Manual de laboratorio de física II

UNIVERSIDAD
CENTROAMERICANA
FISICA II
MANUAL DE PRÁCTICAS DE
LABORATORIO
ELECTRICIDAD | MAGNETISMO | ÓPTICA
DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS | Marlon Ponce
MANUAL PRÁCTICAS DE
LABORATORIO
FÍSICA II
Autor:
Marlon F. Ponce
Laboratorio de Física
Versión revisada por:
Carlos Vallejos T.
Coordinador Ciencias Naturales
2012
UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA, UCA
Universidad Centroamericana (UCA), Managua, Nicaragua
Rotonda Rubén Darío 150 metros al oeste. Apartado Postal 69
2
CONTENIDO
INTRODUCCIÓN
4
NORMAS GENERALES EN EL LABORATORIO DE FÍSICA
5
GUÍAS DE LABORATORIO DE FÍSICA II
6
RECOMENDACIONES GENERALES Y MANEJO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
7
CIRCUITOS DE RESISTENCIA EN SERIE Y EN PARALELO
13
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Y LEY DE OHM EN LÍQUIDOS
19
REGLAS DE KIRCHHOFF
23
CIRCUITOS MIXTOS Y FENÓMENOS TRANSISTORIOS
27
CIRCUITOS CON CA Y APLICACIONES DE ELECTROMAGNETISMO
32
CELDAS SOLARES Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES
36
NATURALEZA DE LA LUZ
39
LISTA DE REFERENCIA
42
ANEXOS
43
1.
Rúbrica para evaluar informe de laboratorio
43
2.
Orientaciones para redactar el informe
45
a.
Ejemplo de portada
45
b.
Estructura del informe
45
3.
Unidades y medidas del SI
51
4.
Alfabeto Griego
53
5.
Constantes Físicas Fundamentales
54
6.
Error absoluto y relativo (porcentual)
54
3
INTRODUCCIÓN
Las prácticas de laboratorio de Física son fundamentales para complementar la base teórica que se recibe.
A través de la experimentación se obtiene la última y definitiva garantía de la validez de una ley.
Las sesiones prácticas que recibirá en este curso permitirán lo siguiente:
Confirmación experimental, cualitativa y cuantitativa de la teoría previamente abordada. Cuando algo
lo “vemos” resulta de mucha facilidad entender su significado y así retener su contenido.
El profesor o instructor de laboratorio tendrá la oportunidad de hacer más creativa la enseñanza de la
física, ya que según la experimentación y deducción, los estudiantes pueden redescubrir las bases
teóricas planteadas.
Cada guía de este manual se ha diseñado para que el estudiante pueda realizar la sesión de laboratorio de
de manera casi autónoma, con poca intervención del instructor. En cada una, se da cierta base teórica
acorde al experimento a realizar, se indica todo el procedimiento que se debe seguir y se señala los
espacios necesarios para anotar los resultados y discusiones a las interrogantes que se plantean en la
evaluación.
El profesor o instructor de laboratorio tendrá una labor de asesoramiento, ayuda y revisión. Esta labor se
desarrollará por grupos de trabajo los cuales deben ser –formados naturalmente- previo al inicio del curso
de Física II. Los integrantes de los grupos de trabajo no deben exceder los cinco miembros. Cada grupo
dispone de tres horas para desarrollar y concluir la experiencia; dos de estas tres horas deben ser
utilizadas en la realización del montaje experimental y la adquisición de datos.
Dado que se solicita la entrega de un informe de laboratorio. Se debe seguir las instrucciones específicas
sobre la forma de escribirlo. La guía general para redactar el mismo se encuentra dentro de este mismo
documento.
El programa del curso esta constituido de ocho sesiones prácticas; siete de ellas relacionadas con
electricidad y magnetismo y una con óptica.
El aprovechamiento óptimo de cada experiencia depende en gran medida de la planeación anticipada y
adecuada de la misma, esto implica una buena documentación de acuerdo al tema y una interpretación
precisa de la guía correspondiente presentada en este manual.
Los estudiantes que lo deseen pueden descargar el Manual en la siguiente dirección Web:
http://ecentro.uca.edu.ni/pd/ponce
4
NORMAS GENERALES EN EL LABORATORIO DE FÍSICA
La siguientes medidas de seguridad han sido adoptadas para que con un poco de sentido común se pueda
trabajar en el laboratorio de manera segura, no sólo par ti, sino para todos los que estén a tu alrededor.
1. Nunca trabajes en el laboratorio si no hay un profesor o instructor que se de cuenta de lo que haces.
2. Prepara tu actividad o experimento de laboratorio leyéndolo de antemano. Haz las preguntas
necesarias acerca de lo que no te resulte claro. Anota todas las precauciones que deber tomas.
3. Usa ropa apropiada para el laboratorio. En el laboratorio de física es obligatorio el uso de gabacha.
Evita el uso de uso de joyas o artículos que cuelguen.
4. Mantén el área de trabajo libre de libros y materiales que no sean necesarios para tu trabajo. Esto
incluye no usar computadora portátil si la práctica no lo amerita.
5. En caso de ser necesario usar gafas de seguridad, principalmente debe ser cuando trabajes con fuego,
líquidos calientes y material de vidrio.
6. Nunca lances cosas, ya sea dentro y fuera del laboratorio.
7. Usa los aparatos únicamente como se indica en el manual o según las instrucciones del profesor. Si
quieres aplicar otro procedimiento, tu profesor tendrá que aprobarlo primero.
8. Cuando se rompa algún equipo u objeto, sin importar el tipo material, informa de inmediato a tu
profesor. Jamás toques directamente vidrios rotos y mercurio derramado de un termómetro.
9. No toques objetos que pueden estar calientes; vasos metálicos, bombillas, resistencias, calentadores de
inmersión, agitadores magnéticos, etc.
10. Cuando trabajes con circuitos eléctricos, apaga la fuente de alimentación antes de hacer ajustes en
ellos.
11. Si estas conectando un voltímetro o amperímetro a un circuito, tu profesor deberá aprobar las
conexiones antes de suministrar corriente.
12. No conectes entre sí las terminales de una pila o batería con alambre. Puede que se caliente y resulte
peligroso.
13. Informa de inmediato a tu profesor en caso de cualquier lesión, accidente o destrozo. También avisa si
sospechas que algo no funciona correctamente, por ejemplo sonidos u olores extraños.
14. Trabaja en silencio para que puedas escuchar cualquier aviso sobre precauciones y seguridad.
15. Interésate por conocer la ubicación de los extinguidotes y la salida de emergencia más cercana.
16. Cuando termines tu trabajo, revisa que las conexiones de los circuitos eléctricos estén desconectadas,
y las de agua y gas queden cerradas. Guarda todos los materiales y aparatos en los lugares designados
por el profesor. Cuando sea necesarios, sigue las instrucciones para deshacerte de cualquier material
de desecho. Y finalmente, Limpia el área de trabajo y ordena el asiento utilizado.
5
GUÍAS DE LABORATORIO
DE FÍSICA II
6
LABORATORIO Nº 1
RECOMENDACIONES GENERALES Y MANEJO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN
Objetivos
1.
2.
3.
4.
5.
Asimilar las medidas de seguridad para prevenir un choque eléctrico y cortocircuitos.
Adquirir habilidades en el manejo de los diferentes aparatos de medición y fuentes de alimentación.
Aprender a leer resistencia usando el código de colores y el ohmímetro
Instruir la construcción de circuitos simples en un tablero de conexiones
Familiarizarse con la función de los componentes de un circuito eléctrico simple y como actúan en
conjunto.
Introducción
Cuando la corriente eléctrica pasa a través del cuerpo humano produce el efecto llamado sacudida o
choque eléctrico. El choque eléctrico puede ocurrir por un deficiente diseño del equipo, fallas eléctricas o
errores humanos. El efecto letal del choque eléctrico es una función de la cantidad de corriente la cual es
forzada a través del cuerpo humano, como camino de conducción. No necesariamente depende del valor
del voltaje aplicado. Un choque de 100 voltios puede resultar tan mortal como de uno de 1000 voltios.
Por general el nivel de corriente requerido para matar a cualquier ser humano es pequeño, por esta razón
deben ejercerse cuidados extremos para prevenir que ocurra el choque eléctrico. La mínima corriente que
puede ser percibida por la mayoría de los seres humanos es de 1 miliamperio-mA- y el rango más fatal de
corrientes se encuentra entre 100 y 300 mA.
También es importante estudiar la relación que existe entre las cantidades elementales presentes en un
circuito eléctrico; corriente, tensión y resistencia mixta. Cabe destacar que la corriente solamente fluye en
un circuito cerrado.
A principios del siglo XVIII, el físico alemán G. S. Ohm, como resultado de sus experimentos, descubrió
que todas estas cantidades básicas son directamente dependientes entre sí y que cada una de ellas depende
pues del valor de las otras dos.
Basándose en esos resultados estableció que “la corriente que pasa por un circuito es directamente
proporcional a la tensión aplicada a la resistencia e inversamente al valor de dicha resistencia”.
I=
Esta ley puesta en fórmula es:
V
R
Donde V es la tensión eléctrica en voltios, I es la intensidad de la corriente eléctrica en Amperes y R es de
la resistencia eléctrica dad en ohm. Si se conocen dos de esas variables se puede determinar la tercera.
Materiales y equipos
Resistencias de distintos valores
Diodos LED
Bombillo incandescente
Tablero de conexión
2 instrumentos V/A
Fuente alimentación CC, 0-30V
1 Reóstato (Resistencia variable)
Conexiones
1 resistencia de 100 Ω
Fusibles
7
Metodología
1. Explicaciones de las medidas de seguridad: junto a su grupo de trabajo proceda al leer cada una
de las siguientes recomendaciones generales de seguridad para evitar accidentes en los
laboratorios de Física II. Discuta con sus compañeras la lógica de cada una de ellas.
•
Antes de comenzar a trabajar con cualquier equipo, averigüe en qué condiciones está el equipo y
si existe algún peligro.
•
Nunca confíe en dispositivos de seguridad tales como fusibles, relevadores y sistemas de cierre,
como base de su protección. Puede ser que no estén funcionando, o que no logren protegerlo
cuando más lo necesite.
•
Nunca quite la punta de tierra de un enchufe de entrada de tres alambres. Esto elimina la
característica de conexión a tierra del equipo, convirtiéndolo en un verdadero peligro.
•
Conserve el orden en la mesa de trabajo. Trabajar entre una maraña de cables de conexión, con un
montón de componentes y herramientas sólo propicia el descuido, con lo que aumentan las
posibilidades de un corto circuito, choques y accidentes. Acostúmbrese a trabajar en forma
sistemática y organizada.
•
No trabaje sobre pisos mojados. Esto hace que se reduzca
sustancialmente su resistencia, al haber mejor contacto a tierra; trabaje
sobre tapetes aislantes, o pisos aislados.
•
No trabaje solo. Siempre conviene que haya otra persona para cortar la
corriente, aplicar respiración artificial y llamar a un médico.
•
Trabaje siempre con una mano a la espalda, o en el bolsillo (en
experimentos de potencia). Cualquier corriente que pase entre las manos
atraviesa el corazón y puede ser más letal que cuando va de una mano al
pie. Los técnicos experimentados trabajan siempre con una sola mano.
Observe con cuidado a su técnico de televisión.
•
No distraiga ni se distraiga. No permita que le distraigan y no converse
con nadie, sobre todo si se trabaja con equipos peligrosos. No sea usted
la causa de un accidente.
•
Muévase siempre con lentitud cuando trabaje cerca de circuitos
eléctricos. Los movimientos rápidos y violentos son la causa de muchos
choques, accidentes y cortos circuitos.
