Guia Fiii 2013 II

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)

FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

Decano Dr. Ángel Bustamante D.

Director de la UPG Dr. Justo rojas Tapia,

Director de la E.A.P de Física Lic. Luis Salazar de Paz

Coordinador de DAFI Lic. Lucas Alvarado Pinedo

Coordinador del DAFES Lic. Flores Santibañes

Coordinador del DAFNAM Mag. Leovigildo Lastra

Jefe del Laboratorio de Física III Lic. Gilberto Yactayo Yactayo

Manual de Laboratorio de Física III

12 ava Edición DAFI – FCF – UNMSM

Dirección y edición general

Gilberto Yactayo Yactayo Arnulfo Guillén Guevara Julio Fabián Salvador Lucas Alvarado Pinedo

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Queda prohibida la reproducción total o parcial de la presente obra sin consentimiento expreso del autor, con arreglo a la legislación vigente nacional respecto a Derechos de Autor

Índice

Metas de aprendizaje del manual de laboratorio de

electricidad y magnetismo

n c c i i a a N N _ _ 1 1 C a r g as el éct r i cas y c ue r p o s el ect r i z ad os E

n c c i i a a N N _ _ 2 2 C a m po el éc t r i co E

n c c i i a a N N _ _ 3 3 I n st r ument aci ón y L ey de O h m E

n c c i i a a N N _ _ 4 4 D D i i v v i i s s o o r r d d e e t t e e n n s s i i ó ó n n E

n c c i i a a N N _ _ 5 5 R R e e s s i i s s t t e e n n c c i i a a v v a a r r i i a a b b l l e e E

n c c i i a a N N _ _ 6 6 P ote nci a el éctr i ca - C on de ns ad ores y b ob i na s en E circuitos de C.C

n c c i i a a N N _ _ 7 7 C am po m a g né t i co t er r est r e E

n c c i i a a N N _ _ 8 8 E l ect r oma g ne t i sm o E

n c c i i a a N N _ _ 9 9 T T r r a a n n s s f f o o r r m m a a d d o o r r e e s s , , r el és e i nte r r up t ores m a g né t i cos E

n c c i i a a N N _ _ 1 1 0 0 C C a a p p a a c c i i t t a a n n c c i i a a e e I I n n d d u u c c t t a a n n c c i i a a e e n n C C i i r r c c u u i i t t o o d d e e C C o o r r r r i i e e n n t t e e E n a a ( ( R R C C , , R R L L ) ) A


Metas de Aprendizaje del manual de

Laboratorio de Física III

Los DOCENTES de la FACULTAD DE CIENCIAS Físicas tienen como objetivo principal la transmisión de conocimientos y es mediante la enseñanza de los Laboratorios de F-III que se plasma en el futuro de los profesionales de nuestro país, se les desea mucho éxito en la ejecución de los experimentos que tendrán como objetivo:

El aprendizaje de:

I) CORRIENTE CONTINUA El curso transmite conocimientos básicos de tecnología de corriente continua. Al respecto, los temas centrales son: la relación entre tensión, corriente y resistencia eléctricas (ley de Ohm) al igual que la distribución de la corriente y la tensión en el circuito de corriente continua (leyes de Kirchhoff). Una multiplicidad de experimentos basados en circuitos eléctricos, con resistencias configuradas en serie y en paralelo, al igual que combinaciones entre estas dos configuraciones, ayudan a ilustrar los contenidos teóricos.

v Funcionamiento y aprovechamiento de la electricidad v Modelo atómico v Magnitudes eléctricas básicas: carga, tensión y corriente v Circuitos eléctricos sencillos v Resistencia eléctrica v Medición de corriente y tensión en el circuito eléctrico v Ley de Ohm v Leyes de Kirchhoff v Análisis de circuitos de resistencias sencillos (circuitos en serie y en paralelo) v Determinación de la resistencia por medio de un circuito puente v Potencia eléctrica v Funcionamiento de las resistencias variables v Bobina y condensador en el circuito de corriente continua v Campo magnético v Circuito de corriente alterna II) MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO.

En este curso se adquirirán conocimientos teóricos y prácticos sobre el tema "Magnetismo y electromagnetismo". Como parte central del curso se realizarán experimentos con imanes, bobinas y otros componentes importantes, en los cuales se analizará su funcionamiento, comportamiento y efectos. de los

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componentes.


Contenidos de aprendizaje:

· Estudio de imanes permanentes y materiales magnéticos · Análisis del efecto dinámico magnético · Análisis de polos magnéticos · Medición del campo magnético de un conductor por el que circula corriente · Explicar la intensidad del campo y el flujo magnético · Estudio de las líneas de campo · Reconocer y explicar las diferencias entre una bobina sin núcleo y con núcleo · Describir el campo de una bobina · Verificar la remanencia · Explicar la inducción electromagnética · Realizar y explicar la inducción con un conductor y un núcleo en movimiento · Conocer el efecto que se produce al encender y apagar una inductancia · Explicar la fuerza de Lorentz. · Analizar y explicar el principio y la estructura del transformador · Comprender y utilizar el relé · Analizar el funcionamiento del interruptor de láminas y utilizarlo · Comprender el principio del autoenclavamiento. · Montar y poner en funcionamiento un circuito de control con autoenclavamiento · Comprender el funcionamiento del sensor de efecto Hall y conocer el circuito de

aplicación

III) CORRIENTE ALTERNA

La corriente denominada alterna (C.A.), que se diferencia de la corriente continua por el cambio constante de polaridad que efectúa por cada ciclo. La característica principal de una corriente alterna es que durante un instante de tiempo un polo es negativo y el otro positivo, mientras que en el instante siguiente las polaridades se invierten tantas veces como ciclos por segundo o hertz posea esa corriente. "En Circuitos de corriente alterna con condensadores" se estudia el comportamiento de las

resistencias, bobinas y condensadores determinando la Capacitancia e Inductancia.

Contenido de aprendizaje

· El condensador como almacenador de energía · Determinación de la capacidad de un condensador con el multímetro MetraHit · Determinación de la capacidad en un divisor de tensión RC · La Inductancia almacenamiento de energía / resistencia óhmica · Determinación de la inductancia en un divisor de tensión RL · Circuitos con inductancias en serie y en paralelo

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Cargas Eléctricas y

Cuerpos Electrizados

ExperExperiieencinciaa NN__ 11

1.- OBJETIVOS: 1.- Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la materia llamada carga eléctrica. 2.- Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas. 3.- Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos opuestos. 4.- Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador Electrostático-máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.

2.- MATERIALES -El equipo de electrostática U8491500 consta de un tablero de destellos, cubierta de electrodos esféricos, rueda con punta, barra de fricción de plástico, con clavijero de 4 mm, soporte de depósito , rodamiento de agujas con clavija de conexión , soporte con gancho para péndulo doble de bolitas de saúco, clavija de conexión en pantalla de seda en varilla, trozos de médula de saúco , tablero de base en clavija de conexión y carril de rodamiento con bolas, cadenas de conexión, esfera conductora de 30 mm de diámetro, con clavija de conexión, cubierta con electrodos de punta, pie de soporte, varilla de soporte aislada, con manguitos de soporte y de conexión y juego de campanas.

- Péndulos de tecnoport - Electroscopio - Barras de acetato y vinilita

Figura.2. Barras de acetato, vinilito y vidrio.

- Máquina de Wimshurst, modelo U15310.

- Generador de Van de

Graaff seda y lana.

Figura. 1. Paños de algodón, Figura. 4. Péndulo eléctrico

Figura. 3. Electroscopio.


3.-FUNDAMENTO TÉORICO.

Se atribuye a Tales de Mileto (640-548 A.C.) haber observado que un trozo de ámbar frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert (1540 – 1603) comprobó que no sólo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina el azufre, etc. Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos que ha aparecido en ellos una “cantidad de electricidad” o una cierta carga electrica que es la causante de las atracciones, o repulsiones entre ellas. Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los de tipo distinto se atraen. Los dos tipos de cargas eléctricas existentes son denominadas cargas positivas y cargas negativas. A un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente neutro, en este caso decimos que tiene igual número de cargas de ambos tipos.

GENERADOR ELECTROSTÁTICO: MÁQUINA DE WIMSHURST;

La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). El generador electrostático sirve para generar altas tensiones constantes, no son peligrosas al contacto. Partes del Generador Electrostático:

(1) Disco de acrílico con placas de estaño El generador electrostático consta de dos discos de cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente, y con escasa distancia entre sí. (2) Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje. (3) Barra de electrodos, Éstas se encuentran conectados con las barras de electrodos, cuyos extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas. (4) Botellas de Leyden. (5) interruptor de aislamiento. (6) Conductor transversal con pinceles de metal La cara externa de los discos está ocupada circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado al eje un conductor transversal, girable, con dos “pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño. (7) Estribo con escobillas. Para la toma de corriente se emplean dos escobillas fijadas a un estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La distancia entre las escobillas y los discos es

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regulable, y debe ser de algunos milímetros.


(8) Palanca de acoplamiento para conexión de las botellas de Leyden. Funcionamiento:

Bajo los pinceles, las cargas positivas o negativas de las hojas de estaño del disco 2 ejercen una influencia sobre las del disco 1. Y estas, por otra parte, influencian las cargas de las hojas de estaño del disco 2, cuando estas pasan por el pincel que se encuentra enfrente. Las cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para su descarga, a las barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La longitud de las chispas depende del diámetro del disco. GENERADOR ELECTROSTÁTICO; MÁQUINA DE VAN DE GRAAFF:

El generador de Van de Graaff, GVG, es un aparato utilizado para crear grandes voltajes. En realidad es un electróforo de funcionamiento continuo. Se basa en los fenómenos de electrización por contacto y en la inducción de carga. Este efecto es creado por un campo intenso y se asocia a la alta densidad de carga en las puntas. El primer generador electrostático fue construido por Robert Jemison Van de Graaff en el año 1931 y desde entonces no sufrió modificaciones sustanciales.

Existen dos modelos básicos de generador:

a) El que origina la ionización del aire situado en su parte inferior, frente a la correa, con un generador externo de voltaje (un aparato diferente conectado a la red eléctrica y que crea un gran voltaje) b) El que se basa en el efecto de electrización por contacto. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona

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igual que con el motor.


En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga. Consta de: (Figura 02)

1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior. 2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar el montaje. 3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un motor conectado a su eje. 4.- Dos “peines” metalicos (superior e inferior) para ionizar el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al interior de la esfera. 5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de color claro indica que no lleva componentes de carbono que la harían conductora). 6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del motor se puede poner un engranaje con manivela para mover todo a mano.

Funcionamiento (Figura -03)

Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la ionización del aire por el efecto de las puntas del peine inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior.

El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y las puntas del “peine” situadas a unos milimetros de la banda, ioniza el aire. Los electrones del peine no abandonan el metal pero el fuerte campo creado arranca electrones al aire convirtiéndolo en plasma conductor -efecto Corona- y al ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico negativo.

Parte superior Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la esfera. Un generador de Van de Graaff no funciona en el vacío. La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la correa. El generador puede lograr una carga más alta de la esfera si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el “peine” cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte interna de la esfera. El efecto es que las partículas de aire cargadas negativamente se van al “peine” y le ceden el electrón que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que adquiere carga negativa. Por el efecto Faraday (que explica por qué se carga tan bien una esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del “peine” al interior.

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4.- PROCEDIMIENTO:

A.- Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Wimshurst y Van De Graaff. B.- Experimente la Interacción entre las barras cargadas y la esfera de tecnoport que está suspendida en el péndulo eléctrico

A-1 Maquina de Wimshurst

01.- Identifique las partes de las máquinas electrostáticas

02.- Gire lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45_, en relación con la barra de aislamiento.

03.- Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.

04.- Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.

05.- Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 2, 3 y 4 se efectúan girando las manivelas del equipo.

06.- Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio. Este último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada con lana, anote el signo de la carga.

07.- Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad de la lámpara.

08.- Descarga de punta (figura -04); colocar la rueda de punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado. 09.- Péndulo doble; (figura -05) colocar un péndulo de bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la fuente de carga y transmitir una carga a través de ésta, anote lo observado. 10.- Clavija de conexión en pantalla de seda; (figura-06) colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar lentamente la carga aplicada, anote lo observado.

11.- Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III lentamente la carga suministrada, anote lo observado.

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12.- Tablero de destellos; ( figura -08) colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo observado.

13.- Danza eléctrica; ( figura -09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos invertida, conectar la fuente de carga y aumentar lentamente la cantidad de carga suministrada, anote lo observado.

14.- Aparato fumívoro; (figura – 10) colocar el tablero de base sobre el soporte, invertir sobre Este la cubierta con electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una vela de humo, anote lo observado. 15.- Carril de rodamiento con bolas; (figura -11). Colocar sobre el soporte la placa de base, y el carril de rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que la distancia del carril de rodamiento con bolas no caiga hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre la placa de base de tal manera que entre en contacto con el canto del electrodo esférico superior. Conectar la fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga, anote lo observado A-2 Máquina de Van De Graaff:

16.- Conecte la máquina de Van De Graaff, a la fuente de 250V de C.A. Tenga cuidado, si tiene dudas consulte al profesor.

17.- Una vez encendida, la faja vertical

comenzará a girar, identifique el signo de la carga de la esfera, con la ayuda de un electroscopio, anote lo observado.

18.- Utilice los dispositivos efectuados en los procesos del 9 al 17, anote lo observado.

19.- Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que se desvía las hojuelas.


B.B. PÉNDULO ELÉCTRICO. . 1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport que

está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la ilustración 5. Anote lo observado.

2. Frote la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de vinilito. Anote sus observaciones.

3. Ponga frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los péndulos eléctricos. A continuación frote la barra de vinilito con el paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2. Anote sus observaciones.

tecnoport.

4. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño de lana y toque la esfera 1 con la barra de acetato y a la esfera 2 con la barra de vinilito. Anote sus observaciones.

5. Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los pasos 3 y 4.

6. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego toque la esfera 1 y la esfera 2. Anote sus observaciones.

