7 - Facultad de Ciencias Fisicas - Universidad Nacional Mayor de

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS
(Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS
LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
Decano
Dr. Ángel Bustamante D.
Director de la UPG
Dr. Justo rojas Tapia,
Director de la E.A.P de Física
Lic. Luis Salazar de Paz
Coordinador de DAFI
Lic. Lucas Alvarado Pinedo
Coordinador del DAFES
Lic. Flores Santibañes
Coordinador del DAFNAM
Mag. Leovigildo Lastra
Jefe del Laboratorio de Física III
Lic. Gilberto Yactayo Yactayo
Manual de Laboratorio de Física III
12 ava Edición
DAFI – FCF – UNMSM
Dirección y edición general
Gilberto Yactayo Yactayo
Arnulfo Guillén Guevara
Julio Fabián Salvador
Lucas Alvarado Pinedo
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2
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Queda prohibida la reproducción total o parcial de la presente obra sin consentimiento expreso
del autor, con arreglo a la legislación vigente nacional respecto a Derechos de Autor
Índice
Metas de aprendizaje del manual de laboratorio de electricidad y
magnetismo
Experiencia N° 1
Cargas eléctricas y cuerpos electrizados
Experiencia N° 2
Campo eléctrico
Experiencia N° 3
Instrumentación y Ley de Ohm
Experiencia N° 4
Divisor de tensión
Experiencia N° 5
Resistencia variable
Experiencia N° 6
Potencia eléctrica - Condensadores y bobinas en
circuitos de C.C
Experiencia N° 7
Campo magnético terrestre
Experiencia N° 8
Electromagnetismo
Experiencia N° 9
Transformadores, relés e interruptores magnéticos
Experiencia N° 10 Capacitancia e Inductancia en Circuito de Corriente
Alterna (RC, RL)
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Metas de Aprendizaje del manual de
Laboratorio de Física III
Los DOCENTES de la FACULTAD DE CIENCIAS Físicas tienen como objetivo principal la
transmisión de conocimientos y es mediante la enseñanza de los Laboratorios de F-III que se
plasma en el futuro de los profesionales de nuestro país, se les desea mucho éxito en la
ejecución de los experimentos que tendrán como objetivo:
El aprendizaje de:
I) CORRIENTE CONTINUA
El curso transmite conocimientos básicos de
tecnología de corriente continua. Al respecto,
los
temas
centrales son:
la
relación
entre tensión, corriente y resistencia eléctricas
(ley de Ohm) al igual que la distribución de la
corriente y la tensión en el circuito de
corriente continua (leyes de Kirchhoff). Una
multiplicidad de experimentos basados en
circuitos
eléctricos,
con
resistencias
configuradas en serie y en paralelo, al igual
que
combinaciones
entre
estas
dos
configuraciones,
ayudan
a ilustrar
los
contenidos teóricos.
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Funcionamiento y aprovechamiento de la electricidad
Modelo atómico
Magnitudes eléctricas básicas: carga, tensión y corriente
Circuitos eléctricos sencillos
Resistencia eléctrica
Medición de corriente y tensión en el circuito eléctrico
Ley de Ohm
Leyes de Kirchhoff
Análisis de circuitos de resistencias sencillos (circuitos en serie y en paralelo)
Determinación de la resistencia por medio de un circuito puente
Potencia eléctrica
Funcionamiento de las resistencias variables
Bobina y condensador en el circuito de corriente continua
Campo magnético
Circuito de corriente alterna
II) MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO.
En este curso se adquirirán conocimientos teóricos y
prácticos sobre el tema "Magnetismo y
electromagnetismo". Como parte central del curso se
realizarán experimentos con imanes, bobinas y otros
componentes importantes, en los cuales se analizará su
funcionamiento, comportamiento y efectos. de los
componentes.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Contenidos de aprendizaje:
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Estudio de imanes permanentes y materiales magnéticos
Análisis del efecto dinámico magnético
Análisis de polos magnéticos
Medición del campo magnético de un conductor por el que circula corriente
Explicar la intensidad del campo y el flujo magnético
Estudio de las líneas de campo
Reconocer y explicar las diferencias entre una bobina sin núcleo y con núcleo
Describir el campo de una bobina
Verificar la remanencia
Explicar la inducción electromagnética
Realizar y explicar la inducción con un conductor y un núcleo en movimiento
Conocer el efecto que se produce al encender y apagar una inductancia
Explicar la fuerza de Lorentz.
Analizar y explicar el principio y la estructura del transformador
Comprender y utilizar el relé
Analizar el funcionamiento del interruptor de láminas y utilizarlo
Comprender el principio del autoenclavamiento.
Montar y poner en funcionamiento un circuito de control con autoenclavamiento
Comprender el funcionamiento del sensor de efecto Hall y conocer el circuito de
aplicación
III) CORRIENTE ALTERNA
La corriente denominada alterna (C.A.), que
se diferencia de la corriente continua por el
cambio constante de polaridad que efectúa
por cada ciclo. La característica principal de
una corriente alterna es que durante un
instante de tiempo un polo es negativo y el
otro positivo, mientras que en el instante
siguiente las polaridades se invierten tantas
veces como ciclos por segundo o hertz posea
esa corriente.
"En Circuitos de corriente alterna con condensadores" se estudia el comportamiento de las
resistencias, bobinas y condensadores determinando la Capacitancia e Inductancia.
Contenido de aprendizaje
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El condensador como almacenador de energía
Determinación de la capacidad de un condensador con el multímetro MetraHit
Determinación de la capacidad en un divisor de tensión RC
La Inductancia almacenamiento de energía / resistencia óhmica
Determinación de la inductancia en un divisor de tensión RL
Circuitos con inductancias en serie y en paralelo
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Cargas Eléctricas y
Cuerpos Electrizados
Experiencia N° 1
1.- OBJETIVOS:
1.- Comprobar experimentalmente la existencia de una de las propiedades de la
materia llamada carga eléctrica.
2.- Experimentar con la electrificación de los cuerpos mediante las diversas formas.
3.- Verificar la interacción electrostática entre cargas de igual signo y de signos
opuestos.
4.- Conocer el funcionamiento y los principios físicos de un generador
Electrostático-máquina de Wimshurst y el generador de Van de Graaff.
2.- MATERIALES
-El equipo de electrostática U8491500
consta de un tablero de destellos, cubierta de
electrodos esféricos, rueda con punta, barra de
fricción de plástico, con clavijero de 4 mm,
soporte de depósito , rodamiento de agujas con
clavija de conexión , soporte con gancho para
péndulo doble de bolitas de saúco, clavija de
conexión en pantalla de seda en varilla, trozos
de médula de saúco , tablero de base en clavija
de conexión y carril de rodamiento con bolas,
cadenas de conexión, esfera conductora de 30
mm de diámetro, con clavija de conexión,
cubierta con
electrodos de punta, pie de
soporte, varilla de soporte aislada, con
manguitos de soporte y de conexión y juego de
campanas.
- Péndulos de tecnoport
- Electroscopio
- Barras de acetato y vinilita
Figura. 1. Paños de algodón,
seda y lana.
Figura.2. Barras de
acetato, vinilito y vidrio.
Figura. 3.
Electroscopio.
Figura. 4. Péndulo
eléctrico
- Máquina de Wimshurst, modelo U15310.
- Generador de Van de Graaff
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
3.-FUNDAMENTO TÉORICO.
Se atribuye a Tales de Mileto (640-548 A.C.) haber observado que un trozo de ámbar
frotado con un paño o una piel adquiere la propiedad de atraer cuerpos livianos. W. Gilbert
(1540 – 1603) comprobó que no sólo el ámbar al ser frotado atraía cuerpos ligeros, sino
también lo hacían muchos otros cuerpos como el vidrio, la ebonita, la resina el azufre, etc.
Cuando sucede esto se dice que el cuerpo ha sido electrizado por frotamiento. Aceptamos
que ha aparecido en ellos una “cantidad de electricidad” o una cierta carga eléctrica que es la
causante de las atracciones, o repulsiones entre ellas.
Existen dos tipos de cargas eléctricas. Se comprueba experimentalmente que cuerpos con
cargas eléctricas de igual tipo se repelen, mientras que los de tipo distinto se atraen. Los dos
tipos de cargas eléctricas existentes son denominadas cargas positivas y cargas negativas. A
un cuerpo que no esté cargado eléctricamente se le denomina cuerpo electrostáticamente
neutro, en este caso decimos que tiene igual número de cargas de ambos tipos.
GENERADOR ELECTROSTÁTICO: MÁQUINA DE WIMSHURST;
La máquina de Wimshurst es un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre
1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst (1832 - 1903). El generador
electrostático sirve para generar altas tensiones constantes, no son peligrosas al contacto.
Partes del Generador Electrostático:
(1) Disco de acrílico con placas de estaño El generador electrostático consta de dos discos de
cristal acrílico, de igual tamaño, montados sobre un eje horizontal, paralelamente, y con
escasa distancia entre sí.
(2) Listón de aislamiento, el cual se encuentra atornillado al eje.
(3) Barra de electrodos, Éstas se encuentran conectados con las barras de electrodos, cuyos
extremos tienen forma de doble esfera y entre las que se efectúa la descarga de chispas.
(4) Botellas de Leyden.
(5) interruptor de aislamiento.
(6) Conductor transversal con pinceles de metal La cara externa de los discos está ocupada
circularmente por hojas de estaño. Frente a cada disco, se ha fijado al eje un conductor
transversal, girable, con dos “pinceles” de metal, que frotan las hojas de estaño.
(7) Estribo con escobillas. Para la toma de corriente se emplean dos escobillas fijadas a un
estribo, en el extremo del listón de aislamiento. La distancia entre las escobillas y los discos
es regulable, y debe ser de algunos milímetros.
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(8) Palanca de acoplamiento para conexión de las botellas de Leyden.
Funcionamiento:
Bajo los pinceles, las cargas positivas o negativas de las hojas de estaño del disco 2 ejercen
una influencia sobre las del disco 1. Y estas, por otra parte, influencian las cargas de las hojas
de estaño del disco 2, cuando estas pasan por el pincel que se encuentra enfrente. Las
cargas son entonces absorbidas por las escobillas y se conducen, para su descarga, a las
barras de electrodos o las botellas de Leyden por medio de las esferas conductoras. La
longitud de las chispas depende del diámetro del disco.
GENERADOR ELECTROSTÁTICO; MÁQUINA DE VAN DE GRAAFF:
El generador de Van de Graaff, GVG, es un
aparato utilizado para crear grandes voltajes.
En realidad es un electróforo de funcionamiento
continuo.
Se basa en los fenómenos de electrización por
contacto y en la inducción de carga. Este efecto
es creado por un campo intenso y se asocia a la
alta densidad de carga en las puntas.
El primer generador electrostático fue
construido por Robert Jemison Van de Graaff
en el año 1931 y desde entonces no sufrió
modificaciones sustanciales.
Existen dos modelos básicos de generador:
a) El que origina la ionización del aire situado
en su parte inferior, frente a la correa, con un
generador externo de voltaje (un aparato
diferente conectado a la red eléctrica y que crea
un gran voltaje)
b) El que se basa en el efecto de electrización
por contacto. En este modelo el motor externo sólo se emplea para mover la correa y la
electrización se produce por contacto. Podemos moverlo a mano con una manivela y funciona
igual que con el motor.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
En los dos modelos las cargas creadas se depositan sobre la correa y son transportadas hasta
la parte interna de la cúpula donde, por efecto Faraday, se desplazan hasta la parte externa de
la esfera que puede seguir ganando más y más hasta conseguir una gran carga.
Consta de: (Figura 02)
1.- Una esfera metálica hueca en la parte superior.
2.- Una columna aislante de apoyo que no se ve en el
diseño de la izquierda, pero que es necesaria para soportar
el montaje.
3.- Dos rodillos de diferentes materiales: el superior, que
gira libre arrastrado por la correa y el inferior movido por un
motor conectado a su eje.
4.- Dos “peines” metálicos (superior e inferior) para ionizar
el aire. El inferior está conectado a tierra y el superior al
interior de la esfera.
5.- Una correa transportadora de material aislante (el ser de
color claro indica que no lleva componentes de carbono que
la harían conductora).
6.- Un motor eléctrico montado sobre una base aislante
cuyo eje también es el eje del cilindro inferior. En lugar del
motor se puede poner un engranaje con manivela para
mover todo a mano.
Funcionamiento (Figura -03)
Una correa transporta la carga eléctrica que se forma en la
ionización del aire por el efecto de las puntas del peine
inferior y la deja en la parte interna de la esfera superior.
El intenso campo eléctrico que se establece entre el rodillo y
las puntas del “peine” situadas a unos milímetros de la
banda, ioniza el aire.
Los electrones del peine no abandonan el metal pero el
fuerte campo creado arranca electrones al aire
convirtiéndolo en plasma conductor -efecto Corona- y al
ser repelido por las puntas se convierte en viento eléctrico
negativo.
Parte superior
Las puntas del peine se vuelven positivas y las cargas negativas se van hacia el interior de la
esfera.
Un generador de Van de Graaff no funciona en el vacío.
La eficacia depende de los materiales de los rodillos y de la
correa. El generador puede lograr una carga más alta de la esfera
si el rodillo superior se carga negativamente e induce en el “peine”
cargas positivas que crean un fuerte campo frente a él y
contribuyen a que las cargas negativas se vayan hacia la parte
interna de la esfera. El efecto es que las partículas de aire
cargadas negativamente se van al “peine” y le ceden el electrón
que pasa al interior de la esfera metálica de la cúpula que
adquiere carga negativa.
Por el efecto Faraday (que explica por qué se carga tan bien una
esfera hueca) toda la carga pasa a la esfera y se repele
situándose en la cara externa. Gracias a esto la esfera sigue
cargándose hasta adquirir un gran potencial y la carga pasa del
“peine” al interior.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
4.- PROCEDIMIENTO:
A.- Ubique en la mesa de trabajo en la posición más adecuada la máquina de Wimshurst y
Van De Graaff.
B.- Experimente la Interacción entre las barras cargadas y la esfera de tecnoport que está
suspendida en el péndulo eléctrico
A-1 Maquina de Wimshurst
01.- Identifique las partes de las máquinas electrostáticas
02.- Gire lentamente la manivela en sentido horario, los conductores transversales deben
señalar, por arriba, hacia la izquierda y por debajo, hacia la derecha, en un ángulo de 45°, en
relación con la barra de aislamiento.
03.- Mantenga el interruptor de aislamiento abierto y anote lo observado.
04.- Ahora cierre el interruptor, anote lo observado.
05.- Conecte las botellas de Leyden, anote lo observado. Los pasos 2, 3 y 4 se efectúan
girando las manivelas del equipo.
06.- Determine la polaridad del generador electrostático por medio de un electroscopio. Este
último se carga con un electrodo y se toca luego con una barra de plástico previamente frotada
con lana, anote el signo de la carga.
07.- Ahora acerque una lámpara de fluorescente y anote lo observado, identifique la polaridad
de la lámpara.
08.- Descarga de punta (figura -04); colocar la rueda de
punta sobre el rodamiento de agujas en el soporte, conectar
la fuente de carga y transmitir la carga, anote lo observado.
09.- Péndulo doble; (figura -05) colocar un péndulo de
bolitas de saúco en soporte con gancho, conectar a la
fuente de carga y transmitir una carga a través de ésta,
anote lo observado.
10.- Clavija de conexión en pantalla de seda; (figura-06)
colocar la clavija de conexión en pantalla de seda sobre el
soporte, conectar a las fuentes de carga y acrecentar
lentamente la carga aplicada, anote lo observado.
11.- Juego de campanas; (figura -07) colocar sobre el juego
de campanas, conectar la fuente de carga y aumentar
lentamente la carga suministrada, anote lo observado.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
12.- Tablero de destellos; ( figura -08) colocar el tablero de destellos en el soporte, conectar
las fuentes de carga y aumentar lentamente el volumen de la carga suministrada, anote lo
observado.
13.- Danza eléctrica; ( figura -09) colocar el tablero de base sobre el soporte, colocar sobre él
bolitas de saúco de 5 a 8 unidades, y poner encima de la cubierta con electrodos esféricos
invertida, conectar la fuente de carga y aumentar
lentamente la cantidad de carga
suministrada, anote lo observado.
14.- Aparato fumívoro; (figura – 10) colocar el tablero de
base sobre el soporte, invertir sobre Este la cubierta con
electrodos de punta y conectar la fuente de carga. Hacer
penetrar en la cubierta el humo de un cigarro o de una
vela de humo, anote lo observado.
15.- Carril de rodamiento con bolas; (figura -11). Colocar
sobre el soporte la placa de base, y el carril de
rodamiento de bolas. Al hacerlo, asegúrese de que la
distancia del carril de rodamiento con bolas no caiga
hacia un lado. Coloca la bola, limpia y seca, sobre la
placa de base de tal manera que entre en contacto con
el canto del electrodo esférico superior. Conectar la
fuente de alimentación y suministrar lentamente la carga,
anote lo observado
A-2 Máquina de Van De Graaff:
16.- Conecte la máquina de Van De Graaff, a la
fuente de 250V de C.A. Tenga cuidado, si tiene
dudas consulte al profesor.
17.- Una vez encendida, la faja vertical
comenzará a girar, identifique el signo de la
carga de la esfera, con la ayuda de un
electroscopio, anote lo observado.
18.- Utilice los dispositivos efectuados en los
procesos del 9 al 17, anote lo observado.
19.- Acerque el electroscopio lentamente a la esfera y anote el máximo valor del ángulo que
se desvía las hojuelas.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
B. PÉNDULO ELÉCTRICO..
1. Acerque cualquiera de las barras, sin frotarla, a la esfera de tecnoport
que está suspendida en el péndulo eléctrico como muestra la
ilustración 5. Anote lo observado.
2. Frote la barra de acetato con el paño de seda, luego acérquela a la
esfera de tecnoport. Repita la operación frotando la barra de
vinilito. Anote sus observaciones.
3. Ponga frente a frente dos esferas de tecnoport suspendidas en los
péndulos eléctricos. A continuación frote la barra de vinilito con el
paño de lana, luego toque a la esfera 1 y a la esfera 2. Anote sus
observaciones.
Fig. 5. Interacción entre las
barras cargadas y la esfera de
tecnoport.
4. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda y la barra de vinilito con el paño
de lana y toque la esfera 1 con la barra de acetato y a la esfera 2 con la barra de vinilito.
Anote sus observaciones.
5. Asigne el nombre que usted desee a las cargas eléctricas obtenidas en los pasos 3 y 4.
6. Frote nuevamente la barra de acetato con el paño de seda, luego toque la esfera 1 y la
esfera 2. Anote sus observaciones.
7. Frote nuevamente la barra de vinilito con el paño de lana, luego acérquela a la esfera 1 y
esfera 2. Anote sus observaciones
8. Acerque sin tocar la barra de acetato a la esfera 1, simultáneamente acerque sin tocar. la
barra de vinilito a la esfera 2. Anote sus observaciones.
9. La ilustración 3 nos muestra un electroscopio, aparato que nos permite observar si un
cuerpo está electrizado o no lo está. Acerque la barra de acetato previamente frotada con
el paño de seda a la esfera metálica del electroscopio. Anote sus observaciones.
10. Manteniendo cerca de la esfera metálica, la barra de acetato, coloque un dedo de su mano
sobre la esfera. Anote sus observaciones.
11. Manteniendo cerca de la esfera metálica la barra de acetato, retire el dedo que había
colocado sobre ella. Anote sus observaciones.
12. Retire la barra de acetato de la vecindad de la esfera metálica. Anote sus observaciones.
13. Repita los pasos 7, 8, 9 y 10 con la barra de vinilito que ha sido previamente frotada con el
paño de lana.
5.- CUESTIONARIO
1.- ¿Cómo puede usted determinar el signo de las cargas de las esferas de tecnoport?,
explique.
2.- En las experiencias efectuadas, ¿cómo podría aplicar el principio de superposición?
Explique.
3.- Del experimento realizado, ¿se puede deducir qué tipo de carga se traslada de un cuerpo
a otro?
4.- Enuncie los tipos de electrización, explique cada caso.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
5.- ¿Por qué el cuerpo humano es un buen conductor de la electricidad? Explique
detalladamente.
6.- En la ilustración 6 considere que la bola 1 tiene una carga Q
y la bola 2 está descargada. Considere además que las
bolas tiene igual radio r. ¿Qué sucederá?
7.- Siguiendo con la ilustración 6, suponga que mediante algún
deslizamiento del hilo la esfera 1, que contiene una carga Q,
se pone en contacto con la esfera 2, que está descargada
¿Qué es lo que se observará?. ¿Cuál será la carga que
adquiere de la esfera 2?
Figura. 6
8.- Respecto a la pregunta 5, suponga ahora que la bola 1 tiene un radio 2r y la bola 2 un radio
r. Si la bola 1, que contiene una carga Q, se pone en contacto con la bola 2; ¿Cuál será la
carga que adquiere de la esfera 2?
9.- En un experimento de electrostática se observa que la distancia entre las esferas idénticas
1 y 2, inicialmente descargadas es de 12 cm, (Ilustración 6). Luego de transmitirles la misma
carga q a ambas esferas estas se separan hasta 16 cm. ¿Cuál es el valor de esta carga, si
la masa de cada una de ellas es de 5 g y la longitud de los hilos en los que están
suspendidas las esferas es de 30 cm?
10.- Un objeto cargado positivamente se acerca a la esfera de un electroscopio y se observa
que las laminillas se cierran; y cuando se sigue acercando, sin tocar la esfera, de pronto
las hojuelas se abren. ¿Qué tipo de carga tiene el electroscopio?
11.- Que función cumple las botellas de Leyden en la máquina de Wimshurst, explique
detalladamente.
12.- Durante el uso del generador electrostático se percibe un color característico, investigue a
que se debe. Explique detalladamente.
13.- Explique el poder de las puntas, y sus aplicaciones
14.- Mencione al menos 5 aplicaciones del equipo de Van De Graaff.
6.- CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Campo Eléctrico
Experiencia N°2
1.-
OBJETIVOS
Graficar las líneas equipotenciales en la vecindad de dos configuraciones de carga
(electrodos).
- Calcular la diferencia de potencial entre dos puntos.
- Calcular la intensidad media del campo eléctrico.
- Estudiar las características principales del campo eléctrico.
02.-MATERIALES
01 Cubeta de vidrio.
01 Fuente de voltaje de CD.
01 Voltímetro.
02 Electrodos de cobre.
01 Punta de prueba.
01 Cucharadita de sal.
Cubeta de Vidrio,
Agua y Sal
Fuente 6 V
02 Papeles milimetrados.
04 Cables de conexión.
Punta de
prueba
Juego de Electrodos de
Cobre
3.-.
FUNDAMENTO TEÓRICO
Campo Eléctrico
Las fuerzas ejercidas entre sí por las cargas eléctricas se deben a un campo eléctrico que
rodea a cada cuerpo sometido a carga, y cuya intensidad está dada por la intensidad de campo
E. Si ahora se encuentra una carga q dentro de un campo eléctrico (producido por otra carga),
entonces actúa sobre la primera una fuerza F. Para la relación entre intensidad de campo y la
fuerza es válida la fórmula:
E
F
q
La magnitud de la intensidad de la fuerza eléctrica, por lo tanto, está dada por la ecuación:
F  qE
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La fuerza sobre una carga eléctrica dentro de un campo eléctrico es mayor mientras mayor sea
la intensidad del campo eléctrico, y mayor sea la misma carga.
No obstante, el campo eléctrico no sólo se ve
determinado por la magnitud de la fuerza que actúa sobre
_
la carga, sino también por su sentido. Por tanto, los
+
campos eléctricos se representan en forma de líneas de
campo, que indican el sentido del campo. La forma de un
campo eléctrico está aquí determinada por la forma
geométrica de las cargas que generan el campo, al igual que por la posición que adopten entre
ellas. Las líneas de campo indican, en cada punto del mismo, el sentido de la fuerza eléctrica.
Al respecto, las siguientes imágenes muestran el campo eléctrico de una carga puntual positiva
(izquierda) y el de una carga puntual negativa (derecha). Las líneas de campo se desplazan en
este caso en forma de rayos que salen hacia el exterior a partir de la carga. El sentido de las
líneas de campo (indicado por las flechas) señala, de acuerdo a la convención establecida, el
sentido de la fuerza de una carga positiva (en cada caso pequeñas cargas puntuales en las
imágenes); esto significa que las líneas de campo parten cada vez de una carga positiva (o del
infinito) y terminan en una carga negativa (o en el infinito). La densidad de las líneas de campo
indica correspondientemente la intensidad del campo eléctrico; aquí, ésta decrece al alejarse
de la carga puntual.
Si se encuentran cargas positivas y negativas repartidas
uniformemente sobre dos placas de metal colocadas frente a
frente, en paralelo, como es el caso del condensador de placas
planas paralelas, entre ambas superficies se generan líneas de
campo eléctrico paralelas, como se muestra en la figura
siguiente. Estas líneas de campo parten de la placa con carga
positiva y terminan en la placa con carga negativa. Dado que la
densidad de las líneas de campo, al interior del condensador, es
igual en todas partes, la intensidad de campo eléctrico E de las
placas es también igual en toda la superficie. Un campo eléctrico
de esta naturaleza recibe el nombre de campo eléctrico homogéneo.
+
+
+
+
+
+
_
_
_
_
_
_
Nota: También en el exterior del condensador circulan líneas de campo entre las placas, las
mismas que, no obstante, se "curvan" y no se tomarán en cuenta en lo sucesivo. Por esta
razón, se prescindió de su representación.
Un cuerpo cargado eléctricamente causa alrededor de él un campo electrostático. Para
determinar y medir dicho campo en un punto cualquiera es necesario introducir en las
vecindades de dicho medio otro cuerpo cargado, que llamaremos carga prueba, y medir la
fuerza que actúe sobre él. La carga prueba q 0 se considera lo suficientemente pequeña de
manera que la distorsión que su presencia cause en el campo de interés sea despreciable.
La fuerza que actúa la carga
q0 en reposo en el punto p en un campo eléctrico es:
F  q0 E
Para visualizar la intensidad y la dirección de un campo eléctrico se introduce el concepto de
líneas de fuerza. Estas son líneas imaginarias que son trazadas tales que su dirección y su
sentido en cualquier punto serán los del campo eléctrico en dicho punto. Estas líneas de fuerza
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
deben dibujarse de tal manera que la densidad de ellas sea proporcional a la magnitud del
campo.
Electrodo
+
+
E
+
+
+
+
+
+
E
E
_
E_
_
_
_
_
E_
Electrodo
Dos puntos A y B en un campo electrostático tienen una diferencia de potencial ΔV, si se
E
realiza trabajo para mover una carga de un punto a otro, este trabajo es independiente de la
trayectoria o recorrido escogido entre estos dos puntos.
E
E
1
E
q
+
VA
VB
2
E
+
E
Q
E
E
E
Sea un campo eléctrico
E debido a la carga Q. Otra carga q  en cualquier punto A del campo