2. Reconocimiento de materiales y equipos de medición y prueba;
a. Atienda a la explicación del equipo de medición y prueba (Multímetro) el
cuál se utilizará en los laboratorios subsiguientes, de este identifique y
anote el significado de cada una de las posiciones del selector giratorio: la
simbología, entrada positiva, negativa, común, las escalas, magnitudes que
se pueden medir y las unidades de medida respectivas. Ver figura 1
Figura
1.
Selector
giratorio, Multímetro
Fluke 117
8
b. Aprenda a probar diodos LED (rojo, verde o amarillo) con el multímetro y aplique el concepto de
polaridad (simbología).
c. Mida con un voltímetro CD, la tensión en una batería alcalina 9V, dos pilas (AA y AAA) anote los
resultados en la tabla 2.
Tabla 1. Lectura de voltaje
Batería o
Pila
Voltaje de Fabrica,
V (nominal)
Voltaje Leído,
V
Alcalina 9 V
AA
AAA
d. Utilice el multímetro en la función correspondiente para leer resistencias y comparé este valor con
el que obtendrá a través del código de colores.
En el inciso d el instructor/profesor mostrará dos ejemplos de lectura de resistencia usando el código de
colores, luego se le entregará a cada estudiante resistencias para conocer su valor usando el código de
colores y verificar el resultado con el ohmiómetro.
Tabla 2. Lectura de resistencias usando el código de colores
Color
Negro
Marrón
Rojo
Naranja
Amarillo
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
Oro
Plata
Sin color
1ra. Cifra (A)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
2da. Cifra (B)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
3ra. Cifra (C)
0
00
000
0 000
00 000
000 000
0 000 000
00 000 000
000 000 000
Tolerancia (D)
±5%
± 10 %
± 20 %
Tabla 3. Valores de las resistencias facilitadas
9
R
Combinación de
colores
Valor nominal
con el código de
color
Valor real
con el
multímetro
Desviación
(Real - Nominal)
¿Resistencia
buena o
dañada?
1
2
3
4
5
6
7
8
e. También se le mostrará como hacer conexiones de componentes en el tablero de conexión según los
nodos. Ver figura 2
El tablero de conexión lleva un sistema de puntos de conexión, los cuales, están conectados con alambres, tal como
lo muestran las líneas en la cara superior de la placa. Estos puntos de conexión aceptan las espigas de los enchufes de
los componentes usados en los experimentos.
Un bloque de conexión (9 puntos unidos con una línea continua en la cara superior) contiene un alambre corto entre
las espigas que permite que los puntos de conexión, del tablero de conexión, sean convenientemente conectadas una
con otra sin necesidad de un cable de conexión. Cada bloque de conexión tiene 9 puntos conectados unos con otros
como un solo nodo. Facilita el montaje del circuito sin necesidad de usar tantos cables de conexión.
Manipulación de la fuente de alimentación. Atienda la explicación sobre las instrucciones de
manejo de la fuente de alimentación. Para evitar se le olvide, anote el procedimiento indicado por el
instructor sobre como manipular dicho equipo. Anote además el tipo de corriente que suministra.
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
_______________________________________________
f.
g. Circuito simple; a continuación se procederá a
armar un circuito simple el cual se muestra en la
figura 2, para ello siga los siguiente pasos:
i. Observe que el símbolo ± indica donde se debe
conectar la fuente de alimentación.
ii. Los números 1, 2 y 3 indican donde se ubicaran
Figura 2. Montaje de un circuito simple.
cables de conexión, los cuales pueden ser de los
rojos o azules o bien los componentes rígidos con una línea continua en la cara superior, también
son conectores.
iii. La línea cortada a mitad del circuito representa la ubicación de un interruptor o Switch. Este debe
estar abierto antes de encender la fuente (abierto significa que debe estar en señal de apagado).
10
iv. El círculo con una X en el centro indica una lámpara o bombillo incandescente.
v. Si todo esta bien, suministre 4.5 V al bombillo y cierre el circuito (para ello cambie a posición de
encendido el interruptor)
vi. Abra el circuito (señal de apagado en el Switch) sustituya los bloques rígidos por cables de
conexión y repita el paso anterior.
vii. Abra el circuito e intercambie la posición del
bombillo con el interruptor, repita el paso v
nuevamente.
viii. Anote sus observaciones; luminosidad del
bombillo al intercambiar las posiciones,
funciones los cables y bloques rígidos conectores,
seguridad y precauciones durante el montaje de
un circuito en el tablero de conexión.
h. Medir voltaje; proceda a montar el circuito de la
figura 3. La fuente (±) indica que se usará un
voltaje de 0 hasta 12 voltios de corriente continúa.
i. Verifique que el multímetro se encuentre el la
Figura 3. Medición de tensión
posición correcta para medir voltaje y revise que el
interruptor este en posición de apagado.
ii. Suministre un voltaje de 4.5 voltios al circuito. Y cierre el interruptor.
iii. Anote el valor indicado por el multímetro y sus observaciones respecto a como medir voltaje.
Observaciones
Medir intensidad de corriente eléctrica;
construya un circuito como el de la figura 4.
Observe que debe colocar el amperímetro (letra
A) entre dos bloques de conexión.
i. Cerciórese que el multímetro se encuentra en la
posición correcta para medir intensidad de la
corriente eléctrica y revise que el interruptor se
encuentre en posición de apagado.
ii. Suministre un voltaje de 4.5 voltios al circuito
y cierre el interruptor.
iii. Anote el valor indicado por el Multímetro y sus
observaciones respecto a como medir
Figura 4. Medición de intensidad
intensidad de corriente eléctrica.
iv. Apague la fuente de alimentación, desarme el circuito armado y ordene el lugar de trabajo.
i.
11
Datos leídos (Circuito simple)
Voltaje en la fuente (V)
Voltaje leído con el voltímetro(V)
Intensidad de corriente leída con el amperímetro
(A, mA)
Resistencia calculada (Ohm)
(use ley de ohm dada en introducción)
Evaluación
1. Registre en una tabla la simbología principal tanto de componentes eléctricos como de magnitudes
eléctricas y sus unidades de medida.
2. Resuma las consideraciones principales a tomar en cuenta cuando se mida la tensión (o voltaje) y la
intensidad de corriente eléctrica.
3. Extraiga sus conclusiones de la sesión número 1 de laboratorio y destaque los aprendizajes más
importantes que podrá poner en práctica en la vida diaria.
4. Investigación; Indague (y presente en el anexos del reporte de este Laboratorio) sobre los tipos de
materiales conductores óhmicos (resistencias de carbón, conductores de cobre, etc.).
12
LABORATORIO Nº 2
CIRCUITOS DE RESISTENCIA EN SERIE Y EN PARALELO
Objetivos
1.
2.
3.
4.
5.
Comprobar experimentalmente la ley de Ohm
Investigar que materiales obedecen a la ley de Ohm
Comprobar experimentalmente las ecuaciones de resistencia cuando se conectan en serie
Aplicar las ecuaciones de resistencia conectadas paralelo en circuito sencillo de laboratorio.
Combinar los conceptos de resistencias en serie y en paralelo y aplicarlos a circuitos mixtos de
resistores.
Introducción
Si se conoce el valor de la tensión aplicada a los extremos de un conductor y la intensidad de l corriente
que por él circula, se puede calcular el valor de la resistencia del mismo mediante la aplicación de la ley
de Ohm para una porción de dado que;
I=
V
R
de donde R =
V
I
Para un mismo conductor el valor de la resistencia, por lo general es constante, no dependiendo de V ni de
I, ya que esta determinada por la naturaleza y dimensiones del conductor. Entonces para determinar la
resistencia de una porción de circuito es necesario conectar en él un amperímetro en serie y un voltímetro
en paralelo.
En el sistema internacional (SI) la tensión eléctrica V se mide en voltios, la intensidad de la corriente I en
amperios y la resistencia eléctrica R en ohm (Ω).
Tomando como base la ley de Ohm las resistencias se pueden agrupar tanto en serie y en paralelo y
estudiarse aplicando los principios de la misma.
Los experimentos de resistencias en serie y en paralelo pretenden demostrar que al conectar resistencias
en serie o en paralelo el valor de la corriente que pasa por cada una de ellas depende del arreglo de las
mismas. La corriente que pasa por cada una de las resistencias armadas en serie es la misma, mientas que
en un circuito en paralelo el valor de la corriente eléctrica varía según el divisor de corriente, es decir
según el valor de cada una de ellas en dependencia del valor que tengan esas resistencias.
Para aplicar la ley de Ohm en un circuito en serie se sustituyen las resistencias por una sola que tenga el
mismo valor equivalente a la suma de todas las resistencias conectadas en serie.
En el circuito de la figura 1 por cada resistencia la misma corriente I. Al
polo “-“de la batería no puede llegar más corriente de la que sale por el
polo “+”. De este modo, en todo el circuito no puede añadirse o restarse
ninguna corriente y, por tanto, I es la misma en todo él.
I
Aplicando la ley de Ohm a todas y cada una de las resistencias del
circuito, tenemos:
VR1 = I × R1
;VR2 = I × R2
;VR3 = I × R3
También se observa que:
Vtot = VR1 + VR2 + VR3
Figura 1. Conexión en serie
de resistencias
13
Sustituyendo las tres resistencias en serie por una sola, Re, que extraiga la misma corriente de la batería, se
puede decir que Vtotal = IRe. Por consiguiente:
I * Re = I * R1 + I * R2 + I * R3 = I * (R1 + R2 + R3 )
Dividiendo por I resulta:
Re = R1 + R2 + R3
Se ve que la resistencia que sustituye a varias en serie es igual a la suma de
ellas.
En la figura 2 se da tres resistencias R1, R2 y R3, conectadas a la misma
fuente de tensión V. Si se aplica la ley de Ohm se puede calcular la corriente
que circula por cada una de las tres resistencias;
I1 =
V
V
V
, I2 =
, I3 =
R1
R2
R3
Figura 2. Conexión en paralelo
de resistencias
Según la ley de los nodos de Kirchhoff; It = I1 +I2 +I3 )
Si las tres resistencias se sustituyen por una sola resistencia equivalente Re. La corriente total puede
expresarse ahora por;
It =
V V V V
= + +
Re R1 R2 R3
o V*
1
1
1
1 
= V *  +
+ 
Re
 R1 R2 R3 
Si se divide ambos lados por V, se tiene que,
1
1
1
1
=
+
+
, lo que significa que la inversa de la
Re R1 R2 R3
resistencia equivalente es igual a la suma de los valores inversos de cada una de las resistencias
individuales. Cuando solamente se tiene dos resistencias se puede usar la siguiente fórmula.
Re =
R1 * R2
R1 + R2
Materiales
Tablero de conexión
Multimetro para V/A.
Resistencia de 47Ω
Resistencia de 100Ω
Resistencia de 470Ω
Resistencia de 1K
Resistencia variable (reóstato)
Fuente de alimentación 0-30V CC
Cables de conexión
14
Metodología
1. Para la demostración de la ley de Ohm sigua los
siguiente pasos;
a. Construya un circuito como el esquema de la
figura 3, con una resistencia de 100 ohm.
b. Use una fuente de alimentación de 0 a 20V, no
exceda el voltaje en circuito más allá de 12 V.
c. Asegúrese que todo el circuito está
correctamente montado. Antes de encender la
fuente verifique que el potenciómetro de
control de voltaje esté en cero. Encienda la
fuente de alimentación.
d. Varíe el voltaje de la fuente desde 0 a 10 V, de
1 en 1 voltio, anotando los valores de corriente
Figura 3. Circuito para comprobar ley de ohm.
correspondiente a cada tensión en la tabla 1.
e. Reduzca a cero el voltaje de la fuente y
desconecte del circuito el cable positivo.
f. Sustituya la resistencia de 100 Ohm, por el reóstato.
g. Fije un voltaje de 8 V, en la fuente; apáguela y conecte nuevamente el positivo al circuito. No debe
reducir a cero el voltaje de 8 V, para mantener el mismo valor durante la toma de datos siguiente.
