Informe de Laboratorio de Fsica III

LABORATORIO DE FISICA III UNIVERSIDAD NACIONALMAYOR DE SAN MARCOS(Universidad del Per, Decana de Amrica)

FACULTAD DE CIENCIAS FSICASCURSO: LABORATORIO DE FSICA IIIEXPERIENCIA: DIVISOR DE TENSIN

PROFESOR:MELCHOR LLOSA D.

ALUMNOS: ESPINAR TORRES, JAM ARMANDO 1114035 HORARIO: 12:00-2:00 FECHA DE ENTREGA:

NDICE

I. Introduccin3

II. Objetivos4

III. Resumen4

IV. Procedimiento5

V. Cuestionario8

VI. Conclusiones15

VII. Bibliografa16

INTRODUCCIN

En esta experiencia nuestro objetivo principal ha sido el de estudiar las aplicaciones y el comportamiento que tiene el divisor de corriente y la relacin que da con el valor de carga. A esta altura de los laboratorios ya nos encontramos ms familiarizados con los equipos del laboratorio. Los resultados obtenidos en este informe son reales, tomados de datos de los instrumentos utilizados y de las simulaciones, las cuales se obtienen mediante el programa de simulacin MultiSim 10.Luego hemos visto el puente de Wheatstone el cual juega un papel muy importante en aspectos de la ciencia y el desarrollo de muchas reas. Esto ha permitido el desarrollo de sistemas inteligentes que resuelven los ms diversos y tediosos problemas. En la electrnica, la informtica y la microelectrnica se ha visto reflejado la utilidad del puente de wheatstone que est presente en muchas las esferas de la vida humana por ejemplo: la industria con mquinas que realizan el trabajo de muchos empleados en menos tiempo y con mayor rentabilidad, en el hogar con electrodomsticos que hacen de las tareas domsticas algo muy sencillo, en el comercio con software que realizan balances de cuentas, consultas y comparacin de precios, y muchas otras aplicaciones.

OBJETIVOS

Derivar pequeas tensiones a partir de una tensin disponible usando los conocimientos que ya tenemos de tensin (diferencia de potencial), intensidad de corriente y resistencia.

Diferenciar Divisor de Tensin Libre de Carga y Divisor de tensin con Carga. Si se conecta una carga al divisor de tensin (resistencia de carga RL), se habr sometido a cargar el divisor de tensin.

Determinar los valores de resistencias desconocidas, utilizando el Puente de Wheaststone.

Estudiar la versatilidad del circuito puente.

RESUMENEn el presente laboratorio se realiz de forma experimental y simulada las aplicaciones del divisor de corriente.

Se trabaj dos tipos de circuitos distintos para poder analizar el comportamiento de la corriente en cada uno de ellos. Se midi el voltaje y la corriente en cada resistencia teniendo en cuenta los valores experimentales hallados en la simulacin.

Al final de la experiencia se arm un circuito para poder determinar la comprobacin del puente de wheastone, utilizando un galvanmetro para poder hacer las mediciones.

PROCEDIMIENTO

Experimento: Divisor de TensinTablaUB=15VDivisor de Tensin de la izquierdaDivisor de Tensin de la derecha

Relacin de Divisin (sin carga)3:13:1

U1/VU2/VU1/VU2/V

Sin carga(calculo)11.273.7111.273.72

Con carga (medicin)10.93.510.73.5

RL=9.4k11.62.810.83.4

RL=4.7k12.12.310.93.3

1. Qu relacin de tensin U1:U2 poseen los divisores de tensin con ausencia de carga?

Ambos poseen una relacin de 2:1 El izquierdo posee una relacin de 3:1, y el derecho una de 5:1 izquierdo posee una relacin de 3:1, y el derecho una de 0,3:1 Ambos poseen una relacin de 3:1 Ambos poseen una relacin de 5:1

2. Cul es la respuesta de los divisores de tensin ante la carga?

La tensin del componente que no recibe carga aumenta. La tensin del componente que no recibe carga disminuye. La cada de tensin del componente que recibe la carga permanece invariable, mientras que la del componente que no la recibe disminuye. En funcin de la carga introducida, disminuye la tensin del componente que la recibe y la relacin entre los divisores vara. En funcin de la carga introducida, aumenta la tensin en el componente que la recibe. La relacin de tensin no vara.3. De qu manera influye el valor de la resistencia de carga sobre la tensin de salida (tensin de carga) del divisor? El valor de la resistencia de carga no ejerce ninguna influencia sobre la tensin de salida. Mientras menor sea la resistencia de carga, menor ser la tensin de salida. Mientras menor sea la resistencia de carga, mayor ser la tensin de salida.4. Compare los resultados del divisor de tensin de la izquierda con los del de la derecha. Qu observa? En cuanto a la carga, la variacin de la tensin de salida del divisor de la izquierda es mayor que la de la derecha. En relacin con la carga, no existe ninguna diferencia digna de mencin en la respuesta de ambos divisores. Las resistencias de carga en el orden de magnitud de las resistencias de los divisores producen una cada relativamente grande de la tensin de salida. Las resistencias muy pequeas (en relacin con las resistencias de los divisores) producen una cada relativamente grande de la tensin de salida. Las resistencias muy grandes (en relacin con las resistencias de los divisores) producen una cada relativamente pequea de la tensin de salida.

