Laboratorio de Fsica III

Instrumentacin y Ley de OhmA. InstrumentacinI. Introduccin:En esta primera parte de la tercera experiencia de laboratorio nos estaremos enfocando a los medidores elctricos que son instrumentos que miden magnitudes elctricas, como intensidad de corriente, carga, potencial, energa, resistencia elctrica, capacidad e inductancia. El resultado de estas medidas se expresa normalmente en una unidad elctrica estndar: amperios, culombios, voltios, julios, ohmios, faradios o henrios. Dado que todas las formas de la materia presentan una o ms caractersticas elctricas es posible tomar mediciones elctricas de un elevado nmero de fuentes.II. Fundamentos Tericos: Galvanmetro: Los galvanmetros son los instrumentos principales para detectar el paso de una corriente elctrica y para medir su intensidad. El mecanismo del galvanmetro est diseado de forma que un imn permanente o un electroimn produce un campo magntico que genera una fuerza en una bobina cercana al imn cuando por sta circula una corriente elctrica. El elemento mvil puede ser el imn o la bobina. La fuerza inclina el elemento mvil en un grado proporcional a la intensidad de la corriente. En los galvanmetros de imn mvil se aprovecha el par de fuerzas que ejerce la corriente estudiada sobre un pequeo imn mvil. En los galvanmetros de cuadro mvil se utiliza la accin de un imn fijo sobre una bobina mvil recorrida por una corriente desconocida.

Ampermetro: Unampermetroes un instrumento que sirve para medir laintensidad de corrienteque est circulando por uncircuitoelctrico. Un microampermetro est calibrado en millonsimas de amperio y un miliampermetro en milsimas de amperio. Si hablamos en trminos bsicos, el ampermetro es un simplegalvanmetro(instrumento para detectar pequeas cantidades de corriente) con una resistencia en paralelo, llamadashunt. Disponiendo de una gama de resistenciasshunt, podemos disponer de un ampermetro con varios rangos o intervalos de medicin. Los ampermetros tienen una resistencia interna muy pequea, por debajo de 1ohmio, con la finalidad de que su presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a uncircuito elctrico. El aparato descrito corresponde al diseo original, ya que en la actualidad los ampermetros utilizan unconversor analgico/digitalpara la medida de lacada de tensinen unresistorpor el que circula la corriente a medir. La lectura del conversor es leda por unmicroprocesadorque realiza los clculos para presentar en un display numrico el valor de la corriente elctrica circulante. Voltmetro: El instrumento ms utilizado para medir la diferencia de potencial (voltaje) es un galvanmetro que cuenta con una gran resistencia unida en serie a la bobina. Cuando se conecta un medidor de este tipo a una batera o a dos puntos de un circuito elctrico entre los que existe una diferencia de potencial, circula una cantidad reducida de corriente (limitada por la resistencia en serie) a travs del medidor. La corriente es proporcional al voltaje, que se puede medir si el galvanmetro se calibra para ello. Cuando se usa el tipo adecuado de resistencias en serie, un galvanmetro sirve para medir niveles muy distintos de voltajes. El instrumento ms preciso para medir una fuerza electromotriz es el potencimetro, que mide esta magnitud al compararla con una fuerza electromotriz variable y de valor conocido, opuesta a la que se quiere medir. Para medir voltajes de corriente alterna se utilizan medidores de alterna con alta resistencia interior, o medidores similares con una fuerte resistencia en serie.

El osciloscopio de rayos catdicos se emplea tambin para hacer mediciones de voltaje, ya que la inclinacin del haz de electrones es proporcional al voltaje aplicado a las placas o electrodos del tubo.

Voltmetro Osciloscopio

Resistencia: Propiedad de un objeto o sustancia que hace que se resista u oponga al paso de una corriente elctrica. La resistencia de un circuito elctrico determina segn la llamada ley de Ohm cunta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje determinado. La unidad de resistencia es el ohmio, que es la resistencia de un conductor si es recorrido por una corriente de un amperio cuando se le aplica una tensin de 1 voltio. La abreviatura habitual para la resistencia elctrica es R, y el smbolo del ohmio es la letra griega omega, . En algunos clculos elctricos se emplea el inverso de la resistencia, 1/R, que se denomina conductancia y se representa por G. La unidad de conductancia es siemens, cuyo smbolo es S. An puede encontrarse en ciertas obras la denominacin antigua de esta unidad, Ohm (). La resistencia de un conductor viene determinada por una propiedad de la sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la longitud por la superficie transversal del objeto, as como por la temperatura. A una temperatura dada, la resistencia es proporcional a la longitud del conductor e inversamente proporcional a su conductividad y a su superficie transversal. Generalmente, la resistencia de un material aumenta cuando crece la temperatura.

