PÁCTICA Nº 1. INSTUMENTOS DE MEDICIÓN OBJETIVO Describir las características y funcionamiento del equipo de laboratorio de uso común en el laboratorio de física II. FUNDAMENTO TEÓICO La importancia de los instrumentos de medición es incalculable, ya que por medio de ellos se pueden medir y registrar magnitudes de carácter eléctrico, como corriente y potencial, o las características eléctricas asociadas a los principales elementos de circuitos, como la resistencia, la capacitancia y la inductancia. Además que permiten localizar, de manera indirecta, las causas de una operación defectuosa en el componente eléctrico de dispositivos en los cuales no es posible apreciar su funcionamiento en una forma visual, como en el caso de un aparato mecánico. A continuación, se presentan las definiciones básicas relacionadas con algunas magnitudes físicas y sus respectivos instrumentos de medición eléctrica, así como la descripción y funcionamiento de éstos y otros equipos. Carga eléctrica Es una de las propiedades fundamentales de las partículas que constituyen la materia, y es la responsable de la atracción o repulsión entre los cuerpos cargados eléctricamente. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 1
Corriente eléctrica Carga neta que fluye a través de la sección trasversal de un conductor por unidad de tiempo. La unidad de corriente en el sistema internacional (SI) es el Amperio (A). esistencia eléctrica Para un conductor eléctrico representa la razón entre la diferencia de potencial aplicada entre sus extremos y la intensidad de corriente que circula por él. Su unidad en el sistema internacional (SI) es el ohmio (Ω). Las resistencias se pueden clasificar como fijas y variables. a. esistencias Fijas Se utilizan para el control de corrientes en las cuales la resistencia tiene que mantener valores constantes. Son fabricadas de diferentes materiales, formas y tamaños. El símbolo empleado para representarla dentro del esquema de un circuito es el mostrado en la figura 1.1: Figura 1.1. Símbolo para representar una resistencia fija. En las resistencias más grandes, el valor del resistor se imprime directamente en el cuerpo del mismo, pero en los más pequeños no es posible. Para poder obtener con facilidad el valor de la resistencia se utiliza el código de colores. En el código de colores se pintan unas bandas de colores sobre la superficie del resistor. Cada color representa un número que se utiliza para obtener el valor final del mismo. Los colores y sus respectivos valores se indican en la Tabla 1.1. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 2
Tabla 1.1. Código de Colores Color 1era y 2da 3era Banda 4ta Banda Banda (Factor Multiplicador) (Tolerancia) Negro 0 10 0 --- Marrón 1 10 1 --- ojo 2 10 2 ±2% Naranja 3 10 3 ±1% Amarillo 4 10 4 Verde 5 10 5 ±0.5% Azul 6 10 6 ±0.25% Violeta 7 10 7 ±0.19% Gris 8 10 8 --- Blanco 9 10 9 --- Dorado --- 10-1 ±5% Plateado --- 10-2 ±10% Sin Color --- --- ±20% En el código de colores las dos primeras bandas indican las dos primeras cifras del valor del resistor, la tercera banda el factor multiplicador y la cuarta banda la tolerancia de la misma. En la figura 1.2, se indica un ejemplo. Primera Cifra Multiplicador Segunda Cifra Tolerancia Figura 1.2. esistencia con su código de colores. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 3
En el ejemplo mostrado en la figura 1.2, donde la primera banda es roja, la segunda negra, la tercera naranja y la cuarta dorado, al aplicar el código de colores indicado en la tabla Nº 1.1, se obtiene un valor de resistencia de 3 20 10 5%. b. esistencias Variables En muchas ocasiones existe la necesidad de modificar la resistencia en un circuito, para adaptarlo a las condiciones de funcionamiento que se desean. Dentro de este tipo de resistencias variables se encuentren los reóstatos, potenciómetros y las décadas o cajas de resistencias. eóstato Dispositivo de dos terminales que sirve para modificar la intensidad de la corriente en un circuito. Consiste en un alambre enrollado sobre un material aislante, con las espiras y un cursor que se desliza por un eje paralelo al núcleo. Con este instrumento es posible variar la resistencia de un circuito y de esta manera, es posible aumentar o disminuir según se desee, la intensidad de la corriente en dicho circuito. Tiene un valor máximo, especificado por el fabricante y un valor mínimo (generalmente 0Ω). Potenciómetro Figura 1.3. eóstato. Dispositivo de tres terminales cuyo valor varía al girar un eje o al desplazar un cursor o contacto móvil. Esta acción añade más o menos material a la resistencia, Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 4