7. Frote nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego acérquela a la esfera 1 y esfera 2. Anote sus observaciones

8. Acerque sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acerque sin tocar. la barra de vinilito a la esfera 2. Anote sus observaciones.

9. La ilustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un cuerpo está electrizado o no lo está. Acerque la barra de acetato previamente frotada con el paño de seda a la esfera metálica del electroscopio. Anote sus observaciones.

10. Manteniendo cerca de la esfera metálica, la barra de acetato, coloque un dedo de su mano sobre la esfera. Anote sus observaciones.

11. Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había colocado sobre ella. Anote sus observaciones.

12. Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anote sus observaciones.

13. Repita los pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el paño de lana.

UE ES

ST TIIO

ON NA

AR RIIO

12avaedición

Fig. 5. Interacción entre las barras cargadas y la esfera de

O 5.5.-- CCU

1.- ëCómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?, explique.

2.- En las experiencias efectuadas, ëcómo podría aplicar el principio de superposición?

Explique.

3.- Del experimento realizado, ëse puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo a otro?

4.- Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.


5.- ëPor qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique detalladamente.

6.- En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q y la bola 2 está descargada. Considere además que las bolas tiene igual radio r. ëQué sucederá?

7.- Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada ëQué es lo que se observará?. ëCuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

8.- Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ëCuál será la carga que adquiere de la esfera 2?

9.- En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas 1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ëCuál es el valor de esta carga, si la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están suspendidas las esferas es de 30 cm?

10.- Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto las hojuelas se abren. ëQué tipo de carga tiene el electroscopio?

11.- Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique detalladamente.

12.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a que se debe. Explique detalladamente.

13.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones

14.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.

6.- CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS.

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Figura. 6

VO OS

ES S

Campo Eléctrico

ExperExperiieencinciaa NN__22

BJ JE

ET TIIV

1.1.-- OOB

Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga (electrodos). - Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos. - Calcular la intensidad media del campo eléctrico.

- Estudiar las características principales del

campo eléctrico.

AT TE

ER RIIA

AL LE

02.02.--MMA

0101 Cubeubetta dee viidrriioo..

0101 Fuenuentte dee voollttajje dee CD.D.

0101 Vololttíímmeettrroo..

0202 Ellectctrrooddooss ddee

ccoob brree..

0101 Pununtta dee prruebeb a.a.

0101 Cuchaucharraddiitta dee salal..

0202 Papeapelless miilliimmeettrraaddooss..

0404 Cabablless dee conexonexiión.n. Juego de Electrodos de

Cobre

Campo Eléctrico Cubeta de Vidrio,

Agua y Sal

Punta de prueba

Las fuerzas ejercidas entre sí por las cargas eléctricas se deben a un campo eléctrico que rodea a cada cuerpo sometido a carga, y cuya intensidad está dada por la intensidad de campo E. Si ahora se encuentra una carga q dentro de un campo eléctrico (producido por otra carga), entonces actúa sobre la primera una fuerza F. Para la

Fuente 6 V

3. - . . F F U U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O

F

q E =

F =

× q E


relación entre intensidad de campo y la fuerza es válida la fórmula:

La magnitud de la intensidad de la fuerza eléctrica, por lo tanto, está dada por la ecuación:

12avaedición

La fuerza sobre una carga eléctrica dentro de un campo eléctrico es mayor mientras mayor sea la intensidad del campo eléctrico, y mayor sea la misma carga.

No obstante,

el campo

eléctrico no

sólo se ve determinado

por la magnitud

de la fuerza que actúa sobre la carga, sino también por

su sentido. Por tanto, los campos eléctricos se

representan en forma de líneas de campo, que indican el sentido del campo. La forma de un campo eléctrico está

aquí determinada por la forma

geométrica de las cargas que generan el campo, al igual que por la posición que adopten entre

ellas. Las líneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la fuerza eléctrica. Al respecto, las siguientes imágenes muestran el campo eléctrico de una carga puntual positiva

(izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha). Las líneas de campo se desplazan en este caso en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la carga. El sentido de las

líneas de campo (indicado por las flechas) señala, de acuerdo a la convención establecida, el

sentido de la fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeñas cargas puntuales en las imágenes); esto significa que las líneas de campo parten cada

vez de una carga positiva (o del infinito) y terminan en una carga negativa (o en el infinito). La densidad de las líneas de campo

indica correspondientemente la intensidad del campo eléctrico;

aquí, ésta decrece al alejarse de la carga puntual.

Si se encuentran cargas positivas y negativas repartidas

uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a frente, en paralelo, como es el caso del condensador de placas

planas paralelas, entre ambas superficies se generan líneas de campo eléctrico paralelas, como se muestra en la figura

siguiente. Estas líneas de campo parten de la placa con carga

positiva y terminan en la placa con carga negativa. Dado que la densidad de las líneas de campo, al interior del condensador, es igual

en todas partes, la intensidad de campo eléctrico E de las placas es también igual en toda la superficie. Un campo eléctrico de esta

naturaleza recibe el nombre de campo eléctrico homogéneo.

Nota: También en el exterior del condensador circulan líneas de campo entre las placas, las mismas que, no obstante, se "curvan" y no se tomarán en cuenta en lo sucesivo. Por

esta razón, se prescindió de su representación.

Un cuerpo cargado eléctricamente causa alrededor de él un campo electrostático. Para determinar y

+ _

_ + _ + _ + _ + _ + _ +

F =

q E 0

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III medir dicho campo en un punto cualquiera es necesario introducir en las vecindades de dicho medio otro cuerpo cargado, que llamaremos carga prueba, y medir la fuerza que actúe sobre él. La carga prueba

0qse considera lo suficientemente pequeña de manera que la distorsión que su presencia cause en el campo de interés sea despreciable.

La fuerza que actúa la carga 0qen reposo en el punto p en un campo eléctrico es:

V AB

AB

+

deben dibujarse de tal manera que la densidad de ellas sea proporcional a la magnitud del campo.

Electrodo Dos puntos A y B en un campo electrostatico tienen una diferencia de potencial ΔV, si se realiza trabajo para mover una carga de un punto a otro, este trabajo es independiente de la trayectoria o recorrido escogido entre estos dos puntos.

E

: Diferencia de potencial entre los puntos de A y B

W : Trabajo realizado por el agente externo

+ + E + +

+ + + +

E E

_ _

_

_ _

_ _

E E

Electrodo

E

E E 1 + q VA

VB 2

E + E Q

E E

E

Sea un campo eléctrico E debido a la carga Q. Otra carga +q en cualquier punto A del campo se soportará una fuerza. Por esto será necesario realizar un trabajo para mover la carga

de l

q +

pu nt o A a otr o p un t o B a d i f erente d i s tan c i a de l a c arg a Q . La di f erenc i a de po t e nc i al e ntre

W V = V - V = q AB A AB…………..(a )

B + Donde


: Carga que se mueve entre A y B

ò

ò +

= -

=

= BA

l d

F W .. ………….(b )

Sabemos que:

B AB

ldEq A


Podemos decir que no existe instrumento alguno que permita medir la intensidad del campo eléctrico en las vecindades de un sistema de conductores cargados eléctricamente colocados en el espacio libre. Sin embargo, si los conductores están en un líquido conductor, el campo eléctrico establecerá pequeñas corrientes en este medio, las que se pueden usar para tal fin.

1. Arma el circuito del esquema. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto que se encuentra en la punta de prueba.

2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de echar la solución electrolítica, preparada anteriormente en un recipiente común.

3. Con el voltímetro, mida la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de prueba.

4. En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un sistema de coordenadas XY, ubicando el origen en la parte central de la hoja, dibuje el contorno de cada electrodo en las posiciones que quedarán definitivamente en la cubeta.

5. Situé una de las hojas de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio. Esta servirá para hacer las lecturas de los puntos de igual potencial que irá anotando en el otro papel.

6. Eche la solución electrolítica en el recipiente fuente de vidrio.

7. Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de potencial entre ellos acercando el electrodo de prueba a cada uno de los otros dos casi por contacto y tomando nota de las lecturas del voltímetro.

De ( a

4

V E =

- A B d V b

R O O C C E E D D I I M M I I E E N N T T O O

Fuente 6 V + _

Voltímetro

V

Puntero

Cubeta Electrodo

10

..-- CCU

V D

electrodos

8. Seleccione un número de líneas equipotenciales por construir, no menor de diez.

9. Entonces el salto de potencial entre y línea será, en el caso de seleccionar diez línea por ejemplo:

V

VD= Delectrodos

2, V3, V4, V5,….

UE ES

ST TIIO

ON NA

AR RIIO

O

1. Determine la magnitud del campo eléctrico entre las líneas equipotenc campo eléctrico es uniforme? ëPor qué?

2. En su gráfica, dibuje algunas líneas equipotenciales para el sis electrodos que utilizó.

3. ëCómo serían las líneas equipotenciales si los electrodos fueran de diferentes formas?

4. ëPor qué nunca se cruzan las líneas equipotenciales?

5. Si Ud. imaginariamente coloca una carga de prueba en una corr electrolítica ëCuál será su camino de recorrido?

6. ëPor qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con l equipotenciales cuando las cruzan?

- odos

V placaelec

V anilloelectrodos

DV DV = N e le c tr o d o s

8. S i e nd o V E - = d V A B


7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrod es:

6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES

Instrumentación y Ley de

OHM 1. Conocer el manejo de instrumentos y materiales de uso corriente en los experimentos

de electricidad y magnetismo. 2. Conocer el área de operación de los instrumentos y determinar sus lecturas.

3. Aprender a montar circuito sencillo y medición de tensión y corriente eléctrica. 4. Identificación de los valores de resistencia.

2. M MA

AT TE

ER RIIA

AL LE

ES S..

SISTEMA [email protected] En el cual podemos tener los Instrumentos Virtuales como una fuente de corriente continua, voltímetro, amperímetro,

osciloscopio.

3,. FUNDAMENTO TEORICO

CORRIENTE ELÉCTRICA

Los electrones se pueden mover con mayor velocidad mientras mayor sea la intensidad de la tensión aplicada y menor sea la resistencia que la red de átomos oponga a su paso. La intensidad de corriente I se define como la carga Q que fluye por unidad de tiempo a través de una sección transversal del conductor, esto es:

La unidad con la

ExperExperiieencinciaa NN__ 33 A S T T R R U U M M E E N N T T A A C C I I Ó Ó N N

B J J E E T T I I V V O O S S . . 1

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III que se designa la intensidad de la corriente es el amperio (que se abrevia con A).

4.- PROCEDIMENTO

Experimento 1a

Circuito sencillo de corriente

En el siguiente experimento se

debe mostrar, en primer lugar, que una corriente puede circular

cuando el circuito de corriente se

encuentra cerrado. Para ello se

empleará el circuito que se

encuentra en la parte superior de la tarjeta de Circuito de

resistencias SO4203-6A, cuya

fuente de tensión continua de 15

V se activa automáticamente una

vez que la tarjeta se ha insertado

en el experimentador. Una lámpara incandescente servirá como carga de este circuito. El circuito de corriente se puede

abrir o cerrar por medio de la inserción de diferentes conectores.

MEDICIÓN DE TENSIÓN

La tensión eléctrica se mide con el voltímetro. La siguiente representación muestra el símbolo gráfico de un voltímetro.

El diagrama de la izquierda representa, en este caso, la conexión del voltímetro para la medición de la

tensión de la fuente; el del centro, la conexión para la medición de la tensión a través del interruptor y,

finalmente, el de la derecha, la conexión para la medición de la tensión de carga. EJECUCIÓN DEL EXPERIMENTO

Ajustes del

voltímetro A Rango de

medición: 20 V DC

Modo de

operación: AV

Monte el circuito experimental representado a continuación: Las Figuras siguientes ilustran la estructura de la

conexión.

Experimento 1b

Medición directa de la corriente eléctrica La corriente eléctrica se mide con un amperímetro. El diagrama siguiente presenta diferentes posibilidades de integrar el amperímetro al circuito mostrado

Medición indirecta de corriente Si no se

tiene a disposición un amperímetro, sino

únicamente un voltímetro, se puede determinar

también de manera indirecta la intensidad de la

corriente por medio de una medición de tensión.

Para ello se aprovecha la relación que existe entre la

corriente y la tensión en una carga, esto es, la ley de

Ohm. La intensidad de corriente I que nos interesa

se obtiene entonces a partir de la


La imagen de la izquierda muestra la medición directa de corriente por medio de un amperímetro, la de la derecha, la medición indirecta por medio de una resistencia RM y un voltímetro.

Experimento 1c

Ejecución del experimento con la resistencia de medición y el instrumento virtual

Monte el circuito experimental representado a continuación. La animación siguiente ilustra la estructura de la conexión:

Ajustes del Amperímetro A Rango de

medición: 200 mA DC

Modo de

operación: AV

Shunt: 10 ohmios

Resistencia eléctrica

Si una corriente eléctrica circula a través de un conductor, los portadores de carga libres (electrones libres) se mueven entre los átomos de la red. En este caso siempre se

ecuación:

producen colisiones entre los átomos, por lo cual, los electrones libres se ven rechazados y, de esta


manera, se frena su movimiento. El conductor opone una resistencia a la corriente eléctrica que

debe ser vencida por la tensión: La constante de material ρ indica la resistencia específica del material conductor en la unidad

_ ・mm2/m, l es la longitud del conductor, en m, y A la sección transversal del conductor en mm2.

Diseños de las resistencias

Las imágenes siguientes muestran los símbolos gráficos de diferentes tipos de resistencias. Resistencia común Resistencia variable Resistencia con contacto

deslizante

Codificación por colores de las resistencias

El siguiente gráfico ilustra la codificación.

Para la resistencia representada en la parte superior, a partir de los dos primeros aros (marrón y negro), se obtiene un valor decimal de 10 y, a partir del tercer aro (naranja) un factor de 103, con lo que se obtiene un valor total de resistencia de: R = 10·103_ = 10000 _ = 10 k _. En la resistencia representada al inicio de la página, el aro derecho es de color dorado; la resistencia posee, por tanto, una tolerancia de ±5%.