se soportará una fuerza. Por esto será necesario realizar un trabajo para mover la carga q del
punto A a otro punto B a diferente distancia de la carga Q. La diferencia de potencial entre los
puntos de A y B en un campo eléctrico se define como:
VAB  VB  VA 
WAB
…………..(  )
q
Donde
VAB : Diferencia de potencial entre los puntos de A y B
W AB : Trabajo realizado por el agente externo
q  : Carga que se mueve entre A y B
Sabemos que:
B
W AB   F .d l  q
A
ava
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
B
B
 E.d l  q  E.d l cos180
A

0
 q  Ed ………….(  )
A
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
De (  ) y (  ):
4.-
E
VB  V A
d
PROCEDIMIENTO
Podemos decir que no existe instrumento alguno que permita medir la intensidad del campo
eléctrico en las vecindades de un sistema de conductores cargados eléctricamente colocados
en el espacio libre. Sin embargo, si los conductores están en un líquido conductor, el campo
eléctrico establecerá pequeñas corrientes en este medio, las que se pueden usar para tal fin.
1. Arma el circuito del esquema. El voltímetro mide la diferencia de potencial entre un
punto del electrodo y el punto que se encuentra en la punta de prueba.
Fuente 6 V
+ _
Voltímetro
V
Puntero
Electrodo
Cubeta
Electrodo
2. Ubique en forma definitiva los electrodos sobre el fondo de la cubeta de vidrio, antes de
echar la solución electrolítica, preparada anteriormente en un recipiente común.
3. Con el voltímetro, mida la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el
punto extremo inferior del electrodo de prueba.
4. En cada una de las dos hojas de papel milimetrado trace un sistema de coordenadas
XY, ubicando el origen en la parte central de la hoja, dibuje el contorno de cada
electrodo en las posiciones que quedarán definitivamente en la cubeta.
5. Situé una de las hojas de papel milimetrado debajo de la cubeta de vidrio. Esta servirá
para hacer las lecturas de los puntos de igual potencial que irá anotando en el otro
papel.
6. Eche la solución electrolítica en el recipiente fuente de vidrio.
7. Sin hacer contacto con los electrodos mida la diferencia de potencial entre ellos
acercando el electrodo de prueba a cada uno de los otros dos casi por contacto y
tomando nota de las lecturas del voltímetro.
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17
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Velectrodos = Velectrodos - Velectrodos
anillo
placa
8. Seleccione un número de líneas equipotenciales por construir, no menor de diez.
9. Entonces el salto de potencial entre y línea será, en el caso de seleccionar diez líneas
por ejemplo:
Velectrodos
, y en general.
10
Velectrodos
V 
N: el número de líneas
N
V 
En el caso de tener un número incómodo, redondee por el exceso o por defecto a un
valor cercano cómodo.
10. Desplace la punta de prueba en la cubeta y determine puntos para los cuales la lectura
del voltímetro permanece. Anote lo observado y represente estos puntos en su hoja de
papel milimetrado auxiliar.
11. Una los puntos de igual potencial mediante trazo continuo, habrá Ud determinado cada
una de las superficies V2, V3, V4, V5,….
5.-
CUESTIONARIO
1. Determine la magnitud del campo eléctrico entre las líneas equipotenciales. ¿El
campo eléctrico es uniforme? ¿Por qué?
2. En su gráfica, dibuje algunas líneas equipotenciales para el sistema de
electrodos que utilizó.
3. ¿Cómo serían las líneas equipotenciales si los electrodos fueran de diferentes
formas?
4. ¿Por qué nunca se cruzan las líneas equipotenciales?
5. Si Ud. imaginariamente coloca una carga de prueba en una corriente
electrolítica ¿Cuál será su camino de recorrido?
6. ¿Por qué las líneas de fuerza deben formar un ángulo recto con las líneas
equipotenciales cuando las cruzan?
7. El trabajo realizado para transportar la unidad de carga de un electrodo a otro
es:
8. Siendo
E
VB  V A
, el error absoluto de E es:
d
9. El error relativo de la medida de E es:
10. ¿Qué semejanza y diferencia existe entre un campo eléctrico y un campo
gravitatorio?
11. Si el potencial eléctrico es constante a través de una determinada región del
espacio. ¿Qué puede decirse acerca del campo eléctrico en la misma?
Explique.
6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Instrumentación y Ley de OHM
Experiencia N° 3
A) INSTRUMENTACIÓN
1.
OBJETIVOS.
1. Conocer el manejo de instrumentos y materiales de uso corriente en los experimentos
de electricidad y magnetismo.
2. Conocer el área de operación de los instrumentos y determinar sus lecturas.
3. Aprender a montar circuito sencillo y medición de tensión y corriente eléctrica.
4. Identificación de los valores de resistencia.
2. MATERIALES.
SISTEMA [email protected] En el cual podemos tener los Instrumentos Virtuales como una fuente
de corriente continua, voltímetro, amperímetro, osciloscopio.
3,. FUNDAMENTO TEORICO
CORRIENTE
ELÉCTRICA
Los electrones se pueden mover con mayor velocidad mientras mayor sea la intensidad de la
tensión aplicada y menor sea la resistencia que la red de átomos oponga a su paso. La
intensidad de corriente I se define como la carga Q que fluye por unidad de tiempo a través de
una sección transversal del conductor, esto es:
La unidad con la que se designa la intensidad de la
corriente es el amperio (que se abrevia con A).
4.- PROCEDIMENTO
Experimento 1a
Circuito sencillo de corriente
En el siguiente experimento se
debe mostrar, en primer lugar,
que una corriente puede circular
cuando el circuito de corriente se
encuentra cerrado. Para ello se
empleará el circuito que se
encuentra en la parte superior de
la tarjeta de Circuito de
resistencias SO4203-6A, cuya
fuente de tensión continua de 15
V se activa automáticamente una
vez que la tarjeta se ha insertado
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19
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
en el experimentador. Una lámpara incandescente servirá como carga de este circuito. El
circuito de corriente se puede abrir o cerrar por medio de la inserción de diferentes conectores.
MEDICIÓN DE TENSIÓN
La tensión eléctrica se mide con el voltímetro. La siguiente representación muestra el símbolo
gráfico de un voltímetro.
El diagrama de la izquierda
representa, en este caso, la
conexión del voltímetro para la
medición de la tensión de la
fuente; el del centro, la conexión
para la medición de la tensión a
través del interruptor y, finalmente,
el de la derecha, la conexión para la medición de la tensión de carga.
EJECUCIÓN DEL EXPERIMENTO
Monte el circuito experimental representado
a continuación:
Las Figuras siguientes ilustran la estructura de la conexión.
Experimento 1b
Ajustes del
voltímetro A
Rango de
medición:
20 V DC
Modo de
operación:
AV
Medición directa de la corriente eléctrica
La corriente eléctrica se mide con
un amperímetro. El diagrama
siguiente presenta diferentes
posibilidades de integrar el
amperímetro al circuito mostrado
Medición indirecta de corriente Si no se
tiene a disposición un amperímetro, sino
únicamente un voltímetro, se puede determinar
también de manera indirecta la intensidad de
la corriente por medio de una medición de tensión.
Para ello se aprovecha la relación que existe entre
la corriente y la tensión en una carga, esto es, la
ley de Ohm. La intensidad de corriente I que nos
interesa se obtiene entonces a partir de la
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
ecuación:
La imagen de la izquierda muestra la medición directa de corriente por medio de un
amperímetro, la de la derecha, la medición indirecta por medio de una resistencia RM y un
voltímetro.
Experimento 1c
Ejecución del experimento con la resistencia de medición y el
instrumento virtual
Monte el circuito experimental representado a continuación. La animación siguiente ilustra la
estructura de la conexión:
Ajustes del Amperímetro A
Rango de
medición:
200 mA DC
Modo de
operación:
AV
Shunt:
10 ohmios
Resistencia eléctrica
Si una corriente eléctrica circula a través de un conductor, los portadores de carga libres
(electrones libres) se mueven entre los átomos de la red. En este caso siempre se producen
colisiones entre los átomos, por lo cual, los electrones libres se ven rechazados y, de esta
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21
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
manera, se frena su movimiento. El conductor opone una resistencia a la corriente eléctrica que
debe ser vencida por la tensión:
La constante de material ρ indica la resistencia específica del material conductor en la unidad
2
Ώ ·mm /m, l es la longitud del conductor, en m, y A la sección transversal del conductor en
2
mm .
Diseños de las resistencias
Las imágenes siguientes muestran los símbolos gráficos de diferentes tipos de resistencias.
Resistencia común
Resistencia variable
Resistencia con contacto
deslizante
Codificación por colores de las resistencias
El siguiente gráfico ilustra la codificación.
Para la resistencia representada en la parte
superior, a partir de los dos primeros aros
(marrón y negro), se obtiene un valor decimal
de 10 y, a partir del tercer aro (naranja) un
3
factor de 10 , con lo que se obtiene un valor
3
total de resistencia de: R = 10·10 Ώ = 10000
1a cifra 2da cifra Factor
Tolerancia
Ώ = 10 k Ώ. En la resistencia representada al
inicio de la página, el aro derecho es de color dorado; la resistencia posee, por tanto, una
tolerancia de ±5%.
PROCEDIMIENTO
Llenar la tabla 1 con los valores de las resistencias del tablero de resistencias con sus
respectivas tolerancias.
1° BANDA
TABLA 1
2° BANDA
3° BANDA
4° BANDA
VALOR DE R
1
2
3
4
5
6
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La codificación de colores para la tolerancia está indicada en la siguiente tabla:
1a
2da cifra
cifra
Color
b)
Factor
-2
plata
----
----
10
dorado
----
----
10
negro
----
0
1
marrón
1
1
10
rojo
2
2
10
naranja
3
3
10
amarillo
4
4
10
verde
5
5
10
azul
6
6
10
violeta
7
7
10
gris
8
8
10
blanco
9
9
10
Color
Tolerancia
incoloro
±20%
plateado
±10%
dorado
±5%
marrón
±1%
rojo
±2%
4
verde
±0.5%
5
azul
±0.25%
6
violeta
±0.1%
-1
2
3
7
8
9
LEY DE OHM
1.- OBJETIVOS
-
Verificar experimentalmente la ley de o
Ohm.
Obtener los datos de voltaje y corriente eléctrica en elementos resistivos con el fin
de iniciar el estudio de circuitos eléctricos simples.
-
Diseñar y Montar circuitos eléctricos con resistencias en Serie, Paralelo.
2.-MATERIALES
Módulo de enseñanza SISTEMA UNITR@IN con resistencia (shunt), y el amperímetro virtual
3.- FUNDAMENTO TEÓRICO
Si se quiere resumir por medio del cálculo los procesos
electrónicos que ocurren en un circuito sencillo de corriente, o en
circuitos más complejos, es necesario conocer, por una parte, la
dependencia que existe entre la intensidad de corriente I y la
tensión U y, por otra parte, entre la corriente I y la resistencia R.
Esta dependencia está descrita por la ley de Ohm, que debe su
nombre al famoso físico alemán. Para ello se observará, en primer
lugar, el circuito sencillo de corriente representado anteriormente.
Ley de Ohm:
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23
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La intensidad de corriente I aumenta si aumenta la tensión U y
disminuye si aumenta la resistencia R. Aquí, la intensidad de
corriente varía proporcionalmente a la tensión y de manera
inversamente proporcional a la resistencia.
La ley de Ohm se puede entonces expresar por medio de la siguiente fórmula:
o´
y
Nota: Las resistencias para las que es válida la ley de Ohm (esto es, la proporcionalidad entre
la corriente y la tensión) se denominan resistencias óhmicas. Los conductores metálicos son,
por lo general, resistencias óhmicas, mientras que, por ejemplo, las resistencias de fluidos
conductores no cumplen con la ley de Ohm.
4.- PROCEDIMIENTO E
Los siguientes componentes son necesarios, para la ejecución de los experimentos expuestos
dentro del marco de este curso: La tarjeta insertable "Circuitos de resistencias"
La tarjeta insertable UniTrain-I de Circuitos de resistencias SO4203-6A permite el análisis de
circuitos de corriente sencillos. Para ello, la tarjeta se ha dividido en seis sectores.
1. Circuito sencillo de corriente con tensión continua y lámpara incandescente con carga
resistiva.
2. Circuito en serie compuesto por un máximo de tres resistencias.
3. Circuito en paralelo compuesto por un máximo de tres resistencias.
4. Un máximo de seis resistencias conectadas en grupo.
5. Condensador con resistencia de carga.
6. Bobina de resistencia a carga.
En el siguiente experimento se debe
comprobar la relación entre la corriente y la
tensión de acuerdo con la ley de Ohm. Para
ello, se aplicarán diferentes tensiones a la
resistencia R1 de la tarjeta de Circuitos de
resistencias y se medirá cada valor resultante
de intensidad de corriente. La intensidad de la
corriente se representará a continuación,
gráficamente, en función de la tensión.
Abra el instrumento virtual Fuente de tensión
continua
y seleccione los ajustes que se detallan en la
tabla siguiente. Encienda a continuación el
instrumento por medio de la tecla POWER.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Ajustes de la fuente de tensión continua
Rango:
10 V
Tensión de salida:
0V
Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla
siguiente.
Ajustes del voltímetro A
Rango de
medición:
10 V DC
Modo de
operación:
AV
En el caso de que realice la medición de corriente empleando el amperímetro virtual, abra el
instrumento Amperímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Ajustes del Amperímetro B
Rango de medición:
10 mA DC
Modo de operación:
AV
Shunt:
10 ohmios
Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión de 1 V. Mida el valor de
la corriente resultante en miliamperios y anote el valor obtenido en la correspondiente fila de la
tabla siguiente. Ahora, eleve la tensión en pasos de 1 V y anote de la misma manera el
resultado de la intensidad de corriente medida en la tabla. Si pulsa la pestaña "Diagrama" de la
tabla, podrá visualizar gráficamente la característica I/U resultante.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE LA LEY DE OHM
VARIACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE MANTENIENDO LA
RESISTENCIA CONSTANTE

+ r
V
A
R
Figura 1
TABLA 1
VOLTAJE(V)
INTENCIDAD (A)
VARIACIÓN DE LA CORRIENTE Y LA RESISTENCIA MANTENIENDO
CONSTANTE EL VOLTAJE
Usando el mismo cursor de la figura 1, observe y anote en la tabla 2 los valores de corriente
cuando cambian los valores R de la caja de resistencia conservando constante la diferencia de
potencial entre los terminales de la misma. Para conseguir esto varié la posición del cursor del
reóstato para cada lectura.
TABLA 2
RESISTENCIA (  )
INTENCIDAD (A)
VARIACIÓN DE LA DIFERENCIA DE POTENCIAL Y LA RESISTENCIA
MANTENIENDO CONSTANTE LA CORRIENTE
Arme el circuito de la figura 2 varié los valores de las resistencias en la caja y para cada valor
observado anote en la tabla 3 los valores del voltaje, conserve constante un determinado valor
de la corriente para las distintas lecturas de V y R, variando la posición del cursor de reóstato.
+