modificando el valor de esta desde cero (0 Ω) hasta un valor máximo, que aparece indicado en el potenciómetro. Cuanto más largo sea el hilo (generalmente de cobre) que forma la resistencia, mayor será el valor de esta. Normalmente, los potenciómetros se utilizan en circuitos de poca corriente. Para circuitos de corrientes mayores, se utilizan los reóstatos, que pueden disipar más potencia. Décadas o cajas de esistencias Figura 1.4. Potenciómetro. Permite variar la corriente de un circuito y además conocer rápidamente el valor de la resistencia variable. Cada década está formada por una perilla que consta de diez posiciones, que va desde 0 hasta 9 resistencias iguales conectadas en serie. Cuando se asocian varias de estas décadas en serie, la resistencia de cada una de ellas se hace variar en factores de 1, 10, 100, 1000, etc., de acuerdo al factor multiplicador que tenga indicado la década. Figura 1.5. Caja o Década de esistencias. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 5
Fuentes de Alimentación o Fuentes de Poder Permiten suministrar las diferencias de potencial eléctrico necesarias para la experimentación. De acuerdo al tipo de corriente que puedan suministrar las fuentes se clasifican en: fuentes de corriente continua (DC) y fuentes de corriente alterna (AC). También existen fuentes capaces de suministrar ambos tipos de voltajes, las cuales se denominan fuentes de alimentación universal. La fuente DC mostrada en la figura 6 consta de las siguientes partes: 1. Interruptor de Alimentación: sirve para proveer la energía a la fuente. 2. Control grueso de Ajuste de Voltaje: sirve para graduar en forma aproximada la salida de voltaje seleccionada. 3. Control fino de Ajuste de Voltaje: Gradúa en forma precisa la salida de voltaje deseada. 4. Ajuste grueso de Corriente: Gradúa en forma aproximada la corriente deseada. 5. Ajuste fino de Corriente: Gradúa en forma precisa la corriente deseada. 6. Bornes de Salida: el borne positivo es de color rojo y el negativo de color negro, el borne indicado GND va conectado a la tierra de la instalación eléctrica del laboratorio, a través del cable de alimentación. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 6
4 3 5 2 1 6 Figura 1.6. Fuente de alimentación DC. Multímetro Digital Es un instrumento electrónico de medición que se utiliza para medir voltaje, resistencia y corriente, aunque dependiendo del modelo de multímetro puede medir otras magnitudes como capacitancia y temperatura. Gracias al multímetro se puede comprobar el correcto funcionamiento de los componentes y circuitos electrónicos. Cuando se le utiliza para medir voltaje se llama voltímetro, para medir corriente amperímetro y para medir resistencia óhmetro. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 7
2 1 3 6 8 5 7 Figura 1.7. Multímetro Digital. A continuación se describen las partes y funciones de un multímetro. 1. Power: Botón de apagado-encendido. 2. Display: Pantalla de cristal líquido en donde se muestran los resultados de las mediciones. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 8
3. Llave selectora del tipo y rango de medición: Esta llave nos sirve para seleccionar el tipo de magnitud a medir y el rango de la medición. Los números y símbolos que rodean la llave selectora indican el tipo y rango que se puede escoger, como el voltaje directo y alterno, la corriente directa y alterna, la resistencia, prueba de diodos y continuidad. 4. Cables rojo y negro con punta: El cable negro siempre se conecta al borne negro, mientras que el cable rojo se conecta al borne adecuado según la magnitud que se quiera medir. 5. Borne de conexión negativo: Aquí siempre se conecta el cable negro con punta. 6. Borne de conexión para el cable rojo con punta para mediciones de voltaje (V) y resistencia. 7. Borne de conexión para el cable rojo con punta para medición de miliamperes (ma). 8. Borne de conexión para el cable rojo con punta para medición de amperes (A). Para realizar mediciones con el multímetro, éste puede conectarse en serie o en paralelo con el elemento a medir, dependiendo de si se va a utilizar como voltímetro, amperímetro u óhmetro. A continuación se detalla cada caso. Para medir un voltaje, colocamos el cable negro en su respectivo borne (COM) y el rojo en el borne correspondiente al voltaje (V). A continuación la llave selectora debe posicionarse en el tipo de voltaje (AC o DC) y seleccionar el rango de medición. El multímetro debe estar conectado en paralelo con el elemento a medir (+ del elemento con terminal V y del instrumento con el terminal COM). Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 9
Figura 1.8. Conexión del Voltímetro. El procedimiento para medir una resistencia es bastante similar al de medir voltajes. El multímetro (óhmetro) se conecta en paralelo en las terminales de la resistencia a medir, luego se coloca el selector en la posición de ohmios y en la escala apropiada al tamaño de la resistencia que se desea medir. Si no se sabe cuántos ohmios tiene la resistencia a medir, empezar colocando el selector en la escala más grande, e ir reduciendo la escala hasta encontrar la que dé más precisión sin salirse de rango. Debe tenerse en cuenta, que al momento de conectar el óhmetro a la resistencia, ésta NO debe de tener aplicada ninguna diferencia de potencial, es decir, las fuentes de alimentación deben de estar apagadas o desconectadas. Figura 1.9. Conexión del Óhmetro. El proceso para medir intensidades de corriente es diferente, puesto que el amperímetro se conecta en serie con el elemento del circuito al cual se le desea conocer su corriente. Por esto, para medir corrientes se debe abrir el circuito, es Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 10