Únicamente apague la fuente.
h. Mida las corrientes correspondientes a los distintos valores de las resistencias según se le pide en la
tabla 2.
i. Tenga cuidado al variar la resistencia. Antes de que cambie de valor de R, debe apagar la fuente
de voltaje para evitar corrientes muy grandes que dañen el amperímetro o las resistencias de
pequeño valor.
Tabla 1. Intensidad de la corriente con voltaje variable.
Resistencia constante de 100 Ω
Voltaje (V)
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
180
190
200
Intensidad
calculada
(mA)
Intensidad
medida (mA)
Error Relativo
(%)
Tabla 2. Intensidad de la corriente con voltaje constante.
Voltaje constante de 8 V
Resistencia (Ω)
Intensidad
calculada
(mA)
Intensidad
medida (mA)
Error Relativo
(%)
100
110
120
130
140
150
160
170
15
j. Reduzca a cero la fuente, apáguela. Desconéctela de la red, desarme el circuito y ordene el puesto
de trabajo.
k. Con los datos de la tabla 1, trace gráfico V (Y) vs. I (X) cuando R es constante.
l. Con los datos de la tabla 2 trace un gráfico R (X) vs. I (Y) cuando V es constante.
m. Para los pasos k y l saque sus propias conclusiones y preséntelas en el reporte al respecto de:
i. Forma de la gráfica
ii. Relación funcional entre la Intensidad y el Voltaje y entre la intensidad y la resistencia.
iii. Determine la pendiente de ambas gráficas, usando el método de mínimos cuadrados. ¿Qué
representa esta pendiente en cada caso?
2. Resistencias en serie; construya un circuito de tres resistencias en serie, como el de la figura 4.
a. Realices lo cálculos pertinentes para encontrar los
valores teóricos del circuito y anotarlos en la tabla 3.
b. Verifique que el circuito está correctamente y encienda
la fuente de alimentación, previamente debe estar
ajustada en 14 voltios.
c. Mida la corriente que pasa por cada uno de las
resistencias. Tenga cuidado al desconectar el
amperímetro primeramente debe apagar la fuente de
Figura 4. Resistencias en serie.
voltaje.
d. Mida cada uno de los voltajes del circuito, es decir el voltaje total y el respectivo de cada una de las
resistencias.
e. Apague la fuente de tensión y desconecte el cable positivo del circuito.
f. Sustituya las tres resistencias por su equivalente, arme nuevamente el circuito (ver figura 4) ahora
solamente con una resistencia (utilice el reóstato o resistencia variable). Anote los valores leídos en
la fila de R equivalente.
g. Mida nuevamente el voltaje y la intensidad total en el circuito.
h. Anote los valores obtenidos en la tabla 3.
Tabla 3. Medida de tensión y corriente en un circuito en serie.
Componente
Valores teóricos
Corriente
Voltaje (V)
(mA)
Resultado experimental
Corriente (mA)
Voltaje (V)
Circuito en serie
(V e I Total)
R1 =
R2 =
R3 =
Requivalente =
Compruebe:
a. Itotal = IR1 = IR2 = IR3
b. Vtotal = VR1 + VR2 + VR3
16
3. Resistencias en paralelo; construya un
circuito de tres resistencias en paralelo,
como el de la figura 5.
a. Realices lo cálculos pertinentes para
encontrar los valores teóricos del circuito
y anotarlos en la tabla 4.
b. Cerciórese del estado de las conexiones
realizadas y encienda la fuente de
alimentación, previamente debe estar
ajustada en 14 voltios.
Figura 5. Resistencias en paralelo
c. Mida la corriente que pasa por cada uno
de las resistencias. Tenga cuidado al desconectar el amperímetro primeramente debe apagar la
fuente de voltaje.
d. Mida cada uno de los volatjes de los elementos del circuito. La fuente y las 3 resistencias.
e. Apague la fuente de tensión y desconecte el cable positivo del circuito.
f. Sustituya las tres resistencias por su equivalente, arme nuevamente el circuito (figura 6) ahora
solamente con una resistencia (utilice el reóstato o resistencia variable).
g. Mida nuevamente el voltaje y la intensidad total en el circuito.
h. Anote los valores obtenidos en la tabla 4.
Tabla 4. Medida de tensión y corriente en un circuito en paralelo.
Valores teóricos
Resultado experimental
Componente
Corriente
Voltaje (V) Corriente (mA) Voltaje (V)
(mA)
Circuito en
paralelo
(V e I Total)
R1 =
R2 =
R3 =
Requivalente =
Compruebe:
a. Itotal = IR1 + IR2 + IR3
b. Vtotal = VR1 = VR2 = VR3
4. Desconecte todos los equipos y componentes y ordene el puesto de
trabajo, recuerde colocar los cables de conexión en el lugar indicado.
Figura 6. Circuito con
resistencia equivalente
17
Evaluación
1. ¿Cuáles son las tres formas en que se puede escribir la ley de Ohm?
2. ¿Qué sucede con la corriente que pasa por una resistencia si:
a. se duplica la tensión
b. se reduce la resistencia a la mitad?
3. Realice su respectivo análisis y discusión para cada tabla de valores. Compare el error entre en valor
teórico o calculado y los datos experimentales obtenidos durante la práctica de laboratorio. ¿Son
aceptables los errores? ¿Por qué?
4. ¿Cuál es la particularidad de las resistencias que se conectan en serie o en paralelo?
5. ¿Por qué cree es importante tener asocianes en serie o en paralelo de componentes resistivos?
Ejercicios anexos
Nota: Los debe practicar antes de entrar a la práctica de laboratorio, puede que sea requerido para la
prueba previa a la sesión. No es necesario presentar en su reporte o informe de laboratorio.
1. La tensión aplicada a una resistencia de 10 Ω es de 50 V. ¿Cuál es la corriente?
2. Una corriente de 10 A pasa por una resistencia de 22 ohmios. ¿Cuál es la tensión aplicada a la
resistencia?
3. Una resistencia desconocida está conectada a una fuente de 42 V. La corriente medida es de 7 A.
¿Cuál es el valor de la resistencia en cuestión?
4. En un circuito se necesita una resistencia de 100 ohmios. Se dispone de resistencias de valores de 10,
20, 30, 40, 50, 60 y 70 ohmios. ¿Cuáles son las combinaciones posibles en serie de estas resistencias
con las que podemos obtener 100 ohmios?
5. Calcule la resistencia equivalente de los circuitos en paralelo siguientes.
a. 60 y 40 ohmios
b. 300, 200, 50 ohmios
c. 7 Resistencias de 56 ohmios.
18
LABORATORIO Nº 3
CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Y LEY DE OHM EN LÍQUIDOS
Objetivos
1. Estudiar el fenómeno de conducción de electricidad en líquidos.
2. Determinar si el agua contiene disueltas sustancias conductoras de corriente eléctrica.
3. Examinar la relación entre tensión y la intensidad de corriente eléctrica en una solución acuosa.
Introducción
Para que un medio material pueda conducir la corriente eléctrica debe contener cargas móviles capaces de
conducir la electricidad. En los metales, las cargas móviles son los mimos electrones de las capas más
externas de los átomos que lo forman (electrones de conducción). Al formarse el metal, el campo de cada
átomo afecta a sus vecinos más próximos, lo que hace que los electrones más externos dejen de estar
ligados a un solo átomo y tengan libertad para moverse a través de todo el sólido. En algunos líquidos,
por ejemplo el agua, si se disuelven sales, ácidos o bases, éstas se disocian en iones positivos y negativos
que pueden moverse a través del líquido, por lo que la conducción eléctrica se hace apreciable.
La conductividad en medios líquidos está relacionada con el pH, es decir con la presencia de sales en
solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si
se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o
conductores electrolíticos.
La conductividad eléctrica en soluciones se define como la capacidad que tiene la solución para conducir
la corriente eléctrica. Una solución tiene capacidad para conducir corriente eléctrica cuando contiene
partículas cargadas. Estas partículas cargadas se llaman iones.
El agua pura (destilada), prácticamente, no conduce la corriente eléctrica ya que por ser pura “no contiene
iones”.
La conductividad de una solución que contiene un electrolito se calcula a partir de la resistencia de la
forma: L =
1
R
L es la conductividad dada en ohm inverso o mho y R es la resistencia en ohm.
Para un electrodo de 1cm2 de sección (A) y un cm. de longitud (l) se tiene que: L =
Donde κ es la conductividad específica; Es decir que k =
k*A
l
L *l
A
La conductividad específica se puede entender como la medida de la facilidad con que la corriente fluye a
través de un cubo de 1 cm. de arista.
Materiales
Agua
Sal común
Bicarbonato de sodio o Sulfato de cobre
Fuente de alimentación
Cables de conexión
Multímetro (2)
Electrodos de cobre o Zinc
Beaker 500mL
Papel absorbente
Cuchara desechable
Pinzas de cocodrilo
Tablero de conexión
Cubeta de vidrio
Solución de azúcar
19
¡Evite Accidentes!
1. No pruebes o inhales las sustancias.
2. Cuida de no derramar líquido sobre el circuito, la mesa o el piso.
3. Trabaja atentamente y no interfieras en el trabajo de tus compañeros.
4. No olvides lavar los electrodos con agua antes de utilizarlos nuevamente.
Metodología.
Conductividad eléctrica en líquidos
1. Vacíe 100 ml. de agua potable en la cubeta acanalada, también puede utilizar un beaker de 500 mL.
2. Introduce los electrodos, del mismo material, (cobre o
Zinc) a la cubeta.
3. Arme el circuito mostrado en la figura 1.
4. Varíe la tensión de la fuente en 2, 4 y 6 Voltios, anote la
corriente alcanzada, tenga cuidado y observe el valor
indicado por el amperímetro, evite salirse de escala.
5. Registre en la tabla 1 sus datos y sus observaciones.
6. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta.
7. Agregue a la cubeta 100 ml de solución salina (agua + sal).
8. Coloque nuevamente los electrodos en la cubeta
Figura 1. Conducción de electricidad en líquidos.
9. Arme el circuito mostrado en la figura 1.
10. Aumente la tensión de la fuente a 6V, anote la corriente alcanzada. Tenga cuidado con la escala.
11. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta. También limpie los electrodos.
12. Agregue a la cubeta 100 ml de solución de bicarbonato de sodio (Agua + bicarbonato).
13. Coloque nuevamente los electrodos en la cubeta.
14. Arme el circuito mostrado en la figura 1.
15. Aumente la tensión de la fuente a 6V, anote la corriente alcanzada
16. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta. También limpie los electrodos.
17. Termine de llenar la tabla 1 para cada una de las soluciones siguientes.
Tabla 1. Conductividad eléctrica en soluciones
Agua potable
I=
Voltaje (V)
4
I=
Agua + sal.
I=
I=
I=
Agua + bicarbonato. I =
I=
I=
I=
I=
Sustancias
Agua + Azúcar
2
I=
6
I=
Observaciones
18. Tome nuevamente 100 mL de la solución que “deja pasar más corriente” en el paso anterior y arme el
circuito de la figura 1.
20
19. Seleccione rangos de medidas adecuados de corriente continua para los instrumentos de medición
(Voltímetro, Amperímetro) y cierre el circuito.
20. Ponga fuente de alimentación a 0 V y enciéndala.
21. Incrementa la tensión en pasos de 0.5 V, midiendo a la vez la corriente y anótelo en la tabla 2.
22. Ahora fije la tensión en 5V, abra el interruptor y disminuya la distancia de los electrodos a la mitad.
23. Cierre el circuito y mida la intensidad, anótela al final de la tabla 2.
24. Fije la tensión en 0 V y apague la fuente de alimentación.
25. Desarme el circuito, lave y seque los materiales (electrodos, cubeta, envases, cables, etc.)
Tabla 2. Ley de ohm para líquidos.
