USO DE INSTRUMENTOS Y MATERIALES EN ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

EXPERIENCIA Nº 03

I. RESUMENLa experiencia que hemos realizado fue el uso de instrumentación y materiales en electricidad y magnetismo donde hemos conocido el manejo del galvanómetro, voltímetro, amperímetro, la fuente de voltaje, alambres conectores, etc.Y los resultados hallados fueron que ley de ohm no se cumple para todos los materiales, por ejemplo no cumple para los semiconductores también se encontró q la gráfica de R versus I tiene pendiente negativa debido a que son inversamente proporcionales y la gráfica de V versus I, al ser rectificada, tiene pendiente positiva debido a que son directamente proporcionales.

II. INTRODUCCIONLa importancia de los instrumentos eléctricos de medición es incalculable, ya que mediante el uso de ellos se miden e indican magnitudes eléctricas, como corriente, carga, potencial y energía, o las características eléctricas de los circuitos, como la resistencia, la capacidad, la capacitancia. Además que permiten localizar las causas de una operación defectuosa en aparatos eléctricos en los cuales, como es bien sabidos, no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico. La información que suministran los instrumentos de medición eléctrica se da normalmente en una unidad eléctrica estándar: ohmios, voltios, amperios, culombios, henrios, faradios, vatios o julios. A continuación, se representaran en este trabajo los instrumentos que utilizamos en los laboratorios para medir las diferentes tensiones, resistencias, y otras variaciones de electricidad que tengan circuitos y equipos de nuestro uso diario o de experimentación.Dichos instrumentos nos ayudan a mantener a circuitos y equipos en un óptimo funcionamiento basándonos en ecuaciones y comparaciones en lo que respecta al flujo de electricidad.Los parámetros que distinguen el uso de los instrumentos de medición son:-La intensidad la miden los Amperímetros.-La tensión la miden los Voltímetros.

III. MARCO TEÓRICO

Cuando el equilibrio eléctrico de un cuerpo (cuando el estado eléctrico de sus átomos es neutro) es perturbado surgen fuerzas que tienden a reestablecerlo, haciendo que las cargas de un signo, en el supuesto que estén libres (electrones) para moverse se dirijan hacia las de signo opuesto, así estas cargas llamadas electrones libres fluyen desordenadamente a través del cuerpo con el fin de equilibrar su carga negativa. 3.1. Corriente eléctrica

Se denomina corriente eléctrica de flujo de carga eléctrica que pasa por alguna región del espacio. Suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de área A, como en la figura 4.1 (Esta sería el área de la sección transversal de un alambre, por ejemplo.) La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si ΔQ es la cantidad de carga que pasa por esta área en un intervalo de tiempo Δt, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo:

…………(3.1)Si la tasa a la cual fluye la carga varía en el tiempo, la corriente también varía en el tiempo, y definimos a la corriente instantánea I como el límite diferencial de la ecuación:

…………(3.2)La unidad de corriente del Sistema Internacional es el Amperio (A).

…………(3.3)Esto significa que 1A de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el área de la superficie en 1s.

(1)

3.2. Tensión eléctrica

La diferencia de potencial (tensión eléctrica) entre dos puntos (1 y 2) de un campo eléctrico es igual al trabajo que realiza dicho campo sobre la unidad de carga positiva para transportarla desde el punto 1 al punto 2.

Fig. 3.1.Cargas en movimiento a través de un área A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a través del área se define como la corriente I. la dirección de a la cual la carga positiva fluiría si tuviera libertad de hacerlo.

Es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial de los puntos 1 y 2 en el campo; se expresa por la fórmula:

…………(3.4)

donde:V1 - V2 es la diferencia de potencialE es la Intensidad de campo en newton/culombior es la distancia en metros entre los puntos 1 y 2Igual que el potencial, en el Sistema Internacional de Unidades la diferencia de potencial se mide en voltios.Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de corriente eléctrica. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico.Que dos puntos tengan igual potencial eléctrico no significa que tengan igual carga.