Reostato: Unreostato(orestato) es unresistorde resistencia variable.Es por tanto un tipo constructivo concreto depotencimetroque recibe comnmente este nombre en vez del de potencimetro al tratarse de un dispositivo capaz de soportar tensiones y corrientes muchsimo mayores, y de disipar potencias muy grandes.

Los reostatos son usados enIngeniera Elctricaen tareas tales como el arranque demotoreso cualquier tipo de tarea que requiera variacin deresistenciaen condiciones de elevada tensin o corriente.

III. Procedimiento Experimental: Materiales: Ampermetro Caja de Resistencias Voltmetro Restato Llave o switch Fuente de Voltaje VCD 1,5 V Tablero de resistencias Conexiones

Ampermetro Caja de Resistencia Voltmetro

Restato Llave o switch

Fuente de Voltaje Tablero de Resistencias Cables de Conexin Procedimiento: Variacin de Voltaje y Corriente manteniendo la Resistencia Constante: Armamos el circuito mostrado en la Figura 1, teniendo cuidado con establecer con cuidado la polaridad adecuada a cada elemento.

Figura 1

Fijamos un valor determinado R en la caja de resistencias y con el cambio de posicin del cursor en el restato r, haga posible la variacin de la corriente I y la diferencia de potencial V. En la Tabla 1 anotamos las lecturas correspondientes del ampermetro y el voltmetro, para cada posicin diferente del cursor del restato. Tabla 1Resistencia = 20 Voltaje (V)0.20.30.40.61.01.31.8

Intensidad (A)0.0080.0130.0180.0250.050.0650.08

Variacin de la Corriente y la Resistencia manteniendo Constante el Voltaje: Usando el mismo circuito de la Figura 1, observe y anote en la Tabla 2 los valores de corriente cuando cambian los valores de R de la caja de resistencias conservando constante la diferencia de potencial entre los terminales de la misma. Para conseguir esto vare la posicin del cursor del restato para cada lectura.Tabla 2

Voltaje = 3 VResistencia (()10152025303545

Intensidad (A)0.240.160.120.080.060.040.02

Variacin de la diferencia de Potencial y la Resistencia manteniendo constante la Corriente: Arme el circuito mostrado en la Figura 2. Vare los valores de las resistencias en la caja y para cada valor observado anote en la Tabla 3 los valores del voltaje, conservando constante un determinado valor de la corriente para las distintas lecturas de V y R, variando la posicin del cursor del restato.

Figura 2Tabla 3 Intensidad = 0.1 A

Resistencia (()45403530252015

Voltaje (V)4.443.432.521.5

Codificaciones por colores de las Resistencias:

Llenamos en una Tabla con los valores de las resistencias del tablero de resistencias con sus respectivas tolerancias.

Tabla de Resistencias

1ra. BANDA2da. BANDA3ra. BANDA4ta. BANDARESISTENCIA

()RESISTENCIA

()

1RojoMarrnMarrnDorado21101 5%210 10.5

2NaranjaBlancoNegroDorado39100 5%39 1.95

3VerdeMarrnNegroDorado51100 5%51 2.55

4AzulGrisNegroDorado68100 5%68 3.4

5RojoNegroMarrnDorado20101 5%200 10

FNaranjaNaranjaMarrnDorado33101 5%330 16.5

B. Ley de OhmI. Introduccin:En esta segunda parte de la tercera experiencia de laboratorio que esta vez utilizaremos instrumentos virtuales mediante el Sistema Unitrain en el cual estos instrumentos virtuales son una fuente de corriente continua ya sea Voltmetro, Ampermetro, Osciloscopio, etc.

La tarjeta Unitrain que es un circuito de resistencias nos permite el anlisis de circuitos de corriente sencillos.En esta parte comprobaremos la relacin entre la corriente y la tensin de acuerdo con la Ley de Ohm.

II. Fundamentos Tericos: Georg Simon Ohm: Georg Simon Ohm fue un fsico y matemtico alemn que aport a la teora de la electricidad laLey de Ohm, conocido principalmente por su investigacin sobre las corrientes elctricas. Estudi la relacin que existe entre laintensidad de una corriente elctrica, sufuerza electromotrizy laresistencia, formulando en 1827 la ley que lleva su nombre que establece que: I = V/R. Tambin se interes por la acstica, la polarizacin de las pilas y las interferencias luminosas. La unidad de resistencia elctrica, elohmio, recibe este nombre en su honor. Termin ocupando el puesto de conservador del gabinete de Fsica de laAcademia de Ciencias de Baviera.Pero no solamente fue laelectricidadlo que Ohm decidi investigar en su vida. Tambin en1843declara el principio fundamental de la acsticafisiolgica, debido a su preocupacin por el modo en que uno escucha combinaciones de tonos. Pero esta vez se equivocaba, pues sushiptesisno tenan una base matemtica lo suficientemente slida y la breve vida de su hiptesis acab en una disputa con otro fsico llamadoAugust Seebeck, el cual desacredit su teora y al final Ohm tuvo que reconocer su error.