-
r
V
R
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A
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Figura 2
TABLA 3
RESISTENCI
A ( )
VOLTAJE(V)
5
CUESTIONARIO.
1.- ¿Cuántas escalas poseen los instrumentos? (describa cada uno de ellos), indique su
mínima
y máxima lectura en cada escala.
2.- Investigue de qué otra manera se determina el valor de una resistencia. (Sin código de
colores).
3.- Grafique en un papel milimetrado e intérprete V versus I, usando los valores de la tabla 1
determine el valor de la pendiente de la misma.
4.- Grafique e intérprete V versus I , I versus R y V versus R , en papel milimetrado, y compare
los valores encontrados a partir del análisis del gráfico con los valores de de R, I y V de las
tablas 1, 2 y 3
5.- Considere una lámpara que tiene aproximadamente 50.5  y por la cual pasa una
corriente de 25 m A ¿Cuál es el voltaje aplicado? ¿Se cumplirá la ley de ohm?
6.- Con respecto a la ley de Ohm podemos decir:
i) Se cumple en materiales conductores y semiconductores
ii) La pendiente de la gráfica voltaje vs. Intensidad da como resultado el valor de la
resistencia
iii) Que la ley de matemática que la gobierna es I = V / R y sirve tanto para corriente
continua como alterna
A) VVV
B) VVF
C) FVF
D) VVV
E)
VFF
6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES
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27
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Divisor de tensión y puente de Wheatstone
Experiencia 4
1.- OBJETIVOS
1. Derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible.
2. Si se conecta una carga al divisor de tensión (resistencia de carga RL), se habrá
sometido a cargar el divisor de tensión.
3. El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos divisores de tensión.
2.- MATERIALES
Para este experimento usamos tarjeta insertable UniTr@in de Divisor de tensión, SO42016E,
3.- FUNDAMENTO TEÓRICO
DIVISOR DE TENSIÓN
I Divisor de tensión libre de carga.
En la tecnología de medición, a menudo es necesario derivar pequeñas tensiones a partir
de una tensión disponible. Esto es posible por medio de un divisor de tensión. Un divisor de
tensión, como se muestra en la imagen siguiente, se compone de dos resistencias, R1 y R2,
conectadas en serie.
En los bornes externos se aplica la tensión de
alimentación U, la cual se divide en las tensiones
U1 y U2. De acuerdo con la ley de división de
tensión, es válido lo siguiente:
La intensidad de corriente en el divisor de tensión,
de acuerdo con la ley de Ohm, tiene el siguiente
valor:
y la caída de tensión en las dos resistencias es igual a:
Si se introducen los valores calculados de intensidad de corriente en estas dos ecuaciones, se
obtiene la siguiente ecuación para ambas divisiones de tensión:
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28
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Estas ecuaciones sólo son válidas, si no se toma corriente del divisor de tensión, esto es, si se
encuentra libre de carga.
II Divisor de tensión con carga.
Si se conecta una carga al divisor de tensión (en la
imagen siguiente una resistencia de carga RL ), se habrá sometido a cargar el divisor de
tensión. A través de la resistencia de carga circula la corriente de carga IL y, a través de la
resistencia R2, la componente transversal de corriente IQ. A través de R1 fluye la suma de estas
dos corrientes. La componente transversal de corriente IQ genera pérdidas de calor en R2.
En el caso de los divisores de tensión libres de carga, la tensión de R2 es proporcional a la
relación que existe entre R2 y la resistencia total R1 + R2. En el caso de los divisores de tensión
sometidos a carga, éste no es el caso puesto que se obtiene una característica más o menos
curvada, que se diferencia más fuertemente de la característica lineal del divisor de tensión sin
carga, mientras menor sea la resistencia de carga, en función de la resistencia total R1 + R2 de
este último, esto es, mientas mayor sea la corriente de carga en función de la componente
transversal de corriente. Esto se debe a que el divisor de tensión sometido a carga se compone
del circuito en serie de R1 y del circuito en paralelo de R2 y RL. La resistencia de compensación
R2 * de este circuito en paralelo se puede calcular de la siguiente manera:
Por tanto, para la tensión de carga UL del divisor de tensión es válido:
El divisor de tensión libre de carga se obtiene aquí permitiendo que la resistencia de carga RL
se aproxime al infinito. En cada uno de estos dos casos se puede despreciar la resistencia R2
en relación a RL:
RL se puede abreviar y se obtiene la ecuación ya encontrada en el párrafo anterior para el
divisor de tensión libre de carga. La tensión de carga del divisor de tensión sometido a ella es,
por tanto, siempre menor que en el caso de que no exista carga (marcha en vacío).
Las corrientes IL e IQ se pueden calcular si se conoce el valor de UL por medio de la ley de
Ohm; la corriente total I se obtiene por medio de la suma de estas dos corrientes.
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29
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Experimento: Divisor de tensión
En el siguiente experimento se deben analizar dos divisores de tensión diferentes en lo relativo
a las divisiones de tensión con carga.
Monte el circuito experimental representado a continuación:
.
Ajustes del voltímetro A
Rango de
medición:
20 V DC
Modo de
operación:
AV
Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en la siguiente
tabla. Abra el instrumento virtual Voltímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la
tabla siguiente:
Ajustes del Voltímetro B
Rango de medición:
10 V DC
Modo de operación:
AV
Calcule para el divisor de tensión de la izquierda y la tensión de alimentación dada de 15 V, las
tensiones parciales U1 (tensión en R1) y U2 (tensión en R2) con ausencia de carga (el conector
puente B1 no está insertado). Los valores de resistencia son R1 = 10 kΩ y R2 = 3,3 kΩ. Anote
los valores obtenidos en la siguiente tabla 1.
Mida ahora las tensiones parciales por medio de los voltímetros A y B, y anote igualmente los
valores medidos en la tabla 1.
TABLA 1.
UB = 15 V
Divisor de tensión de la izquierda
Divisor de tensión de la
derecha
Relación de
división
(sin carga)
U1/V
U2/V
U1/V
U2/V
Sin carga (cálculo)
Con carga
(medición)
RL = 9.4 kΩ
RL = 4.7 kΩ
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Inserte el conector puente B1. En las dos resistencias R3 y R4, de 4,7 kΩ, se obtiene ahora
una resistencia de carga RL de 9,4 kΩ. Mida U1 y U2 nuevamente, con esta carga, y anote los
valores medidos en la tabla. Inserte el conector puente B3, para cortocircuitar la carga R4 y, de
esta manera, reducir la resistencia de carga a 4,7 kΩ. Vuelva a medir las tensiones parciales y
anote los resultados en la tabla.
(Nota: Si se emplea el conector puente B1, el punto de medición MP4 se encuentra conectado
directamente al punto de medición MP2.)
Modifique el montaje experimental como se muestra en la animación siguiente para analizar
ahora el divisor de tensión que se encuentra a la derecha.
PROCEDIMIENTO
Repita todas las mediciones realizadas, en primer lugar, para el divisor sin carga y luego para
ambos casos con presencia de carga, esto es, RL = 9,4 kΩ y RL = 4,7 kΩ.
1.¿Qué relación de tensión U1:U2 poseen los divisores de tensión con ausencia de carga?
a) Ambos poseen una relación de 2:1
b) El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 5:1.
c) El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 0,3:1.
d) Ambos poseen una relación de 3:1
e) Ambos poseen una relación de 5:1
2.¿Cuál es la respuesta de los divisores de tensión ante la carga? Son posibles varias
respuestas.
a) La tensión del componente que no recibe carga aumenta.
b) La tensión del componente que no recibe carga disminuye.
c) La caída de tensión del componente que recibe la carga permanece invariable, mientras
que la del componente que no la recibe disminuye.
d) En función de la carga introducida, disminuye la tensión del componente que la recibe y la
relación entre los divisores varía.
e) En función de la carga introducida, aumenta la tensión en el componente que la recibe.
La relación de tensión no varía.
3. ¿De qué manera influye el valor de la resistencia de carga sobre la tensión de salida (tensión
de carga) del divisor?
a) El valor de la resistencia de carga no ejerce ninguna influencia sobre la tensión de salida.
b) Mientras menor sea la resistencia de carga, menor será la tensión de salida.
c) Mientras menor sea la resistencia de carga, mayor será la tensión de salida.
4. Compare los resultados del divisor de tensión de la izquierda con los del de la derecha.
¿Qué observa?
a) En cuanto a la carga, la variación de la tensión de salida del divisor de la izquierda es
mayor que la del de la derecha.
b) En relación con la carga, no existe ninguna diferencia digna de mención en la respuesta de
ambos divisores.
c) Las resistencias de carga en el orden de magnitud de las resistencias de los divisores
producen una caída relativamente grande de la tensión de salida.
d) Las resistencias muy pequeñas (en relación con las resistencias de los divisores) producen
una caída relativamente grande de la tensión de salida.
e) Las resistencias muy grandes (en relación con las resistencias de los divisores) producen
una caída relativamente pequeña de la tensión de salida.
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31
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Circuito puente
El circuito puente se compone de la conexión en paralelo de dos
divisores de tensión, de acuerdo con la siguiente imagen.
Si el divisor de tensión "superior" (compuesto por
las resistencias R1 y R2) divide la tensión de
alimentación en la misma relación que el divisor
de tensión "inferior" (compuesto por las
resistencias R3 y R4), entonces, entre los puntos C
y D no existe ninguna tensión (UD = 0). En este
caso se afirma que los puentes mantienen una
condición de equilibrio. La condición de equilibrio
es la siguiente:
Si se reemplazan las resistencias R3 y R4 por una
resistencia ajustable, se puede emplear el circuito
puente para medir la resistencia; este tipo de
circuito lleva el nombre del físico inglés
Wheatstone y se lo conoce también como puente
de Wheatstone (véase siguiente imagen). Aquí, Rx
es la resistencia cuyo valor se debe determinar y
RN una resistencia (la mayoría de las veces
ajustable) de comparación ("resistencia normal").
El puente se introduce para la medición en estado
de equilibrio (UD = 0) y Rx se determina a partir
de la siguiente relación:
Experimento: Circuito puente
En el siguiente experimento se debe analizar un circuito puente. Para ello se combinarán los
dos divisores de tensión ya analizados en un experimento anterior.
ava
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32
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Abra el instrumento virtual Voltímetro A,B la siguiente imagen y seleccione los ajustes que se
detallan en la tabla siguiente.
Ajustes del Voltímetro B
Ajustes del voltímetro A
Rango de
medición:
10 V DC
Rango de
medición:
20 V DC
Modo de
operación:
AV
Modo de
operación:
AV
Compare el circuito montado con el circuito puente que se representa a continuación, y que ya
fuera presentado en la página anterior del curso. ¿Qué resistencias de la tarjeta de
experimentación corresponden a los valores anotados en el diagrama de circuito? Anote sus
respuestas en la tabla 1. Debe hacer las veces de resistencia de carga; para ello, inserte el
conector puente B3 (véase el anterior montaje experimental).
Insertando o retirando los conectores puente B1 y B2 se puede aplicar la carga, alternativa
¿Qué tensión UD del puente debería esperarse entre los puntos de medición MP2 y MP6, si se
toma en cuenta el hecho de que ambos divisores de tensión presentan la misma relación de
división? Conecte el Voltímetro B entre estos dos puntos de medición. En el caso de que sea
necesario, varíe el rango de medición y mida la tensión del puente.
Tabla 1:
R (diagrama de
circuito)
R (tarjeta)
Rx
RN
R3
R4
Anote sus resultados en las siguientes casillas.
Tensión que debería estar entre MP2 y MP6 Uesperada =
V
Tensión medida entre MP2 y MP6
V
Umedida =
Ahora se debe examinar la respuesta del circuito puente sometido a carga. La resistencia R3
de la tarjeta de experimentación nuevamente, en el divisor de tensión de la izquierda y/o en el
de la derecha. Mida cada tensión UB presente entre MP1 y MP3 para las combinaciones
indicadas en la tabla 2, al igual que las tensiones parciales U1 y U2 del divisor de tensión
izquierdo (tensiones entre MP1 y MP2 ó bien entre MP2 y MP3) así como las correspondientes
tensiones parciales del divisor de tensión derecho (tensiones entre MP5 y MP6 ó bien entre
MP6 y MP3). Mida, además, en cada ocasión, la tensión UD del puente, entre MP2 y MP6.
Anote todos los valores de medición en la tabla 2.
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33
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
TABLA 2
Tabla 2:
B- 1
B-2
Divisor
Izquierdo
UB / V
U1 / V
Divisor
Derecho
U2 /V
U1 / V
U2 /V
UD / V
COMPROBACIÓN ANALÓGICA DEL
“PUENTE DE WHEASTSTONE”
Se utiliza cuando deseamos medir resistencias eléctricas por comparación con otras que
están calibradas.
Se instalan cuatro resistencias R1, R2, R3 y R4, tal como se muestra en la figura 1. Los
puntos A y B se unen a los polos de una fuente de voltaje V, uniendo los puntos C y D a
través de un galvanómetro G.
Las resistencias R1 y R3, están conectadas en serie, así como también lo están las
resistencias R2 y R4. Estas dos ramas están conectadas en paralelo.
C
R1
R3
A
B
G
R2
R4
D
+
-
En el tipo de puente que se utiliza en esta experiencia (puente unifamiliar), Las
resistencias R2 y R4 son sustituidas por un alambre homogéneo cilíndrico de sección
perfectamente constante.
Un cursor que desplaza sobre el puente hace las veces del punto D. Al cerrar el circuito
con la llave S, se origina una corriente I; que al llegar al punto A se bifurca en dos: una
ava
12
edición
34
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
parte pasa por la resistencia R1 (corriente I1) y el resto a través de la resistencia R2,
(corriente I2).
Entonces se tiene: I  I 1  I 2
En la figura dos se puede observar que la diferencia de potencial entre los puntos A y B,
es común para las dos ramas: rama formado R 1 y R3 y la rama formada por las
resistencias R2 y R4.
Se consigue el equilibrio del puente dando un valor fijo a R 1, y desplazando el cursor D
hasta que el galvanómetro marque 0, es decir, corriente nula.
Entonces la ecuación toma la forma:
R1 R2
………………………1

R3 R4
R 
R3  Rx   4  R1 …………….2
 R2 
La resistencia de un conductor homogéneo en función a su resistividad. ρ está dado por
la relación:
L
R     …………………….3
 A
Si reemplazamos (3) en (2) obtenemos:
L 
R x   4  R1 ………………….4
 L2 
Con este resultado podemos determinar fácilmente el valor de la resistencia desconocida
Rx.
4.- PROCEDIMIENTO.
1. Arme el circuito de la figura 2. Considere una resistencia R1 del tablero de
resistencias y seleccione otra resistencia R x de la caja de resistencias.
2. Varíe la posición de contacto deslizante D, a lo largo del hilo hasta que la lectura
del galvanómetro sea cero.
ava
12
edición
35
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
3. Anote los valores de longitudes del hilo L2 y L4 así como también el valor de R1 en
la tabla 1.
4. Utilizando la ecuación halle el valor de la resistencia Rx luego compárelo con el
valor que indica la caja de resistencias (década).
5. Repita los pasos 1,2,3 y 4 para otras resistencias anotándolas en la tabla 1
6. Complete la tabla 1.
TABLA 1
Caja de
Resistencia
R1 (Ohm)
Longitud del Hilo
L2
(cm)
L4
(cm.)
Resistencia
Medida (Ohm)
Con el
Equipo
Porcentaje de
Error
 Et  Eexp 

  100%
 Et

Código
de
Colores
5.- CUESTIONARIO.
1.- Justifique la expresión (4) utilizando las leyes de Kirchhoff.
2.- ¿Cuáles cree que han sido las posibles fuentes de error en la experiencia realizada?
3.- ¿Cómo cree que podría evitar estas fuentes de error?
4.- Explique Ud. qué condiciones físicas existen cuando no pasa corriente por el
galvanómetro.
5.- ¿Cuáles son los factores que influyen en la precisión del puente de Wheatstone al tratar
de conocer el valor de una resistencia desconocida? ¿Por qué?
6.- ¿Cuál sería la máxima resistencia que se podría medir con el puente de Wheatstone?
La máxima resistencia que puede medirse con el circuito tipo puente es
7.- ¿Por qué circula corriente por el galvanómetro cuando el puente no está en condiciones de
equilibrio? Explique detalladamente.
8.- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar el puente? ¿Por qué?
ava
12
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36
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
COMPROBACIÓN ANALÓGICA DEL
GALVANOMETRO
1.