Voltaje
(V)
Intensidad
(mA)
Resistencia
(Ω
Ω)
0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
6.0
Intensidad [en mA] distancia de los electrodos reducida: _______________________________________
________________________________________________________________________________________
Conductividad eléctrica en diferentes materiales
1. Arme un circuito como el de la figura 1, no obstante coloque en los extremos de las pinzas de lagartos un
trozo de grafito (carbón) en lugar de la cubeta.
2. Encienda la fuente de poder, cerciórese antes que el potenciómetro de la misma este en cero.
3. Aumente lentamente el voltaje de la fuente a intervalos de 0.3 en 0.3 voltios hasta llegar a 3.3 V, anote la
intensidad de la corriente para cada valor correspondiente de la tabla 3.
4. Reduzca a cero el potenciómetro de la fuente y cambie el trozo de grafito por un trozo de papel aluminio
enrollado y aumente nuevamente el voltaje (debe hacerlo más despacio que en el caso del grafito, varíe el
voltaje de 0.2 en 0.2 voltios) y obtenga los valores de intensidad de la corriente correspondientes a cada
voltaje.
5. Anote los datos en la tabla 4 y complétela calculando la resistencia para cada par de valores de V e I tanto
para el grafito como para el papel aluminio.
Tabla 3. Conductividad en materiales sólidos
Voltaje (V)
0.0
Conductividad eléctrica en el grafito
0.3
0.6
0.9
1.2
1.5
1.8
2.1
2.1
2.4
2.7
3.0
3.3
1.6
1.8
2.0
2.4
2.6
Intensidad (mA)
Resistencia (Ω
Ω), R = V
I
Tabla 4. Conductividad en materiales sólidos
Voltaje (V)
0.0
Conductividad eléctrica en el papel aluminio
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Intensidad (mA)
Resistencia (Ω
Ω), R = V
I
Observaciones tabla 3
21
Evaluación
1. ¿Hay diferencia entre el comportamiento del agua potable y el agua con otra sustancia al introducir los
electrodos? Si hay diferencias, ¿cómo explicas esta diferencia para cada una de las sustancias?
2. ¿Por qué no deberías usar el secador de pelo u otro artefacto eléctrico cerca del agua potable?
3. Calcule la resistencia, para cada valor de voltaje e intensidad encontrado el la solución de sulfato de cobre.
4. Para la tabla 2 realice un gráfico V (Y) vs. I (X). Si observa una relación lineal calcule al pendiente de la
recta usando el método de los mínimos cuadrados.
5. ¿Considera que la relación V/I en el grafico realizado para la tabla 2 es una constante? ¿Qué concluye de la
validez de la ley de ohm para los líquidos?
6. Con los datos de la tabla 3 y 4 realice un gráfico V (Y) vs. I (X) para cada material y calcule la pendiente de
la recta. Con base en los datos de la tabla 3 y 4 y en los gráficos construidos, qué puede concluir respecto a
la conductividad eléctrica de los dos materiales utilizados ¿Cuál es mejor, el grafito o el aluminio?
7. Comparando todas las sustancias utilizadas, líquidas y sólidas, ordénelas de mayor a menor conductividad
eléctrica y explique por que unas son mejores conductoras de electricidad que otras.
22
LABORATORIO Nº 4
REGLAS DE KIRCHHOFF
Objetivos
1.
2.
3.
4.
Aplicar las reglas de Kirchhoff para analizar circuitos de mallas y nodos
Explicar cómo las reglas de Kirchhoff son consecuencia de la conservación de la carga y la energía.
Verificar las reglas de Kirchhoff en circuitos de mallas y nodos.
Describir las características de las ramas, los nodos y los lazos de un circuito.
Introducción
Estas reglas representan una aplicación de dos principios de la física, vistos hasta ahora: La conservación de la
carga eléctrica y la conservación de la energía.
La primera regla establece que la suma algebraica de las corrientes que pasan por un nodo es cero. Dicho de otro
modo, la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma
de las
corrientes que salen del nodo. Esto significa que ningún nodo guarda,
destruye, o crea carga.
I1
En la figura 1 se da un ejemplo sencillo en el que cuatro conductores
forman una unión con una corriente I1, I2, I3 e I4, respectivamente. La
dirección de las corrientes está indicada con las flechas. Si se supone que
corrientes que van hacia el nodo son positivas y que las que salen de él
negativas, la primera regla de Kirchoff se puede escribir en la forma;
I1 – I2 + I3 – I4 = 0 ó I1 + I3 = I2+ I4, es decir, ΣI entran= ΣI salen
I2
I4
las
son
I3
Figura 1. Esquema
Nodal: Unión de tres o
más componentes.
anudados entre si.
La segunda regla establece que la suma algebraica de los voltajes
alrededor de un lazo cerrado es cero. Dicho de otro modo, la suma
algebraica de las elevaciones de voltaje es igual a la suma de caídas de voltaje (caídas de tensión): Σe = ΣV. Esto
significa que la energía que entrega la batería es usada en su totalidad por el circuito. La batería, o cualquiera de
los elementos de circuito, no crean, ni destruyen energía, sólo la transforman. La energía se transforma en otra
forma en trabajo, o en otra forma de energía, por ejemplo, en calor y se disipa en el ambiente.
Estas dos reglas permiten analizar cualquier circuito y establecer las ecuaciones para resolver y obtener los
valores de las corrientes (las incógnitas) que circulan por sus elementos.
Observando figura 2, si se conecta el punto A de la red a masa, dicho punto tiene un potencial fijo y se puede
considerar los demás (B, C y D) con respecto a él. Si conecta un
I
3Ω
voltímetro entre los puntos A y B, el potencial de B será 25 V
mayor que el de A.
En el circuito cerrado (malla) A, B, C, D, A: Σe = ΣV:
15 V
(25 V – 15 V) = (7 Ω + 3 Ω) * I la corriente será de
(25 − 15) V
(7 + 3) Ω
7Ω
=1 A
La caída de tensión en la resistencia BC será pues de 1A * 3Ω = 3
V. Como la batería de 15 V entre los puntos C y D. La caída de
tensión en la resistencia AD es de 1A x 7Ω = 7 V.
Figura 2. Circuito cerrado
o malla.
23
En la figura 3 se indica esquemáticamente lo anterior. De
este modo, se puede trazar el “gráfico de potencial” o de
tensión de cualquier circuito.
De este modo se utiliza estas valiosas herramientas de trabajo
que se utilizan todos los días en la resolución de circuitos
simples, que ayudan por ejemplo a un técnico a determinar
los valores de tensión y corriente, existentes en los circuitos.
Materiales y equipos
Tablero de conexión
Multímetro para V/A.
Resistencia de 1K
Resistencia de 10K
Resistencia de 470Ω (o de 390 Ω)
Resistencia de 100Ω (dos)
Fuente alimentación DC (dos)
Cable conectores
Tomas de masa
Figura 3. Gráfico de potencial
Metodología
Primera regla de Kirchhoff
1. Monte el circuito del esquema A–1 y llame al instructor para que se lo revise.
2. Ajuste la fuente de alimentación a 20 V. Previamente debe haber encendido el voltímetro y el amperímetro
ajustados en las escalas adecuadas (hacer antes los cálculos para hallar los valores teóricos).
3. Conserve constante la tensión de alimentación mientras dura el experimento. No varía el potenciómetro de la
fuente de poder.
4. Lea cada una de las intensidades de corriente que pasa por las resistencias. Recuerde apagar la fuente
alimentación antes de desconectar el instrumento de
medición de corriente.
5. Si el amperímetro marca un valor negativo significa que está
mal colocado y se debe invertir las terminales en el circuito.
(cambiar de posición las espigas de los cables conectores)
6. Anote los valores medidos en la tabla 1.
I1
I3
Tabla 4. Comprobación de la conservación de la carga.
Componente
Corriente
Calculada
(mA)
Corriente del
Experimento
(mA)
Error
Relativo
(%)
I1 (por R1)
I2
Esquema A-1
I2 (por R2)
I3 (por R3)
Compruebe:
a. Itotal = IR2 = IR1 + IR3
b. VR1 = VR3
c. Vtotal = VR1 + VR2
7. Apague la fuente de alimentación y rearme el circuito sugerido en el paso siguiente.
24
8. Construya el circuito del esquema A–2, omita la resistencia de 470 Ω.
9. Ajuste B2 a 15 V.
10. Ajuste B1 a 10 V.
11. Conecte las resistencias de 470Ω en la posición indicada.
12. Compruebe los valores de B2 y B1 y si hace falta ajústenlas a
I1
15 V y 10V, respectivamente
13. Lea los instrumentos I1 e I2 y anote sus valores en la tabla 2.
Observe el valor de la corriente (negativo o positivo) si le da
positivo significa que la corriente fluye en ese sentido (salir o
I3
entrar) sino indica que va en sentido contrario.
14. Lea el valor de la corriente I3. (asegúrese bien que la polaridad
es la correcta).
15. Aumente el voltaje de B1 hasta 15 V, y lea nuevamente los
valores de las corrientes (compruebe nuevamente la
conservación de la carga)
16. Indique con un esquema nodal (figura 1) que corrientes salen
y cuales salen del nodo en cuestión. Fíjese en el signo
indicado por el amperímetro.
17. Apague la fuente alimentación y desarme el circuito. Apague también los multímetros.
I2
Esquema A-2
Tabla 5. Comprobación de la conservación de la carga para el esquema A-2
Componente
B1 = 10V y B2 = 15V
Corriente
Corriente del
Calculada
Experimento
(mA)
(mA)
Error Relativo
(%)
I1 (por R1)
I2 (por R2)
I3 (por R3)
Componente
B1 = 15V y B2 = 15V
Corriente
Corriente del
Calculada
Experimento
(mA)
(mA)
Error Relativo
(%)
I1 (por R1)
I2 (por R2)
I3 (por R3)
Compruebe:
a. Considerando uno de los nodos; se debe cumplir que la suma de las corrientes que salen es
igual a la suma de las que entran.
Segunda regla de Kirchhoff
25
1. Forme el circuito B–1 (excepto la resistencia de 10 kΩ)
2. Ajuste B1 a 18 V y B2 a 8 V. y Apáguela sin reducir a cero los
potenciómetros de la fuente.
3. Conecte la resistencia de 10 kΩ y el amperímetro y encienda la
fuente de alimentación.
4. Reajuste si es necesario B1 y B2 a 18 V y 8 V respectivamente.
5. Lea en el amperímetro la corriente que pasa por la resistencia de
10K.
6. Mida la caída de tensión (leer voltaje) en cada resistencia (cuidado
con la polaridad)
7. Observe que la suma algebraica de las tensiones en cada una de las
mallas es cero.
8. Reduzca la tensión B1 hasta que el amperímetro marque cero.
9. Midan ahora B1 y B2 y comprueben que las tensiones son iguales.
10. Compruebe otra vez que la segunda regla de Kirchhoff es cierta.
11. Anote lo valores en la tabla 3.
I
Esquema B-1.Circuito con 2 lazos.
Tabla 3. Comprobación de la segunda regla de Kirchhoff.
Parámetro
Corriente I
(mA) que pasa
por 10K
Corriente I
(mA) que pasa
por 1K
Caída de tensión
en R = 10K
(V)
Caída de tensión
en R = 1K
(V)
Valor
Calculado
Valor
Experimental
Error relativo
(%)
Compruebe:
a. Considerando una de las dos mallas de este circuito; se debe cumplir que la suma de las
elevaciones de voltaje es igual a la suma de las caídas de tensión en la misma.
Evaluación
1. Para la tabla 1 y 2 compruebe que la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las
corrientes que salen del mismo. ¿Se cumple la conservación de la carga?
2. Para la tabla 3 considere las dos mallas y compruebe que la sumatoria algebraica de las tensiones (fem, caídas
o elevaciones) es igual a cero.
3. Establezca las definiciones prácticas de las reglas de Kirchhoff.
4. ¿Por qué no habrá corriente en el circuito B-1, si B1 = B2? Demuestre con cálculos.