Dada la fórmula del campo eléctrico .…………(3.5)

La fuerza de atracción entre dos masas es conservativa, del mismo modo se puede demostrar que la fuerza de interacción entre cargas es conservativa. El trabajo de una fuerza conservativa, es igual a la diferencia entre el valor inicial y el valor final de una función que solamente depende de las coordenadas que denominamos energía potencial.

(figura 3.2)El trabajo infinitesimal es el producto escalar del vector fuerza F por el vector desplazamiento dl, tangente a la trayectoria.

…………(3.6) donde dr es el desplazamiento infinitesimal de la partícula cargada q en la dirección radial.Para calcular el trabajo total, integramos entre la posición inicial A, distante rA del centro de fuerzas y la posición final B, distante rB del centro fijo de fuerzas.

…………(3.7)

El trabajo W no depende del camino seguido por la partícula para ir desde la posición A a la posición B. La fuerza de atracción F, que ejerce la carga fija Q sobre la carga q es conservativa. La fórmula de la energía potencial es:

…………(3.8)El nivel cero de energía potencial se ha establecido en el infinito, para r=∞, Ep=0.El hecho de que la fuerza de atracción sea conservativa, implica que la energía total (cinética más potencial) de la partícula es constante, en cualquier punto de la trayectoria.

…………(3.9)

Así, el potencial es una propiedad del punto P del espacio que rodea la carga Q. Definimos potencial V como la energía potencial de la unidad de carga positiva imaginariamente situada en P, V=Ep/q. El potencial es una magnitud escalar.

…………(3.10)

La unidad de medida del potencial en el S.I. de unidades es el volt (V). (2)

3.3. Resistencia eléctrica

Resistencia eléctrica es la mayor o menor dificultad que opone un material al paso de la corriente eléctrica por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica (figura4.3).

(Figura 3.3) A.- Electrones fluyendo por un buen conductor eléctrico, que ofrece baja resistencia. B.- Electrones fluyendo por un mal conductor. Eléctrico, que ofrece alta resistencia a su paso. En ese caso los electrones chocan unos contra otros al no poder circular libremente y, como consecuencia, generan calor.

Normalmente los electrones tratan de circular por el circuito eléctrico de una forma más o menos organizada, de acuerdo con la resistencia que encuentren a su paso. Mientras menor sea esa resistencia, mayor será el orden existente en el micromundo de los electrones; pero cuando la resistencia es elevada, comienzan a chocar unos con otros y a liberar energía en forma de calor (efecto Joule). Esa situación hace que siempre se eleve algo la temperatura del conductor y que, además, adquiera valores más altos en el punto donde los electrones encuentren una mayor resistencia a su paso.

La resistencia de un conductor depende de las características del material, es decir de su resistividad, longitud y sección.

…………(3.11)

ρ : resistividad de cada materiall : longitud del conductorЅ :sección del conductor La unidad de resistencia eléctrica del Sistema Internacional es el Ohnmio (Ω).

3.3.1. ResistoresSe denomina resistor al componente electrónico formado por carbón y otros elemento diseñado para introducir una resistencia eléctrica (determinada a partir de código de colores de la figura 4.4) dada entre dos puntos de un circuito. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., las resistencias se emplean para producir calor aprovechando el efecto Joule. (1)

Color de la banda

Valor de la 1°cifra

significativa

Valor de la 2°cifra

significativaMultiplicador Tolerancia

Coeficiente de

temperaturaNegro 0 0 1 - -Marrón 1 1 10 ±1% 100ppm/ºCRojo 2 2 100 ±2% 50ppm/ºCNaranja 3 3 1 000 - 15ppm/ºCAmarillo 4 4 10 000 4% 25ppm/ºCVerde 5 5 100 000 ±0,5% -Azul 6 6 1 000 000 ±0,25% 10ppm/ºCVioleta 7 7 - ±0,1% 5ppm/ºCGris 8 8 - - -Blanco 9 9 - - 1ppm/ºCDorado - - 0,1 ±5% -Plateado - - 0,01 ±10% -Ninguno - - - ±20% -

(Figura34.4)

3.4. Circuito eléctrico

El circuito eléctrico es el recorrido preestablecido por el que se desplazan las cargas eléctricas.