OBJETIVOS.
Conocer el funcionamiento de un galvanómetro y la versatilidad del mismo.
Diseñar y construir un amperímetro utilizando un galvanómetro.
Diseñar y construir un voltímetro utilizando un galvanómetro.
Conocer como poder ampliar un rango de medidas de un voltímetro.
2.
FUNDAMENTO TEORICO.
El galvanómetro es un instrumento destinado a revelar el paso de corriente eléctrica por un
circuito. En su forma más simple, consiste en una aguja imanada unida a una bobina (conjunto
de espiras) y esta a su vez enrollado a un cilindro de hierro (núcleo de hierro). El sistema
bobina-núcleo de hierro está colocado dentro de los polos de un imán de valor constante. La
corriente a ser medida al pasar por el alambre de la bobina genera un campo magnético que
interacciona con el campo magnético del imán produciendo una torsión de la bobina y por ende
la deflexión de la aguja del galvanómetro. La desviación que experimenta la aguja es mayor
cuanto mayor es la intensidad de la corriente que pasa por la bobina y cuyo sentido cambia con
él.
El galvanómetro que utilizaremos tiene un valor máximo de corriente aproximadamente
4
5*10 A y su resistencia interna es de unos 90  . Experimentalmente se calculará la corriente
máxima que pasa por el galvanómetro Ig y su resistencia Rg, respectivamente.
3.
PROCEDIMIENTO
1. Cálculo de resistencia interna Rg y la intensidad máxima Ig del
galvanómetro.
1.1 Arme el circuito de la figura 1. En la caja de resistencia (década), elija el valor de R (de
aproximadamente 400  ) justo hasta cuando la aguja del galvanómetro marque su
máxima intensidad (hasta la posición S de su escala máxima).
Figura 01
ava
12
edición
Figura 02
37
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
1.2 El circuito de la figura 2 es el mismo de la figura 1, pero ahora se conoce R y se ha
agregado una resistencia R’ en paralelo al galvanómetro marque la posición 2.5; en ese
instante por el galvanómetro y por R’ es igual al de la resistencia del galvanómetro Rg.
V
R’aprox.100 
1.3 El circuito de la figura 3 es igual al circuito
de la figura 1, pero ahora conocemos R y
Rg (R’ = Rg). Tome el voltímetro y mida
el voltaje de la fuente (la llave S cerrada)
Calcule el valor de Ig mediante
Ig = V/(R+Rg)
R
G
2. Construcción de amperímetro de 0 a 50mA
Primero calcule teóricamente el valor de Rsh.
En la figura se cumple:
Figura 03
IgRg = IshRsh
G
IgRg
Rsh =
( I  Ig )
I
I
Rsh
En esta ecuación I representa la corriente
máxima que medirá su amperímetro que
está construyendo.
Es decir:
2.1
I = 50 m A
Calcule experimentalmente el valor de Rsh. Encuentre el porcentaje de error.
2.3 Construya un circuito cualquiera que proporcione intensidad de corriente en el rango de
0 m A a 50 m A, elija un valor y mídelas con el amperímetro de la base ancha y luego
compárelo con el amperímetro diseñado.
G
3. Construcción de un voltímetro de 0 a 5v
Primero calcule teóricamente el calor de Rsh
RshIg + RgIg = V
Rsh = (V – IgRg)/Ig
voltios
3.1 Utilizando el reóstato como divisor de voltaje, elija un valor entre 0 v a 5v y luego
compárelo con su voltímetro que usted ha diseñado.
4.
CUESTIONARIO.
1. ¿Por qué es necesario que un galvanómetro tenga una resistencia muy baja?
2. ¿Qué características físicas limitan la intensidad de la corriente que pasa por el galvanómetro?
3. ¿Qué fuentes de error ha observado a través del experimento? Clasifíquelas.
4. ¿Por qué un voltímetro debe tener una resistencia elevada? Explique.
5. ¿Por qué un amperímetro debe tener una resistencia baja? Explique.
6. ¿Se podría transformar un voltímetro en un amperímetro? Explique.
.
7. ¿Qué cambios tendría que hacerse en los circuitos para diseñar y construir un amperímetro
que permita medir corrientes en rangos más amplios?
ava
12
edición
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Resistencia Variable
Experiencia N°5
1. OBJETIVOS

Mostrar cómo es el comportamiento de las resistencias variables.

Caracterizar sensores resistivos.