5. Para los esquemas A-1 y A-2 establezca un esquema nodal con las direcciones de las corrientes que
demuestre la validez de la primera regla de Kirchhoff.
26
LABORATORIO Nº 5
CIRCUITOS MIXTOS Y FENÓMENOS TRANSISTORIOS
Objetivos
1.
2.
3.
4.
Calcular y medir la resistencia equivalente de resistencias conectadas en serie-paralelo.
Aprender a conectar circuitos eléctricos más complejos basándose en un diagrama esquemático.
Analizar el fenómeno de carga y descarga de un capacitor.
Observar el fenómeno de control de tiempo en un circuito RC.
Introducción
Los proveedores de equipo eléctrico casi siempre proporcionan un instructivo que muestra los diagramas del
circuito (dibujos esquemáticos). Estos diagramas tienen casi siempre un diseño claro y nítido; pero se requiere
cierta práctica para interpretarlos en relación al circuito físico real. Este experimento de laboratorio le permitirá
al estudiante aprender a hacer conexiones basándose en un diagrama de alambrado, lo cual constituye el primer
paso para resolver combinaciones más complejas.
Los circuitos en serie y los de paralelo se calculan con facilidad, cuando menos en lo que respecta a la resistencia
equivalente. Los circuitos conectados en serie-paralelo no son necesariamente más difíciles y el secreto está en
reducir los diversos elementos de circuito a valores en serie y en paralelo hasta que todo el circuito se haya
cambiado a una sola resistencia equivalente. El método experimental es la mejor prueba de corrección o
comprobación de una teoría, y el resultado de laboratorio es determinante para cualquier diferencia entre ambos
valores. A esto se debe que el trabajo de laboratorio sea tan importante.
El capacitor como un almacenador de energía permite múltiples aplicaciones y una de estas es controlar el
tiempo en un circuito, para esta función se aprovecha la carga y descarga del capacitor a través de un resistor. El
producto RC es una medida de que tan rápido se carga el capacitor, a RC se llama constante de tiempo o tiempo
de relajación del circuito y se representa con τ (tau) que es el tiempo efectivo de carga del capacitor.
Este además representa el tiempo que tomará la corriente para decrecer hasta 1/e de su valor inicial.
Dependiendo de la frecuencia de carga y descarga del capacitor este puede controlar el tiempo en un circuito.
t
−


−
RC 

V
=
V
1
−
e
o
Vc (t ) = Vo − Vo e τ Sabiendo que τ = R*C, c



t
Haciendo τ = t, se tiene:
τ
−

Vc = Vo 1 − e τ


 = Vo (1 − e −1 ) = 0.63I


Donde: Vo = Carga máxima (Carga inicial o valor de la fem ε antes de abrir el circuito)
Vc = Caida de tensión carga en función del tiempo (carga temporal)
Se pueden hacer mediciones de tau a través de las lecturas de voltajes en un osciloscopio, que es un graficador
de señales de todo tipo (sinusoidales, pico de sierra, cuadradas), dichas mediciones pueden ser en un laboratorio
práctico o de manera virtual utilizando un software simulador, por ejemplo Electronics workbench (EWB
V5.12). La lectura de τ permite calcular C, sabiendo que
τ= RC, se despeja la C.
Cuando se conecta una f.e.m., un capacitor, y un voltímetro en paralelo, es posible calcular el voltaje a través del
condensador como una función del tiempo. Si Q (t) = C ε e- t/R C ;
27
En el circuito descrito anteriormente (figura 1), con un interruptor abierto los únicos elementos en el circuito
son el condensador C y la resistencia R del voltímetro, de modo que para todo instante de tiempo el voltaje a
través del capacitor Q / C es igual al voltaje a través del voltímetro IR de donde se obtiene: V = Q / C = C ε e- t/R
C
/c
V = ε e- t/R C de donde se llega a la expresión ln (ε / V) = t / RC de este modo se determina el V a través del
capacitor como una función de t.
Si se gráfica t vs. ln (ε / V), dará una línea recta con pendiente 1/RC así podemos encontrar la resistencia del
voltímetro si se conoce la capacitancia del capacitor.
La función que representa la relación lineal entre ln (ε/V) y t es:
ln(ε / V ) =
1
t
RC
Materiales
Tablero de conexión
Resistencia de 1K
Resistencia de 10K
Multímetro DC/AC
Resistencia de 100Ω (dos)
Resistencia de 470Ω
Condensador de 47µF
Cables de conexión
Resistencia de 47Ω
Fuente de alimentación 0-30V CC
Resistencia de 4.7K
Metodología
Circuitos Resistivos
1. Verifique que los valores indicados por las resistencias son correctos. Si
alguna de ellos esta alterado corrija el valor real en el circuito
correspondiente.
2. Calcule la resistencia equivalente del circuito de la figura 1.
3. Arme el circuito de la figura 1, debe identificar como realizar la
construcción del circuito en el tablero de conexión.
4. Mida la resistencia equivalente del circuito con el ohmiómetro, debe
darle un resultado similar al calculado, de lo contrario revise el circuito
hasta que los valores sean bastante parecidos.
5. Calcule la resistencia equivalente del circuito de la figura 2.
6. Desarme el circuito anterior y construya el de la figura 2.
7. Utilice el ohmiómetro y mida la resistencia equivalente del circuito de la
figura 2 y compara con el valor obtenido en el paso 5, los valores debe ser
similares, sino verifique el circuito.
8. Anote los valores obtenidos en la tabla 1.
Figura 1. Circuito resistivo
Tabla 1. Resistencias equivalentes
Circuito
Resistencia
equivalente
calculada(Ω)
Resistencia
equivalente
medida(Ω)
Error
relativo
(%)
Figura 2. Resistencias mixtas
1
2
28
9. Monte el circuito de la figura 3 y calcule la resistencia total del circuito.
10. Determine el voltaje necesario en el circuito 3 para obtener una corriente total de 30 mA. Utilice la ley de
Ohm.
11. Encienda la fuente alimentación y aumente lentamente el voltaje de la misma hasta llegar al voltaje
calculado en el paso anterior.
12. Lea el valor de la intensidad total del circuito. Mida la
corriente que pasa por cada resistencia así como el voltaje de
I=30mA
las mismas.
13. Anote los valores en la tabla 2.
Figura 3. Diseño de circuito con voltaje
desconocido
Tabla 2. Valores encontrados para el circuito 3.
Procedimiento
Resistencia
Equivalente
(Ω)
Intensidad
total (mA)
Voltaje
total
(V)
Resistencia
(Ω)
Teórico
1=
Práctico
2=
Error (%)
3=
Intensidad
(mA)
Voltaje
(V)
4=
Fenómenos transistorios
1. Construya el circuito de la figura 4, no conecte aun la fuente de alimentación.
2. Ajuste la fuente a un valor de 10 V (ε) mida el voltaje en las terminales con el
ε
voltímetro. (Anote en una tabla de datos número tres).
3. Apague la fuente (sin disminuir a cero el potenciómetro) y conéctela en la
posición indicada en el circuito.
4. Antes de encender la fuente, llame al instructor o profesor para que revise el
circuito. Anote la capacitancia del condensador.
5. Encienda la fuente y lea el voltaje mostrado por el voltímetro (DCV 10V), hasta
Figura 4. Circuito RC.
que se muestre el valor máximo ajustado previamente.
6. Abra el circuito si hay interruptor (o si no quite cable positivo de la fuente) y al mismo tiempo que usted abre
el circuito active el cronómetro (recuerde no trabajar solo necesitará colaboración de sus compañeros).
7. Dejando activado el cronómetro y para nueve (9) valores predeterminados del voltaje, registrará el tiempo
correspondiente a cada voltaje. Los valores Vi deben escogerse de modo que tengan decrecimiento del 10%
del valor inicial, llene la columna correspondiente en la tabla 3 antes de medir.
8. Repita los pasos los pasos 5 y 6 dos veces más.
29
Tabla 4. Linealización relación
caída de tensión voltaje vs.
tiempo.
Tabla 3. Caída de tensión en un condensador
Medición
Vi(V)
0
1.0*εε =
1
0.9*ε =
2
0.8*ε =
3
0.7*ε =
4
0.6*ε =
5
0.5*ε =
6
0.4*ε =
7
0.3*ε =
8
0.2*ε =
9
0.1*ε =
1 t(s)
Repetición
2 t(s)
3 t(s)
ε=
(V)
1/RC =
C=
(µ
µF)
Rcalculada =
σt
tpromedio
ln(ε/Vi)
(s-1)
(Ω
Ω)
14. Sabiendo que la pendiente (m) del gráfico linealizado es igual a
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
Caída de tensión (Vi en voltios)
9. Calcule los valores de ln(ε/Vi) y anótelos en la tabla 4. Divida el valor máximo suministrado de la fem (10
V) entre el valor de la caída de tensión
10
Curva de descarga de un condensador y
en función de t y aplique logaritmo
9
linelización tiempo vs. caída de tensión.
natural. empezando en Vi = 10V; ln
8
7
(10/10).
6
10. Si los valores de t fueron tomados para
5
un mismo valor Vi, puede promediar los
4
valores de tiempo y asignarlos a su
3
respetivo voltaje, de lo contrario trabaje
2
los datos de manera independiente.
1
11. Grafique la línea de descarga del
0
capacitor (t vs. Vi).
12. Grafique la relación lineal entre el
Tiempo de descarga (t en segundos)
tiempo y la caída de tensión. t vs.
Gráfica 1
ln(ε/Vi)
13. Desarrolle el método de mínimos cuadrados, utilizando ln(ε/V) como las ordenadas y los valores de
correspondientes de t como las abcisas y encuentre la pendiente del gráfico.
1
1
(m =
), determine el valor de la
RC
RC
resistencia del voltímetro. C es el valor de la capacitancia anotada en el paso 4, debe estar en Faradios.
15. Extraiga sus propias conclusiones respecto al calculo de R. Nota: R calculada es del valor de la resistencia
interna del voltímetro y esta debe coincidir con la proporcionada por el fabricante
30
Evaluación
1. Según los 4 esquemas de la figura 5 marque las
conexiones que se requieren para obtener 1400 ohms.
2000ohms, y 500ohms.
2. El circuito de la figura 6 tiene algunos errores de
conexión. ¿Cuáles son? Corrija los errores y encuentra
la resistencia equivalente.
1
2
3
4
3. Según el valor teórico de la resistencia del multímetro
considera que el método de los fenómenos transitorios
es adecuado para encontrar dicho valor. El valor teórico del
multímetro es de 1 MΩ (Megaohm, 1*106 ohm)
Figura 5
Resistencia interna del voltímetro
Teórica
Calculada
Error Relativo (%)
4. ¿Cuánto es el error de la resistencia equivalente medida con
respecto al valor de R equivalente teórico del multímetro?
Figura 6
31
LABORATORIO Nº 6
CIRCUITOS CON CA Y APLICACIONES DE ELECTROMAGNETISMO
Objetivos
1. Estudiar los principios de funcionamiento de un modelo de motor universal de corriente directa.
2. Comprender técnicamente la generación de corriente alterna usando un modelo simple de generador.
3. Armar un modelo de timbre eléctrico y usarlo para examinar su funcionamiento.
Introducción
Motor universal
El motor universal de CA/CD se utiliza en herramientas portátiles tales como taladros, nenas, pulidoras
eléctricas, etc., y también en aparatos caseros como aspiradoras, batidoras, etc., en los que la alta velocidad,
mucha potencia y tamaño pequeño constituyen una ventaja. El motor universal es fundamentalmente un motor
de c.d diseñado especialmente para funcionar con c-a y con c.d. Un motor serie normal de c.d funciona muy
deficientemente en c-a, debido sobre todo a dos razones:
a) La alta reactancia de los devanados de armadura y campo limitan la corriente de c-a a un valor mucho menor
que la corriente directa (para el mismo voltaje de línea)
b) Si se usa acero sólido para el marco o yugo del estator, el flujo de c-a producirá grandes corrientes parásitas
en él y, por lo tanto, se calentará.