Las cargas eléctricas que constituyen una corriente eléctrica pasan de un punto que tiene mayor potencial eléctrico a otro que tiene un potencial inferior. Para mantener permanentemente esa diferencia de potencial, llamada también voltaje o tensión entre los extremos de un conductor, se necesita un dispositivo llamado generador (pilas, baterías, dinamos, alternadores...) que tome las cargas que llegan a un extremo y las impulse hasta el otro. El flujo de cargas eléctricas por un conductor constituye una corriente eléctrica. El circuito eléctrico puede ser serial, si la intensidad de corriente es la misma en cualquier punto del circuito o paralelo, si difiere en cualquier punto del circuito. (3)

3.5. El amperímetro Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir la potencia de amperios eléctricos que está circulando por un Circuito eléctrico.Si hablamos en términos básicos, el Amperímetro es un simple galvanómetro (instrumento para detectar pequeñas cantidades de corriente) con una resistencia paralela llamada Shunt. Los amperímetros tienen resistencias por debajo de 1 Ohmnio, debido a que no se disminuya la corriente a medir cuando se conecta a un circuito energizado.La resistencia Shunt amplia la escala de medición. Esta es conectada en paralelo al amperímetro y ahorra el esfuerzo de tener otros amperímetros de menor rango de medición a los que se van a medir realmente.Para efectuar la medida es necesario que la intensidad de la corriente circule por el amperímetro, por lo que éste debe colocarse en serie. (3)

3.6. El voltímetro

El voltímetro es un aparato que mide la diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito eléctrico. Para efectuar esta medida se coloca en paralelo entre los puntos cuya diferencia de potencial se desea medir. La diferencia de potencial se ve afectada por la presencia del voltímetro (básicamente constituido por un galvanómetro). Para que este no influya en la medida, debe de desviar la mínima intensidad posible, por lo que la resistencia interna del aparato debe de ser grande. Como rV es conocida, la medida de la intensidad I, permite obtener la diferencia de potencial. La resistencia serie debe de ser grande, para que la intensidad que circule por el voltímetro sea despreciable. Se puede cambiar de escala sin más que cambiar la resistencia serie. (3)

IV. METODOLOGÍA

El experimento realizado en el laboratorio tuvo como objetivo dar a conocer el manejo de instrumentos y materiales de medición de corriente, así como también aprender a construir circuitos eléctricos simples. Después de haber escuchado el marco teórico y haber escuchado algunas recomendaciones con relación al tema, empezamos con el experimento.

Verificar si los materiales a utilizar están completos y en perfecto estado, dar constancia al profesor sobre lo mencionado. Recordar siempre que cualquier operación que se realice se hará con previa autorización del profesor.

Procediendo a realizar los siguientes puntos:

IV.a. - Llenamos la tabla 1 con los valores de las resistencias del tablero de resistencias con sus respectivas tolerancias.

IV.b. - Se armo el siguiente circuito de la figura 1, (se tuvo en cuenta que los únicos dispositivos que tienen polaridad son los instrumentos de medida y la fuente de tensión). Para un buen armado del circuito no se colocó los instrumentos de medida. Se consideró que un amperímetro es un corto circuito y un voltímetro debe ser ignorado en el circuito a armar.

Figura 1

NOTA: Aplicando la Ley de Ohm, determine la resistencia mínima que debe colocar como carga a la fuente para que opere correctamente; las fuentes en uso son de 5 amperios como máximo (salida DC de 6 Voltios) y 1.5 amperios como mínimo (salida CD de 1.5Voltios).

IV.c. Colocamos el voltímetro en paralelo al elemento en el cual desea conocer su voltaje, observando la polaridad de la fuente, luego se colocó el amperímetro en serie al elemento por el cual circulará la corriente a medir, también se observó la polaridad de la fuente y no la del otro instrumento de medida.

