidad, el principio de operacin y el uso correcto delosciloscopio

Explicar la medicin de diferentes variables con el osciloscopio

Materiales

* Osciloscopio

* Multmetro

* Generador de seales

* Fuente

* 3 resistencias con diferentes valores

* Plantilla plexiglas

* Puentes

* Cronmetro

Base terica

El osciloscopio es un instrumento de medicin electrnico que permite lavisualizacin grfica de seales elctricas que varan con el tiempo.

Presenta los valores de las seales elctricas en forma de coordenadas en

una pantalla, en la que normalmente el eje X (horizontal) representa tiemposy el eje Y (vertical) representa voltajes. La imagen as obtenida se denominaoscilograma. Suelen incluir otra entrada, llamada "eje Z" que controla laluminosidad del haz, permitiendo resaltar o apagar algunos segmentos de latraza.


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En un osciloscopio existen, bsicamente, dos reguladores que ajustan laseal de entrada y permiten, consecuentemente, medirla en la pantalla y deesta manera se pueden ver la forma de la seal medida.

El primero regula el eje X (horizontal) y aprecia fracciones de tiempo

(segundos, milisegundos, microsegundos, segn la resolucin del aparato).El segundo regula el eje Y (vertical) controlando el voltaje de entrada (envoltios, milivoltios, microvoltios, dependiendo de la resolucin del aparato).

Estas regulaciones determinan el valor de la escala cuadricular que divide lapantalla, permitiendo saber cunto representa cada cuadrado de esta para,en consecuencia, conocer el valor de la seal a medir, tanto en tensincomo en frecuencia.

Figura 1. Osciloscopio

Partes bsicas de un osciloscopio:

1.- Pantalla: es donde se proyecta las variables de entrada. Debajo de esta existendos perillas que regulan el brillo y la intensidad de la seal.

2.- Perilla volt/div: esta regula la escala de voltios a utilizar en el eje Y.

3.- Perilla posicin vertical: esta ajusta la posicin vertical de la seal en lapantalla.


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4.- Perilla time/div o barrido de tiempo: esta regula la escala de tiempo a utilizaren el eje X.

5.- Botn GND: este seala la posicin de la tierra en la pantalla.

6.- Botn AC-DC: determina el tipo de lectura, alternao directa, de la seal deentrada.

7.- Entrada CH1: entrada para el canal 1.8.- Botn de encendido/apagado

9.- Selector Mode (CH1/CH2/Dual/Add): selecciona cual canal (individual,ambos o la suma de ambas seales) se proyecta en la pantalla.

Procedimiento

Parte 1: Constante de tiempo

1.- Encienda el osciloscopio.

2.- Coloque la perilla de barrido de tiempo en 0.5 s.

3.- Verifique que en la pantalla del osciloscopio haya un punto recorriendo lapantalla de izquierda a derecha.

4.- Con un cronmetro mida cuanto tarda en pasa el punto de un lado aotro.

5.- Determine cuanto tiempo tarda en recorrer el punto cada divisin ocuadro.

6.- Existe alguna relacin entre el resultado obtenido en el punto anterior ylo que marca la perilla de barrido de tiempo?

7.- Repita lo anterior para otro valor de escala de tiempo.

Parte 2: Circuito

1.- Arme un circuito con 3 resistencias en serie.

2.- Conecte la fuente al circuito y suministre 10 V.

3.- Verifique con el multmetro que la fuente suministra los 10 V requeridos.

4.- Mida la diferencia de potencial en cada resistencia. Coloque los datos enla siguiente tabla:


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Dispositivo Voltaje Multmetro Voltaje Osciloscopio Factor

Fuente

Resistencia 1

Resistencia 2

Resistencia 3

5.- Verifique que la tierra, en el osciloscopio, est en cero.

6.- Conecte al osciloscopio el cable correspondiente, en el canal 1.

7.- Verifique que el osciloscopio est leyendo DC.

8.- Verifique que el selector Mode est en CH1.

9.- Colocar la perilla volt/div en 2.

10.- Conecte las terminales del cable del osciloscopio a la entrada delcircuito y mida el voltaje de salida de la fuente. Coloque el dato obtenido enla tabla anterior.

11.- Ahora proceda a medir la diferencia de potencial en cada resistencia ycoloque los valores obtenidos en la tabla anterior.