Generador de corriente alterna
El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de inducción de voltaje en
un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnético.
Este generador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el
inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo.
La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales de salida se obtiene multiplicando el
número de vueltas por segundo del inductor por el número de pares de polos del inducido, y el voltaje generado
dependerá de la fuerza de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de alambre de las bobinas y
de la velocidad de rotación.
Timbre eléctrico
La existencia de la fuerza que actúa sobre una corriente que cruza un campo magnético se llama efecto motor.
Se llama electroimán a un solenoide con núcleo de hierro, y cuando se hace pasar una corriente eléctrica por el
solenoide, dicho núcleo de hierro se comporta como un imán. Si la corriente que pasa por el solenoide es
variable, también es variable la fuerza magnética.
Cuando la corriente se interrumpe prácticamente desaparecen las fuerzas magnéticas. Este efecto se aprovecha
en el uso de algunos aparatos como el timbre, el teléfono, el telégrafo, motores eléctricos, grúas
electromagnéticas, etc.
Materiales
Motor Universal Multímetro
Fuente de alimentación
Cables de conexión
Barra rectangular de imán
permanente
Núcleo de hierro
Bombilla de 6V
Dispositivo para timbre
Resistencias
Bobina de 400 vueltas
32
Metodología
Motor Universal
1. Examine la estructura del módulo de motor universal suministrado por
el profesor.
2. Observe detenidamente el motor desde la parte posterior y delantera,
identifique las partes principales de equipo.
Partes del motor:
Figura 1. Activación de motor con
imán permanente.
3. Arme el circuito mostrado en la figura 2.
4. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente hasta 6 voltios (no exceda este valor).
5. Si el motor no empieza a girar por si solo coloque el embobinado el rotor el diagonal en la esquina contraria
donde se inicia el giro.
6. Deje trabajar el motor por 3 minutos y anote sus observaciones. Preste atención al
amperímetro y observe el valor indicado cuando el motor empieza a girar y cuando
se encuentra en movimiento a régimen continuo.
7. Mida y anote los valores indicados en la tabla 1.
Tabla 1. Observaciones del motor universal con imán permanente
Medición
V(Volts)
I(Amps)
P(Watts)
Al arranque
Figura 2. Motor CC 9V
Régimen
continuo
Potencia [Watt] = Voltaje * intensidad de la corriente (P = V * I)
8. Apague y desconecte la fuente de alimentación y proceda al paso
siguiente.
9. Arme el circuito mostrado en la figura 3.
10. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente hasta que el
motor empieza a girar a una velocidad similar a la observada en el caso
anterior con imán permanente. No exceda los 6 voltios.
Figura 3. Motor CC 9V
11. Preste atención al amperímetro y observe el valor indicado cuando el motor empieza a girar y cuando se
encuentra en movimiento a ritmo constante. Deje trabajar el motor por 3 minutos y anote sus observaciones.
12. Mida y anote los valores indicados en la tabla 2.
Tabla 2. Observaciones del motor universal de circuito derivado
Medición
V(Volts)
I(Amps)
P(Watts)
Al arranque
Régimen continuo
Observaciones del motor (incluya las partes más importantes)
33
Generador de corriente alterna
1. Monte el experimento según se muestra en las tres figuras de abajo (figura 4,5 y 6)
2. Atornille firmemente el imán al vástago de rotación. Coloque el imán entre las dos bobinas, de tal manera
que cada polo tenga una distancia de 1cm a las bobinas.
3. Gire el imán a diferentes velocidades y observe el instrumento de medición de voltaje (anote sus
observaciones)
Figura 4.
Figura 6.
Figura 5.
Observaciones del generador
Timbre eléctrico
1. Arme el circuito comos se muestra en la figura 7.
2. Use los dos enchufes de conexión para insertar la
bobina en el tablero y deslice el núcleo de hierro
(yugo), el interruptor debe estar abierto.
3. Atornille firmemente el soporte universal para que
haga buen contacto con el muelle de armadura
(martillo del timbre, si es necesario, retire la tuerca
del tornillo
4. Encienda la fuente de alimentación y fije a 5V.
5. Cierre el interruptor de tal manera que la campana
sea golpeada por el martillo si es necesario ajuste la
distancia entre el núcleo de hierro y el muelle de la
armadura.
6. Cierre y abra el circuito varias veces y observe lo
que ocurre anote sus observaciones.
7. Ponga la fuente alimentación en 0V y apáguela.
Figura 7. Timbre eléctrico.
34
Observaciones del timbre
35
LABORATORIO Nº 7
CELDAS SOLARES Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES
Objetivos
1.
2.
3.
4.
Familiarizarse con el principio básico de conversión de la energía luminosa en energía eléctrica.
Estudiar las características eléctricas de las celdas solares
Ilustrar las características y conducta de una red activa de dos terminales
Analizar el comportamiento de carga de una red activa con celdas solares.
Introducción
Las celdas solares juegan un papel sustancial en el desarrollo de fuentes de energía no fósil. Ellas transforman la
luz directamente a energía eléctrica y son, por lo tanto, la solución más favorable para áreas especiales de
aplicación.
La tensión nominal de la celda solar es de 0,5V; su resistencia interna disminuye cuando la intensidad luminosa
incidente aumenta. La resistencia interna no es constante a una intensidad luminosa dada, sin embargo, es
dependiente de la carga. Si la resistencia fuera constante la curva característica para la tensión (V)-corriente (I)
sería una línea con una pendiente negativa entre la corriente de cortocircuito (IS) en el eje de la I, y la tensión
nominal (V0) en el eje de V.
Cuando se comparan las diferentes posibilidades para producir energía también se deben considerar las
desventajas, Por ejemplo, se necesita una gran cantidad de energía para fabricar las celdas solares. Además, para
remover los metales pesados de las baterías solares es un gran problema de medio amiente y su costo inicial es
muy alto.
Las celdas solares son diodos de gran área superficial, en las que, la luz puede ingresar la unión PN y producir,
allí, pares portadores de carga. El sustrato semiconductor está en un soporte metálico y una celosía de metal en el
lado superior permite que los electrones fluyan. Exponer la celda solar a la luz produce una tensión entre 0,5 y
0, 6 voltios en una operación de circuito abierto. Una corriente fluye cuando se conecta una resistencia de carga.
La intensidad de la corriente depende del tamaño de la resistencia, de la intensidad de la luz incidente y del área
de la superficie de la celda solar.
La tensión nominal y la corriente de cortocircuito, las cantidades características de una fuente de corriente se
pueden ajustar para lograr requerimientos individuales de conexiones en serie y en paralelo de celdas solares en
baterías solares.
Materiales
Multímetro (dos)
Celda solar 0,5V, 0,3A
Soporte de conexión
Fuente de alimentación 0-20V CC
Bombilla de 6V, 0,5A
Cables de conexión
Tablero de conexión
Potenciómetro 250Ω
36
Metodología
1. Arme el circuito mostrado en la figura 1. Fije los lados
de la celda solar en los soportes de conexión, y ubique la
lámpara en la posición 1.
2. Seleccione los rangos de medición adecuados a 1 V y 30
mA de CC.
3. Conecte la lámpara a la fuente de alimentación, y
ajústela a 6V.
4. Fije el potenciómetro 0, es decir la máxima carga en la
celda solar, mida la tensión y la intensidad de la
corriente y registre los valores medidos en la tabla 1.
5. Use el potenciómetro para incrementar la tensión,
haciéndolo por etapas de 0.03 V cada una. Llegando
hasta el valor máximo del potenciómetro (250 Ohm)
6. Cuando llegue al valor máximo del potenciómetro y
haya registrado todos los valores en la tabla 1, apague la
fuente de alimentación y desconéctala.
7. Acerque más la posición de la lámpara respecto a la
celda solar y repita los pasos anteriores. (posición 2)
8. Utilice la tabla 2, para registrar los datos en la nueva
posición de la lámpara.
9. Ordene el puesto de trabajo y realice las actividades de
evaluación, además anote sus observaciones respecto a
la práctica.
10. Reduzca a cero y apague la fuente de alimentación.
11. Desarme el circuito y ordene el puesto de trabajo. Anote
sus observaciones.
Tabla 1. Serie de mediciones V-I para una celda
fotovoltaica en la posición 1.
Voltaje Corriente
(V)
(I)
Potencia Resistencia
(mW)
(Ω
Ω)
Figura 1. Conversión de la luz en energía
eléctrica.
Figura 2. Circuito simplificado conversión de
energía luminosa en eléctrica.
Tabla 2. Serie de mediciones V-I para una celda
fotovoltaica en la posición 2.
Voltaje Corriente
(V)
(I)
Potencia Resistencia
(mW)
(Ω
Ω)
a. La resistencia eléctrica se debe calcular usando ley de ohm; ( R = V/I)
b. P = V * I.
37
Observaciones
Evaluación
1. Grafique la intensidad I (eje Y, en A) contra la tensión V (eje X, en V) para cada una de las series registradas
(posición 1 y 2). Trace una curva característica de la celda solar para ambos gráficos y describa lo que
observa al comprar cada una (Ver gráfica 1). Se recomienda trazar ambas posiciones en un mismo gráfico.
2. Calcule la potencia eléctrica (P = V*I) de la celda solar para todos los pares de valores V e I. Expresa en mili
vatios, mW, Es decir multiplique por 103. Resultado de de voltios por amperios.
3. También calcule la resistencia de carga R (ohm) para todos los pares de valores V e I.
4. Trace un gráfico P (eje Y, en mW) contra R (eje X, en Ω). Tanto para la posición 1 y 2, puede hacer un
mismo gráfico.
5. Realice un análisis para cada gráfico realizado en los pasos 1 y 4. Que puede concluir respecto al
comportamiento de la celda solar.
6. Si la corriente medida cuando la celda solar esta cortocircuitada (teóricamente V= 0), se llama corriente de
cortocircuito, IS. ¿Por qué la tensión de la celda solar es mayor que cero cuando el potenciómetro esta en
0V?
7. Como cambian la corriente de cortocircuito y la tensión nominal cuando cambia la intensidad luminosa, es
decir cambia de posición el bombillo.
iS
iM
Intensidad (I)
i
Voltaje (V)
VM
V
V0
Gráfica 1. Curva característica de una celda solar.
38
LABORATORIO Nº 8
NATURALEZA DE LA LUZ
Objetivos
1. Estudiar experimentalmente las leyes de la reflexión y la refracción de la luz.
2. Determinar del índice de refracción de distintas sustancias.
Introducción
Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos
medios (p.e Aire-Agua), en los cuales la luz se propaga con
diferentes velocidades, parte de la misma se transmite y parte se
refleja, como se indica esquemáticamente en la figura 1. Para
un medio cualquiera, el índice de refracción n se define como:
C
n = . Donde C es la velocidad de la luz en el vacío y V la
V
velocidad de la luz en ese medio.
Haz
θ1
incidente
θ2
Haz
reflejado
Índice n
Medio 1
Medio 2
Índice n´
Índice de refracción n´>n
θ3
Haz
refractado
El objetivo de los siguientes experimentos es estudiar las
propiedades generales de la reflexión y refracción de la luz.
Figura 1. La luz se refleja y se refracta.