Finalmente en1849Ohm acepta un puesto enMnichcomo conservador del gabinete de Fsica de la "Bayerische Akademie" y empieza a dar conferencias en la Universidad de Mnich. Y es en1852, que culmina Ohm la ambicin de toda una vida: la de ser designado a la ctedra de fsica de la Universidad de Mnich.Georg Simon Ohmmuere a la edad de 65 aos el6 de juliode1854en Mnich, Baviera, actualAlemania. Ley de Ohm: LaLey de Ohmestablece que la intensidad que circula por un conductor, circuito o resistencia, es inversamente proporcional a la resistencia (R) y directamente proporcional a la tensin (E).La ecuacin matemtica que describe esta relacin es:

Donde,Ies la corriente que pasa a travs del objeto enamperios,Ves la diferencia de potencial de las terminales del objeto envoltios, yRes laresistenciaenohmios(). Especficamente, la ley de Ohm dice que laRen esta relacin es constante, independientemente de la corriente.Esta ley tiene el nombre del fsico alemnGeorg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, hall valores de tensin y corriente que pasaba a travs de unos circuitos elctricos simples que contenan una gran cantidad de cables. l present una ecuacin un poco ms compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuacin de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.III. Procedimiento Experimental: Materiales: Sistema Unitrain Instrumentos virtualesSistema Unitrain

Instrumentos Virtuales Procedimiento: Insertamos la tarjeta UniTrain-I de Circuitos de resistencias SO4203-6A en la parte superior del experimentador cuya fuente de tensin continua de 15V se activa automticamente. Con esto se debe comprobar la relacin entre la corriente y la tensin de acuerdo con la Ley de Ohm. Para ello aplicaremos diferentes tensiones a la resistencia R1 de la tarjeta de Circuitos de Resistencias. Luego mediante lo que se observa en la computadora abrimos el instrumento virtual Fuente de Tensin Continua y lo ajustamos segn lo indicado en la tabla siguiente:Ajustes de la Fuente de Tensin Continua

Rango10 V

Tensin de salida0 V

Luego abrimos el instrumento virtual Voltmetro A y tambin ajustamos lo que detalla dan en la siguiente tabla:

Ajustes del Voltmetro A

Rango de medicin10 V DC

Modo de operacinAV

En caso que utilicemos un Ampermetro utilizaremos el instrumento Ampermetro B y ajustamos segn la tabla siguiente:Ajustes del Ampermetro B

Rango de medicin10 V DC

Modo de operacinAV

Shunt10 ohmios

C. ResultadosEn los resultados obtenidos en lo que se refiere a la primera parte Instrumentacin es que aprendimos a construir circuitos simples con diferentes materiales elctricos lo cual durante el montaje de esta operacin aprendimos conocer las lecturas que muestran estos instrumentos lo cual demostramos en las tablas anteriores; y tambin aprendimos a identificar los valores que nos indican en el tablero de resistencias lo cual tambin lo indicamos anteriormente.En lo que refiere a la segunda parte Ley de Ohm obtuvimos los datos de voltaje y corriente elctrica en elementos resistivos, lo cual estn graficadas en la computadora mediante el Sistema Unitrain, con estos datos comprobamos la relacin que existe entre la corriente y la tensin lo cual verificamos experimentalmente la Ley de Ohm.

D. Conclusiones y RecomendacionesDespus de realizada la primera experiencia logramos conocer los diferentes materiales e instrumentos con los que se realiza los experimentos de electricidad y magnetismo como el ampermetro para la lectura de intensidades, el voltmetro, las resistencias fijas como las resistencias de carbn y las resistencias variables, tambin los restatos, el modo de operacin de la fuente de poder, etc.; con lo cual se llega a tener un objetivo cumplido. Tambin logramos concluir que la Ley de Ohm no se cumple para todos los materiales, por ejemplo no cumple para los semiconductores.Las recomendaciones que se hara para esta experiencia es reparar los instrumentos requeridos ya que todos los grupos para esta experiencia usaron un mismo equipo de instrumentos lo cual hizo una demora para tomar los datos respectivos para cada grupo.E. Cuestionario Cuntas escalas poseen los instrumentos? (describa cada uno de ellos), indique su mnima y mxima lectura en cada escala. Para el Ampermetro:

Observando notamos para la escala de 1.5A el mnimo valor de medicin es de 0.025A por lo que obtendramos un error sistemtico de 0.025/2 es decir 0.0125 en las mediciones a esta escala; llegando hasta una medicin mxima de 1.5A.