Experimento: Circuito Puente

Tabla1R(Diagrama de Circuito)R(tarjeta)

Rx1000

RN330

R310000

R43300

Tabla2Tabla 2:Divisor IzquierdoDivisor Derecho

B-1B-2UB/BU1/VU2/VU1/VU2/V

**10.63.510.63.5

*11.42.810.63.5

*10.63.510.73.4

Experimento: Puente de Wheaststone

Tabla

Caja de ResistenciaR1(Ohm)Longitud del HiloResistencia Medida(Ohm)Porcentajede Error

L2(cm)L4(cm)Con el EquipoCdigos de Colores

46120

55.582

7633

Colores: marrn-rojo-marrn gris-rojo-negro-dorado naranja-naranja-negro-dorado

CUESTIONARIO

1. Justifique la expresin (4) utilizando las leyes de Kirchoff.

Si la corriente que atraviesa el galvanmetro es igual a cero, esto implica que los puntos C y D estn a un mismo potencial entonces se puede calcular dicho potencial en funcin de V.

Aplicando divisor de tensiones tenemos:

VCB = Ve (1) VDB = Ve (2)

Igualando (1) y (2):

R2 R3 + R2 R4 = R4 R1 + R4 R2 R2 R3 = R4 R1 R1/ R3 = R2/R4 2. Cules cree usted que han sido las posibles fuentes de error en la presente experiencia?

El puente Wheaststone se emplea ampliamente en las mediciones de precisin de resistencias desde 1 hasta varios megaohms. La principal fuente de errores de medicin se encuentra en los errores lmites de las tres resistencias conocidas. Otros errores pueden ser los siguientes:

Sensibilidad insuficiente en el detector de cero. El aumento de temperatura no slo afecta la resistencia durante la medida, sino que, las corrientes excesivas pueden producir un cambio permanente en el valor de la resistencia. Esto puede obviarse y no ser detectado a tiempo y as medidas subsecuentes resultar errneas. Cambios en la resistencia de las ramas del puente debido a efectos de calentamiento por la corriente a travs de las resistencias. Las fem trmicas en el circuito del puente o en el circuito de galvanmetro pueden causar problemas cuando se miden resistencias de valor bajo. Los errores debidos a la resistencia de los contactos y terminales exteriores al circuito puente intervienen en la medicin de valores de resistencia muy bajos. Estos errores se pueden reducir mediante el uso del puente kelvin.

Error de observacin: (Al determinar el valor de cada banda de color) Mala lectura de las distancias del puente. Error de falta de calibracin del galvanmetro (esto impedir alcanzar el cero o condicin ideal para desarrollar nuestros clculos). Errores de clculo3. Cmo podra evitar estas fuentes de error?

Es imposible afirmar, sin un clculo previo, cul galvanmetro ser ms sensible en el circuito puente para la condicin de desequilibrio. Esta sensibilidad se calcula analizando el circuito puente para un pequeo desequilibrio. La solucin se obtiene al determinar el equivalente Thvenin del puente de Wheaststone.

La disipacin de potencia de las ramas del puente se debe calcular previamente, en particular cuando se van a medir valores de resistencias bajos y la corriente debe ser limitada a un valor seguro.

Utilizacin de los galvanmetros ms sensibles que algunas veces tienen bobinas y sistemas de suspensin de cobre para evitar el contacto de metales dismiles y la generacin de FEM trmicas.

El uso de un puente Kelvin para reducir los errores de medicin de resistencias muy bajas.

Tambin se pueden evitar teniendo cuidado al tomar los datos, verificar que el galvanmetro efectivamente se encuentre indicando que no existe paso de corriente; que las distancias tomadas sean lo ms precisas y si es posible, ayudarse con un multitester para disminuir el error por lectura del cdigo de colores.