La ley de Snell establece que la relación entre el ángulo
incidente (θ1) y el refractado (θ3) es: n1 * senθ 1 = n3 * senθ 3
Donde n1 es el índice de refracción del medio donde se propaga el rayo incidente y n3 es el índice de refracción
correspondiente al medio donde se propaga el rayo transmitido. Despejando n3 queda; n3 =
n1 senθ 1
senθ 3
Similarmente, la ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia (θ) es igual al ángulo reflejado (θ2),
esto es: θ 1 = θ 2
Tabla 1. Índice de refracción de
En la tabla 1 se muestra os índice de algunos líquidos.
algunas sustancias
Índice de
Sustancia
En la siguiente tabla, se proporcionan datos acerca de los índices de
refracción
refracción de diversas sustancias
Vacío
1
Aire
1,00029
Materiales
Glicerina
1,47
Agua
1,333
Puntero láser
Papel angular
Alcohol etílico
1,362
Prisma semicircular hueco
Transportador
Vidrio óptico
1,52
Prisma de vidrio óptico
Base rígida y plana
Aceite de oliva
1,46
Sustancias líquidos varios (250 ml)
Regla 30 cm.
Cloruro de sodio
1,54
Solución de azúcar
1,49
(80%)
: Evite utilizar el puntero láser para señalar a sus compañeros de grupo.
39
Metodología
1. Refracción y reflexión
a. Medir la longitud del prisma y marcar la parte media.
b. Disponer de cierta cantidad de sustancia líquida dentro del
prisma, hasta un poco más de 2/3 de su capacidad.
c. Colocar el prima en el centro del papel angular, es decir en
el origen (0,0)
d. Hacer incidir con el láser un rayo que entre justamente por
la parte media del prisma y medir el ángulo de incidencia,
de reflexión y el de refracción. Vea la figura 2.
e. Un modo simple de determinar la dirección de los rayos de
luz consiste en marcar tres puntos cada vez que se hace
incidir un rayo láser en el centro, el cual deber ser mismo
Figura 2. Dispositivo sugerido para estudiar las
para cada medición. Disponga el puntero láser (o un láser
leyes de la reflexión y la refracción.
común) de tal manera que visualice la marcha de los rayos
en la sustancia.
f. Repetir los pasos anteriores para otras sustancias líquidas orientadas por el instructor. Y anote siempre los
datos en la tabla 2, luego termine de llenarla con los cálculos requeridos.
Tabla 2. Índice de refracción calculado. Considere n1 = 1,00029 (Aire)
Muestra Nº
n senθ1
Rayo
Rayo
Rayo
n3 = 1
senθ 3
reflejado refractado θ3
incidente θ1
(Grados) θ2 (Grados) (Grados)
Error relativo
(%)
1=
2=
3=
4=
5=
6=
7=
8=
Error relativo (%) =
 n3Teórico − n3 Experimental

n3Teórico



 *100


2. Dependencia de θ3 respecto a θ1
a. Seleccione una de las sustancias utilizadas anteriormente, puede ser cualquiera, y repita el experimento de
modo que el ángulo de incidencia θ varía desde 0º hasta 70º en pasos de aproximadamente 10º. Para ello
haga incidir el láser de modo que el haz incida siempre en el mismo punto en el centro del prisma. Marque el
punto se salida del haz refractado, esto es el punto la proyección del ángulo refractado.
b. Lea para cada ángulo de incidencia el ángulo del haz reflejado y el refractado.
c. Llene la tabla 3 con sus mediciones y con los cálculos que se requieran.
40
Tabla 3. Haz refractado en función del haz incidente
Sustancia seleccionada: ________________________________________________
Rayo incidente θ1
0°
10°
20°
30°
40°
50°
60°
70°
Rayo reflejado θ2
Rayo refractado θ3
n3 =
n1 senθ1
senθ 3
Evaluación
1. Haciendo uso de la ecuación de la ley de Snell determine el índice de refracción de la luz para cada
sustancia contenida en el prisma y para el vidrio óptico (n3). Recuerde que el índice de refracción del aire en
condiciones normales de presión y temperatura es: n1 = 1.00029.
2. Compare el valor obtenido en su experimento con los valores de tablas para el material en estudio (ver
valores teórico en la tabla 1).
3. Con los datos de la tabla 3 realice un gráfico de θ3 (Y) vs. θ1 (X) y otro para senθ3 (Y) vs. senθ1 (X). Analice
las distintas dependencias y discuta sus conclusiones.
4. ¿Qué puede decir acerca de la validez de la ley de Snell y la ley de la reflexión (θ1 = θ2) para los casos que
acaba de estudiar experimentalmente? Desarrolle su respuesta en las conclusiones.
41
LISTA DE REFERENCIA
Fiebich, R., Rossler, W. y Scholmeyer, G. (2004). La física en experimentos de estudiantes
Electricidad/Electrónica en tablero de conexión. Alemania: Serie de publicaciones PHYWE.
Ministerio de Fomento, Industria y Comercio, MIFIC (2005). Norma metrológica sobre el
Sistema Internacional de Unidades (SI). Managua: MIFIC.
National Institute of Standards and Technology, NIST (2008). Guide for the Use of the
International System of Units (SI). USA: NIST.
Hewitt, P. G. (1998). Manual de laboratorio de Física. México: Pearson Educación.
42
ANEXOS
1. Rúbrica para evaluar informe de laboratorio
La rúbrica consiste en una guía para valorar la calidad del informe que entregue (ver cuadro 1), Con base en ella
se corregirá su informe de laboratorio y la puntuación dependerá del nivel de desempeño que se obtenga. Por
ejemplo: si todo su informe es catalogado como nivel 3, las notas posibles que obtendrá serán las que están en la
columna correspondiente a dicho nivel (17 puntos de 17).
Cabe señalar que los niveles se ajustan por apartado, usted puede tener un marco teórico y resultados ejemplares
(nivel 3), pero puede que sus conclusiones y metodología sean insuficientemente desarrolladas (nivel 1), en este
caso su nota final será una combinación de puntuaciones por niveles.
Notas generales:
•
Se realizarán 8 laboratorios, de 3 horas de duración cada uno. Los 8 laboratorios y las 8 pruebas cortas
totalizan un 25% de la nota final de la asignatura (ver cuadro 2). El laboratorio número uno se realiza en la
segunda semana de haber comenzado el cuatrimestre correspondiente.
•
Cada informe de laboratorio se corregirá de acuerdo con una calificación máxima de 17 puntos y al final se
promediará los 8 laboratorios que se realicen. La nota máxima de los 8 es 17 puntos.
•
Las pruebas cortas totalizarán un máximo de 8 puntos. Se realiza una prueba antes de cada sesión de
laboratorio y no durarán más de 10 minutos. Las pruebas consisten en preguntas acerca de la guía
correspondiente (léala completamente) o ejercicios que se relacionen con el experimento a desarrollar.
•
Los informes se entregan una semana después de que se ha realizado la sesión práctica. Todo informe debe
ser entregado al entrar al siguiente laboratorio y únicamente se acepta informes en formato físico (escrito a
mano o en máquina).
•
Todo estudiante que no se encuentre al momento de iniciar la prueba perderá el derecho a la misma.
•
Recuerde; uso obligatorio de la gabacha, zapatos cerrados, portar limpión, cuaderno de apuntes y manual
de laboratorio.
En el Cuadro 1. Rúbrica para evaluar los informes de laboratorio de física, de la página siguiente
encontrará una descripción de las características que posee cada nivel de puntuación de los
informes de laboratorio.
43
Cuadro 1. Asignaciones cuantitativas de los niveles de desempeño y nota final de los 8 laboratorios.
Componentes
del Informe
Presentación
Resumen
Introducción
Objetivos
Marco
teórico
Metodología
Resultados: datos,
figuras y gráficos,
tablas, etc.
Discusión
Conclusiones
Lista de referencia
y anexos.
1:
Insuficiente
Niveles de desempeño
2:
Adecuado
No incluye todos los datos
solicitados y los presentados están
muy desordenados. No se ajusta al
formato de presentación.
Se omiten uno o más elementos
centrales del experimento o de los
resultados.
Se ajusta al formato
establecido pero omite datos
relevantes
de
la
presentación.
Incluye la mayoría de los
elementos esenciales del
experimento y los resultados
y omite cuestiones menores.
Incorpora cierta información del
marco del experimento, omitiendo
algunos aspectos importantes.
Introducción
básicamente
completa, con omisión solo
de
algunos
aspectos
menores.
Objetivos del experimento
redactados con pequeñas
omisiones y errores de
redacción.
Redacción
insuficiente
de
objetivos, se omite algunos
propósitos del laboratorio. Uso no
adecuado de verbos.
Algunos
supuestos
están
evidenciados y justificados. Las
citas de integran de modo
deficiente,
pobre
o
débil
integración de fuentes secundarias.
Se da cuenta de parte de los
detalles
experimentales
importantes,
con
omisiones
relevantes.
La mayor parte de las figuras,
gráficos y tablas son correctas
pero en varios casos presentan
limitaciones de importancia
La mayoría de los conceptos
están sustentados. Presentan
alguna desconexión en la
redacción y no están del
todo claras respecto a lo
desarrollado
en
el
laboratorio.
Se da cuenta de todos los
detalles importantes de la
práctica de laboratorio,
salvo omisiones menores.
Figuras, tablas y gráficos
son en general correctos,
aunque presentan algún
problema menor que podría
ser mejorado.
Parte de los datos se han
interpretado
y
discutido
correctamente, pero se identifican
errores e imprecisiones de
importancia.
Casi todos los resultados
han sido interpretados y
discutidos correctamente. Se
identifican
imprecisiones
menores.
Aunque recojan los principales
aspectos estudiados, se explican y
comentan
errónea
o
ambiguamente.
Pobre
comprensión
Presenta
una
bibliografía
incompleta, obviando algunas
referencias obligatorias. (Guías y
apuntes personales, etc.). Los
anexos están mal organizados.
Se exponen todas las
conclusiones básicas, pero
se podría mejorar la
formulación.
Algunos
aspectos vagos.
Referencia
bibliográfica
completa, pero sin utilizar
dentro del marco teórico.
Los anexos están completos,
pero se hace referencia ellos
dentro del informe.
3:
Ejemplar
Se ajusta completamente al
formato y posee toda la
información requerida para la
presentación del informe.
Incluye la mayoría de los
elementos
esenciales
del
experimento y los resultados,
conforme a una estructura
estándar. Bien escrito
Introducción completa y bien
escrita, proporcionado un buen
marco para contextualizar el
experimento.
Redacción de los objetivos
completamente ajustada al
desarrollo experimental de la
práctica
de
laboratorio.
Correcto uso de verbos.
Las
fuentes
información
excelentemente integradas con
el material práctico, coherente
redacción. Muy buen uso de las
fuentes
secundarias.
Lo
presentado
argumenta
totalmente el tema.
Se da cuenta de todos los
detalles del experimento.
Todas las figuras, gráficos y
tablas están bien diseñados,
numerados y titulados.
Todos
los
resultados
comparativos y las tendencias
presentes en los datos han sido
interpretados
y
discutidos
correctamente.
Buena
comprensión de lo indicado por
los resultados.
Se exponen con claridad,
concisión y acierto todas las
conclusiones
importantes.
Excelente comprensión.
Referencia
bibliográfica
completa y bien formulada, con
excelentes citas en el informe
de laboratorio. Anexos están
completos, numerados y muy
bien referenciados con el
informe presentado.
44
Cuadro 2. Escala de puntuación para los informes de laboratorio
Ítems
Posible nota por Niveles de desempeño
Puntaje
1: Insuficiente
2: Adecuado
3: Ejemplar
máximo
Resumen
0.6
1.4
2
2
Introducción
0.3
0.5
1
1
Objetivos
0.3
0.5
1
1
Marco teórico
1
2
3
3
Metodología
03
0.7
1
1
Resultados y discusión
1.2
2.5
4
4
1
2
3
3
0.3
0.7
1
1
0.3
0.7
1
1
17
17
8
Conclusiones
Lista de referencia
Anexos (Cuestionario,
diagramas, figuras, entre otros)
SUBTOTAL
8
11
Puntuación; pruebas cortas (total 8 pruebas, 1 en cada sesión )
TOTAL
25
2. Orientaciones para redactar el informe
a. Ejemplo de portada
b. Estructura del informe
45
EJEMPLO DE PORTADA
Facultad de Ciencia, Tecnología y Ambiente
Departamento de Ciencias Básicas
Coordinación de Ciencias Naturales
Física II
Laboratorio No.:_________
Tema: Nombre de la práctica
Nombre del profesor:
Grupo de trabajo (o Integrantes): En orden alfabético de acuerdo al primer apellido.