12.- Existe alguna diferencia entre las lecturas del multmetro y las delosciloscopio? Si es as, por cul factor han de multiplicarse los valores deuna columna para convertirlos en los valores de la otra columna?

Parte 3: Generador de seales o audio

1.- Conecte el generador de audio a las terminales del osciloscopio.

2.- Encienda el generador de audio y genere una frecuencia de 720 Hz,aproximadamente.

3.- Coloque la perilla de tiempo, del osciloscopio, en 0.5 ms.

4.- Mida el nmero de divisiones horizontales de pico a pico y, utilizando loaprendido en la parte 2, calcule el perodo de la onda as como sufrecuencia.


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5.- Mida el nmero de divisiones verticales de pico a pico y determine la amplitudde la onda.

6.- Con los datos obtenidos escriba la ecuacin de la onda.

Cuestionario

1- Investigue acerca de las diferentes grficas o figuras que se pueden generar enun osciloscopio utilizando 2 generadores de seales.


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Prctica 13: Circuito RC

Objetivos

Estudiar el circuito RCMedir experimentalmente la constante de tiempo de un circuito RC.

Comparar la constante de tiempo con el valor esperado de acuerdo a losvalores de la resistencia y la capacitancia utilizada.

Materiales

* Fuente de poder DC* Generador de seales

* Osciloscopio

* Resistencias ( 47 Ky 100 K)

* Capacitores de 10F

* Plantilla de plexiglas

* Puentes

* Cronometro

* Multmetro


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Teora

Las resistencias son elementos activos de un circuito que absorben energaelctrica. Los elementos pasivos son capaces de almacenar energa son loscapacitares y los inductores. Los condensadores almacenan energaelctrica en forma de carga esttica entre sus placas. La diferencia depotencial entre las placas es proporcional a la carga almacenada.

CVq 13.1

Donde C es una constante de proporcionalidad que se conoce comocapacitancia. En el SI la unidad de la capacitancia es el farad, F, (1 Farad =1coulomb /volt.).

Al construir un circuito RC como el mostrado en la Figura 13.1, la fuenteproporcionar la energa necesaria al capacitor para cargarse.

Si un capacitor Cse carga hasta que haya entre sus placas una diferenciade potencial V y luego se conecta a una resistencia R, se genera unacorriente elctrica cuyo valor depende del tiempo; a mayor capacitancia,mayor el tiempo para cargar el capacitor.

Figura 13.1 Circuito RC

Conforme fluye la corriente elctrica, la carga q del capacitor empieza adisminuir, a su vez, la diferencia de potencial entre la placas tambindisminuye lo cual provoca que la corriente elctrica tambin decrezca. Ladisminucin de la diferencia de potencial entre las placas es exponencial yse puede expresar como:

RC

t

eVtV 0)( 13.2

La rapidez de cambio del decrecimiento esta determinada por le productoRC, que se conoce con la constante de tiempo del circuito.

C

R

0


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60

RCC 13.3

Una constante de tiempo grande implica que el capacitor se descargaralentamente. Al volver a cargar el capacitor se produce tambin una corriente

dependiente del tiempo y por lo tanto la diferencia de potencial entre lasplacas llega a su valor final en una forma exponencial:

c

t

eVtV

1)( 0

13.4

Procedimiento

Carga y descarga repetitivas.

Construya el circuito de la Figura 13.2 con un capacitor de 1F y unaresistencia de 1 k.

Figura 13.2. Carga y descarga repetitivas de un capacitor

1- Coloque la seal en el generador en onda cuadrada y utilice unafrecuencia aproximada de 160Hz.2- Utilizando el multmetro module el voltaje de entrada hasta tener 4V, esto

se realiza con la perilla de amplitud del generador de seales.3- Con el uso de las perillas Volt/div y Time/div trate de obtener unaimagen clara de la seal del capacitor.4- Dibuje en la cuadrcula la imagen que se presenta en la pantalla delosciloscopio.

C

R

Osciloscopio

Ch. 1

Ch. 2

Generador

deseales


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Ch.1. Volt/div:____________Ch.2. Volt/div:____________Time/div:________________

Cuadrcula

Anlisis.