1a cifra 2da cifra Factor Tolerancia

PROCEDIPROCEDIMIIENTONTO

Llenar la tabla 1 con los valores de las resistencias del tablero de resistencias con sus respectivas tolerancias.

TABLA 1

1_ BANDA 2_ BANDA 3_ BANDA 4_ BANDA VALOR DE R 1 2 3 4

5 6

VO OS


La codificación de colores para la tolerancia está indicada en la siguiente tabla:

b) LEY DE OHM

BJ

JE ET

TIIV 1.1.-- OOB

- Verificar experimentalmente la ley de o - Ohm. - Obtener los datos de voltaje y corriente eléctrica en elementos resistivos con el fin de

iniciar el estudio de circuitos eléctricos simples.

-- Diseñar y Montar circuitos eléctricos con resistencias en Serie, Paralelo.

AT TE

ER RIIA

AL LE

Color

1a

cifra 2da cifra Factor

plata ---- ---- 10-2 dorado ----

---- 10-1 negro ----

0

1

marrón 1 1 10 rojo 2

2 102 naranja 3

3 103 amarillo 4 4 104 verde 5

5

105

azul 6 6 106 violeta 7

7

107

gris 8 8 108 blanco 9

9

109

Color

Tolerancia incoloro

±20% plateado

±10% dorado

±5% marrón

±1%

rojo

±2% verde

±0.5% azul

±0.25%

violeta

±0.1%

U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O 3 Si se quiere resumir por medio del cálculo los procesos

ES S

2.2.--MMA

Módulo de enseñanza SISTEMA UNITR@IN con resistencia (shunt), y el amperímetro virtual

electrónicos que ocurren en un circuito sencillo de corriente, o circuitos más complejos, es necesario conocer, por una parte, la dependencia que existe entre la intensidad de corriente

I y la

tensión U y, por otra parte, entre la corriente I y la resistencia R. Esta dependencia está descrita por la ley de Ohm, que debe su

nombre al famoso físico alemán. Para ello se observará, en primer

lugar, el circuito sencillo de corriente representado anteriormente.

Ley de Ohm:


La ley de Ohm se puede entonces expresar por medio de la siguiente fórmula: Nota: Las resistencias para las que es válida la ley de Ohm (esto es, la proporcionalidad entre

la corriente y la tensión) se denominan resistencias óhmicas. Los conductores metálicos son, por lo general, resistencias óhmicas, mientras que, por ejemplo, las resistencias de fluidos conductores no cumplen con la ley de Ohm.

RO OC

CE ED

DIIM MIIE

EN NT

TO O E

4.4.-- PPR

Los siguientes componentes son necesarios, para la ejecución de los experimentos expuestos dentro del marco de este curso: La tarjeta insertable "Circuitos de resistencias"

La tarjeta insertable UniTrain-I de Circuitos de resistencias SO4203-6A permite el análisis de circuitos de corriente sencillos. Para ello, la tarjeta se ha dividido en seis sectores.

1. Circuito sencillo de corriente con tensión continua y lámpara incandescente con carga resistiva.

2. Circuito en serie compuesto por un máximo de tres resistencias.

3. Circuito en paralelo compuesto por un máximo de tres resistencias.

4. Un

La intensidad de corriente I aumenta si aumenta la tensión U y disminuye si aumenta la resistencia R. Aquí, la intensidad de corriente varía proporcionalmente a la tensión y de manera

inversamente proporcional a la resistencia.

o´ y

máximo de seis resistencias conectadas en grupo.

5. Condensador con resistencia de carga.

6. Bobina de resistencia a carga.

En el siguiente experimento se debe comprobar la relación entre la corriente y la tensión de acuerdo con la ley de Ohm. Para ello, se aplicarán diferentes tensiones a la resistencia R1 de la tarjeta de Circuitos de resistencias y se medirá cada valor resultante de intensidad de corriente. La intensidad de la corriente se representará a continuación, gráficamente, en función de la tensión. Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.


Ajustes de la fuente de tensión continua

Rango: 10 V Tensión de salida: 0 V

Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del voltímetro A Rango de

medición: 10 V DC

Modo de

operación: AV

En el caso de que realice la medición de corriente empleando el amperímetro virtual, abra el instrumento Amperímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del Amperímetro B Rango de medición: 10 mA DC Modo de operación: AV Shunt: 10 ohmios

Ahora, ajuste

en el

instrumento Fuente de tensión continua una tensión de 1 V. Mida el valor de

la corriente resultante en miliamperios y anote el valor obtenido en la correspondiente fila de la

tabla siguiente. Ahora, eleve la tensión en pasos de 1 V y anote de la misma manera el

resultado de la intensidad de corriente medida en la tabla. Si pulsa la pestaña "Diagrama" de la

tabla, podrá visualizar gráficamente la característica I/U resultante.


COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE LA LEY DE OHM

VARIACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE MANTENIENDO LA

RESISTENCIA CONSTANTE Figura 1

TABLA 1

VOLTAJE(V) INTENCIDAD (A)

VARIACIÓN DE LA CORRIENTE Y LA RESISTENCIA MANTENIENDO

CONSTANTE EL VOLTAJE

Usando el mismo cursor de la figura 1, observe y anote en la tabla 2 los valores de corriente cuando cambian los valores R de la caja de resistencia conservando constante la diferencia de potencial entre los terminales de la misma. Para conseguir esto varié la posición del cursor del reóstato para cada lectura.

TABLA 2

RESISTENCIA (W) INTENCIDAD (A)

VARIACIÓN DE LA DIFERENCIA DE POTENCIAL Y LA RESISTENCIA MANTENIENDO CONSTANTE LA CORRIENTE

Arme el circuito de la figura 2 varié los valores de las resistencias en la caja y para cada valor observado anote en la tabla 3 los valores del voltaje, conserve constante un determinado valor de la corriente para las distintas lecturas de V y R, variando la posición del cursor de reóstato.

+ e

V

A

e

r

Figura 2 RESISTENCI

A (W)

VOLTAJE(V)

5 5 C

CU UE

ES ST

TIIO ON

NA AR

RIIO O..

1.- ëCuántas escalas poseen los instrumentos? (describa cada uno de ellos), indique su mínima y máxima lectura en cada escala. 2.- Investigue de qué otra manera se determina el valor de una resistencia. (Sin código de colores). 3.- Grafique en un papel milimetrado e intérprete V versus I, usando los valores de la tabla 1 determine el valor de la pendiente de la misma. 4.- Grafique e intérprete V versus I , I versus R y V versus R , en papel milimetrado, y compare los valores encontrados a partir del análisis del gráfico con los valores de de R, I y V de las tablas 1, 2 y 3 5.- Considere una lámpara que tiene aproximadamente 50.5 W

TABLA 3



Divisor de tensión y puente de Wheatstone

ExperExperiieencinciaa 44

1.- OBJETIVOS 1. Derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible. 2. Si se conecta una carga al divisor de tensión (resistencia de carga RL), se habrá

sometido a cargar el divisor de tensión. 3. El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos divisores de tensión.

DIDIVVIISOROR DEE TENSENSIIÓNN

I Divisor de tensión libre de carga.

En la tecnología de medición, a menudo es necesario derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible. Esto es posible por medio de un divisor de tensión. Un divisor de tensión, como se muestra en la imagen siguiente, se compone de dos resistencias, R1

y R2, conectadas en serie. En los bornes externos se aplica la tensión de alimentación

U, la cual se divide en las tensiones

U1 y U2. De acuerdo con la ley de división de tensión, es válido lo siguiente:

! La intensidad de corriente en el divisor de tensión,

2 A T T E E R R I I A A L L E E S S P ara es te ex pe r i m en to us am os tarj eta i ns ertab l e Uni T r @i n de D i v i s or d e te n s i ón , S O 42 01 - 6E,

U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O 3


de acuerdo con la ley de Ohm, tiene el siguiente

valor:

y la caída de tensión en las dos resistencias es igual a: ! ! !

Si se introducen los valores calculados de intensidad de corriente en estas dos ecuaciones, se obtiene la siguiente ecuación para ambas divisiones de tensión:

Estas ecuaciones sólo son válidas, si no se toma corriente del divisor de tensión, esto es, si se encuentra libre de carga.

II Divisor de tensión con carga. Si se conecta una carga al divisor de tensión (en la imagen siguiente una resistencia de carga RL ), se habrá sometido a cargar el divisor de tensión. A través de la resistencia de carga circula la corriente de carga IL y, a través de la resistencia R2, la componente transversal de corriente IQ. A través de R1 fluye la suma de estas dos corrientes. La componente transversal de corriente IQ genera pérdidas de calor en R2. En el caso de los divisores de tensión libres de carga, la tensión de R2 es proporcional a la

relación que existe entre R2 y la resistencia total R1 + R2. En el caso de los divisores de tensión sometidos a carga, éste no es el caso puesto que se obtiene una característica más o menos curvada, que se diferencia más fuertemente de la característica lineal del divisor de tensión sin carga, mientras menor sea la resistencia de carga, en función de la resistencia total R1 + R2 de este último, esto es, mientas mayor sea la corriente de carga en función de la componente transversal de corriente. Esto se debe a que el divisor de tensión sometido a carga se compone del circuito en serie de R1 y del circuito en paralelo de R2 y RL. La resistencia de compensación R2 * de este circuito en paralelo se puede calcular de la siguiente manera: El divisor de tensión libre de carga se obtiene aquí permitiendo que la resistencia de carga RL

se aproxime al infinito. En cada uno de estos dos casos se puede despreciar la resistencia R2

en relación a RL: RL se puede abreviar y se obtiene la ecuación ya encontrada en el párrafo anterior para

el divisor de tensión libre de carga. La tensión de carga del divisor de tensión sometido a ella es, por tanto, siempre menor que en el caso de que no exista carga (marcha en vacío).

Las corrientes IL e IQ se pueden calcular si se conoce el valor de UL por medio de la ley de Ohm; la corriente total I se obtiene por medio de la suma de estas dos corrientes.

Por tanto, para la tensión de carga UL del divisor de tensión es válido:


Experimento: Divisor de tensión

En el siguiente experimento se deben analizar dos divisores de tensión diferentes en lo relativo a las divisiones de tensión con carga. Monte el circuito experimental representado a continuación: .


medición: 20 V DC

Modo de

operación: AV

Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en la siguiente tabla. Abra el instrumento virtual Voltímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente:

Ajustes del Voltímetro B Rango de medición: 10 V DC Modo de operación: AV

Calcule para el divisor de tensión de la izquierda y la tensión de alimentación dada de 15 V, las tensiones parciales U1 (tensión en R1) y U2 (tensión en R2) con ausencia de carga (el conector puente B1 no está insertado). Los valores de resistencia son R1 = 10 k≫ y R2 = 3,3 k≫. Anote los valores obtenidos en la siguiente tabla 1.

Mida ahora las tensiones parciales por medio de los voltímetros A y B, y anote igualmente los valores medidos en la tabla 1.

TABLA 1.

UB = 15 V Divisor de tensión de la izquierda Divisor de tensión de la derecha

Relación de

división

(sin carga)

U1/V U2/V U1/V U2/V

Sin carga (cálculo) Con carga

(medición)

RL = 9.4 kΩ RL = 4.7 kΩ

Inserte el conector puente B1. En las dos resistencias R3 y R4, de 4,7 k , se obtiene ahora ≫una resistencia de carga RL de 9,4 k . Mida ≫ U1 y U2 nuevamente, con esta carga, y anote los valores medidos en la tabla. Inserte el conector puente B3, para cortocircuitar la carga R4 y, de esta manera, reducir la resistencia de carga a 4,7 k . Vuelva a medir ≫ las tensiones parciales y anote los resultados en la tabla.

(Nota: Si se emplea el conector puente B1, el punto de medición MP4 se encuentra conectado directamente al punto de medición MP2.)

Modifique el montaje experimental como se muestra en la animación siguiente para analizar ahora el divisor de tensión que se encuentra a la derecha.

PROCEDIMIENTO

Repita todas las mediciones realizadas, en primer lugar, para el divisor sin carga y luego para ambos casos con presencia de carga, esto es, RL = 9,4 k y R≫ L = 4,7 k . ≫

1.ëQué relación de tensión U1:U2 poseen los divisores de tensión con ausencia de carga? a) Ambos poseen una relación de 2:1 b) El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 5:1. c) El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 0,3:1. d) Ambos poseen una relación de 3:1 e) Ambos poseen una relación de 5:1

2.ëCuál es la respuesta de los divisores de tensión ante la carga? Son posibles varias respuestas. a) La tensión del componente que no recibe carga aumenta. b) La tensión del componente que no recibe carga disminuye. c) La caída de tensión del componente que recibe la carga permanece invariable, mientras que la del componente que no la recibe disminuye. d) En función de la carga introducida, disminuye la tensión del componente que la recibe y la relación entre los divisores varía. e) En función de la carga introducida, aumenta la tensión en el componente que la recibe. La relación de tensión no varía.

3. ëDe qué manera influye el valor de la resistencia de carga sobre la tensión de salida (tensión de carga) del divisor? a) El valor de la resistencia de carga no ejerce ninguna influencia sobre la tensión de salida. b) Mientras menor sea la resistencia de carga, menor será la tensión de salida. c) Mientras menor sea la resistencia de carga, mayor será la tensión de salida.

4. Compare los resultados del divisor de tensión de la izquierda con los del de la derecha. ëQué observa? a) En cuanto a la carga, la variación de la tensión de salida del divisor de la izquierda es mayor que la del de la derecha. b) En relación con la carga, no existe ninguna diferencia digna de mención en la respuesta de ambos divisores. c) Las resistencias de carga en el orden de magnitud de las resistencias de los divisores producen una caída relativamente grande de la tensión de salida. d) Las resistencias muy pequeñas (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente grande de la tensión de salida. e) Las resistencias muy grandes (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente pequeña de la tensión de salida.