Para la escala de 3A la mnima medicin es de 0.05A obteniendo un error sistemtico de 0.025A al utilizar esta escala y un mximo de 3A.

Para la escala de 30A la mnima lectura ser de 0.5A con un error de 0.25A en las mediciones usando estas escalas y una medicin mxima de 30A.

Para el Voltmetro A:

Como las escalas son las mismas a la del ampermetro entonces se tendr los mismos valores:

A la escala de 1.5V la mnima lectura de 0.025V y un error sistemtico de 0.0125V.

A la escala de 3V la mnima lectura de 0.05V y un error sistemtico de 0.025V.

A la escala de 30V la mnima lectura de 0.5V y un error sistemtico de 0.25V.

Para el Voltmetro B:Observando para la escala de 3V obtendremos una lectura mnima de 0.06V teniendo un error sistemtico de 0.03V y una lectura mxima de 3V.

Para la escala de 10V tenemos una lectura mnima de 0.2V con un error sistemtico de 0.1V y llegando hasta una medicin mxima de 10V con esta escala.

Para la escala de 15V tenemos una lectura mnima de 0.3V con un error sistemtico de 0.15V y con la medicin mxima de 15V utilizando esta escala. Investigue de que otra manera se determina el valor de una resistencia. (Sin cdigo de colores).Para calcular la resistencia (R) que ofrece un material al paso de la corriente elctrica, es necesario conocer primero cul es el coeficiente de resistividad o resistencia especfica (rho) de dicho material, la longitud que posee y el rea de su seccin transversal.A continuacin se muestra una tabla donde se puede conocer la resistencia especfica en mm2 / m, de algunos materiales, a una temperatura de 20 Celsius.MaterialResistividad ( mm2 / m ) a 20 C

Aluminio0,028

Carbn40,0

Cobre0,0172

Constatan0,489

Nicromo1,5

Plata0,0159

Platino0,111

Plomo0,205

Tungsteno0,0549

Para realizar el clculo de la resistencia que ofrece un material al paso de la corriente elctrica, se utiliza la siguiente frmula:

De donde: R = Resistencia del material en ohm (). = Coeficiente de resistividad o resistencia especfica del material en , a una temperatura dada. l = Longitud del material en metros. s = Superficie o rea transversal del material en mm2.

Grafique en un papel milimetrado e interprete V vs. I, usando los valores de la Tabla 1 determine el valor de la pendiente de la misma.Esto est representado en el papel milimetrado. Grafique e interprete V vs. I, I vs. R y V vs. R, en papel milimetrado, y compare los valores encontrados a partir del anlisis del grfico con los valores de R, I y V de las Tablas 1, 2 y 3.Esto est representado en el papel milimetrado.

Considere una lmpara que tiene aproximadamente 50.5 y por la cual pasa una corriente de 25 mA. Cul es el voltaje aplicado? Se cumplir la Ley de Ohm?De acuerdo al enunciado del problema, tenemos los siguientes datos:

RL: Resistencia de la Lmpara = 50,5 ( IL: Corriente en la Lmpara = 25 x 10-3 A

Entonces, de acuerdo con la ley de Ohm, tendremos que:

V = I*REntonces, efectuando:

V = (25x10-3 A)(50.5 () = 1.2625 V = 1,2625 Voltios

Se puede observar que el resultado obtenido cumple con la ley de ohm (con los datos proporcionados). Esto es debido a que no se proporcionan ms detalles como para comparar este valor con otro de referencia, de modo que lo nico que se puede afirmar es que la diferencia de potencial entre los bornes de la lmpara es directamente proporcional a la corriente que pasas por ella y a su resistencia interna. Con respecto a la Ley de Ohm podemos decir: Se cumple en materiales conductores y semiconductores. (V)

Puesto que la Ley de Ohm se cumple en la mayora de los resistores metlicos a condiciones ordinarias. La pendiente de la grfica Voltaje vs. Intensidad da como resultado el valor de la Resistencia. (V)

Observamos esta conclusin en la siguiente grfica:

Que la ley de matemtica que gobierna es y sirve tanto para corriente continua como alterna. (F) La ley de ohm solo sirve para corriente continua, ya que en corriente alterna la intensidad varia.F. Referencias Fsica, Volumen II. Paul A. Tipler. Editorial Reverte, S. Bilbao. Fsica Feynman, Volumen II: Electromagnetismo y materia. Feynman, Leighton, Sands. Addison-Wesley Iberoamericana. USA

Biblioteca de Consulta Microsoft Encarta 2005. 1993-2004 Microsoft Corporation. http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/ke_resistencia_5.htm http://www.sapiensman.com/electrotecnia/transformador_electrico5.htm http://dieumsnh.qfb.umich.mx/Fisca/ley_ohm.htm

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F.I.G.M.G.M. UNMSM