Calcular los errores obtenidos diferenciando el de cero, ganancia y no linealidad.
2.- MATERIALES
La tarjeta insertable UniTrain-I de Resistencias variables, SO4203-7B, sirve para analizar esta
clase de resistencias, siendo posible estudiar los siguientes tipos:
Fotorresistencia (LDR)
Termorresistencia con coeficiente negativo de temperatura (NTC)
Termoresistencia con coeficiente positivo de temperatura (PTC)
Varistores (VDR)
3.- FUNDAMENTO TEÓRICO
Para observaciones sencillas, se puede prescindir de la aplicación de la tecnología de medición
puesto que las resistencias (excepto la VDR) reaccionan muy sensiblemente a las influencias
externas. La sensibilidad de los componentes se puede variar por medio de potenciómetros o
resistencias conectadas en serie. Se puede comprobar la reacción de los componentes que
reaccionan a los cambios de temperatura simplemente con el tacto (temperatura corporal). La
alimentación de tensión se realiza por medio del sistema de bus UniTrain-I o por los
experimentadores.
Resistencias variables termorresistencias (NTC)
Las termorresistencias NTC (NTC = Coeficiente Temperatura Negativa) son semiconductores
fabricados con cerámica policristalina de óxidos mixtos, que se emplean en mayor grado para
la medición de la temperatura. En los materiales semiconductores, la cantidad de portadores
libres de carga se eleva con el aumento de la temperatura, de manera que la resistencia
eléctrica disminuye ante dicho aumento de temperatura. Por esta razón se los denomina
también termistores. Con temperatura ambiente, presentan un coeficiente negativo de
temperatura en el orden de magnitud de -3 a -5 % por grado. El rango típico de temperatura va
de -60ºC a +200 ºC. La dependencia en función de la temperatura obedece a la siguiente
ecuación:
T : Temperatura en K
T0 : Temperatura de referencia
B : Constante dependiente del material
ava
12
edición
39
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La temperatura de referencia y la constante dependiente B del componente se pueden tomar
de la correspondiente hoja de datos. Las temperaturas se deben expresar en Kelvin. La
transformación de la temperatura a grados Kelvin se realiza por medio de la ecuación:
T = ( + 273°C).
Las resistencias NTC poseen una sensibilidad esencialmente mayor que los termómetros de
resistencia metálica. Entre los campos de aplicación se encuentra todo tipo de medición y
control automático de temperatura. La desventaja de muchas aplicaciones, no obstante, radica
en que la curva de la resistencia no es lineal sino exponencial. Por tanto, se debe llevar a cabo
una linealización de dicha curva.
La tabla siguiente muestra, a manera de ejemplo, los valores básicos de una resistencia NTC,
con una temperatura de referencia de T0 = 25°C y un valor de resistencia correspondiente de
R25 = 5 k.
Tabla 1: Valores básicos de una resistencia NTC. (R25
Temperatura
de medición
en °C
Valores
básicos
en ohmios
0
20
25
40
60
80
100
120
16325 6245 5000 2663 1244 627,5 339 194,7
La imagen siguiente muestra la característica correspondiente (curva roja) junto con la
característica de una resistencia que tiene un valor de referencia de 10 k (curva azul).
ava
12
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40
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
4.- PROCEDIMIENTO
Característica estática de resistencia NTC
En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de las resistencias NTC. Para ello se
registrará la característica de una resistencia de este tipo y se discutirán los posibles rangos de
aplicación de este tipo de resistencias.
Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la sección II de la tarjeta de
experimentación SO4203-7B:
Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua y seleccione los ajustes que se
detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla
POWER.
Abra el instrumento virtual Voltímetro A y Amperímetro B, seleccione los ajustes que se
detallan en la tabla siguiente
Ajustes de la fuente de
tensión continua
Rango:
10 V
Tensión de
salida:
1V
Ajustes del voltímetro A
Rango de
medición:
5 V DC
Ajustes del Amperímetro B
Rango de medición:
20 mA DC
Modo de operación:
AV
Shunt:
10 ohmios
En el caso de que realice la medición de corriente empleando
el amperímetro virtual, abra el instrumento y seleccione los
ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Ahora, ajuste la tensión de alimentación Ue, empleando uno
tras otro, los valores expuestos en la tabla 1. Mida cada
tensión U en la resistencia NTC, al igual que la corriente I que
fluye por la resistencia y anote los valores de medición en la tabla. Antes de ajustar un nuevo
valor de tensión, espere siempre aproximadamente un minuto antes de llevar a cabo la
medición de corriente. Si pulsa la pestaña "Diagrama" de la tabla, después de realizar todas las
mediciones, podrá visualizar gráficamente la característica resultante.
Modo de
operación:
ava
12
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AV
41
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
El grado de calentamiento de la resistencia durante el servicio depende de la potencia
consumida. Si se registra esta potencia en función del valor de la resistencia, se obtiene la
característica de temperatura de la resistencia. Calcule la potencia P = U· I y la resistencia
R = U/I para cada medición documentada en la tabla 1, y anote en la tabla 2 los valores
obtenidos.
A continuación, visualice las correspondientes curvas características.
TABLA1:
TABLA 2
5.- CUESTIONARIO
1.- ¿Por qué es necesario esperar aproximadamente un minuto antes de medir la corriente
después de realizar una modificación de la tensión?
a) En primer lugar, la tensión de alimentación debe estabilizarse
b) La resistencia NTC se calienta ante el flujo de corriente. De esta manera disminuye la
resistencia y la medición sólo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado
su valor estacionario.
c) La resistencia NTC se enfría ante el flujo de corriente. De esta manera disminuye la
resistencia y la medición sólo se puede realizar después de que la temperatura haya alcanzado
su valor estacionario.
d) No existe ningún motivo en especial para esperar antes de medir la corriente
2.- ¿Qué afirmaciones podría realizar en relación con la característica obtenida?
a) La pendiente de la característica es constante
b) La pendiente de la característica varía.
c) La tensión en la resistencia NTC adopta un valor máximo.
d) La tensión en la resistencia NTC aumenta continuamente.
e) Si la tensión asciende, disminuye la pendiente de la característica.
f) Si la tensión asciende, aumenta la pendiente de la característica.
3.- ¿A qué conclusión puede arribar a partir de las dos características obtenidas?
a) Si la temperatura aumenta, disminuye el valor de la resistencia NTC.
b) Si el consumo de potencia aumenta, se incrementa el valor de la resistencia NTC
c) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye el valor de la resistencia NTC.
d) Si el consumo de potencia aumenta, disminuye la temperatura de la resistencia NTC.
e) Si el consumo de potencia aumenta, aumenta la temperatura de la resistencia NTC.
f) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura, deberían operar con
bajas intensidades de corriente para evitar los efectos del calentamiento.
g) Si las resistencias NTC se emplean como sensores de temperatura, deberían operar con
elevadas intensidades de corriente para obtener resultados estables.
ava
12
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42
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Potencia eléctrica–Condensadores y
Bobinas en Circuitos de C.C.
Experiencia N° 6
1.- OBJETIVOS
1. Mostrar la potencia eléctrica como función del voltaje y de la corriente, calculando y
midiendo la potencia disipada en una resistencia conforme aumenta el voltaje.
2. Demostrar el Voltaje y Corriente de carga y descarga de un condensador
3. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo
magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente
eléctrica y veremos el comportamiento de una bobina
Fundamento Teórico - Potencia Eléctrica
La potencia eléctrica es mayor mientras mayor sea la tensión y mayor sea la corriente. Para la
potencia P es válida la relación:
La unidad de la potencia eléctrica recibe el nombre de Watt (W), el inglés que la definió. 1 W es
la potencia de una corriente continua de 1 A con una tensión continua de 1 V. La potencia
absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un voltímetro y un
amperímetro. Una medición directa de potencia se puede realizar por medio de un vatímetro.
Si en la fórmula anterior, de acuerdo con la ley de Ohm, para la potencia, se reemplaza la
tensión U por el producto I · R, se obtiene la ecuación:
Si en la ecuación inicial, por el contrario, se reemplaza
la corriente I por el cociente U/R, se obtiene la
relación:
Experimento: Medición de potencia
En el experimento siguiente se debe examinar la
medición indirecta de la potencia eléctrica por medio
de una medición paralela de corriente y tensión.
Monte el circuito experimental representado a
continuación:
Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua,
y seleccione los ajustes. Encienda a continuación el
instrumento por medio de la tecla POWER. Abra el
instrumento virtual Voltímetro A, y el instrumento
ava
12
edición
43
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Amperímetro B, y seleccione los ajustes.
Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión UPS de 1 V. Mida la
tensión U1 a través de la resistencia R1 al igual que la corriente resultante I1 en miliamperios y
anote los valores obtenidos en la correspondiente columna de la tabla siguiente. A partir de
ello, determine la potencia P1 absorbida por la resistencia en mW y anote de igual manera el
resultado en la tabla. Repita el experimento para las tensiones de entrada de 2V, 5V y 10 V y
anote los valores en las líneas correspondientes de la tabla.
Tabla 1:
Exp
1
2
3
4
Ups ( V )
1
2
5
10
U1 ( V )
I1 (mA)
P1 (mW)
Ahora, en el montaje experimental, reemplace la resistencia R1 de 1 k por la resistencia R2
de 500  y repita la serie de mediciones. Anote los resultados de las mediciones, al igual que
los valores de potencia calculados, en la siguiente tabla (tabla 2).
TABLA 2
Exp
1
2
3
4
Ups ( V )
1
2
5
10
U2 ( V )
I2 (mA)
P2 (mW)
CUESTIONARIO. (POTENCIA)
1.A)
B)
C)
D)
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?
La resistencia pequeña absorbe escasa potencia con la misma tensión.
La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma tensión.
Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida.
Si se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbida.
2.A)
B)
C)
D)
E)
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?
La potencia total es independiente de la tensión que se aplica.
La potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplica.
La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica.
La resistencia pequeña absorbe una cantidad mayor de potencia.
La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia.
ava
12
edición
44
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Fundamento Teórico - CONDENSADORES
Los condensadores son estructuras en las que se pueden almacenar cargas eléctricas en
reposo. En su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que
representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma
una diferencia de potencial eléctrico (tensión) U entre los electrodos. La imagen siguiente
muestra como ejemplo un condensador de placas, con la superficie A y la distancia entre
placas d, que porta la carga Q. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo eléctrico
entre las placas (no representado en esta imagen).
Entre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se
conoce como dieléctrico (no representado en la parte superior). Entre la carga y la tensión
existe una relación lineal; es válida la siguiente relación
La magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio
(símbolo: F).
La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende únicamente de
la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. Para un condensador de placas es válida
la siguiente relación:
En esta ecuación, ε0 es la constante
eléctrica de campo y posee un valor de
-12
8.8542·10
AS/Vm, εr es el índice
dieléctrico (carente de unidad), A la
superficie de una placa y d la distancia
entre placas.
Si un condensador se conecta a una
tensión continua U0 a través de una
resistencia de carga R, se carga debido a
la presencia de dicha tensión, proceso
durante el cual la
tensión
del
condensador, de acuerdo con una función
exponencial, aumenta de 0 V hasta
alcanzar su valor final U0 (100%) (curva
de carga de un condensador, véase la
imagen de la izquierda). Si, a
continuación,
se
desconecta
el
condensador de la fuente de tensión y se
lo cortocircuita, se produce un proceso de
descarga inverso al proceso de carga
(véase la imagen de la derecha).
ava
12
edición
45
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Proceso de carga del condensador en el circuito de corriente continua
En el experimento siguiente se debe
analizar el proceso de carga de un
condensador de 100 µF (curva de la
tensión del condensador y corriente de
carga). Monte el circuito experimental
representado a continuación.
La siguiente figura ilustra el montaje
experimental:
Abra el instrumento virtual Fuente de
tensión continua, y seleccione los
ajustes que se detallan en la tabla
siguiente. En primer lugar, no conecte el
instrumento.
Ajustes de la
fuente de
tensión continua
Rango:
10 V
Tensión
10 V
de salida:
Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos |
Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también
pulsando la siguiente imagen, y seleccione los Ajustes del osciloscopio
ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Canal A
5 V / div
Canal B
200 mV / div
Base de
tiempo:
200 ms / div
Modo de
X/T, DC
operación:
Trigger:
Canal A / flanco
ascendente / SINGLE /
pre-Trigger 25%
Aplique ahora un salto de tensión
al condensador, conectando la
fuente de tensión continua por
medio de la tecla POWER.
Arrastre el oscilo grama obtenido
hacia la siguiente ventana
ava
12
edición
46
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)
1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se
conecta la tensión continua?
A) Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este
valor.
B) Asciende linealmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en
este valor.
C) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene
en este valor.
D) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a
continuación, vuelve a descender a 0V
2.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la
tensión continua?
A) Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.
B) En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta llegar a
cero.
C) Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo.
D) En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende
exponencialmente hasta llegar a cero.
3.- ¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor
máximo de la corriente de carga?
A) Ninguna.
B) La corriente de carga disminuiría.
C) La corriente de carga ascendería.
Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y
observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado.
4.- ¿Qué sucede con la tensión del condensador?
A) Permanece constante.
B) Aumenta.
C) Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.
D) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.
5.- ¿Cómo se puede explicar esta reacción?
A) El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa una
resistencia óhmica.
A) El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición.
B) El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al exterior.
Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para
analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANALOG IN),
separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al
clavijero X43. A continuación, conecte A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del
condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo.
6.- ¿Qué se puede observar en contraposición a la medición continua?
A) No se observa ninguna diferencia con la medición continua.
B) La tensión desciende ahora más rápidamente.
C) La tensión desciende ahora más lentamente.
D) La tensión permanece ahora constante.
ava
12
edición
47
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Fundamento Teórico DE LA BOBINA EN EL CIRCUITO
DE CORRIENTE CONTINUA
Inductancia de una bobina
Junto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador
cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo
magnético. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el
campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una
corriente eléctrica.
La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una
tensión de autoinducción. Para una bobina alargada es válida la siguiente relación:
En esta ecuación, µ0 es la constante magnética de
campo, µr la permeabilidad relativa del núcleo de la
bobina, N el número de espiras, l la longitud de la bobina
y A su sección transversal (véase la imagen siguiente).
La unidad de la inductancia es el henrio (símbolo H, 1 H = 1 Vs/A). Una bobina tiene una
inductancia igual a 1 H si durante la modificación uniforme de la corriente que fluye por ella en
1 A por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a 1 V.
Conexión y desconexión de una bobina
Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella
es constante -tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexión- de manera que no
se genera ninguna tensión de autoinducción. La bobina actúa, por tanto, en este caso, como
una resistencia óhmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeño), resulta del
valor de resistencia específico del material de la bobina al igual que de la longitud y sección
transversal del alambre.
Cuando se conecta una bobina, en primer
lugar, se forma su campo magnético;
debido a las modificaciones resultantes del
flujo, se crea una tensión de autoinducción
que actúa opuestamente a la tensión
aplicada. De esta manera no asciende la
intensidad de corriente abruptamente en el
circuito eléctrico (como ocurriría con una
carga resistiva), sino que la corriente
asciende paulatinamente hasta alcanzar
un determinado valor final. Si se
desconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magnético se origina
una tensión de autoinducción, que tiene el mismo sentido que la tensión que se aplicaba
anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnéticos puede adoptar valores
más elevados. La tensión de autoinducción, en principio, mantiene el flujo de corriente que
atraviesa la bobina, de manera que la corriente no varía abruptamente sino que desciende
paulatinamente hasta llegar a cero.
ava
12
edición
48
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua
En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de una bobina. Para ello,
en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se
abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.
Monte el circuito experimental que
se representa a continuación en la
tarjeta
de
experimentación
SO4203-6A: Aquí se debe cablear
el relé 1 de manera que el clavijero
X48
de
la
tarjeta
de
experimentación, en estado de
reposo, se encuentre conectado al
relé con la salida S (ANALOG OUT)
de la interfaz.
La siguiente animación ilustra el
montaje experimental:
Abra el instrumento virtual Fuente
de tensión continua,y seleccione
los ajustes que se detallan en la
tabla
siguiente.
Encienda
a
continuación el instrumento por
medio de la tecla POWER.
Abra
el
instrumento
virtual
Osciloscopio, y seleccione los
ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Ajustes del osciloscopio
Canal A
2 V / div
Base de
tiempo:
10 µs / div
Modo de
X/T, DC
operación:
Trigger:
Canal A / flanco
ascendente / pretrigger 25%
Abra el panel de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la
imagen que se encuentra a continuación.
ava
12
edición
49
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Cortocircuite brevemente el relé
1 del panel para desconectar la
bobina de la alimentación de
tensión. Arrastre con el ratón el
oscilograma obtenido en la
siguiente ventana, y vuelva a
conectar el relé en la posición
inicial.
CUESTIONARIO (LA BOBINA)
1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2?
A) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V
B) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.
C) Salta inmediatamente a 0 V Permanece constante
Ahora,
reemplace
la
resistencia de descarga:
R2 = 500 Ώ por la
resistencia R3 = 1500 Ώ y
repita el experimento.
Lleve el oscilograma a la
siguiente ventana.
2.- ¿Cómo varía la curva de tensión?
A) No varía en lo absoluto.
B) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo
ligera pronunciación.
C) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una
marcada.
D) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo
ligera pronunciación.
E) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una
marcada.
F) La tensión permanece constante.
ava
12
edición
muestra una
pronunciación
muestra una
pronunciación
50
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Campo Magnético Terrestre
Componente Horizontal
Experiencia No7
MAGNETISMO
El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado
por el hecho de que, los cuerpos que poseen esta
propiedad, ejercen fuerzas de atracción y repulsión
sobre otros objetos. Determinados materiales
poseen características magnéticas y se conocen por
tanto como imanes o magnetos. Todo imán tiene dos
polos: el polo norte y el polo sur (dipolo
magnético). Seguramente, usted conoce las
siguientes formas de imanes:
Ambos polos atraen objetos que, por lo menos
parcialmente, están constituidos por materiales ferromagnéticos.
Materiales magnéticos
Materiales diamagnéticos
Plata, cobre, bismuto, agua. Éstos atenúan muy poco el campo, es decir, no son magnéticos.
Materiales ferromagnéticos
Hierro, cobalto, níquel. Éstos intensifican el campo considerablemente.
Materiales paramagnéticos
Platino, aluminio, aire. Éstos intensifican el campo muy levemente.
Campo magnético de la Tierra
Haciendo una simplificación, la Tierra se puede
considerar como un imán de barra, que ejerce una
fuerza de atracción y repulsión sobre otros imanes.
Por esta razón, como bien se sabe, la aguja
imantada de una brújula se orienta hacia los polos
de la tierra, a lo largo de las líneas de campo.
También parece que algunos animales, como las
palomas, utilizan el campo magnético de la tierra
para
orientarse.
El
polo
norte
de
una
brújula
indica
aproximadamente la dirección del polo norte
geográfico. En este caso, aparentemente, existe
una contradicción con la regla de los polos (polos
opuestos => atracción). En realidad, el "imán de
barra"
terrestre
se
encuentra polarizado
inversamente, está contenido en el núcleo líquido
exterior de la tierra y tiene una inclinación de unos
12° con respecto al eje de rotación de la Tierra.
Origen del campo magnético terrestre
El núcleo interno de la tierra es sólido y el núcleo externo es líquido. En el núcleo líquido
exterior se produce la convección (movimiento circular) de la mezcla líquida de hierro, níquel y
azufre, lo que causa una corriente eléctrica de magnitud inimaginable. Esto origina una
inducción electromagnética en el núcleo de la Tierra, que produce, a su vez, un gigantesco
campo magnético.
ava
12
edición
51
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La brújula
Una brújula consta básicamente de un imán apoyado sobre el centro del
eje, lo que le permite rotar libremente. Por lo general, la brújula tiene una
forma pequeña y sus extremos terminan en punta. Por esta razón se
habla de la aguja imantada de la brújula. Bajo el efecto del campo
magnético de la Tierra, la aguja se orienta siguiendo el sentido de las
líneas de campo. Es decir, el polo norte de la brújula señala
aproximadamente en la dirección del polo norte geográfico
Ubicación geográfica de los polos
En realidad, el polo magnético sur de la Tierra queda cerca del polo
geográfico norte. En el mapa se puede ubicar exactamente el polo
magnético a 74° de latitud norte y 100° de longitud oeste.
El polo magnético norte queda en el plano exactamente a 72° de latitud sur y 155° de longitud
este.
Se debe tener en cuenta que los polos magnéticos se desplazan lentamente. Los valores
mencionados se refieren a mediciones de los años 70.
CÁLCULO DEL Campo magnético de la Tierra
Coloque la brújula sobre la mesa y observe la dirección que indica la aguja. Gire la brújula
repetidamente en diferentes direcciones. ¿Cómo se comporta la aguja?
Consejo:
Mantenga la brújula alejada lo suficiente de los imanes de barra. A 0,5 m de distancia,
la influencia es todavía clara, mientras que a 1 m, por lo general, es suficientemente
escasa
.
La aguja se orienta cada vez en otra dirección.
La aguja se orienta siempre en la misma dirección.
En la gráfica, la brújula está rotulada con los puntos cardinales. ¿Cuál es la rotulación correcta?
¿Cuál es la polaridad del lado de la aguja magnética que se orienta hacia el polo norte
geográfico?
1.
OBJETIVOS