Circuito puente El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos

divisores de tensión, de acuerdo con la siguiente imagen.

Si el divisor de tensión "superior" (compuesto por las resistencias

R1 y R2) divide la tensión de

alimentación en la misma relación que el

divisor de tensión "inferior" (compuesto por las En el siguiente experimento se debe analizar un circuito puente. Para ello se combinarán los dos divisores de tensión ya analizados en un experimento anterior.

resistencias R3 y R4), entonces, entre los puntos C y D no existe ninguna tensión (UD = 0). En

este caso se afirma que los puentes mantienen

una condición de equilibrio. La condición de

equilibrio es la siguiente:

Si se reemplazan las resistencias R3 y R4 por una resistencia ajustable, se puede emplear el circuito

puente para medir la resistencia; este tipo de

circuito lleva el nombre del físico inglés

Wheatstone y se lo conoce también como puente

de Wheatstone (véase siguiente imagen). Aquí, Rx

es la resistencia cuyo valor se debe determinar y

RN una resistencia (la mayoría de las veces

ajustable) de comparación ("resistencia normal").

El puente se introduce para la medición en estado

de equilibrio (UD = 0) y Rx se determina a partir de la siguiente relación: Experimento: Circuito puente


Abra el instrumento virtual Voltímetro A,B la siguiente imagen y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del Voltímetro B Rango de

medición: 10 V DC

Modo de

operación: AV

Ajustes del voltímetro A

Rango de

medición: 20 V DC

Modo de

operación: AV

Compare el circuito montado con el circuito puente que se representa a continuación, y que ya fuera presentado en la página anterior del curso. ëQué resistencias de la tarjeta de experimentación corresponden a los valores anotados en el diagrama de circuito? Anote sus respuestas en la tabla 1. Debe hacer las veces de resistencia de carga; para ello, inserte el conector puente B3 (véase el anterior montaje experimental).

Insertando o retirando los conectores puente B1 y B2 se puede aplicar la carga, alternativa ëQué tensión UD del puente debería esperarse entre los puntos de medición MP2 y MP6, si se toma en cuenta el hecho de que ambos divisores de tensión presentan la misma relación de división? Conecte el Voltímetro B entre estos dos puntos de medición. En el caso de que sea necesario, varíe el rango de medición y mida la tensión del puente.

Tabla 1:

R (diagrama de

circuito) R (tarjeta)

Rx RN R3 R4

Anote sus resultados en las siguientes casillas.

Tensión que debería estar entre MP2 y MP6 Uesperada = V

Tensión medida entre MP2 y MP6 Umedida = V

Ahora se debe examinar la respuesta del circuito puente sometido a carga. La resistencia R3 de la tarjeta de experimentación nuevamente, en el divisor de tensión de la izquierda y/o en el de la derecha. Mida cada tensión UB presente entre MP1 y MP3 para las combinaciones

indicadas en la tabla 2, al igual que las tensiones parciales U1 y U2 del divisor de tensión izquierdo (tensiones entre MP1 y MP2 ó bien entre MP2 y MP3) así como las correspondientes tensiones parciales del divisor de tensión derecho (tensiones entre MP5 y MP6 ó bien entre MP6 y MP3). Mida, además, en cada ocasión, la tensión UD del puente, entre MP2 y MP6. Anote todos los valores de medición en la tabla 2.


TABLA 2

Tabla 2: Divisor

Izquierdo Divisor

Derecho

B- 1 B-2 UB / V U1 / V U2 /V U1 / V U2 /V UD / V

COMPROBACIÓN ANALÓGICA DEL

“ PUENTE DE WHEASTSTONE”

Se utiliza cuando deseamos medir resistencias eléctricas por comparac están calibradas.

Se instalan cuatro resistencias R

1, R2, R3 y R4, tal como se muestra en la figura 1. Los puntos A y B se unen a los polos de una fuente de voltaje V, uniendo los puntos C y D a través de un galvanómetro G.

Las resistencias R1 y R3, están conectadas en serie, así como también lo están las

resistencias R2 y R4. Estas dos ramas están conectadas en paralelo. En el tipo de puente que se utiliza en esta experiencia (puente unifamiliar), Las resistencias R2 y R4 son sustituidas por un alambre homogéneo cilíndrico de sección perfectamente constante.

R1 R3

A B G

R2 R4

D

+ -

C

Un cursor que desplaza sobre el puente hace las veces del punto D. Al cerrar el circuito con la llave S, se origina una corriente I; que al llegar al punto A se bifurca en dos: una

ö ç


parte pasa por la resistencia R1 (corriente I1) y el resto a través de la resistencia R2, (corriente I2).

Entonces se tiene: I +=

2 1 I I En la figura dos se puede observar que la diferencia de potencial entre los puntos A y B, es común para las dos ramas: rama formado R1 y R3 y la rama formada por las resistencias R2 y R4.

Se consigue el equilibrio del puente dando un valor fijo a R1, y desplazando el cursor D hasta que el galvanómetro marque 0, es decir, corriente nula.

Entonces la ecuación toma la forma:

La resistencia de un conductor homogéneo en función a su resistividad. ρ está dado por la relación:

L Rr …………………….3

÷ A

ø è

Si reemplazamos (3) en (2) obtenemos:

ö æ

L 4R

Rx

= ………………….4 ÷

ç

R R=

………………………1

1 2

R R 3 4

æR =

…………….2

R R ÷ = ç 4 R ø ö

èx 1 3

R 2

L 1

ø è

2

Con este resultado podemos determinar fácilmente el valor de la resistencia desconocida Rx.

RO OC

CE ED

DIIM MIIE

EN NT

TO O..

4.4.-- PPR

1. Arme el circuito de la figura 2. Considere una resistencia R1 del tablero de resistencias y seleccione otra resistencia Rx de la caja de resistencias.

2. Varíe la posición de contacto deslizante D, a lo largo del hilo hasta que la lectura del galvanómetro sea cero.


3. Anote los valores de longitudes del hilo L2 y L4 así como también el valor de R1 en la tabla 1.

4. Utilizando la ecuación halle el valor de la resistencia Rx luego compárelo con el valor que indica la caja de resistencias (década).

5. Repita los pasos 1,2,3 y 4 para otras resistencias anotándolas en la tabla 1 6. Complete la tabla 1.

Caja de Resistencia R1 (Ohm)

Longitud del Hilo Resistencia

Medida (Ohm)

Porcentaje de Error

tEEE

100exp

´÷øöçè-æ

t

L2

(cm) L4

(cm.) Con el Equipo

Código de

Colores

UE ES

ST TIIO

ON NA

AR RIIO

O.. 55..--

CCU

1.- Justifique la expresión (4) utilizando las leyes de Kirchhoff.

2.- ëCuáles cree que han sido las posibles fuentes de error en la experiencia realizada?

3.- ëCómo cree que podría evitar estas fuentes de

%

TABLA 1

error?

4.- Explique Ud. qué condiciones físicas existen cuando no pasa corriente por el galvanómetro.

5.- ëCuáles son los factores que influyen en la precisión del puente de Wheatstone al tratar de conocer el valor de una resistencia desconocida? ëPor qué?

6.- ëCuál sería la máxima resistencia que se podría medir con el puente de Wheatstone? La máxima resistencia que puede medirse con el circuito tipo puente es

7.- ëPor qué circula corriente por el galvanómetro cuando el puente no está en condiciones de equilibrio? Explique detalladamente.

8.- ëCuáles son las ventajas y desventajas de usar el puente? ëPor qué?


COMPROBACIÓN ANALÓGICA DEL

GALVANOMETRGALVANOMETROO

BJ JE

ET TIIV

VO OS

S.. 1.1. OOB

· Conocer el funcionamiento de un galvanómetro y la versatilidad del mismo. · Diseñar y construir un amperímetro utilizando un galvanómetro. · Diseñar y construir un voltímetro utilizando un galvanómetro. · Conocer como poder ampliar un rango de medidas de un voltímetro.

UN ND

DA AM

ME EN

NT TO

O T TE

EO

OR RIIC

CO O..

2.2. FFU

El galvanómetro es un instrumento destinado a revelar el paso de corriente circuito. En su forma más simple, consiste en una aguja imanada unida de espiras) y esta a su vez enrollado a un cilindro de hierro (núcleo sistema bobina-núcleo de hierro está colocado dentro de los polos de un imán de valor c corriente a ser medida al pasar por el alambre de la bobina genera un interacciona con el campo magnético del imán produciendo una torsión de la bobina y por ende la deflexión de la aguja del galvanómetro. La desviación que experim cuanto mayor es la intensidad de la corriente que pasa por la bobina y c él.

El galvanómetro que utilizaremos tiene un valor máximo de corriente aproximadamente 5*104 A y su resistencia interna es de unos 90 W

RO OC

CE ED

DIIM MIIE

EN NT

TO O

3.3. PPR

1. Cálculo de resistencia interna Rg y la intensidad máxima Ig del galvanómetro.

1.1 Arme el circuito de la figura 1. En la caja de resistencia (década), elija el valor de R (de aproximadamente 400 W

Figura 01 Figura 02


1.2 El circuito de la figura 2 es el mismo de la figura 1, pero ahora se conoce R y se ha

R’aprox.100W

1.3 El circuito de la figura 3 es igual al circuito de la figura 1, pero ahora conocemos R y Rg (R’ = Rg). Tome el voltimetro y mida el voltaje de la fuente (la llave S cerrada) Calcule el valor de Ig mediante Ig = V/(R+Rg)

IgRg = IshRsh

sh.

Encuentre el porcentaje de error.

2.3 Construya un circuito cualquiera que proporcione intensidad de corriente en el rango de 0 m A a 50 m A, elija un valor y mídelas con el amperímetro de la base ancha y luego

V

R

G

2. Construcción de amperímetro de 0 a 50mA

agregado una resistencia R’ en paralelo al galvanometro marque la posicion 2.5; en ese instante por el galvanometro y por R’ es igual al de la resistencia del galvanometro Rg.

Primero calcule teóricamente el valor de Rsh. Figura 03 En la figura se cumple:

G

I

I Rsh Rsh =

( I

Ig )

G

voltios

U E E S S T T I I O O N N A A R R I I O O . . 4 1. ë P or qu é e s n ec es ario qu e un g al v a nó m etro te ng a u n a res i s ten c i a m u y ba 2. ë Q ué c arac terís ti c as f ís i c as l i m i tan l a i nte ns i da d d e l a c orr i en te qu e p as a 3. ë Q ué f ue nte s d e e r r or h a o bs erv ad o a tr av és de l ex p e r i m en to? Cl as i f íqu

compárelo con el amperímetro diseñado.

3. Construcción de un voltímetro de 0 a 5v

Primero calcule teóricamente el calor de Rsh

RshIg + RgIg = V Rsh = (V – IgRg)/Ig

3.1 Utilizando el reóstato como divisor de voltaje, elija un valor entre 0 v a 5v y luego compárelo con su voltímetro que usted ha diseñado.

4. ëPor qué un voltímetro debe tener una resistencia elevada? Explique.

5. ëPor qué un amperímetro debe tener una resistencia baja? Explique.

6. ëSe podría transformar un voltímetro en un amperímetro? Explique. .

7. ëQué cambios tendría que hacerse en los circuitos para diseñar y construir un amperímetro que permita medir corrientes en rangos más amplios?


ResiResisstteencinciaa VVarariiaablblee

ExperExperiieencinciaa N_

_55

1. OBJETIVOS

· Mostrar cómo es el comportamiento de las resistencias variables.

· Caracterizar sensores resistivos.

· Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.

2.- MATERIALES La tarjeta insertable UniTrain-I de Resistencias variables, SO4203-7B, sirve para analizar esta clase de resistencias, siendo posible estudiar los siguientes tipos:

Fotorresistencia (LDR)

Termorresistencia con coeficiente negativo de temperatura (NTC) Termoresistencia con coeficiente positivo de temperatura (PTC) Varistores (VDR)

Para observaciones sencillas, se puede prescindir de la aplicación de la tecnología de medición puesto que las resistencias (excepto la VDR) reaccionan muy sensiblemente a las influencias externas. La sensibilidad de los componentes se puede variar por medio de potenciómetros o resistencias conectadas en serie. Se puede comprobar la reacción de los componentes que reaccionan a los cambios de temperatura simplemente con el tacto (temperatura corporal). La alimentación de tensión se realiza por medio del sistema de bus UniTrain-I o por los experimentadores.

Resistencias variables termorresistencias (NTC)

Las termorresistencias NTC (NTC = Coeficiente Temperatura Negativa) son semiconductores

fabricados con cerámica policristalina de óxidos mixtos, que se emplean en mayor grado para

la medición de la temperatura. En los materiales semiconductores, la cantidad de portadores libres de carga se eleva con el aumento de la temperatura, de manera que la resistencia

eléctrica disminuye ante dicho aumento de temperatura. Por esta razón se los denomina

también termistores. Con temperatura ambiente, presentan un coeficiente negativo de

temperatura en el orden de magnitud de -3 a -5 % por grado. El rango típico de temperatura va de -60 C a +200 C. La dependencia en función de la temperatura obedece a la siguiente

ecuación: T : Temperatura en K

3. - F F U U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O

T0 : Temperatura de referencia

B : Constante dependiente del material


La temperatura de referencia y la constante dependiente B del componente se pueden tomar de la correspondiente hoja de datos. Las temperaturas se deben expresar en Kelvin. La

transformación de la temperatura a grados Kelvin se realiza por medio de la ecuación:

T = (J + 273_C).

Las resistencias NTC poseen una sensibilidad esencialmente mayor que los termómetros de

resistencia metálica. Entre los campos de aplicación se encuentra todo tipo de medición y

control automático de temperatura. La desventaja de muchas aplicaciones, no obstante, radica en que la curva de la resistencia no es lineal sino exponencial. Por tanto, se debe llevar a cabo

una linealización de dicha curva.

La tabla siguiente muestra, a manera de ejemplo, los valores básicos de una resistencia NTC, con una temperatura de referencia de T0 = 25_C y un valor de resistencia correspondiente de R25 = 5 kW.