Calcule las constantes de tiempo tericas utilizadas en los circuitos. Esttiempo esta de acuerdo al medido? Obtenga el porcentaje de error. Anotesus clculos en la Tabla 13.1.

Tabla 13.1. Constante tiempo.

Tiempo Tiempo% de error

calculado(s) medido(s)

R=_______ C=______

R=_______ C=______

R=_______ C=______


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Cuestionario

1- Compare las seales de carga y descarga del capacitor obtenidas con elosciloscopio con las grficas (V vs t ) que obtuvo en la prctica 10 yexplique :

a) Qu representa la parte creciente de la curva ?

b) Qu representa la parte decreciente de la curva ?

c) Qu valores de voltaje mximo tiene aplicado el capacitor?

d)Qu valor de constante de tiempo tiene el capacitor ?


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Prctica 14: Circuito RL

Objetivos

Estudio del circuito RL

Medir experimentalmente la constante de tiempo de un circuito RL.

Comparar la constante de tiempo con el valor esperado de acuerdo a losvalores de la resistencia y la inductancia utilizada.

Materiales

* Fuente de poder DC


* Osciloscopio

* Resistencia de 2 k

* Inductor de 32mH

* Plantilla de plexigls

* Puentes

* Cronmetro

* Multmetro

Teora

Los inductores, al igual que los capacitores, son dispositivos para almacenarenerga. Los capacitores almacenan energa en el campo elctrico y losinductores almacenan energa en el campo magntico. Por lo tanto la

diferencia de potencial en un inductor es proporcional a la tasa de cambiode la corriente que pasa por l:

dt

diLVL

, (14.1)


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donde L es la constante de proporcionalidad, conocida como inductancia. Lainductancia tiene unidades de Henrios, H:

C

sV1

A

sV1H1

2

.

Figura 14.1

Al construir un circuito RL como el mostrado en la figura 1, de acuerdoa las reglas de Kirchhoff:

0dt

diLiR

0VV

0

LR0

,

la cual podemos integrar para obtener i:

Lt

0

e1Rti

con:

R

LL .

Por lo tanto la diferencia de potencial a travs del inductor es:

L

t

0L eV . (14.2)

En la figura 2 se puede observar la forma de la onda a travs del inductor.De la ecuacin (2) obtenemos que cuando t = L, VL=0,3680. Es decir, Lesel tiempo necesario para que el voltaje a travs del inductor caiga al 36,8%de su valor inicial.


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Figura 14.2

Teniendo en cuenta la situacin sealada en la figura 14.2, se puedefcilmente leer el voltaje correspondiente a la mitad del valor mximo. Sillamamos tmedal tiempo correspondiente a esta situacin, sustituimos

2

0

)(

medttLV

en la ecuacin (14.2), obtenemos

2ln

medL

t

Esta forma permite obtener la constante de tiempo de forma experimental.


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Procedimiento

Construya el circuito de la Figura 3 con un inductor de 32mH y unaresistencia de 2 k.

Figura 14.3

Coloque la seal en el generador en onda cuadrada y utilice una frecuenciaaproximada de 160 Hz.

Ch.1. Volt/div:____________

Ch.2. Volt/div:____________

Time/div:________________

Figura 14.4. Cuadrcula

L

R

Osciloscopio

Ch. 1

Ch. 2

Generador

deseales


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Utilizando el multmetro module el voltaje de entrada hasta tener 4V, esto serealiza con la perilla de amplitud del generador de seales.

Con el uso de las perillas Volt/div y Time/div trate de obtener una imagenclara de la seal del inductor.

Dibuje en la cuadrcula de la figura 4 la imagen que se presenta en lapantalla del osciloscopio.

Mida tmed, es decir, el tiempo en el cual el voltaje tiene la mitad de su valormximo y calcule Lexperimental.

Complete la tabla 1, utilice el valor de R medido con el ohmmetro. Calculeel valor terico de Ly el porcentaje de error.

Tabla 1.

R () L (H) Lterico (s) tmed Lexp (s) % error

Cuestionario.

1- Cmo influye la frecuencia del generador en la medida de la constantede tiempo?

2- En qu influye la resistencia interna del generador en las mediciones?Qu otras resistencias pueden haber presentes?


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Prctica 15: Circuito RLC en serie

Objetivo

Observar la capacidad de almacenaje de energa del capacitor y delinductor, as como la capacidad de disipacin de energa por parte de laresistencia.