decir, desconectar algún cable para intercalar el amperímetro en medio, con el propósito de que la intensidad de corriente circule por dentro del mismo. Para medir una intensidad, se abre el circuito en cualquiera de sus puntos, y se configura el multímetro adecuadamente (cable rojo en el borne de amperios o miliamperios y el cable negro en el borne común COM) y a continuación la llave selectora debe posicionarse en el tipo de corriente (AC o DC) y seleccionar el rango de medición. Una vez que el circuito esté abierto y el multímetro bien configurado, se procede a cerrar el circuito usando para ello el amperímetro, es decir, colocaremos cada cable del mismo en cada uno de los dos extremos del circuito abierto (respetando la polaridad para el caso de DC), con ello se cerrará el circuito y la intensidad de corriente circulará por el interior del multímetro para ser leída. Figura 1.10. Conexión del Amperímetro. MATEIALES Y EQUIPOS EQUEIDOS Fuente de alimentación DC. Multímetro digital. Potenciómetro de 33 Ω. esistores de carbón. Década de resistencias. Cables para conexiones. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 11
POCEDIMIENTO EXPEIMENTAL esistencias Fijas 1. ealice la lectura del valor nominal y del valor medido de cada una de las resistencias entregadas por el profesor, utilizando el código de colores y el óhmetro respectivamente. egistre los resultados en la tabla 1.2. 1era Banda 2da Banda 3era Banda 4ta Banda Valor Nominal (Ω) Tolerancia (Ω) Valor Medido (Ω) Tabla 1.2 esistencias 1 2 3 4 2. De acuerdo a las lecturas registradas en la tabla 1.2, indique si las resistencias medidas cumplen con las especificaciones del fabricante. esistencias Variables Caja de esistencias (esistencias en Décadas) 1. Seleccione cuatro valores diferentes de resistencias y complete la tabla 1.3. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 12
1era Perilla 2da Perilla 3era Perilla 4ta Perilla Valor Nominal (Ω) Tolerancia (Ω) Valor Medido (Ω) Tabla 1.3 esistencias 1 2 3 4 2. De acuerdo a las lecturas registradas en la tabla 1.3, indique si las resistencias medidas cumplen con las especificaciones del fabricante. Potenciómetro 1. Instale el circuito mostrado en la figura 1.11, utilizando un potenciómetro de 33 Ω y fije la fuente de voltaje en 5 voltios (calibrando la fuente a máxima corriente). Fije el cursor del potenciómetro en la mitad de su recorrido. B A C D E Figura 1.11. Esquema de un potenciómetro. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 13
2. Mida los voltajes indicados en la tabla 1.4. Tabla 1.4 V AB V CD V DE V CE 3. Con base a la experiencia anterior, Cómo podemos saber utilizando el multímetro que el cursor está exactamente en el centro? Qué relación existe entre los voltajes medidos? 4. Coloque el voltímetro entre los puntos CD y mueva el cursor D entre los puntos C y E, observando la pantalla del voltímetro. Para qué posición del cursor D el voltaje es mínimo y para qué posición el voltaje es máximo? 5. De acuerdo a lo observado anteriormente, si colocamos un voltaje fijo de 10 voltios entre los puntos A y B será posible obtener a través del cursor D y un punto fijo del potenciómetro, un voltaje comprendido entre 0 y 10 voltios? azone su respuesta. Explique cómo conectaría el multímetro para obtener dicho valor. Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 14
6. Con los resultados obtenidos utilizando las resistencias fijas y variables, complete la siguiente tabla. Tabla 1.5 Etapa Descripción Análisis de esultados esistencias Fijas conectadas en serie y en paralelo 1. ealice la lectura del valor real y nominal usando el óhmetro y el código de colores de las resistencias entregadas por el Profesor, registre las lecturas en la tabla 1.6. Tabla 1.6 Valor Nominal Valor Medido 1 2 3 Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 15
2. ealice el montaje del circuito mostrado en la figura 1.12 y complete la tabla 1.7. 3. Dibuje en cada caso cómo colocó en multímetro para medir los voltajes y corrientes indicados. 1 2 3 V Voltios Figura 1.12. Circuito Serie. Tabla 1.7 Voltaje Medido Corriente Medida 1 2 3 4. ealice el montaje del circuito mostrado en la figura 1.13 y complete la tabla 1.8. 1 2 V Voltios Figura 1.13. Circuito Paralelo Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 16
Tabla 1.8 Voltaje Medido Corriente Medida 1 2 5. Dibuje en cada caso cómo colocó en multímetro para medir los voltajes y corrientes indicados. 6. De acuerdo a los resultados obtenidos con los circuitos serie y paralelo, complete la tabla 1.9. Tabla 1.9 Etapa Descripción Análisis de esultados Profa. Lismarihen Larreal de Hernández 17