Tabla 1: Valores básicos de una resistencia NTC. (R25 Temperatura

de medición

en _C

0 20 25 40 60 80 100 120

Valores

básicos

en ohmios

16325 6245 5000 2663 1244 627,5 339 194,7

La imagen siguiente muestra la característica correspondiente (curva roja) junto con la característica de una resistencia que tiene un valor de referencia de 10 k (curva azul).

4.- PROCEDIMIENTO

Característica estática de resistencia NTC

En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de las resistencias NTC. Para ello se registrará la característica de una resistencia de este tipo y se discutirán los posibles rangos de aplicación de este tipo de resistencias. Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección II de la tarjeta de experimentación SO4203-7B: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua y seleccione los ajustes que se

detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Voltímetro A y Amperímetro B, seleccione los ajustes que se

detallan en la tabla siguiente

Ajustes de la fuente de

tensión continua Rango: 10 V Tensión de

salida: 1 V

Ajustes del Amperímetro B

Rango de medición: 20 mA DC Modo de operación: AV Shunt: 10 ohmios

En el caso de que realice la medición de corriente empleando el amperímetro virtual, abra el instrumento y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.


medición: 5 V DC

Modo de

operación: AV

Ahora, ajuste la tensión de alimentación

Ue, empleando uno


tras otro, los valores expuestos en la tabla 1. Mida cada tensión U en la resistencia NTC, al igual que la corriente I que

fluye por la resistencia y anote los valores de medición en la tabla. Antes de ajustar un nuevo valor de tensión, espere siempre aproximadamente un minuto antes de llevar a cabo la medición de corriente. Si pulsa la pestaña "Diagrama" de la tabla, después de realizar todas las mediciones, podrá visualizar gráficamente la característica resultante.

AR RIIO

El grado de calentamiento de la resistencia durante el servicio depende de la potencia consumida. Si se registra esta potencia en función del valor de la resistencia, se obtiene la característica de temperatura de la resistencia. Calcule la potencia P = U· I y la resistencia R = U/I para cada medición documentada en la tabla 1, y anote en la tabla 2 los valores obtenidos. A continuación, visualice las correspondientes curvas características.

2 2

TABLATABLA

UE ES

ST TIIO

ON NA

5.5.-- CCU

1.- ëPor qué es necesario esperar aproximadamente un minuto antes de medir la

corriente después de realizar una modificación de la tensión? a) En primer lugar, la tensión de alimentación debe estabilizarse b) La resistencia NTC se calienta ante el flujo de corriente. De esta manera disminuye la resistencia y la medición sólo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado su valor estacionario. c) La resistencia NTC se enfría ante el flujo de corriente. De esta manera disminuye la resistencia y la medición sólo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado su valor estacionario. d) No existe ningún motivo en especial para esperar antes de medir la corriente

2.- ëQué afirmaciones podría realizar en relación con la característica obtenida?

a) La pendiente de la característica es constante b) La pendiente de la característica varía. c) La tensión en la resistencia NTC adopta un valor máximo. d) La tensión en la resistencia NTC aumenta continuamente. e) Si la tensión asciende, disminuye la pendiente de la característica. f) Si la tensión asciende, aumenta la pendiente de la característica.

TABLA1:


3.- ëA qué conclusión puede arribar a partir de las dos características obtenidas?

a) Si la temperatura aumenta, disminuye el valor de la resistencia NTC. b) Si el consumo de potencia aumenta, se incrementa el valor de la resistencia NTC c) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye el valor de la resistencia NTC. d) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye la temperatura de la resistencia NTC. e) Si el consumo de potencia aumenta, aumenta la temperatura de la resistencia NTC. f) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura, deberían operar con bajas intensidades de corriente para evitar los efectos del calentamiento. g) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura, deberían operar con elevadas intensidades de corriente para obtener resultados estables.

Potencia eléctrica– –

ExperExperiiee

ncinciaa NN__ 66

1.- OBJETIVOS

1. Mostrar la potencia eléctrica como función del voltaje y de la corriente, calculando y midiendo la potencia disipada en una resistencia conforme aumenta el voltaje.

2. Demostrar el Voltaje y Corriente de carga y descarga de un condensador 3. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo

magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente

eléctrica y veremos el comportamiento de una bobina La potencia eléctrica es mayor mientras mayor sea la tensión y mayor sea la corriente. Para la potencia P es válida la relación: La unidad de la potencia eléctrica recibe el nombre de Watt (W), el inglés que la definió. 1 W es la potencia de una corriente continua de 1 A con una tensión continua de 1 V. La potencia absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un

voltímetro y un amperímetro. Una medición directa de potencia se puede realizar por medio de un vatímetro.

Si en la fórmula anterior, de acuerdo con la ley de

Ohm, para la potencia, se reemplaza la tensión U por el producto I · R, se obtiene la ecuación: Si en la ecuación inicial, por el contrario, se reemplaza la corriente I por el cociente U/R, se obtiene la relación:

Experimento: Medición de potencia

En el experimento siguiente se debe examinar la medición indirecta de la potencia eléctrica por medio de una medición paralela de corriente y tensión. Monte el circuito experimental representado a

- - P P o o t t e e n n c c i i a a E E l l é é c c t t r r i i c c a a F

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III continuación: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua, y seleccione los ajustes. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER. Abra el instrumento virtual Voltímetro A, y el instrumento

Amperímetro B, y seleccione los ajustes. Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión UPS de 1 V. Mida la tensión U1 a través de la resistencia R1 al igual que la corriente resultante I1 en miliamperios y anote los valores obtenidos en la correspondiente columna de la tabla siguiente. A partir de ello, determine la potencia P1 absorbida por la resistencia en mW y anote de igual manera el resultado en la tabla. Repita el experimento para las tensiones de entrada de 2V, 5V y 10 V y anote los valores en las líneas correspondientes de la tabla.

Tabla 1:

Exp Ups ( V ) U1 ( V ) I1 (mA) P1 (mW)

1 1 2 2 3 5 4 10

Ahora, en el montaje experimental, reemplace la resistencia R1 de 1 k W por la resistencia R2 de 500 W y repita la serie de mediciones. Anote los resultados de las

mediciones, al igual que los valores de potencia calculados, en la siguiente tabla (tabla 2).

TABLA 2

Exp Ups ( V ) U2 ( V ) I2 (mA) P2 (mW) 1 1 2 2 3 5 4 10

CUESTIONARIO. (POTENCIA)

1.- ëCuáles de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La resistencia pequeña absorbe escasa potencia con la misma tensión. B) La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma tensión. C) Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida. D) Si se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbida.

2.- ëCuáles de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La potencia total es independiente de la tensión que se aplica. B) La potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplica. C) La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica. D) La resistencia pequeña absorbe una cantidad mayor de potencia. E) La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia.


Los condensadores son estructuras en las que se pueden almacenar cargas eléctricas en

reposo. En su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que

representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma

una diferencia de potencial eléctrico (tensión) U entre los electrodos. La imagen siguiente muestra como ejemplo un condensador de placas, con la superficie A y la distancia

entre placas d, que porta la carga Q. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo

eléctrico entre las placas (no representado en esta imagen). Entre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se conoce como dieléctrico (no representado en la parte superior). Entre la carga y la tensión existe una relación lineal; es válida la siguiente relación La magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio (símbolo: F).

La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende únicamente de la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. Para un condensador de placas es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, ε0 es la constante eléctrica de campo y posee un valor de 8.8542·10-12AS/Vm, εr es el índice dieléctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distancia entre placas. Si un condensador se conecta a una tensión continua U0 a través de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensión, proceso durante el cual la tensión del condensador, de acuerdo con una función exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U0 (100%) (curva de carga de un condensador, véase la imagen de la izquierda). Si, a continuación, se desconecta el condensador de la fuente de tensión y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (véase la imagen de la derecha).

- - C C O O N N D D E E N N S S A A D D O O R R E E S S F

Proceso de carga del condensador en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un

condensador de 100 µF (curva de la tensión del condensador y corriente de

carga). Monte el circuito experimental representado a continuación. La siguiente figura ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento.

Ajustes de la

fuente de tensión continua Rango: 10 V Tensión de salida:

10 V

Aplique ahora un salto de tensión al condensador, conectando la fuente

de tensión continua por medio de la tecla POWER. Arrastre el oscilo grama obtenido hacia la siguiente ventana

Ajustes del osciloscopio Canal A 5 V / div Canal B 200 mV / div Base de tiempo:

200 ms / div

Modo de operación:

X/T, DC

Trigger: Canal A / flanco ascendente / SINGLE / pre-Trigger 25%

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos | Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.


CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)

1.- ëCuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se conecta la tensión continua?

A) Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este valor.

B) Asciende linealmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

C) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

D) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuación, vuelve a descender a 0V

2.- ëCuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la tensión continua?

A) Durante todo el proceso de carga se mantiene constante. B) En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta llegar a

cero. C) Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo. D) En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende

exponencialmente hasta llegar a cero.

3.- ëQué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor máximo de la corriente de carga?

A) Ninguna. B) La corriente de carga disminuiría. C) La corriente de carga ascendería.

Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado. 4.- ëQué sucede con la tensión del condensador?

A) Permanece constante. B) Aumenta. C) Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V. D) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

5.- ëCómo se puede explicar esta reacción? A) El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa una resistencia óhmica.

A) El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición. B) El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al exterior.

Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANALOG IN), separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuación, conecte A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo.

6.- ëQué se puede observar en contraposición a la medición continua? A) No se observa ninguna diferencia con la medición continua. B) La tensión desciende ahora más rápidamente. C) La tensión desciende ahora más lentamente. D) La tensión permanece ahora constante.


Fundamento Teórico DE LA BOBINA EN EL CIRCUITO

DE CORRIENTE CONTINUA

Inductancia de una bobina

Junto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magnético. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica.

La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensión de autoinducción. Para una bobina alargada es válida la siguiente relación: En esta ecuación, µ0 es la constante magnética de campo, µr la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, N el número de espiras, l la longitud de la bobina y A su sección transversal (véase la imagen siguiente).

La unidad de la inductancia es el henrio (símbolo H, 1 H = 1 Vs/A). Una bobina tiene una inductancia igual a 1 H si durante la modificación uniforme de la corriente que fluye por ella en 1 A por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a 1 V.

Conexión y desconexión de una bobina

Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella es constante -tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexión- de manera que no

se genera ninguna tensión de autoinducción. La bobina actúa, por tanto, en este caso, como una resistencia óhmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeño), resulta del valor de resistencia específico del material de la bobina al igual que de la longitud y sección transversal del alambre.

Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magnético; debido a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensión de autoinducción que actúa

opuestamente a la tensión aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito eléctrico (como ocurriría con una carga resistiva), sino que la corriente asciende paulatinamente hasta alcanzar un determinado valor final. Si se desconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magnético se origina una tensión de autoinducción, que tiene el mismo sentido que la tensión que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnéticos puede adoptar valores más elevados. La tensión de autoinducción, en principio, mantiene el flujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no varía abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar a cero.


Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de una bobina. Para ello, en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.

Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la tarjeta de experimentación SO4203-6A: Aquí se debe cablear el relé 1 de manera que el clavijero X48 de la tarjeta de experimentación, en estado de reposo, se encuentre conectado al relé con la salida S (ANALOG OUT) de la interfaz. La siguiente animación ilustra el montaje experimental: Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua,y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Osciloscopio, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del osciloscopio Canal A 2 V / div Base de tiempo:

10 µs / div

Modo de operación:

X/T, DC

Trigger: Canal A / flanco ascendente / pre- trigger 25%

Abra el panel de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la imagen que se encuentra a continuación.


Cortocircuite brevemente el relé 1 del panel para desconectar la bobina de la alimentación de tensión. Arrastre con el ratón el oscilograma obtenido en la siguiente ventana, y vuelva a conectar el relé en la posición inicial.

CUESTIONARIO (LA BOBINA)

1.- ëCuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2?

A) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V B) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V. C) Salta inmediatamente a 0 V Permanece constante

Ahora, reemplace la resistencia de descarga: R2 = 500 _ por la

resistencia R3 = 1500 _ y repita el experimento. Lleve el oscilograma a la siguiente ventana.

2.- ëCómo varía la curva de tensión?

A) No varía en lo absoluto. B) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación. C) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una pronunciación

marcada. D) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación. E) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una pronunciación

marcada. F) La tensión permanece constante.

7


Campo Magnético Terrestre

ComponentComponentee HHororiizzontontaall Noo7

nc ciia

a N ExperExperiieen

MAGNETISMO

El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado por el hecho de que, los cuerpos que poseen esta propiedad, ejercen fuerzas de atracción y repulsión sobre otros objetos. Determinados materiales poseen características magnéticas y se conocen por tanto como imanes o magnetos. Todo imán tiene dos polos: el polo norte y el polo sur (dipolo magnético). Seguramente, usted conoce las siguientes formas de imanes: Ambos polos atraen objetos que, por lo menos parcialmente, están constituidos por materiales ferromagnéticos.

Materiales magnéticos Materiales diamagnéticos Plata, cobre, bismuto, agua. Éstos atenúan muy poco el campo, es decir, no son magnéticos. Materiales ferromagnéticos Hierro, cobalto, níquel. Éstos intensifican el campo considerablemente. Materiales paramagnéticos Platino, aluminio, aire. Éstos intensifican el campo muy levemente.

Campo magnético de la Tierra Haciendo una simplificación, la Tierra se puede considerar como un imán de barra, que ejerce una fuerza de atracción y repulsión sobre otros imanes. Por esta razón, como bien se sabe, la aguja imantada de una brújula se orienta hacia los polos de la tierra, a lo largo de las líneas de campo. También parece que algunos animales, como las palomas, utilizan el campo magnético de la tierra para orientarse. El polo norte de una brújula indica aproximadamente la dirección del polo norte geográfico. En este caso, aparentemente, existe una contradicción con la regla de los polos (polos opuestos => atracción). En realidad, el "imán de barra"

terrestre encuentra polarizado

inversamente, está contenido en el núcleo líquido exterior de la tierra y tiene una inclinación de unos 12_ con respecto al eje de rotación de la Tierra.