4. Explique Ud. qu condiciones fsicas existen cuando no pasa corriente por el galvanmetro.

Como se observ, cuando no circula corriente por el galvanmetro, entonces, entre los puntos a y b del circuito existe la misma diferencia de potencial, es decir, cero. Fsicamente, al estar los puntos a y b al mismo potencial elctricamente constituyen un mismo punto dentro del circuito, y por la configuracin que muestra la figura, R1 y R3 as como R2 y RX se encuentran respectivamente en paralelo, dos a dos. Al estar estos pares de resistencias en paralelo, sus cadas de tensin son iguales, por tanto, como la intensidad del galvanmetro es nula, la intensidad de corriente en R2, es igual a R1, entonces, por el principio de equilibrio, en ambos ramales la cada de tensin es igual al producto de las corrientes que pasan por cada una de las resistencias, es igual a:R1 (I1) = R3 (I2)yR2 (I3 ) = RX (I4)

A partir de estas ecuaciones se puede ya determinar el valor de la resistencia desconocida en funcin de las otras cuyo valor se conoce.5.-Cules son los factores que influyen en la precisin del puente de Wheatstone al tratar de conocer el valor de una resistencia desconocida? Por qu?

Como hemos explicado en lo referente a errores en la presente prctica, algunos de los factores que influyen en la precisin del puente, lo constituyen, entre otros, las fluctuaciones de corriente y tensin, y que, como sabemos al momento de aplicar la frmula, hacen variar la diferencia de potencial de las resistencias, y por consiguiente el valor de estas tambin se altera. Por otra parte, tambin influye el modo sustancial, la precisin en la lectura de la regleta que reemplazan a dos de las resistencias, ya que una mala lectura conlleva a un errneo reemplazo de valores resultantes de malas mediciones, lo que por consiguiente mostrar un resultado muchas veces incompatible con el valor real.

6.-Cul sera la mxima resistencia que se podra medir con el Puente de Wheatstone?

La mxima resistencia que puede medirse con el circuito tipo puente es dependiente de los valores de las resistencias obtenidas por la distancias en el hilo de tungsteno, el cual se debe medir (en longitud), esto es:

de esta ecuacin, se desprende que para que el valor de la resistencia RX logre su valor mximo, el valor de R1 debe ser lo ms grande posible, y que a su vez, el valor de L2 y L1 deben ser lo ms grande y ms pequeo posible respectivamente, y ya que:

Se deduce entonces que los valores de L2 y L1 son directamente proporcionales a la distancia medida en el hilo de tungsteno, esto es, cuando mayor sea dicha longitud, mayor ser la resistencia del mismo.Todo lo anterior se cumple desde el punto de vista matemtico, ya que desde el punto de vista fsico, debemos expresar que el valor del voltaje que entrega la fuente debe ser relativamente alto, en tanto que los valores de las resistencias no deben exceder un determinado rango, ya que de ser el valor de RX muy grande, ste puede actuar dentro del circuito como un aislante, de modo que el circuito quede abierto elctricamente.7. Por qu circula corriente por el galvanmetro cuando el puente no est en condiciones de equilibrio? Explique detalladamente.Circula corriente por que las diferencias de potencial en los dos puntos de contacto del galvanmetro(A) son diferentes (explicamos mejor en el siguiente ejemplo)Para entender el funcionamiento de este circuito es necesario remarcar que:Las diferencias de potencial son diferencias (restas) entre los potenciales de dos puntos. Para conocer la diferencia de potencial entre dos puntos A y B, se pueden medir por separado las tensiones respecto a un tercer punto de referencia, C, y restarlas. Este mtodo se usa mucho en la prctica y el punto de referencia comn a todo un circuito suele llamarse masa, y diremos que este punto de referencia puede tener cualquier valor por lo que tomaremos como tensin de referencia el punto de masa a 0 voltios. Observa que en el caso de las alturas no nos importa a que altura est el punto C si conocemos las diferencias de altura de A y B respecto a C.

Volviendo a nuestro circuito puente se cumple como hemos dicho: VAB = VAC - VBC = (VA-VC) - (VB-VC) = VA - VC -VB + VC = VA - VB I1 = V/ (R1 + R3) => VAC= I1 x R3 = V x R3 / (R1+ R3) I2 = V/ (R2 + R3) => VBC= I2 x R4 = V x R4 / (R2+ R4) VAB = VAC - VBC = V x [ ( R3 / (R1+ R3) ) - ( R4 / (R2+ R4) ) ] Se dice que el puente est equilibrado cuando la tensin en el punto A VA es igual a la tensin en el punto B, VB entonces VAB = 0 Supongamos pues que nuestro puente est equilibrado VAB = 0 En nuestra ltima frmula y marcado en azul claro vemos dos trminos que se restan, si esos dos trminos son iguales entonces VAB = 0 R3 / (R1+ R3) = R4 / (R2+ R4) OperandoR3 x (R2+ R4) = R4 x (R1+ R3) R3 x R2+ R3 x R4 = R4 x R1+ R4 x R3 R3 x R2+ R3 x R4 = R4 x R1+ R4 x R3 los trminos en rojo son iguales y como estn a ambos lados de la igualdad se restan y desaparecen R3 x R2= R4 x R1R1 / R2 = R3 / R4El puente de Wheatstone tiene dos aplicaciones fundamentales: A) Medida de resistencias de alta precisin Tres de las resistencias R1, R2 y R3 son patrones de alta estabilidad y baja tolerancia y una de ellas variables. La cuarta es la resistencia incgnita, a determinar su valor Rx. Observar que entre el punto A y B hemos conectado un galvanmetro, que es un instrumento de medida de alta sensibilidad, el cual nos indicar si hay paso de corriente a travs de l.