ava
12
Determinar las características del campo magnético de la Tierra.
Determinar la componente horizontal del campo magnético terrestre en el laboratorio.
Analizar el comportamiento de una barra magnética en un campo magnético.
edición
52
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
2.
MATERIALES
3. FUNDAMENTO TEÓRICO
Es muy conocido que la aguja de
una brújula se orienta de sur a norte
debido
al
campo
magnético
terrestre. “La Tierra se comporta
como un gigantesco imán”. La aguja
magnética de la brújula se orienta
según las líneas del campo
magnético de la Tierra, las cuales
no coinciden exactamente con las
líneas del meridiano geográfico.
Fig. 1
El ángulo que forma el Meridiano
Magnético respecto de la dirección
del meridiano geográfico se llama
declinación magnética (D) y puede
estar posicionado a la izquierda (W)
o a la derecha (E) del meridiano geográfico. Por convención se estableció que las
declinaciones magnéticas posicionadas al W (oeste) del meridiano geográfico que pasa por el
lugar serán Negativas (D -) y las que estén a la derecha o E (este) serán Positivas (D +).
Estudios realizados durante muchos años permitieron establecer que la D (declinación
magnética) mantiene un sentido de crecimiento o aumento de su valor en grados hasta llegar a
un valor máximo que mantiene durante un período considerable para comenzar a decrecer
(disminución de su valor en grados).
Las líneas de fuerza salen e ingresan al núcleo de la Tierra atravesando la corteza terrestre,
son tangenciales al meridiano magnético. El meridiano magnético describe un arco que
provoca que al ingresar en el polo norte magnético lo hagan en forma vertical a la superficie
terrestre. Cuando la inclinación es horizontal las líneas de fuerza están ubicadas en el
Ecuador Magnético y a medida que se alejan hacia los polos se inclinan hasta llegar a la
verticalidad en los polos, saliendo del polo sur e ingresando en el polo norte magnético.
La intensidad del campo magnético terrestre B en un punto dado depende de sus polos
magnéticos y es tangente a la línea de fuerza que pasa por dicho punto. Cuando una barra
magnética suspendida mediante un hilo muy delgado formando un ángulo α con la
componente horizontal del campo magnético terrestre, inicia un movimiento oscilatorio debido
al torque producido por la fuerza magnética, como se muestra. Si el ángulo α < 15º entonces el
movimiento de la barra magnética se podrá considerar como armónico simple, en este caso su
periodo de oscilación esta dado por:
T  2
ava
12
edición
I
.
B x
(1)
53
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Donde, I es el momento de inercia de la barra con respecto al eje de rotación, µ es el
momento magnético de la barra y BX es la componente horizontal del campo magnético
terrestre. Por definición, el momento magnético de la barra está dado por:
µ=m.L
(2)
donde, m es la “ la carga magnética “ o también llamada “masa magnética” y L es la distancia
entre las “masas magnéticas”. De la ecuación (1) se deduce que:
4 2 I
Bx 
T 2
(3)
El momento de inercia de un paralelepípedo rectangular de masa M que gira alrededor de un
eje, está dado por:
I
a
b
b
M 2
(a  b 2 )
12
(4)
Figura 2
Por otro lado, la magnitud del campo magnético B de la barra magnética, en el punto P, tal
como se muestra, se encuentra a partir de la ley de Coulomb para el campo magnético, y viene
dada por:
BP 
32kmLd
(4d 2  L2 ) 2
,
(5)
donde, d es la distancia desde el punto medio de la barra al punto P (ver Figura 3) y m es la
k  10 7
masa magnética. En el SI
Wb
Am
Bx
L
Bt
ϕ
Bp
N
P
m
-
S
m
d
Figura 3
Si la barra magnética se orienta perpendicularmente al campo magnético terrestre, se
encuentra que, en el punto P, el campo magnético total, BT, está en la dirección como el que
se muestra en la Figura 3. Cuando el ángulo  = 45º entonces el campo magnético de la
barra es igual a la componente horizontal del campo magnético terrestre, es decir, B p = Bh.
Cuando esto ocurre la ecuación (5) se transforma en:
Bx
ava
12
edición
8 2kId
T (4d 2  L2 )
(6)
54
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
4.-
PROCEDIMIENTOS
4.1 Examine y reconozca cada uno de los materiales de su equipo. Realice las calibraciones
de los equipos
4.2 Utilice la balanza de masas y mida el valor de la masa de la barra magnética, M, en
kilogramos. Con el vernier mida las dimensiones, “a” y “b”, de la barra magnética. A partir
de estos datos medidos halle el momento de inercia de la barra magnética usando la
siguiente expresión:
 a2  b2
I  
 12

 M

(7)
Anote tus resultados en la Tabla 1.
MASA
M(kg)
LONGITUD
a(m)
TABLA 1
ANCHO
b(m)
MOMENTO DE INERCIA
2
I (kg-m )
4.3 Determina la distancia, L, entre los polos magnéticos del imán. Para ello utilice la brújula.
Antes de realizar la medición desaloje de la mesa de trabajo todo material magnético,
como por ejemplo, reloj, anillos, gafas, etc. Coloque la barra magnética en el centro de la
mesa y con la ayuda de la brújula trace algunas líneas de fuerza, que se salgan de los
polos.
Prolongando las líneas trazadas en la dirección en que ellas parecen converger para encontrar
la posición de los polos magnéticos. Observe la Figura 4, mida la distancia L (distancia entre
los polos magnéticos), y anote el valor en la Tabla 2.
L
Figura 4
4.4 Determine la dirección del campo magnético terrestre, retirando lo más lejos posibles la
barra magnética y coloque la brújula en el centro de la mesa. Trace la dirección del campo
magnético terrestre.
4.5 Trace una perpendicular a la dirección del campo magnético terrestre y sobre esta recta
alinee la barra magnética, tal como se muestra en la Figura 3. El punto P es la intersección de
las dos rectas que se han trazado.
4.6 Coloque la brújula en el punto P. Acercándose o alejando la barra magnética al punto P se
consigue que las agujas de la brújula formen un ángulo Φ = 45º. En esa posición mida la
distancia “d” y registre este dato en la Tabla 2.
4.7 Suspenda la barra magnética en la horquilla del magnetómetro y alinéela en la dirección
del campo magnético terrestre. Con la ayuda de otra barra magnética produzca oscilaciones
con ángulos de giro no mayores de 10º, que no tenga vibraciones laterales. Retire todos los
cuerpos magnéticos una vez que la barra esté oscilando.
ava
12
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55
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
4.8 Mida el tiempo que emplea la barra magnética en realizar 10 oscilaciones completas y
determine su periodo T. Repita esta medición 5 veces como mínimo y registre estos valores en
la Tabla 2.
Tabla 2
Nº DE MEDICIONES
1
2
3
4
5
Nº DE OSCILACIONES
TIEMPO: t(s)
PERIODO: T(s)
L=(
T=
)
m
d= (
)m
Bh =
-9
Observación: 1 nT = 1 nanotesla = 10 Tesla (T).
5.- CUESTIONARIO
5.1
Utilice la ecuación (6) para calcular la magnitud de la componente horizontal del campo
magnético terrestre en el Laboratorio. Compare su respuesta para el campo magnético de la
Tierra en laboratorio con el valor teórico obtenido del modelo de referencia del campo
geomagnético 2000, que se encuentra en la página web en línea http://www.ngdc.noaa.gov/cgibin/seg/gmag/fldsnth2.pl y discuta las razones para las discrepancias en los resultados.
Tabla 3 - Coordenadas geográficas y altura en msnm en el patio de la FCF usando un GPS de
100 m de resolución espacial.
#
LATITUD
LONGITUD
ALTURA
HORA
1
12° 03’ 36’’
77° 04’ 54’’
95 m
12:51:00
5.2
¿Qué fuentes de error considera usted que han afectado a los resultados que ha
obtenido? ¿Cómo podrían superarse estos errores?
5.3
LUGAR
Patio de la Facultad de
Ciencias Físicas
Grafique la línea de fuerza de la barra magnética, señalando la posición de los polos
magnéticos y las distancias L y d.
5.4
¿Cuáles son las características del campo magnético terrestre? ¿Cuál es el
comportamiento de una barra magnética dentro de un campo magnético?
5.5
¿En qué lugar de la Tierra los componentes horizontal y vertical del campo magnético
terrestre son máximos? ¿Por qué? Explique gráficamente.
6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES
ava
12
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56
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Electromagnetismo e inducción magnética
Experiencia No8
La electricidad y el magnetismo están estrechamente relacionados, pues la corriente
eléctrica manifiesta un efecto magnético.
El electromagnetismo abarca los fenómenos físicos que tienen que ver con el efecto de las
cargas y corrientes eléctricas, y las fuerzas que resultan de estos fenómenos.
En 1819, el físico y químico danés Hans Christian Oersted (1777 a 1851) descubrió que una
aguja imantada se desvía por la corriente que circula a través de un alambre, con lo que fundó
el electromagnetismo.
En los años siguientes, aproximadamente a partir de 1822, el físico y químico británico Michael
Faraday se ocupó del estudio del efecto contrario, es decir, la conversión del magnetismo en
electricidad. En 1831 pudo demostrar las primeras pruebas, publicando sus trabajos bajo el
concepto de "inducción electromagnética", trabajo que lo hizo famoso.
CAMPO MAGNÉTICO ALREDEDOR DE UN CONDUCTOR ELÉCTRICO
Todo conductor eléctrico por el que circula una corriente genera un campo magnético. Dicho
campo se origina debido a que los portadores de carga (electrones) se mueven dentro del
conductor. La siguiente animación muestra el campo magnético generado por un conductor por
el que fluye una corriente:
Un conductor por el que circula corriente está rodeado por líneas de campo concéntricas.
Para determinar el sentido de las líneas de campo se puede aplicar la llamada "regla del
tornillo":
Las líneas del campo magnético rodean el conductor por el que circula corriente en la misma
dirección en la que habría que girar un tornillo (de rosca derecha) para apretarlo en el sentido
técnico del flujo de la corriente.
1.- Experimento: Campo magnético de un conductor 1
Con una brújula se verificará el campo magnético de un conductor por el que circula corriente.
Monte el siguiente arreglo experimental:
Aleje el imán por lo menos 50 cm de la
brújula.
Anote la posición de la aguja magnética,
la cual se ve determinada básicamente
por el campo magnético terrestre.
En la animación, pulse el botón STEP2 y
complete la última conexión como se
indica. De este modo, por el conductor
circulará una corriente de aprox. 1 A.
¿Cómo se comporta la aguja imantada
cuando se cierra el circuito eléctrico?
Anote lo observado.
¿Qué sucede cuando la aguja de la brújula no se coloca debajo sino por encima del cable por
el que circula la corriente? Anote lo observado.
ava
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57
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
2.- Experimento: Campo magnético de un conductor 2
Se averiguará si es mayor el campo magnético de un bucle conductor o el de un conductor si
por ambos circula corriente. Además, se analizará si la polaridad de la corriente ejerce alguna
influencia.
Modifique el arreglo anterior como se muestra a
continuación:
A) Juzgue la intensidad del campo magnético en el
interior de un bucle conductor, comparada con la
intensidad del campo en un conductor, si por ambos
circula la corriente:
a) En el caso del bucle conductor la deflexión de la
aguja es: ………………………………………….
b) El campo magnético del conductor sin bucle
es:…………
Permute los terminales del bucle conductor en la
alimentación de corriente. Así se modifica la polaridad de la corriente. ¿Qué efecto ejerce este
cambio sobre el campo magnético?
3.- Campo magnético de una bobina
En muchos equipos eléctricos y electrónicos se utilizan componentes que constan de
conductores eléctricos arrollados. Estos arrollamientos se conocen como bobinas.
Como todo conductor por el circula la corriente, las bobinas con corriente también presentan un
campo magnético:
ava
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58
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
4.- Verificación del campo magnético de una bobina
Con una brújula se analizará una bobina mientras por ella
circula una corriente al igual que cuando no se aplica
ninguna corriente. En este caso, se determinarán ciertas
propiedades magnéticas y la forma de las líneas de
campo.
Monte el siguiente arreglo experimental:
 Retire la brújula de su soporte y acérquela
lentamente a la bobina.
 Observe la orientación de la aguja de la brújula.
Complemente el arreglo experimental. La animación STEP2 muestra la manera de hacerlo.
 Mueva de nuevo la brújula alrededor de la bobina por la que ahora circula corriente.
 Observe la dirección de la corriente.
¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca
en diferentes posiciones alrededor de la bobina sin corriente? Anote lo observado
¿Qué se puede afirmar acerca de la orientación de la aguja de la brújula cuando se la coloca
en diferentes posiciones alrededor de la bobina por la que circula corriente? Anote lo
observado
Observe el comportamiento de la aguja de la brújula en diferentes posiciones con respecto a la
bobina por la que circula corriente. Por favor, ordene las siguientes afirmaciones:
A) ¿La aguja de la brújula se orienta?
B) ¿Las líneas de campo describen un arco?
La materia en el campo magnético
Intensidad de campo H y densidad de flujo B
Todas las corrientes eléctricas están rodeadas por campos magnéticos. Aquí se diferencia
entre dos magnitudes:
La intensidad de campo H, conocida también como excitación magnética, se genera
únicamente con corriente eléctrica verdadera (esto es, mensurable con el amperímetro).
Caracteriza el origen del campo magnético.
La densidad de flujo B es responsable de la inducción, de la fuerza de Lorentz al igual que de
la atracción y repulsión de los imanes (permanentes). Por esta razón, caracteriza el efecto del
campo magnético.
ava
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59
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La materia en el campo magnético
Si una bobina se encuentra en el vacío (o lo suficientemente cercana al campo magnético, en
la atmósfera), es válido lo siguiente:
Constante de campo magnético
Unidad SI de la intensidad de campo H
Unidad SI de la densidad de flujo magnético B
-7
µo = 4 µ · 10 Vs/Am
A/m
2
T (Tesla) = Vs/m
B = µ0 · H
Se puede comprobar con facilidad que, con igual corriente I (y, por tanto, con igual intensidad