Origen del campo magnético terrestre

El núcleo interno de la tierra es sólido y el núcleo externo es líquido. En el núcleo líquido exterior se produce la convección (movimiento circular) de la mezcla líquida de hierro, níquel y azufre, lo que causa una corriente eléctrica de magnitud inimaginable. Esto origina una inducción electromagnética en el núcleo de la Tierra, que produce, a su vez, un gigantesco campo magnético.


La brújula

Una brújula consta básicamente de un imán apoyado sobre el centro del eje, lo que le permite rotar libremente. Por lo general, la brújula tiene una forma pequeña y sus extremos terminan en punta. Por esta razón se habla de la aguja imantada de la brújula. Bajo el efecto del campo magnético de la Tierra, la aguja se orienta siguiendo el sentido de las líneas de campo. Es decir, el polo norte de la brújula señala aproximadamente en la dirección del polo norte geográfico Ubicación geográfica de los polos En realidad, el polo magnético sur de la Tierra queda cerca del polo geográfico norte. En el mapa se puede ubicar exactamente el polo magnético a 74_ de latitud norte y 100_ de longitud oeste.

El polo magnético norte queda en el plano exactamente a 72_ de latitud sur y 155_ de longitud este. Se debe tener en cuenta que los polos magnéticos se desplazan lentamente. Los valores mencionados se refieren a mediciones de los años 70.

CÁLCULO DEL Campo magnético de la Tierra

Coloque la brújula sobre la mesa y observe la dirección que indica la aguja. Gire la brújula repetidamente en diferentes direcciones. ëCómo se comporta la aguja?

Consejo: Mantenga la brújula alejada lo suficiente de los imanes de barra. A 0,5 m de distancia, la influencia es todavía clara, mientras que a 1 m, por lo general, es suficientemente

escasa

. La aguja se orienta cada vez en otra dirección.

La aguja se orienta siempre en la misma dirección.

En la gráfica, la brújula está rotulada con los puntos cardinales. ëCuál es la

rotulación correcta? ëCuál es la polaridad del lado de la aguja magnética que se orien

ta hacia el polo norte geográfico?

1.. O OB

BJ JE

ET TIIV

VO OS

S

· Determinar las características del campo magnético de la Tierra. · Determinar la componente horizontal del campo magnético terrestre en el laboratorio. · Analizar el comportamiento de una barra magnética en un campo magnético.

ES S


AT

TE ER

RIIA AL

LE

2.2. MMA

Magnético respecto de la dirección del meridiano geográfico se llama declinación magnética (D) y puede estar posicionado a la izquierda (W) o a la derecha (E) del meridiano geográfico. Por convención se estableció que las declinaciones magnéticas posicionadas al W (oeste) del meridiano geográfico que pasa por el lugar serán Negativas (D -) y las que estén a la derecha o E (este) serán Positivas (D +). Estudios realizados durante muchos años permitieron establecer que la D (declinación magnética) mantiene un sentido de crecimiento o aumento de su valor en grados hasta llegar a un valor máximo que mantiene durante un período considerable para comenzar a decrecer (disminución de su valor en grados). Las líneas de fuerza salen e ingresan al núcleo de la Tierra atravesando la corteza terrestre, son tangenciales al meridiano magnético. El meridiano magnético describe un arco que provoca que al ingresar en el polo norte magnético lo hagan en forma vertical a la superficie terrestre. Cuando la inclinación es horizontal las líneas de fuerza están ubicadas en el Ecuador Magnético y a medida que se alejan hacia los polos se inclinan hasta llegar a la verticalidad en los polos, saliendo del polo sur e ingresando en el polo norte magnético. La intensidad del campo magnético terrestre B en un punto dado depende de sus polos magnéticos y es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. Cuando una barra magnetica suspendida mediante un hilo muy delgado formando un angulo Χ con la componente horizontal del campo magnético terrestre, inicia un movimiento oscilatorio debido al torque producido por la fuerza magnetica, como se muestra. Si el angulo Χ < 15o entonces el movimiento de la barra magnética se podrá considerar como armónico simple, en este caso su periodo de oscilación esta dado por:

BI

U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O 3

Es muy conocido que la aguja de una brújula se orienta de sur a norte debido al campo magnético terrestre. “La Tierra se comporta como un gigantesco iman”. La aguja magnética de la brújula se orienta según las líneas del campo magnético de la Tierra, las cuales no coinciden exactamente con las líneas del meridiano geográfico.

Fig. 1

El ángulo que forma el Meridiano

m x

T p2=


Donde, I es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotación, µ es el momento magnético de la barra y BX es la componente horizontal del campo magnético terrestre. Por definición, el momento magnético de la barra está dado por:

µ = m . L (2)

donde, m es la “ la carga magnetica “ o tambien llamada “masa magnetica” y L es la distancia entre las “masas magneticas”. De la ecuacion (1) se deduce que:

4 2 B x = m pT I 2

M I =

( a 12 2 + ) b 2

b b

Figura 2

a

(32LdkmL d B P = 4 - ) 2 2 2

Wb k

710-=

Am

L Bt

_

m

-

Bp

N

P m

d

Bx

S

8 = pB x ( 2 T k I d 4 d L ) - 2 2

Figura 3

Si la barra magnética se orienta perpendicularmente al campo magnético terrestre, se encuentra que, en el punto P, el campo magnético total, BT, está en la dirección como el que se muestra en la Figura 3. Cuando el ángulo f

p = Bh. Cuando esto ocurre la ecuación (5) se transforma en:

è


4.- PROCEDIMIENTOS

4.1 Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las calibraciones de los equipos

4.2 Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magnética, M, en

kilogramos. Con el vernier mida las dimensiones, “a” y “b”, de la barra magnetica. A partir de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magnética usando la siguiente expresión:

+ æb

a 2 (7)

122

÷ M

I =

ø ö

Anote tus resultados en la Tabla 1. TABLA 1

MASA M(kg)

LONGITUD a(m)

ANCHO b(m)

MOMENTO DE INERCIA

I (kg-m2)

4.3 Determina la distancia , L, entre los polos magnéticos del imán. Para ello utilice la brújula.

Antes de realizar la medición desaloje de la mesa de trabajo todo material magnético, como por

ejemplo, reloj, anillos, gafas, etc. Coloque la barra magnética en el centro de la mesa y con la ayuda

de la brújula trace algunas líneas de fuerza, que se salgan de los polos.

Prolongando las líneas trazadas en la dirección en que ellas parecen converger para encontrar la posición de los polos magnéticos. Observe la

Figura 4, mida la dista ncia L (distancia entre los polos magnéticos), y anote el

valor en la Tabla 2.

4.4 Determine la dirección del campo magnético terrestre, retirando lo más lejos posibles la barra magnética y coloque la brújula en el centro de la mesa. Trace la dirección del campo magnético terrestre.

4.5 Trace una perpendicular a la dirección del campo magnético terrestre y sobre esta recta

L

Figura 4

alinee la barra magnética, tal como se muestra en la Figura 3. El punto P es la intersección de las dos rectas que se han trazado.

4.6 Coloque la brújula en el punto P. Acercándose o alejando la barra magnética al punto P se consigue que las agujas de la brújula formen un angulo Φ = 45o. En esa posicion mida la distancia “d” y registre este dato en la Tabla 2.

4.7 Suspenda la barra magnética en la horquilla del magnetómetro y alinéela en la dirección del campo magnético terrestre. Con la ayuda de otra barra magnética produzca oscilaciones con ángulos de giro no mayores de 10 , que no tenga vibraciones laterales. Retire todos los cuerpos magnéticos una vez que la barra esté oscilando.


4.8 Mida el tiempo que emplea la barra magnética en realizar 10 oscilaciones completas y determine su periodo T. Repita esta medición 5 veces como mínimo y registre estos valores en la Tabla 2.

Tabla 2

N DE MEDICIONES 1 2 3 4 5 N DE OSCILACIONES TIEMPO: t(s) PERIODO: T(s) T = L = ( ) m d = ( ) m Bh =

Observación: 1 nT = 1 nanotesla = 10-9Tesla (T).

5.- CUESTIONARIO

5.1 Utilice la ecuación (6) para calcular la magnitud de la componente horizontal del campo magnético terrestre en el Laboratorio. Compare su respuesta para el campo magnético de la Tierra en laboratorio con el valor teórico obtenido del modelo de referencia del campo geomagnético 2000, que se encuentra en la página web en línea http://www.ngdc.noaa.gov/cgi-bin/seg/gmag/fldsnth2.pl y discuta las razones para las discrepancias en los resultados.

Tabla 3 - Coordenadas geográficas y altura en msnm en el patio de la FCF usando un GPS de 100 m de resolución espacial.

# LATITUD LONGITUD ALTURA HORA LUGAR 1 12° 03’ 36’’ 77° 04’ 54’’


Electromagnetismo e inducción magnética

ExperExperiieencinciaa NNo o

88

La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente eléctrica manifiesta un efecto magnético.

El electromagnetismo abarca los fenómenos físicos que tienen que ver con el efecto de las cargas y corrientes eléctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenómenos. En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó el electromagnetismo.

En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el físico y químico británico Michael Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la conversión del magnetismo en electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus trabajos bajo el concepto de "inducción electromagnética", trabajo que lo hizo famoso.

CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELÉCTRICO

Todo conductor eléctrico por el que circula una corriente genera un campo magnético. Dicho campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por el que fluye una corriente:

Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas. Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del tornillo":

Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido técnico del flujo de la corriente.

1.- Experimento: Campo

magnético de un conductor

1 Con una brújula se verificará el campo

magnético de un conductor por el que circula corriente. Monte el siguiente arreglo experimental: Aleje el imán por lo menos 50 cm de la brújula.

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III Anote la posición de la aguja magnética, la cual se ve determinada básicamente por el campo magnético terrestre. En la animación, pulse el botón STEP2 y complete la última conexión como se indica. De este modo, por el conductor circulará una corriente de aprox. 1 A.

ëCómo se comporta la aguja imantada cuando se cierra el circuito eléctrico? Anote lo observado.

ëQué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por el que circula la corriente? Anote lo observado.

2.- Experimento: Campo magnético de un conductor 2

Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si por ambos circula corriente. Además, se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna influencia.

Modifique el arreglo anterior como se muestra a continuación: A) Juzgue la intensidad del campo magnético en el interior de un bucle conductor, comparada con la intensidad del campo en un conductor, si por ambos circula la corriente: a) En el caso del bucle conductor la deflexión de la aguja es: …………………………………………. b) El campo magnético del conductor sin bucle es:…………

Permute los terminales del bucle conductor en la alimentación de corriente. Así se modifica la polaridad de la corriente. ëQué efecto ejerce este cambio sobre el campo magnético?

3.- Campo magnético de una bobina

En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas. Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también presentan un campo magnético:


4.- Verificación del campo magnético de una bobina Con una brújula se analizará una bobina mientras por ella circula una corriente al igual que cuando no se aplica ninguna corriente. En este caso, se

determinarán ciertas propiedades magnéticas y la forma de las líneas de campo.

Monte el siguiente arreglo experimental: · Retire la brújula de su soporte y acérquela

lentamente a la bobina. · Observe la orientación de la aguja de la brújula.

Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo.

· Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente. · Observe la dirección de la corriente.

ëQué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? Anote lo observado

ëQué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? Anote lo observado

Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones:

A) ëLa aguja de la brújula se orienta? B) ëLas líneas de campo describen un arco?

La materia en el campo magnético

Intensidad de campo H y densidad de flujo B Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia entre dos magnitudes:

La intensidad de campo H, conocida también como excitación magnética, se genera únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro). Caracteriza el origen del campo magnético.

La densidad de flujo B es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorentz al igual que de la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracteriza el efecto del campo magnético.

La materia en el campo magnético

Si una bobina se encuentra en el vacío (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en la atmósfera), es válido lo siguiente:

= 4 µ · 10 -7Vs/Am

Constante de campo magnético µo Unidad SI de la intensidad de campo H

A/m

Unidad SI de la densidad de flujo magnético B T (Tesla) = Vs/m 2

B = µ0 · H

Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad de campo H), la densidad de flujo magnético B varía si se introduce materia en el interior de una bobina.

Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de permeabilidad magnética relativa µr:

µr = B (materia) / B (vacío)

De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres grupos principales:

Diamagnéticos: µr < 1 Paramagnéticos: µr > 1 Ferromagnéticos: µr >> 1 µ

En los dos primeros grupos, µr se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro magnetos, se da el caso contrario puesto que µr puede alcanzar valores 100.000 veces mayores.

Bobina con núcleo de hierro

Si se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquél se

verá magnetizado por ésta. Así se produce un electroimán:

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III El campo magnético resultante es mucho más fuerte que el de la bobina sin núcleo de hierro.

5.- Efecto del núcleo de hierro

Con una brújula se analizará una bobina con núcleo de hierro, por la que circula corriente. Se compararán las propiedades magnéticas de

la bobina con y sin núcleo de hierro. Monte el siguiente arreglo experimental:

ëQué puede afirmar acerca del comportamiento de la brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se realiza una comparación con lo que sucede cuando el núcleo se encuentra ausente?

Efecto dinámico magnético Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que se introduce en una bobina. Monte el siguiente arreglo experimental: Introduzca y saque repetidamente el imán del devanado de la bobina con corriente. ëQué se siente?

Histéresis

En los materiales ferromagnéticos no existe una relación lineal entre la densidad de flujo magnético B y la intensidad del campo magnético H. En las Imágenes muestra la curva de magnetización. Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, éste se comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores. Pulse el botón 1 y podrá observar la nueva curva de magnetización: (Anote lo observado)

Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye: (Anote lo observado)

Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero: (Anote lo observado)

Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis: (Anote lo observado)

Materiales de magnetismo fuerte y débil

La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeño, es una propiedad de los materiales que permite diferenciarlos entre: magnéticamente fuertes y magnéticamente débiles


6.- EXPERIMENTO DE REMANENCIA

Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se verificará su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad invertida.