Equipos

* Osciloscopio


* Inductor de 840 mH

* Caja de capacitancias

* Caja de inductancias

Introduccin

En un circuito RLC en serie ( Fig 1 ) la energa electromagntica total noes constante, sino que disminuye con el tiempo conforme se disipa comoenerga interna en el resistor .Si el valor de la resistencia es pequea, lasoscilaciones elctricas del voltaje en el capacitor varan con el tiempo deacuerdo a la ecuacin ( 1 )

( / 2 ) '

0 cos( )R L tV V e w t ( 15.1 )

donde

2

2

1

L

R

LC (15.2)

es la frecuencia angular natural de las oscilaciones amortiguadas delcircuito.


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La grfica (figura 15.1) muestra el subamortiguamiento de las oscilacionesdel voltaje en el capacitor en funcin del tiempo, cuando la resistencia delcircuito es menor que cierto valor crtico

4C

LR C (15.3)

Para valores de resistencia superiores a este valor crtico ya el circuito dejade oscilar.

Figura 15.1. Subamortiguamiento de las oscilaciones del voltaje en el capacitoral pasar el tiempo.

Procedimiento

1. Arme un circuito RLC en serie como el de la figura 15,2 (es ese orden,primero la resistencia, luego el inductor y por ltimo el capacitor).

Figura 15.2. Circuito RLC para el estudio de oscilaciones amortiguadas


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2. Subamortiguamiento.

a) Tome R = O en la caja de resistencias, en este caso real, laresistencia del circuito no ser cero sino que ser la suma de la resistenciainterna del generador ms la resistencia de la bobina.

b) Conecte el canal 1 del osciloscopio para ver el voltaje de canal entradasuministrado por el generador, y el canal 2 del osciloscopio para ver elvoltaje en el capacitor.

c) Ajuste el generador para obtener una onda cuadrada con un voltaje picode 5 V. Realice los ajustes necesarios hasta que pueda observar una ovarias seales en e! osciloscopio similar a las que se muestran en la figura15.3. Note que en las transiciones de la onda cuadrada la fuente intentacargar el capacitor rpidamente con la polaridad en un sentido cuando seencontraba cargado en el sentido opuesto. Estos cambios repentinos no son

aceptados instantneamente por el sistema, por lo que oscila en la formavista en la pantalla.

Figura 15.3. Seal observada en el osciloscopio en condiciones desubamortiguamiento

d) Calcule la frecuencia natural de oscilacin del circuito con la ecuacin (2)utilizando los datos de R, L y C. Compara el resultado con el obtenidoexperimentalmente de la lectura directa del periodote oscilacin utilizando elosciloscopio.

e) Calcule el valor de la semivida 21t de la amplitud de la oscilacin, esto es, eltiempo necesario para que la amplitud decaiga a la mitad de su valor original.

Utilice la expresin 693.021t , en dondeR

L2 . Encuentre este tiempo

experimentalmente imaginando la envolvente de la seal en la pantalla ycompare los resultados.

3. Amortiguamiento crtico:

a) Calcule el valor de la resistencia crtica Rc con la expresin (15.3) no olvide quea la resistencia de la caja hay que sumarle las resistencias del generador y del


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inductor. Busque ahora el valor de la resistencia crtica Rc experimentalmente.Para esto aumente gradualmente los valores de resistencia de la caja y observeen que momento la seal en la pantalla deja de asemejarse a la de la figura15.3.Compare sus resultados.

4. Sobreamortiguamiento

a) Coloque en el circuito una resistencia mayor que el valor de la resistenciacrtica Rc y contine aumentando R. Dibuje y comente lo observado

b) Ajuste nuevamente R = O en la caja de resistencias para regresar a lascondiciones de subamortiguamiento. Aumente gradualmente la frecuencia delgenerador hasta hacerla igual o ligeramente superior a la frecuencia natural deoscilacin del circuito. Dibuje y explique lo observado en la pantalla delosciloscopio.

Cuestionario

Qu relacin tienen la frecuencia de oscilacin amortiguada y la frecuenciadel generador?

Cmo se puede explicar en cuanto a consideraciones energticas el casode sobreamortiguamiento?

guia lab fisica ii

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