IV.d. Una vez revisado el circuito se procedió a tomar las medidas. (Recuerde que una conexión floja puede hacerle incurrir en una lectura errónea de los instrumentos).

IV.e. Completamos la tabla 2 variando el valor de las resistencias (década) y con los datos obtenidos de voltaje y corriente del circuito, se consideró el error del instrumento respectivo.Se repite el paso 5 usando el tablero de resistencias y complete la Tabla 3.

V. RESULTADOS

V.a. RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA DE LABORATORIO

Cuando se armó el circuito eléctrico se pudo emplear diversos equipos de medición de corriente, así como también el uso de resistencias para regular la intensidad eléctrica.

Por medio de la resistencia se domina y se puede hacer utilizable la corriente eléctrica, aumentando o disminuyendo su intensidad según convenga. Considerar que en este informe no hay muchas discusiones ya que se baso en saber armar un circuito simple y en el reconocer el funcionamiento de los instrumentos y equipos con sus lecturas dadas.

Para tener una lectura más exacta de los valores de intensidad de corriente y de voltaje tuvimos que considerar la escala adecuada, por ejemplo para la experiencia con la resistencia variable se selecciono la escala de 100 miliamperios y para la lectura del voltaje la escala de 10 Voltios, veamos las siguientes tablas.

-Con la placa de resistencias se obtuvo los siguientes resultados:

Tabla 1

1º BANDA 2º BANDA 3º BANDA 4º BANDA Tolerancia Valor de R1 Verde Marrón Negro Plateado 10% 512 Gris Rojo Negro Dorado 5% 223 Azul Gris Marrón Dorado 5% 6804 Rojo Negro Marrón Plata 10% 200

1º BANDA

2º BANDA

3º BANDA

4º BANDA

5º BANDA

Tolerancia Valor de R

5 Marrón Negro Negro Negro Marrón 1% 100,26 Verde Azul Negro Negro Dorado 5% 561

-Se obtuvo los siguientes datos del circuito armado:

Tabla 2

1 2 3 4 5 6R(Ω) 51 82 680 200 100,2 651I(mA) 92 61 5 25 50 7V(V) 5,98 5,99 5,99 5,99 5,99 5,99

-Ahora variando el valor de las resistencias usando el tablero se obtiene

Tabla 3

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10R(Ω) 121 131 141 151 161 171 181 191 201 301I(mA) 42 39 36 33 31 29 28 26 25 16V(V) 5,92 5,94 5,95 5,96 5,97 5,98 5,99 6,1 6,3 6,9

V.b. CUESTIONARIO

V.b.i. ¿Cuantas escalas poseen los instrumento? (describa cada uno de ellos), indique su mínima y máxima lectura en cada escala.

Multímetro digital• Tensión: 30 mV - 600 VDC y 3 V - 600 VAC• Resistencia: 30 Ω - 30 MΩ• Corriente: 300 μA - 10 ADC (16 A 30 s) y 3 mA - 10 AAC (16 A 30 s)Amperímetro virtual (LN )• 1 mA -5 AFuente de tensión virtual• 100 uV – 10 V

V.b.ii. Explique por que existe una diferencia entre el valor calculado y medido para las tablas 1y 2

Existe una diferencia entre el valor calculado y medido por diversas causas, una causa básica es la sensibilidad de los equipos, el cual afecta la medición, ya que el valor no permanece fijo y se toma un promedio el cual difiere del valor real.

El valor calculado se da bajo ciertas condiciones, en el cual se aplica la LEY de OHM, el cual difiere del valor real, ya que nuestras condiciones reales son variablesNOTA

La figura 2 nos representa los datos tomados con el Tablero de resistencia, por la Ley de Ohm sabemos que la intensidad de corriente es inversamente proporcional a la resistencia por el cual la graficanos confirma. La figura 3 nos representa los datos tomados con la resistencia variable (La Década de resistencia) pero nuestra grafica no tiene la forma adecuada y eso se debe que tomamos mal los datos, la forma adecuada seria aproximadamente igual a la grafica de la figura 2 (Aunque la figura 2 también tiene un margen de error aunque es menos perceptible).