Monte el siguiente arreglo experimental: · Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro. · Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que

circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo. · Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada.

A) ëConserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha actuado sobre él? (Mantenga el imán permanente a suficiente distancia) (Anote lo observado)

B) ëCuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado)

Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética.

C) ëCuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado)

Fuerza de Lorentz Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos. Regla de la mano derecha

Un método sencillo para determinar el sentido de la fuerza de Lorentz es la llamada regla de la mano derecha.

Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido técnico de la corriente) inducción magnética B del campo magnético exterior fuerza F (fuerza de Lorentz)son perpendiculares entre sí. Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano

derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud.

Inducción.- En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable. La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores y en los transformadores.

Ley de la inducción Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción. Una variación del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la superficie A, la tensión de inducción. Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada arrollamiento se suman para conformar la tensión total

7.- Experimento 1 de inducción

En una bobina sin núcleo se generará una tensión con el movimiento de un imán permanente.

Dicha tensión se medirá con un voltímetro.

Monte el siguiente arreglo experimental: Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú de instrumentos de medición o pulse sobre la imagen del instrumento. Realice los siguientes a justes: Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Conecte la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del devanado de la bobina. ëQué se puede observar en el voltímetro? (Anote lo observado)

8.- Experimento 2 de inducción

Se variará el campo magnético sin realizar ningún movimiento, encendiendo y apagando la corriente en una "bobina de campo". Se observará la tensión inducida en una segunda bobina y se medirá esta tensión con un voltímetro. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual voltímetro y realice los siguientes ajustes: Rango: 0,5 V, DC Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)

Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. ëQué se puede observar en el voltímetro? (Anote lo observado)

9.- SUGERENCIAS YCONCLUSIONES

VO OS


COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE

IINDUCCDUCCIIÓNN ELECTROMAGNÉTLECTROMAGNÉTIICAA

BJ JE

ET TIIV

5.5. OOB

1. Estudiar algunos fenómenos de inducción electromagnética. 2. Determinar la relación entre corriente inducida y la variación de flujo

magnético.

La inducción electromagnética, es el fenómeno por el cual se produce

corriente I en un conductor, debido a las variaciones del flujo magnético que la intercepta. Faraday hacia 1830 descubrió este fenómeno el cual se puede realizar por la acción de un imán o por la acción de una corriente. Disponga de una bobina para el caso de la figura 1.

a) ff f

U N N D D A A M M E E N N T T O O T T E E Ó Ó R R I I C C O O . . 6

v

N S v

v = 0

SS

N S

N S

EN NT

LEY DE LENZ

“El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse mediante sus acciones electromagneticas, a la causa que la produce”.

La corriente inducida I en la bobina es producida por una fuerza electromotriz (fem.) también inducida E. Por lo tanto usando la ley de Lenz podemos definir el sentido de la (fem.) inducida.

Así en el ejemplo anterior al introducir el polo norte del imán. Para esto, en el extremo de la espira próximo al imán se debe formar un polo N, cuya repulsión debemos vencer realizando un trabajo que se transforma en corriente eléctrica (polo N frente al polo N). Por el contrario al sacar el imán la corriente inducida crea un campo magnético que atrae al imán, para vencer esta atracción hay que gastar trabajo que se transforma en corriente inducida de sentido contrario al anterior (polo N frente al polo S). Conociendo los polos de la bobina es posible conocer el sentido del corriente que circula sobre él.

FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA CORRIENTE INDUCIDA

Experimentalmente Faraday encontró que la fem inducida depende solamente del numero de espira de la bobina y de la velocidad con que varia el flujo magnético que la origina.

M : # de espiras E = - M dØ/dt

dØ : La variación del flujo magnético

dt : tiempo en que efectúa la variación

El signo negativo indica que la fem. Obtenida se opone a la variación del flujo que la origina

RO OC

CE ED

DIIM MIIE

7.7. PPR PROPIEDADES MAGNÉTICAS DE LOS SOLENOIDES.

Conecte el solenoide tal como indica el circuito de la figura 2, manteniendo la posición relativa del solenoide y compás. Cierre la llave y anote la dirección en el cual el polo norte de la aguja es deflactada. Anote también la dirección de la Figura 02


corriente alrededor de la hélice que constituye el solenoide. (Invierta el sentido de la corriente y haga las mismas anotaciones.)

EL PRINCIPIO DEL ELECTROIMÁN

Coloque el solenoide en dirección este-oeste del compás de modo que la aguja no esté deflactada más de 10_ con respecto al eje del solenoide cuando la llave está abierta. Cierre la llave y anote la posición. Invierta la corriente y anote la posición de la aguja. Inserte ahora el tornillo de metal en el interior de la bobina. ëQué observa? FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA

Conecte las terminaciones de un solenoide al galvanómetro como muestra la figura 3.

Examine la dirección en la cual el alambre de la bobina está arrollada. Induciendo el imán tal como se indica en la figura 3, anote la deflexión del galvanómetro, en cada caso (hacia arriba, hacia abajo y determine de qué modo en la figura fluye la corriente alrededor de la bobina, es horario o antihorario).

Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imán hacia adentro, se observa una deflexión en sentido horario en el galvanómetro, produciendo lo co al alejar el imán. Al cambiar la rapidez del movimiento del imán se produce lo anteriormente pero con mayor intensidad. La polaridad producida en la bobina por la co inducida, se hallara con la regla de la mano derecha.

FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS

Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estén paralelos y los enrollamientos estén en la misma dirección, como se indica en la figura 4.

El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor y el otro es el secundario o inducido.

Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrás o hacia adelante como se hizo con el imán.

Si la aguja del galvanómetro se reflecta demasiado reduzca la corriente en el primario.

Observe las direcciones de la corriente en el secundario y haga los

diagramas similares al mostrado en cada uno de los diagramas debe indicar lo siguiente:

Figura 03


1) La dirección de la corriente en el primario 2) La dirección del movimiento del primario (hacia o desde el

secundario) 3) La dirección de la corriente inducida en el secundario.

ëQué sucedería si en lugar del primario se mueve el secundario?

Con la bobina primaria cerca de la secundaria, varíe la corriente en el primario bruscamente, abriendo o cerrando el circuito. Observe la amplitud relativa de la deflexión de la aguja del galvanómetro. Registre sus observaciones en dos diagramas de un amanera similar a la sugerida anteriormente mostrando en estos casos cuando la llave ha sido cerrada y cuando ha sido abierta.

Figura 04

UE ES

ST TIIO

ON NA

AR RIIO

O 8.8. CCU

1. ëQué relación observa usted entre la conducta de un solenoide por el que pasa corriente eléctrica y un imán de una barra?

2. Mencione por lo menos dos reglas prácticas para determinar la polaridad de un solenoide que lleva corriente eléctrica

3. ëQué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de una bobina que lleva una corriente eléctrica?

Figura 3


4. Usando la ley de Lenz, indique el sentido de la corriente eléctrica y la polaridad en el sentido de la figura 3 cuando el imán se aleja.

5. De la figura 4 con la llave cerrada y con la idea de que el flujo magnético en el secundario aumente o disminuye a medida que acerquemos o alejemos el primario, enuncie una regla practica para determinar la polaridad en el inducido.

Transformadores - Relés e

Interruptores magnéticos

ExperExperiieencinciaa NNo o

99

A) TRANSFORMADOR

Es una de las más importantes aplicaciones técnicas de la inducción. Se puede encontrar en todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en la transmisión de energía, o como transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la tensión de la red. Los transformadores sólo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las funciones que cumplen se encuentran:

Transmisión de energía Un transformador puede transportar energía, con pocas pérdidas, de un nivel de tensión a otro. Adaptación de tensión Un transformador convierte tensiones, es decir, transforma tensiones en otras mayores o menores.

Principio del transformador Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados magnéticamente. Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega potencia eléctrica. Igualmente, de modo análogo se habla de:

· Tensión primaria u1 y secundaria u2 · Corriente primaria1 y secundaria i2 · Número de espiras del devanado primario n1 y del secundario n2

Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños transformadores monofásicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se encuentran arrollados en un sólo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas

de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito magnético se cierra a través de los otros lados exteriores.

Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones corresponderá a la existente entre el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados:

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III Comportamiento

El transformador no se puede considerar de ningún modo como un componente ideal, carente de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el calentamiento del transformador. Las causas de esto son:

· Pérdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre · Pérdidas en el hierro debidas a corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, causadas

por la inversión magnética del hierro

Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se construye de capas de chapas individuales, aisladas entre sí. Esto evita considerablemente la formación de corrientes parásitas. La chapa del transformador se construye de material magnético suave, con una curva de histéresis angosta.

Las pérdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador con carga no permanezca constante, sino que descienda. Este fenómeno se aprecia más en los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.

1.-Transformador sin núcleo y con núcleo Se estudiará la transmisión de energía en un transformador con y sin núcleo de hierro y se conocerá el efecto importante que tiene dicho componente.

Monte el siguiente arreglo experimental. Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento.

Realice los

siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS Frecuencia en 500Hz Amplitud 1:1 y 100% Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara. Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones. Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como se indica, con el núcleo de hierro. Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.

1.- ëCómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin núcleo? responda 2.- ëEn el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión de energía? Responda. 2.-Relación de transformación

Se aplicará una tensión alterna al transformador; se medirá con el voltímetro la amplitud de las tensiones primarias y secundarias y se calculará la relación de transformación. Monte el siguiente arreglo experimental:


Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 5 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 2 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS Frecuencia 50Hz Amplitud 1:1 y 25% Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.

Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:

Voltímetro A: tensión primaria UPRIM = V

Voltímetro B: tensión secundaria U SEC = V

Varíe el número de espiras del transformador n 1 = 400, n2 = 200. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo. Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:

Voltímetro A: tensión primaria UPRIM = V

Voltímetro B: tensión secundaria U SEC = V

Calcule:

Tensión primaria/ tensión secundaria: U PRIM / USEC=

Espiras del primario/ espiras del secundario n 1 / n2=

1. - ëCuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta ?

explique cada una de ellas .

2. - ëPor qué razón, la tensión de salida es menor que lo

esperado de acuerdo con

la relación entre el número de espiras de los devanados?

Explique por

qué

3.-Transformador con carga

Se aplicará una carga a un transformador y se medirá la tensión del secundario mientras se aumenta la carga. Los valores medidos se anotarán en

una tabla y se representaran gráficamente.

Monte el siguiente arreglo experimental.


Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 5 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Rango: 2 V, DC Display digital Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)

Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes: Forma de la curva SINUS Frecuencia 50Hz Amplitud 1:1 y 40% Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.

Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la animación sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100 .W Los otros casos se obtienen conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100 W . El valor 9999 representa el caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10 W se obtiene aproximadamente con la lámpara.

Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla. Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección.

Grafique U vs R, Interprete. ëCuál afirmación sobre un transformador es correcta?

A) La tensión de salida disminuye cuando la carga resistiva aumenta. B) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye. C) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.

Cuestionario sobre el transformador

1.-ëEn qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador? Responda. 2.-ëCómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado primario circula corriente alterna? Responda. 3.-Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas que presentan. 4.-En un transformador con carga resistiva, ëQué ocurre con la tensión?

Relés Magnéticos

1.-FUNDAMENTO TEÓRICO

En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su telégrafo de registro de señales, desarrollado con el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento en el que nació el relee. Su nombre se deriva del francés y al comienzo se utilizó en las comunicaciones para la retransmisión de mensajes, de modo similar a las estaciones de relevos (celáis) propias de la época en que el correo era transportado por diligencias tiradas por caballos. En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los relés electromecánicos estarían pasados de moda. Pero en la realidad, hoy en día se fabrican más relés que nunca antes. El relé es, en principio, un conmutador que, con una corriente eléctrica de muy baja potencia, acciona contactos conmutadores que pueden conectar potencias mayores.

Los relés existen en muchas formas: · estable o monoestable (regresan a la posición inicial) · biestables, conocido también como conmutador de control remoto · con diferentes cantidades de contactos de conmutación · relees temporizadores (excitación o des excitación con retardo) · para diferentes tensiones de mando · para diferentes corrientes de conmutación

Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra arrollada una bobina. Si al conectar el relé, la corriente circula por la bobina, se genera un flujo magnético, cuyas líneas transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El circuito magnético se cierra a través del hierro exterior y la armadura que se puede ver arriba. El campo magnético produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la armadura se encuentran los contactos de conmutación fijados con aislante. La armadura es móvil y la fuerza de atracción magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro. Los contactos se accionan debido al movimiento de la armadura, el circuito eléctrico principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera se puede construir un interruptor o un conmutador. Al suspenderse la corriente de excitación, en los relees monoestables, la fuerza de un resorte procura que el contacto retorne a su posición inicial.


2.-CONECTAR EL RELÉ

Se aplicará una tensión al devanado de excitación del relé. Con el contacto de conmutación se encenderá una lámpara en el circuito eléctrico principal. Monte el siguiente arreglo experimental. Abra y cierre varias veces la última conexión y observe lo que sucede (también dentro del relé).

ëQué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? Responda detalladamente este proceso

Diodo de vía libre El devanado de excitación de un relee representa una inductancia. Tras la carga eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de tensión negativa. El diodo de vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la corriente siga circulando brevemente, disipando la energía electromagnética acumulada, sin que se presenten las puntas de tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de la tensión al conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se complementará con un diodo de vía libre.

3.-Punta de inducción Se conectará y desconectará el relé y se observará lo que sucede al desconectarlo. A continuación se repetirá el experimento con el diodo de vía libre y se advertirá la diferencia. Monte el siguiente arreglo experimental.

Abra y cierre varias veces la conexión con la alimentación de tensión de 5V y observe el comportamiento de la lámpara fluorescente.

Nota: La lámpara se utilizará solamente como indicador de "alta tensión". La lámpara se enciende sólo a aprox. 110 V, por debajo de esta tensión permanece oscura

1.- ëCómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador del relé? Explique.