Número de grupo:
Carrera:
Managua, fecha de entrega del informe.
ESTRUCTURA DEL INFORME DE LABORATORIO
I. RESUMEN
Debe redactarse una breve explicación acerca de lo qué se midió, con qué tipo de instrumentos y equipos más
importantes que se utilizaron, cómo se logró obtener los resultados, para qué me sirvió la práctica (propósito) y
a qué conclusión se llega según los resultados hallados.
Lo recomendable es no escribir más de 300 palabras (aunque podrá ser una tarea difícil).
II. INTRODUCCIÓN
Debe contener una descripción general de la experiencia, comentando los aspectos más relevantes que lo
relacionan con la teoría. Debe explicarse con caridad el propósito y la importancia de la práctica según la
opinión del estudiante. Es decir se debe relacionar la sesión de laboratorio con la carrera que se estudia, la vida
cotidiana y el perfil profesional del estudiante. Por ningún motivo deben incluirse descripciones de parte del
procedimiento experimental o incluirse resultados parciales o finales, tampoco incluir conceptos teóricos o
fórmulas. Además No debe incluirse conclusiones
46
No exceder más de una página
Mínimo: ½ página
III. OBJETIVOS
Son los resultados que se esperan obtener en la práctica, puede ser uno solo, el general, o contener algunos
específicos.
General: refleja el propósito del laboratorio.
Específicos: indican con mayor precisión las actividades a desarrollar.
En este apartado los objetivos deben redactarse de forma tal que en los mismos se reflejen las habilidades y
logros que se obtendrán al llevar a cabo la práctica, se redactan en infinitivo (terminación ar, er e ir.)
Algunos verbos que pueden ser utilizados:
• Conocimiento: Definir, identificar
• Aplicación: Descubrir, reconocer, explicar, interpretar.
• Análisis: Distinguir, demostrar, experimentar, comparar, analizar.
JAMÁS UTILIZAR EL VERBO CONOCER YA QUE NUNCA SE TERMINA DE CONOCER
IV.MARCO TEÓRICO
Es el respaldo teórico de la práctica. El cual se adquiere de diversas fuentes, tales como: libros, revistas, Internet,
entre otros.
Este es un aspecto que debe ser cubierto con detalle. Deben plantearse las ecuaciones y enunciarse los conceptos
y/o principios básicos relacionados con la experiencia de laboratorio en estudio. Deben resaltarse aquellas
ecuaciones y/o principios directamente abordados en la experiencia.
No deben incluirse resultados ni conclusiones.
Un aspecto importante a tener en cuenta en esta sección es el de las referencias bibliográficas. Deben aparecer
citados los textos, apuntes, artículos o direcciones electrónicas que hayan sido usadas en la elaboración de esta
sección.
Debe citarse dentro del texto utilizando las normas APA. Ejemplo:
Vallejos (1999) sostiene que………..,
En un estudio reciente (Vallejos, 1999) afirma que……
No se debe copiar la introducción de la guía de laboratorio, si lo hace parafrasee y cita la misma.
No copiar y pegar información de las páginas WEB que consulte, se le recomienda resumir y procesar la
información encontrada.
Recordar que cuando se cita en el texto solamente se escribe el apellido y la fecha. Si son más de dos autores se
escriben dos, seguido de et. al
En el caso de un sitio web visitado se escribe solamente el autor si es que tiene o el sitio web visitado y la fecha.
Máximo: 2 páginas
V. METODOLOGÍA
Se debe describir el procedimiento seguido para la ejecución del laboratorio, explicando como se organizó y se
llevó a cabo todo el proceso, incluyendo los materiales utilizados; también debe incluir las limitaciones
encontradas en la realización del laboratorio. Aquí se pueden colocar fotos y/o dibujos del montaje.
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Cuando se utilicen equipos de mucha importancia se debe hacer una descripción de los mismos, mencionando el
nombre, modelo, capacidad, forma de funcionamiento y otros antecedentes que sean relevantes.
Los equipos menores tales como probeta, beaker, metro, micrómetro etc. sólo deben ser mencionados, pero no
descritos.
No se deben incluir resultados, ni menos comentarlos. Se debe citar bibliografía cuando sea necesaria.
La metodología se redacta totalmente solo en tiempo pasado y en tercera persona, es impersonal. Ejemplo:
“Se llevó a cabo la extracción líquido-líquido mediante un embudo de separación……...”
No se debe copiar el procedimiento de trabajo descrito en la guía de laboratorio.
VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Consiste en la presentación de los datos recolectados durante la ejecución del laboratorio, dependiendo de su
naturaleza podrán ir en cuadros u otro tipo de resumen; se deberá hacer una interpretación y análisis de los
resultados, señalando lo que implica cada uno de ellos y mencionar los objetivos que se alcanzaron. Los
resultados deberán confrontarse con las fuentes de información consultadas.
o Es necesario discriminar entre lo útil y lo repetitivo
o Es importante exponer los aspectos negativos de los procedimientos o técnicas, también de ellos
aprendemos.
o Los resultados deben ser breves y claros
o Es la parte más importante pero a menudo la más corta
o No sea verboso al citar figuras y cuadros. Ejemplo:
“El cuadro 1 muestra con claridad que los niños nicaragüenses padecen de deficiencia de vitamina
A…”
LO CORRECTO; “Los niños nicaragüenses tienen deficiencia de vitamina A (ver cuadro 1.)”
Los resultados deben ser entregados de forma clara. En aquellos casos en que los datos sean tomados de otra
fuente y se quiere constatar o comparar, DEBEN INCLUIRSE LAS TABLAS DE DATOS pero citando las
fuentes. Los datos deben entregarse en forma de gráficas, identificándose claramente los nombres de cada eje y
por supuesto, las unidades de cada uno.
Esta sección es una de las más importantes del informe y el alumno debe desplegar su capacidad de análisis,
relacionando causas y efectos, comparando unos resultados con los otros obtenidos en la experiencia actual o en
experiencias anteriores. Los errores propios del trabajo experimental es correcto comentarlos, pero no deben
transformarse en el centro del análisis. El análisis de resultados debe ser lo más exhaustivo posible.
El análisis de resultados debe estar constantemente apoyado por figuras y principios teóricos.
Cada figura debe tener un número que la identifique, que se pone al pie de la misma. En el caso de las tablas,
deben ser numeradas correlativamente y su número identificatorio debe ponerse en la parte superior de la misma.
Es importante citar la bibliografía, sobre todo en la parte de análisis de resultados, para discutir que opinan otros
autores sobre el tema.
Técnica del Calamar
“El autor duda de sus datos y se refugia tras una nube de tinta protectora”. Doug Savile
Recordar que la leyenda de figuras va en la parte de abajo y la leyenda de las tablas en la parte de arriba. Se
escriben con la primera letra en mayúsculas al enumerarlas.
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VII.CONCLUSIONES
Las conclusiones deben ser exclusivamente aquellas que se hayan derivado directamente de los resultados del
laboratorio. Deben basarse en lo que se hizo en el laboratorio y no en lo que paralelamente observó o cree el
estudiante.
En general cada una de las conclusiones debe estar relacionada con los objetivos (generales y/o específicos).
Estas son las primeras que deben ser enunciadas (las relacionadas con los objetivos).
Enseguida, deben enunciarse aquellas conclusiones que no estén directamente relacionadas con los objetivos
generales y/o específicos. Debe cuidarse de no confundir las conclusiones con los resultados.
VIII. LISTA DE REFERENCIA
Es un listado de los documentos consultados para la realización del tema del laboratorio. Incluye libros,
revistas, artículos de periódicos y resúmenes.
Aquí se debe enumerar las referencias bibliográficas consultadas siguiendo la normativa APA aprobada
institucionalmente por la UCA para la cita bibliográfica. No es la única forma de citar la bibliografía, pero
para estandarizar las normas de publicación se ha adoptado APA.
Ejemplo:
Lehninger, A. (1995). Bioquímica. Barcelona: Ediciones Omega.
Sears, F., Zemansky, M., Young, H., Freedman, R. (2004). Física Universitaria. México: Pearson
Educación.
En caso que la información sea obtenida de Internet, se cita de la siguiente manera:
Centeno, R. y Torres, S. (2005). Una experiencia de educación ambiental formal en Nicaragua.
Consultado en 09/11, 2009 en http://www.fidamerica.org/fida_old/getdoc.php?docid=931
ANEXOS
Colocar todo aquello relacionado con la práctica realizada que considere importante y necesario plasmar en
este acápite
Se incluirán como anexos los modelos de cada uno de los instrumentos utilizados, mapas, cuadros
complementarios, glosarios y todos aquellos materiales que sin haberse utilizado directamente en el
laboratorio, permiten ampliarlo y fundamentarlo
Deben estar citados en el informe.
En este apartado va incluído el cuestionario, cuando lo haya.
OTROS ASPECTOS
Forma
La redacción del informe de hacerse en tercera persona del singular. Por ejemplo:
“Se midió la deflexión de la viga” y no “Medimos la deflexión de la viga”.
“Se calibró la balanza” y no “Calibré la balanza”
“Se tituló una solución ácido-base” y no “Titulamos una solución ácido-base”
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Ortografía
Contar con el corrector de ortografía del procesador de textos, se espera que sea de mucha atención la ortografía
en los informes presentados por los alumnos.
Errores
Todo trabajo experimental está sujeto a errores. Estos errores se pueden deber a errores propios de los
instrumentos de medición, a errores de lectura que dependen del experimentador y finalmente está el factor
aleatorio relacionado con heterogeneidades del material. En todo caso, los errores asociados al trabajo
experimental no constituyen un objetivo en sí, por tanto no debe centrarse la discusión de resultados en este
aspecto. Esto no quiere decir que no ameriten ser mencionado
Unidades
Deben ser preferiblemente las unidades del sistema internacional o bien las del sistema métrico. Todas figuras,
gráficas y tablas, deben especificar claramente las unidades en que se han hecho las mediciones o se expresen los
resultados.
Observaciones:
1. Se recomienda espaciado sencillo, tipo de letra Times New Roman o Arial, tamaño 12 y justificado.
2. Para títulos: Arial 14, en negritas
3. Para decimales se usa coma y no punto según el SI, y para miles no se usa ni punto ni coma.
3,55 y NO 3.55
1 000 y NO 1,000
4. También cada estudiante tendrá que tener individualmente su guía o manual de laboratorio.
5. El cuaderno se exigirá pero no tendrá puntaje, este cuaderno es sencillo, engrapado o cocido. El
cuaderno deberá cumplir con los siguientes requisitos: Nombre de la práctica, fecha, páginas
enumeradas, evitar manchones, trazar raya sobre el error. Si es necesario colocar fecha y firma cuando se
tacha, anotar las observaciones y datos sobre la práctica.
6.
Calificación será con base a la rúbrica para el informe del laboratorio
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3. Unidades y medidas del SI
a. Unidades Básicas (SI)
Fuente: MIFIC (2005)
b. Unidades derivadas y su coherencia con el SI
Fuente: MIFIC (2005)
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Fuente: MIFIC (2005)
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c. Prefijos usados en el SI
Fuente: MIFIC (2005)
4. Alfabeto Griego
Fuente: NIST (2008).
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5. Constantes Físicas Fundamentales
Fuente: NIST (2008).
6. Error absoluto y relativo (porcentual)
a. Error absoluto =
ValorTeórico − ValorExperimental
; [se expresa en las mismas unidades
de medida de la magnitud en cuestión]
b. Error relativo (%) =
 ValorTeórico − ValorExperimental

ValorTeórico


 *100 ; [se expresa en

porcentaje]
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