FIGURA 2

FIGURA 3

V.b.iii. Investigue porque los transformadores poseen un núcleo de hierro laminado, es decir no usan núcleo de hierro sólido

Un transformador elemental consiste de un núcleo de hierro laminado sobre el cual se envuelve una bobina de alambre aislado. Esta bobina puede ser de devanado simple, con empalmes, como un transformador de automóvil, o compuesto de dos bobinas separadas.

Una de estas bobinas lleva el nombre de "bobina primaria," o "primario" simplemente, y está conectada a la entrada de corriente. La segunda bobina, desde la cual se toma la energía, se llama "bobina secundaria," o "secundario," y tendrá mayor o menor número de vueltas que el primario, según el caso. El núcleo se compone de placas o láminas de acero de silicio, pues la inversión constante del flujo de la corriente alterna produce contra-corrientes en un núcleo de hierro macizo. Por lo tanto, si se empleara un núcleo de hierro macizo, se produciría un recalentamiento en el transformador. El laminado tiende a quebrar dichas contracorrientes.

V.b.iv. Investigue de que otra manera se determina el valor de una resistencia (sin código de colores).

También se puede leer el valor de la resistencia mediante letras colocadas en la superficie de cada resistencia, como es el caso de las resistencias de carbón, en la cual se coloca un valor por ejemplo 3k,que equivale a una resistencia de 3 kilo ohmios.

Otra manera seria colocando un ohmímetro entre los extremos de la resistencia con la finalidad de leer en su pantalla digital o analógica el valor real de la resistencia que deseamos conocer.

V.b.v. ¿A que se llama “resistencia de Precisión”? De ejemplos de su nomenclatura.

Las resistencias de precisión se caracterizan por tener cinco bandas en lugar de las tradicionales cuatro como las utilizadas en nuestra experiencia.

Las aplicaciones más tradicionales de estos componentes son los Instrumentos de Medición, Máquinas Herramienta y Electromedicina, entre otros.

Las bandas se distribuyen de la siguiente manera:Son aquellas cuyo valor se ajusta con errores de 100 partes por millón o menos y tienen además una variación muy pequeña con la temperatura, del orden de 10 partes por millón entre 25 y 125 grados Celsius. Este componente tiene una utilización muy especial en circuitos analógicos, con ajustes muy estrechos de las especificaciones. Este tipo de componente logra su precisión tanto en su valor, como en su especificación de temperatura debido a que la misma debe ser considerada un sistema, donde los materiales que la conforman interactúan para lograr su estabilidad. Un film metálico muy fino se pega a un aislador como el vidrio, al aumentar la temperatura, la

expansión térmica del metal es mayor que la del vidrio y esto produce en el metal una fuerza que lo comprime reduciendo su resistencia eléctrica, el coeficiente de variación de resistencia del metal con la temperatura es positivo, la suma casi lineal de estos factores hace que la resistencia no varíe o que lo haga mínimamente.

V.b.vi. ¿Que factor determina la calidad de un buen transformador y como se obtiene este? ¿Que forma debe tener el lazo de histéresis este buen transformador?

En física se encuentra, por ejemplo, histéresis magnética si al magnetizar un ferromagneto éste mantiene la señal magnética tras retirar el campo magnético que la ha inducido. También se puede encontrar el fenómeno en otros comportamientos electromagnéticos, o los elásticos.

La histéresis magnética es el fenómeno que permite el almacenamiento de información en los imanes de los discos duros o flexibles de los ordenadores: el campo induce una magnetización en el pequeño imán, que se codifica como un 0 o un 1. Esta codificación permanece en ausencia de campo, y puede ser leída posteriormente, pero también puede ser invertida aplicando un campo en sentido contrario.