2.- ëCuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del relé se ilumine brevemente? Explique.

Incluya el diodo de vía libre y repita el experimento. La animación muestra la manera en que se debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse sobre el botón con el diodo para observarlo.

3.- ëCómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de excitación del relé con diodo de vía libre? Explique.

4.- ëCuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con diodo de vía libre?

INTERRUPTOR DE LÁMINAS FUNDAMENTO TEÓRICO


Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercanos, colocados dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentra cerca de un campo magnético, los contactos adoptan polaridades distintas y se cierran abruptamente. De este modo se establece la conexión eléctrica entre ambos contactos.

Los interruptores de láminas se comportan de diferente manera, según sea el modo en que se acerca el imán al tubo.

· Arriba: Se encuentran presentes dos campos para dos puntos de

conmutación. En la mitad del tubo los contactos permanecen abiertos.

· Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas

sólo tiene un punto de conmutación.

EXPERIMENTO DE INTERRUPTOR DE LÁMINAS Se observará el funcionamiento de un interruptor de láminas. Para esto se montará un circuito eléctrico con una lámpara, que se encenderá y apagará por medio de un interruptor de láminas cuando un campo magnético actúe sobre el interruptor. Monte el siguiente arreglo experimental.

Saque de su soporte los dos imanes permanentes. Pase uno de los imanes cerca del interruptor de láminas y observe el comportamiento del interruptor cuando se pasa el imán en diferentes posiciones, como se describe a continuación: Vertical: polo norte hacia abajo Vertical: polo sur hacia abajo Horizontal: polo norte hacia la izquierda Horizontal: polo sur hacia la izquierda

1.-ëCuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con el experimento y

explique cada una detalladamente?

A) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.

B) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de

conmutación.

C) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos

de conmutación.

D) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación

2.-ëReacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente

5.-CUESTIONARIO El polo sur de un imán pasa delante del interruptor de láminas.

1.- ëCuántos puntos de conmutación aparecen?

2.- ëQué aplicaciones tiene el interruptor de láminas?


I Innductductaancinciaa eenn CCiirrccuiuittoo ddee

CapaciCapacittaancinciaa ee

ieentntee AAlltteerrnnaa CorCorrri

1100 ExperExperiieencinciaa NN

1.- OBJETIVO:

El objetivo fundamental en este experimento es el estudio de la corriente alterna en un circuito RC y RL.

2.- MATERIALES

Inserte en la interfaz UniTrain-I La Tarjeta SO 4203-6A y SO 4203-2F Monte el circuito mostrado en la imagen:

3.- FUNDAMENTO TEÓRICO

En electrónica y electrotecnia, se denomina reactancia a la oposición ofrecida al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y condensadores y se mide en Ohmios. Junto a la resistencia eléctrica determinan la impedancia total de un componente o circuito, de tal forma que la reactancia (X) es la parte imaginaria de la impedancia (Z) y la resistencia (R) es la parte real, según la igualdad:

Condensador con tensión alterna sinusoidal

Reactancia de un Condensador

El valor momentáneo p(t) de la potencia consumida por el condensador es el resultado del producto de los valores momentáneos de la corriente y la tensión. Dado que, no obstante, la corriente y la tensión del condensador tienen un desfase de 90_, se obtiene para el consumo de potencia una curva en función del tiempo de doble frecuencia, tal como se muestra en la siguiente gráfica (curva verde). Esta contiene, por una parte, tramos en el tiempo en los que la tensión y la corriente mantienen el mismo sentido y, por tanto, el condensador opera como carga; por otra parte, tiene también largos tramos en los que la tensión y la corriente presentan sentidos opuestos y, por tanto, el condensador trabaja

como generador (batería).

En el diagrama, el consumo de energía se representa como potencia positiva y la entrega de energía como

potencia negativa. La energía eléctrica, por lo tanto, oscila constantemente entre el condensador y la fuente de tensión. Al contrario de la potencia activa de una carga resistiva (en la que la energía eléctrica se convierte en energía calorífica) se habla aquí de la reactancia del condensador.


Respectivamente, el condensador posee, en lugar de una resistencia efectiva, una reactancia XC (capacitiva) que viene dada por los cocientes resultantes del valor eficaz de tensión U y el valor eficaz / de corriente I: De igual manera que lo que ocurre con la resistencia efectiva, la unidad que expresa la reactancia es el ohmio (simbolo ). ≫

Como se insinuó anteriormente, un condensador "conduce" corriente alterna, y lo hace de mejor manera mientras mayor sea su frecuencia y mayor la capacidad del condensador menor es la Amplitud. A continuación se expone la fórmula de la reactancia capacitiva:

! donde w es la frecuencia angular, la cual se obtiene mediante w = 2·p·f

Si se realiza el montaje de un divisor de tensión empleando una resistencia R y un condensador C, el

circuito obtenido presentará también un comportamiento dependiente de la frecuencia. Si la

frecuencia aumenta, la resistencia del condensador disminuye. En consecuencia, la tensión UC(f) disminuye cuando la frecuencia aumenta. En la ilustración se muestra la dependencia descrita en un diagrama de respuesta en frecuencia (R=1kW; C=1µF). El eje de frecuencia se representa en escala

logarítmica. El eje de ganancia es lineal. En la parte inferior de la ilustración se representa la

respuesta en fase.

Monte el circuito experimental representado a continuación.

Abra el instrumento virtual Generador de funciones a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Generador de funciones, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Modo de operación: FUENTE: SINE

Amplitud: 1:1, 100%

Frecuencia: 100 Hz

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos |

Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla.

Ajustes del osciloscopio

Canal A 5 V / div

Canal B 500 m V / div

Base de tiempo: 2 ms / div

Modo de operación: X/T, AC

Trigger: Canal A / Flanco ascendente /SINGLE/ Pre-Trigger 25%

Arrastre el oscilograma obtenido hacia la siguiente ventana.

ëQué puede observar en relación con el desfase existente entre la corriente y la tensión, explique detalladamente?

No existe ningún desfase

La corriente adelanta a la tensión en 90_. La corriente adelanta a la tensión en 45_. La corriente sigue a la tensión en 90_. La corriente sigue a la tensión en 45_.

Aumente ahora la frecuencia del generador de funciones a 1 kHz y adecue el barrido de exploración y la sensibilidad del osciloscopio de manera que pueda obtener una representación aprovechable de las señales. Arrastre el oscilograma obtenido hacia la siguiente ventana.

ëQué relación puede reconocer entre la frecuencia y el valor de cresta de la intensidad de corriente?


La intensidad de corriente no depende de la frecuencia.

La intensidad de corriente desciende si la frecuencia aumenta.

La intensidad de corriente se incrementa si la frecuencia aumenta

Determinación de la capacidad mediante mediciones de tensión:

Se pueden aprovechar las relaciones matemáticas para determinar la capacidad,

reemplazando los valores de tensión obtenidos por medición.

Para una frecuencia "cualquiera", se mide la amplitud (valor pico a pico) de la tensión de entrada y de la tensión en el condensador. Luego, si se conoce el valor de la resistencia conectada a la entrada del circuito, se puede calcular el valor de la capacidad del condensador mediante:

= C

La frecuencia

se debe

elegir de modo que

la curva de

ganancia

(ver arriba) presente una gradiente mayor (pendiente). En la ilustración mostrada

sería recomendable una frecuencia del rango de 100Hz a 2kHz La capacidad del

condensador también se puede determinar mediante el desplazamiento de fases: con j = 360°·f·Dt ( ángulo en grados) o j = 2p·f·Dt ( ángulo en radianes)

en donde Dt representa la distancia, en el eje de tiempo, entre los puntos de cruce por cero de

las dos curvas de tensión alterna.

Ajuste ahora el osciloscopio con los valores indicados a continuación y determine la distancia temporal entre los puntos de cruce por cero de ambas señales.

ˆˆ æUU 21

20

-÷

÷ ç 1 × ç× R f p ø ö

è C

C =

j2 1 p ta n × × R f

Los flancos con una pendiente pronunciada facilitan la determinación de los puntos de cruce por cero

Determine el desplazamiento de fase por medio del valor de Dt y, a partir de lo obtenido, establezca el valor de la capacidad empleando la siguiente fórmula.

j(f) = 360°·f·Dt

n

A

l


BOBINA con tensión alterna sinusoidal En la electrotecnia existen dos tipos de campo, el campo eléctrico y el campo magnético. El campo eléctrico resulta de la separación de cargas y depende, principalmente, de la tensión eléctrica. El campo magnético se presenta cuando las cargas están en movimiento, y está íntimamente relacionado con la corriente eléctrica. En el condensador se almacena energía en el campo eléctrico, en cambio, en una inductancia se almacena energía en el campo magnético. Las inductancias se confeccionan arrollando un conductor de modo que una espira siga a la otra. En general, se cumple que la inductividad aumenta cuando se aumenta el número de espiras de la bobina.

Es válido lo siguiente:

permeabilidad magnética en el

vacío permeabilidad magnética

relativa número de espiras

longitud de la bobina sección transversal de la bob

ina

×=

20m

m en donde

r ×

En la confección de una bobina se emplea alambre de una determinada longitud y de una

determinada sección transversal.

Para aumentar el valor de la inductancia se requiere aumentar la cantidad de alambre (si no se varían

µ r o A).

En general, se cumple la siguiente regla: Mientras más grande sea el valor de la inductancia de una bobina, mayor será el de su

La siguiente imagen ilustra los procesos que tienen lugar durante la desconexión. En estado de conexión (imagen de la izquierda) la corriente I circula a través de la bobina L. Si se abre el circuito de corriente (imagen de la derecha) ocurre entonces lo siguiente: Debido a la energía del campo magnético formado, la bobina mantiene al principio la corriente. Dado que ésta ya no puede fluir a través de la fuente de tensión, circula, tal como se representa en la imagen, a

resistencia

µ0:

µr:

n: l:

A:

L

través de la resistencia RL paralela a la bobina. La energía del campo magnético se convierte aquí en energía térmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. Este proceso se realiza, al igual que en el condensador, de forma eléctrica, pero, en este caso, la constante de tiempo viene dada por el cociente resultante entre la inductancia y la resistencia óhmica. Si no se encuentra presente una resistencia RL se genera una cresta de tensión muy elevada que puede conducir fácilmente a la destrucción de los componentes sensibles (por ejemplo, los circuitos integrados) de un circuito. Por esta razón, en la práctica, las inductancias se conectan, la mayoría de las veces, a diodos de circulación libre, los cuales cortocircuitan esta tensión en la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energía misma de la bobina se convierta en energía térmica.



Si se realiza el montaje de un divisor de tensión con una resistencia R y una bobina L, el circuito también presentará un comportamiento dependiente de la frecuencia.

Si se aplica corriente continua al circuito, la impedancia de la inductancia es nula, de modo que se tendrá un divisor de tensión puramente resistivo con R y RS (componente resistiva de L). Sin embargo, a medida que se aumenta la frecuencia, la inductancia tendrá cada vez un valor de resistencia mayor. En consecuencia, la tensión UL(f) aumenta también cuando la frecuencia aumenta.

En la ilustración, se ilustra el comportamiento anteriormente descrito por medio de una curva de respuesta en frecuencia (R=100W; L=10mH con RS=19W). El eje de frecuencia se representa

Determinación de inductancia de una bobina en divisor de tensión RL

Una bobina es un componente que depende de la frecuencia. Bajo el efecto de la corriente continua, una inductancia presenta sólo su componente de resistencia óhmica. Cuando la frecuencia aumenta, la bobina presenta una resistencia que también aumenta. La impedancia de la inductancia se obtiene mediante la fórmula:

XL = w pw es la frecuencia angular, la cual se obtiene

mediante la expresión w = 2·p·f .

en escala logarítmica. El eje de la ganancia de amplitud es lineal. En la parte inferior de la ilustración se representa la curva de respuesta en fase. En el rango de baja frecuencia se presentan grandes diferencias entre el comportamiento de las inductancias "ideales" y las inductancias reales con componentes de resistencia óhmica RS.

En el rango de las altas frecuencias, las respuestas en frecuencia se igualan, ya que en este

rango de frecuencia predominan las componentes de impedancia inductiva. La inductividad

también se puede determinar mediante el desplazamiento de fases:

La frecuencia debe ser lo suficientemente grande de modo que se pueda despreciar la componente de resistencia óhmica.

con 360° j D

jpD

Dt representa la distancia en el eje de tiempo, entre dos puntos de cruce por cero, de sendas curvas de tensión alterna.

Experimento

En el experimento siguiente se debe determinar el valor de la inductancia de un componente RL sobre la base de un desfase entre la tensión de la bobina y la tensión de alimentación.


Monte el siguiente arreglo experimental: Transfiera todo el circuito realizado para condensadores a la parte de la tarjeta que contiene la bonina y haga los ajustes.

Abra el instrumento virtual

Generador de funciones a través de la opción de menú

Instrumentos | Fuentes de tensión | Generador de funciones, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Amplitud = 70% con 1:1 Frecuencia = 1 Hz

Modo de Operación Sinusoidal (SINE) Power = On

Abra el osciloscopio del menú Instrumentos y realice los ajustes correspondientes.

· · · · ·

L »

p × f R t a n [ f j ( )] 2 j (f ) = 360° ·f · Dt = _

= mH

Determine el desfasaje mediante el valor Dt y, a partir de ello, calcule el valor de la inductancia empleando la siguiente fórmula:


Cuestionario

1.- ëQué ocurre con la tensión del condensador?

2.- ëQué se puede observar en comparación con la medición continua?

3.- ëCómo se crea la corriente alterna?

4.- ëQué es la corriente monofásica y trifásica?

5.- ëDetermine el valor de la reactancia capacitiva?

6.- ëDetermine el valor de la reactancia inductiva?

7.- ëDetermine el valor de la impedancia para el circuito RC y RL?

8.- ëQué utilidad tiene un circuito RC y RL?

SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES

Documents

Guia Fiii 2013 II