Ajustando los patrones R1, R2 y R3 hasta que nuestro galvanmetro indique que no hay paso de corriente, en cuyo momento, claro est, el potencial en el punto A es igual al potencial en el punto B. VAB = 0 y se cumplir lo ya demostrado antes, queR1 / R2 = R3 / R4Nuestra resistencia incgnita que en vez de R4 la hemos llamado Rx valdr:Rx =R3 x R2 / R1R2 / R1 toma los valores.... 1000, 100, 10, 1, 0,1, 0,01, 0,001.... Es el multiplicador Rx = R3 Variable. Es el ajustador.8. Cules son las ventajas y desventajas de usar el Puente? Por qu?VENTAJAS Los cambios en las resistencias se determinan normalmente mediante el puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone al formar parte de un circuito logra estabilizar en una nueva posicin de equilibrio a un transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoelctrico. El puente de Wheatstone de un Sensor LEL diseado para medir metano sirve para medir el calor liberado cuando se quema un gas inflamable en una perla cataltica. El aumento de temperatura provoca un cambio en la resistencia, que es medido y convertido a % de LEL. El puente de Wheatstone de un Sensores LEL diseado para medir metano mide la diferencia entre la resistencia de ambos elementos. As, este sensor mide de forma eficaz el calor liberado cuando se quema un gas. El sensor tipo Strain Gauge est compuesto de un puente Wheatstone y presenta las siguientes ventajas: Sensor sin contacto fsico con el elemento de muelle, y por tanto, NO vulnerable a sobrecarga. Resiste los picos de tensin relacionados con soldaduras. Tiempo de reposo: Menos de un milisegundo, lo que significa que se pueden usar en sistemas dinmicos de pesaje El sensor puente "Strain-Gauge" es prcticamente lineal en el rango nominal de la clula de carga.

DESVENTAJAS Pruebas realizadas por laboratorios independientes como TRW han demostrado que los sensores con puente de Wheatstone no poseen una sensibilidad adecuada para medir combustible de aviacin. Por ello, aunque su salida se aumente para proporcionar una baja respuesta del combustible de aviacin, los sensores con puente de Wheatstone no poseen la sensibilidad necesaria para medir los niveles de combustible de aviacin necesarios para proteger a los trabajadores que acceden a espacios reducidos As, un sensor LEL con puente de Wheatstone presenta un rango de imprecisin tres veces mayor que un PID (Rango de imprecisin del PID: 160 ppm)

El sensor tipo Strain Gauge est compuesto de un puente Wheatstone y presenta las siguientes desventajas: Sensor muy vulnerable a sobre extensin, lo que no le permite volver a su "cero original" y en el peor de los casos, se destruye. Destruccin del sensor en muchos casos con tan solo 50% de sobre- carga. Destruccin del sensor por vibraciones y/o choques. Problemas con ruido elctrico y E.M.F. trmicos en clula y cables Destruccin del sensor con tensiones de soldadura, descarga elctrica y rayos.

CONCLUSIN:

El puente de Wheaststone permite averiguar el valor de resistencias por comparacin con otras tres resistencias.

Se debe tener en cuenta que por el galvanmetro no debe pasar la ms mnima intensidad de corriente o sino el circuito no tendr validez.

El puente de Hilo es similar al puente de Wheaststone con la diferencia de que solo necesitamos conocer una resistencia.

La eficacia del circuito Puente de Hilo depender de la magnitud de la resistencia a conocer y del grado de exactitud de la regla que usa el puente.

La experimentacin por medio de la regla con el hilo, nos demuestra que para determinar el valor de una resistencia cualquiera en funcin de este hilo, depende directamente de la longitud recorrida por la regla, la cual es directamente proporcional a su vez a la resistencia del hilo. Esta resistividad aumenta cuando la regla avanza hacia la derecha (Aumenta la longitud), y disminuye cuando va hacia la izquierda (menor longitud).

BIBLIOGRAFA FSICA GENERALAdisson Wesley LongmanBoulevard de las cataratas N3Mxico 01900, DF.

FSICA GENERALSears ZemanskyYoung FreedmanVolumen II.

FUNDAMENTOS DE ELECTROMAGNETISMO Cheng FinneyVolumen IParis Francia.

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMOSears Francis. Sexta Edicin. Madrid.Editorial Aguilar S.A. 1967.

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