Para poder conocer el ciclo de histéresis de un material, se puede utilizar el magnetómetro de Köpsel, que se encarga de proporcionarle al material ferro magnético los cambios senoidales de la corriente eléctrica para modificar el sentido de los imanes.

En electrotecnia se define la histéresis magnética como el retraso de la inducción respecto al campo que lo crea.

Se produce histéresis al someter al núcleo a un campo creciente, los imanes elementales giran para orientarse según el sentido del campo. Al decrecer el campo, la mayoría de los imanes elementales recobran su posición inicial, sin embargo, otros no llegan a alcanzarla debido a los rozamientos moleculares conservando en mayor o menor grado parte de su orientación forzada, haciendo que persista un magnetismo remanente que obligue a cierto retraso de la inducción respecto de la intensidad de campo.

Las pérdidas por histéresis representan una pérdida de energía que se manifiesta en forma de calor en los núcleos magnéticos. Con el fin de reducir al máximo estas pérdidas, los núcleos se construyen de materiales magnéticos de características especiales.La pérdida de potencia es directamente proporcional al área de la curva de histéresis.

V.b.vii. ¿Que es campo coercitivo y campo remanente?, Explique las bondades e inconvenientes de estos.

Se llama campo coercitivo al campo de sentido contrario necesario para anular el magnetismo remanente.

V.b.viii. Tome un reóstato y lea los datos del fabricante respecto a su resistencia y la intensidad de corriente máxima que puede soportar. Con estos datos calcule el voltaje máximo que se le debe aplicar al reóstato para no malograrlo.

Reóstatos tipo laboratorio:Son reóstatos de desplazamiento lineal montados en caja metálica

ventilada para ser utilizados sobre mesa de trabajo en forma portátil, incluyendo perilla, cuadrante y bornes de conexión.

Se construyen en potencias que van de los 200 a los 800 watts y valores de resistencias de 10 a 10K .Ohmiaje: mínimo. 10 ohmios y máximo. 10 Kilo ohmiosAmperaje: mínimo. 0,28 A y máximo. 4,47 A Por formula: V = R.I entoncesVoltaje máximo = 10000 x 4,47 A = 44700 voltios.

(4)

VI. CONCLUSIONES

1. Se aprendió el correcto manejo de los instrumentos, tanto del voltímetro y su alta resistencia para que el paso de corriente sea el menor posible, así como del amperímetro que con una resistencia muy baja aseguraba el paso casi total de la corriente en el circuito Se comprobó la relación de la intensidad de corriente, del potencial eléctrico y de la resistencia; de manera experimental con los instrumentos observando las relaciones de proporcionalidad que afectan a estas comprobando la Ley de Ohm.

2. Durante el experimento se pudo conocer la importancia que tienen las resistencias en un circuito, entre los que se usaron fueron La Década de Resistencia y el resistor de carbón, no se utilizo El Reóstato.

3. En el resistor de carbón los valores de la resistencia están codificados de acuerdo a los colores y posición de las bandas, mientras que la Década de Resistencia nos permitió graduar la resistencia requerida, por lo tanto es un resistor variable.

4. Aunque no se utilizo El Reóstato se puede decir que este es un resistor con resistencia variable, dependiendo de la posición del cursor.

VII. BIBLIOGRAFIA

www.mimecanicapopular.com/verhaga.php?n=18 (4) www.wikipedia.org/wiki/Curva_de_histéresis (4) http://www.monografias.com/trabajos11/coele/coele.shtml corriente

resistencia (1) http://www.monografias.com/trabajos39/circuito-basico/circuito-

basico.shtml potencial eléctrico (2) http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/

ke_resistencia_1.htm resistencia (1) http://es.wikipedia.org/wiki/Codigo_de_colores resistores (1) http://es.wikipedia.org/wiki/Amper%C3%ADmetro (3) FISICA. Volumen II. Raymond Serway. Sexta edición. Pág. 128 – 141 (1)