de campo H), la densidad de flujo magnético B varía si se introduce materia en el interior de
una bobina.
Para la descripción de este fenómeno, dependiente de la materia, se introdujo la constante de
permeabilidad magnética relativa µr:
µr = B (materia) / B (vacío)
De acuerdo con la permeabilidad magnética relativa, los materiales se pueden clasificar en tres
grupos principales:
Diamagnéticos:
Paramagnéticos:
Ferromagnéticos:
µr < 1
µr > 1
µr >> 1 µ
En los dos primeros grupos, µr se aleja de 1 de forma poco significativa. En el caso de los ferro
magnetos, se da el caso contrario puesto que µr puede alcanzar valores 100.000 veces
mayores.
Bobina con núcleo de hierro
Si se coloca un núcleo de hierro dentro de una bobina, aquél se verá magnetizado por ésta. Así
se produce un electroimán:
El campo magnético resultante es mucho más fuerte que el de la bobina sin núcleo de hierro.
ava
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
5.- Efecto del núcleo de hierro
Con una brújula se analizará una bobina con núcleo
de hierro, por la que circula corriente.
Se compararán las propiedades magnéticas de la
bobina con y sin núcleo de hierro.
Monte el siguiente arreglo experimental:
¿Qué puede afirmar acerca del comportamiento de la
brújula frente a una bobina con núcleo de hierro si se
realiza una comparación con lo que sucede cuando
el núcleo se encuentra ausente?
Efecto dinámico magnético
Se verificará si una fuerza actúa sobre un imán que
se introduce en una bobina.
Monte el siguiente arreglo experimental:
Introduzca y saque repetidamente el imán del
devanado de la bobina con corriente. ¿Qué se
siente?
Histéresis
En los materiales ferromagnéticos no existe una
relación lineal entre la densidad de flujo magnético B
y la intensidad del campo magnético H. En las
Imágenes muestra la curva de magnetización.
Si la intensidad de campo H actúa sobre un material ferromagnético, la primera vez, éste se
comporta de una manera distinta que durante magnetizaciones posteriores.
Pulse el botón 1 y podrá observar la nueva curva de magnetización: (Anote lo observado)
Pulse el botón 2 para observar lo que ocurre si la intensidad de campo disminuye: (Anote lo
observado)
Pulse el botón 3 para observar la manera en que la densidad de flujo B puede llegar a cero:
(Anote lo observado)
Pulse el botón 4 para observar el bucle completo de histéresis: (Anote lo observado)
Materiales de magnetismo fuerte y débil
La capacidad de mantener un magnetismo residual elevado o pequeño, es una propiedad de
los materiales que permite diferenciarlos entre: magnéticamente fuertes y magnéticamente
débiles
ava
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
6.- EXPERIMENTO DE REMANENCIA
Se someterá un núcleo de hierro a la influencia de un campo magnético y, a continuación, se
verificará su campo magnético residual. Luego se repetirá el experimento con la polaridad
invertida.
Monte el siguiente arreglo experimental:
 Con un marcador, o con material adhesivo rojo, marque un lado del núcleo de hierro.
 Inserte y retire repetidamente el núcleo de hierro del interior de la bobina por la que
circula corriente. El punto rojo se dirige hacia abajo.
 Saque el núcleo de hierro y analícelo con la aguja imantada.
A) ¿Conserva el núcleo de hierro propiedades magnéticas después de que el campo ha
actuado sobre él? (Mantenga el imán permanente a suficiente distancia) (Anote lo observado)
B) ¿Cuál polo queda en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado)
Repita el experimento e introduzca y retire varias veces el núcleo de hierro del interior de la
bobina por la que circula corriente. Esta vez, el punto rojo se debe dirigir hacia arriba. Retire el
núcleo y vuela a analizarlo con la aguja magnética.
C) ¿Cuál polo queda ahora en el extremo marcado con el punto rojo? (Anote lo observado)
Fuerza de Lorentz Si un conductor por el que circula corriente se coloca dentro de otro
campo magnético, se producirá una interacción entre ambos campos.
Regla de la mano derecha
Un método sencillo para determinar el sentido de la fuerza de
Lorentz es la llamada regla de la mano derecha.
Las magnitudes velocidad v de los electrones (contraria al sentido
técnico de la corriente) inducción magnética B del campo magnético
exterior fuerza F (fuerza de Lorentz)son perpendiculares entre sí.
Si se conoce el sentido de dos de ellas, con la regla de la mano
derecha se puede determinar el sentido de la tercera magnitud.
ava
12
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62
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Inducción.- En la electrotecnia se conoce como inducción a la generación de energía
eléctrica en un conductor (alambre) debido a un campo magnético variable.
La inducción tiene una gran importancia técnica en la producción de corriente con generadores
y en los transformadores.
Ley de la inducción
Los procesos físicos relativos a este fenómeno se describen mediante la ley de la inducción.
Una variación del flujo en el tiempo dF/dt induce en un bucle conductor, que abarca la
superficie A, la tensión de inducción.
Si el conductor es una bobina con n vuelta, las tensiones parciales inducidas en cada
arrollamiento se suman para conformar la tensión total
7.- Experimento 1 de inducción
En una bobina sin núcleo se generará una tensión
con el movimiento de un imán permanente.
Dicha tensión se medirá con un voltímetro.
Monte el siguiente arreglo experimental:
Abra el instrumento virtual voltímetro A del menú
de instrumentos de medición o pulse sobre la
imagen del instrumento. Realice los siguientes a
justes:
Rango: 0,5 V, DC
Display análogo Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)
Conecte la bobina a un voltímetro. Introduzca y retire varias veces el imán permanente del
devanado de la bobina. ¿Qué se puede observar en el voltímetro? (Anote lo observado)
8.- Experimento 2 de inducción
Se variará el campo magnético sin realizar ningún
movimiento, encendiendo y apagando la corriente
en una "bobina de campo". Se observará la
tensión inducida en una segunda bobina y se
medirá esta tensión con un voltímetro. Monte el
siguiente arreglo experimental.
Abra el instrumento virtual voltímetro y realice los
siguientes ajustes:
Rango: 0,5 V, DC
Display análogo
Conmutador giratorio en AV (visualización de valor medio)
Dos bobinas se encuentran arrolladas alrededor del núcleo de hierro. La bobina 1 está
conectada al voltímetro. En la bobina 2 se conecta y desconecta una corriente. ¿Qué se puede
observar en el voltímetro? (Anote lo observado)
9.- SUGERENCIAS YCONCLUSIONES
ava
12
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63
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE
INDUCCIÓN ELECTROMAGNÉTICA
5.
OBJETIVOS.
1. Estudiar algunos fenómenos de inducción electromagnética.
2. Determinar la relación entre corriente inducida y la variación de flujo
magnético.
6.
FUNDAMENTO TEÓRICO.
La inducción electromagnética, es el fenómeno por el cual se produce
corriente I en un conductor, debido a las variaciones del flujo magnético
que la intercepta. Faraday hacia 1830 descubrió este fenómeno el cual
se puede realizar por la acción de un imán o por la acción de una
corriente.
Disponga de una bobina para el caso de la figura 1.
v = 0
v
v
N
SS
S
a)  aumenta
N
S
b)  no varía
N
S
c)  disminuye
Figura 1
En (a) el imán se mueve hacia la bobina produciendo una corriente eléctrica,
denominada corriente inducida.
En (b) el imán está en reposo, entonces no hay corriente.
En (c) el imán se aleja de la bobina induciendo una corriente, pero en sentido
contrario al caso (a). Si movemos el imán con mayor rapidez, la corriente será
más intensa.
Lo anterior se explica asumiendo que cuando acercamos el polo norte
del imán a la bobina, la cantidad de líneas que atraviesan la espira (flujo
magnético) aumenta apareciendo una corriente inducida, la que cesa cuando
detenemos el imán; es decir, la corriente dura sólo mientras hay variación de
campo.
ava
12
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64
Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
LEY DE LENZ
“El sentido de la corriente inducida es tal que tiende a oponerse mediante sus
acciones electromagnéticas, a la causa que la produce”.
La corriente inducida I en la bobina es producida por una fuerza electromotriz
(fem.) también inducida E. Por lo tanto usando la ley de Lenz podemos definir
el sentido de la (fem.) inducida.
Así en el ejemplo anterior al introducir el polo norte del imán. Para esto, en el
extremo de la espira próximo al imán se debe formar un polo N, cuya repulsión
debemos vencer realizando un trabajo que se transforma en corriente eléctrica
(polo N frente al polo N). Por el contrario al sacar el imán la corriente inducida
crea un campo magnético que atrae al imán, para vencer esta atracción hay
que gastar trabajo que se transforma en corriente inducida de sentido contrario
al anterior (polo N frente al polo S). Conociendo los polos de la bobina es
posible conocer el sentido del corriente que circula sobre él.
FUERZA ELECTROMOTRIZ DE LA CORRIENTE INDUCIDA
Experimentalmente Faraday encontró que la fem inducida depende
solamente del numero de espira de la bobina y de la velocidad con que varia el
flujo magnético que la origina.
M : # de espiras
E = - M dø/dt
dø : La variación del flujo magnético
dt : tiempo en que efectúa la variación
El signo negativo indica que la fem. Obtenida se opone a la variación del flujo
que la origina
7.
PROCEDIMIENTO
PROPIEDADES MAGNÉTICAS
DE LOS SOLENOIDES.
Conecte el solenoide tal como indica el circuito
de la figura 2, manteniendo la posición relativa
del solenoide y compás. Cierre la llave y anote
la dirección en el cual el polo norte de la aguja
es deflactada. Anote también la dirección de la
corriente alrededor de la hélice que constituye
el solenoide. (Invierta el sentido de la corriente
y haga las mismas anotaciones.)
Figura 02
ava
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
EL PRINCIPIO DEL ELECTROIMÁN
Coloque el solenoide en dirección este-oeste del compás de modo que
la aguja no esté deflactada más de 10° con respecto al eje del solenoide
cuando la llave está abierta. Cierre la llave y anote la posición. Invierta la
corriente y anote la posición de la aguja. Inserte ahora el tornillo de metal en el
interior de la bobina. ¿Qué observa?
FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA
Conecte las terminaciones de un solenoide
al galvanómetro como muestra la figura 3.
Examine la dirección en la cual el alambre de la
bobina está arrollada. Induciendo el imán tal
como se indica en la figura 3, anote la deflexión
del galvanómetro, en cada caso (hacia arriba,
hacia abajo y determine de qué modo en la
figura fluye la corriente alrededor de la bobina,
es horario o antihorario).
Figura 03
Mirando de arriba hacia abajo y moviendo el imán hacia adentro, se observa
una deflexión en sentido horario en el galvanómetro, produciendo lo contrario
al alejar el imán.
Al cambiar la rapidez del movimiento del imán se produce lo anteriormente pero
con mayor intensidad. La polaridad producida en la bobina por la corriente
inducida, se hallara con la regla de la mano derecha.
FUERZA ELECTROMOTRIZ INDUCIDA ENTRE DOS CIRCUITOS
Alinee dos solenoides de modo que sus ejes estén paralelos y los
enrollamientos estén en la misma dirección, como se indica en la figura 4.
El solenoide conectado a una pila se denomina primario o inductor y el
otro es el secundario o inducido.
Con la llave cerrada mover la bobina primaria hacia atrás o hacia
adelante como se hizo con el imán.
Si la aguja del galvanómetro se reflecta demasiado reduzca la corriente
en el primario.
Observe las direcciones de la corriente en el secundario y haga los
diagramas similares al mostrado en cada uno de los diagramas debe indicar lo
siguiente:
1) La dirección de la corriente en el primario
2) La dirección del movimiento del primario (hacia o desde el
secundario)
3) La dirección de la corriente inducida en el secundario.
¿Qué sucedería si en lugar del primario se mueve el secundario?
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Con la bobina primaria cerca de la secundaria, varíe la corriente en el primario
bruscamente, abriendo o cerrando el circuito. Observe la amplitud relativa de la
deflexión de la aguja del galvanómetro. Registre sus observaciones en dos
diagramas de un amanera similar a la sugerida anteriormente mostrando en
estos casos cuando la llave ha sido cerrada y cuando ha sido abierta.
Figura 3
Figura 04
8.
CUESTIONARIO
1. ¿Qué relación observa usted entre la conducta de un solenoide por el
que pasa corriente eléctrica y un imán de una barra?
2. Mencione por lo menos dos reglas prácticas para determinar la polaridad
de un solenoide que lleva corriente eléctrica
3. ¿Qué efecto produce la inserción de una varilla metálica en el interior de
una bobina que lleva una corriente eléctrica?
4. Usando la ley de Lenz, indique el sentido de la corriente eléctrica y la
polaridad en el sentido de la figura 3 cuando el imán se aleja.
5. De la figura 4 con la llave cerrada y con la idea de que el flujo magnético
en el secundario aumente o disminuye a medida que acerquemos o
alejemos el primario, enuncie una regla practica para determinar la
polaridad en el inducido.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Transformadores - Relés e
Interruptores magnéticos
Experiencia No9
A)
TRANSFORMADOR
Es una de las más importantes aplicaciones técnicas de la inducción. Se puede encontrar en
todos los tamaños, como transformador de alta tensión, en la transmisión de energía , o como
transformador de baja tensión, prácticamente, en todos los aparatos que se alimentan con la
tensión de la red.
Los transformadores sólo se pueden operar básicamente con corriente alterna. Entre las
funciones que cumplen se encuentran:
Transmisión de energía
Un transformador puede transportar energía, con
pocas pérdidas, de un nivel de tensión a otro.
Adaptación de tensión
Un transformador convierte tensiones, es decir,
transforma tensiones en otras mayores o menores.
Principio del transformador
Por lo general, los transformadores constan de devanados acoplados
magnéticamente.
Se diferencia entre el devanado primario, es decir, el que consume
potencia eléctrica, y el devanado secundario, es decir, el que entrega
potencia eléctrica. Igualmente, de modo análogo se habla de:



Tensión primaria u1 y secundaria u2
Corriente primaria1 y secundaria i2
Número de espiras del devanado primario n1 y del secundario n2
Los transformadores tienen diversas formas. En los pequeños
transformadores monofásicos, como el que se muestra en el ejemplo, ambos devanados se
encuentran arrollados en un sólo lado del núcleo de hierro. Con esto se logra que el flujo
magnético generado por una bobina se transmita casi por completo a la otra bobina. Las líneas
de campo se encuentran prácticamente dentro del núcleo, la dispersión es mínima y el circuito
magnético se cierra a través de los otros lados exteriores.
Si por el devanado primario circula una corriente, debido a la variación del flujo magnético en el
tiempo, en el devanado secundario se inducirá una tensión. La relación entre las dos tensiones
corresponderá a la existente entre el número de espiras de los devanados. Las corrientes, al
contrario, tienen una relación inversamente proporcional a la de los devanados:
Comportamiento
El transformador no se puede considerar de ningún modo como un componente ideal, carente
de dispersión y pérdidas. En la práctica se determinan pérdidas que se manifiestan en el
calentamiento del transformador. Las causas de esto son:
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III


Pérdidas en los devanados debidas a la resistencia del alambre de cobre
Pérdidas en el hierro debidas a corrientes parásitas y pérdidas por histéresis, causadas
por la inversión magnética del hierro
Para reducir estas pérdidas, el núcleo del transformador se construye de capas de chapas
individuales, aisladas entre sí.
Esto evita considerablemente la formación de corrientes parásitas. La chapa del transformador
se construye de material magnético suave, con una curva de histéresis angosta.
Las pérdidas resistivas son la causa especial de que la tensión secundaria del transformador
con carga no permanezca constante, sino que descienda. Este fenómeno se aprecia más en
los transformadores pequeños, que poseen devanados de alambre de cobre delgado.
1.-Transformador sin núcleo y con núcleo
Se estudiará la transmisión de energía en un
transformador con y sin núcleo de hierro y se
conocerá el efecto importante que tiene dicho
componente.
Monte el siguiente arreglo experimental.
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen del instrumento.
Realice los siguientes ajustes:
Forma de la curva SINUS
Frecuencia en 500Hz
Amplitud 1:1 y 100%
Active el botón POWER y observe la luminosidad de la lámpara.
Apague de nuevo el botón POWER del generador de funciones.
Pulse a continuación STEP2, en la animación, y complemente el transformador, como se
indica, con el núcleo de hierro.
Conecte de nuevo el generador de funciones y observe la luminosidad de la lámpara.
1.- ¿Cómo se comporta la lámpara en el devanado secundario de un transformador con y sin
núcleo? responda
2.- ¿En el transformador, qué influencia ejerce un núcleo de hierro sobre la transmisión
de energía? Responda.
2.-Relación de transformación
Se aplicará una tensión alterna al transformador; se
medirá con el voltímetro la amplitud de las tensiones
primarias y secundarias y se calculará la relación de
transformación.
Monte el siguiente arreglo experimental:
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC
Display digital
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)
Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 2 V, DC
Display digital
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes:
Forma de la curva SINUS
Frecuencia 50Hz
Amplitud 1:1 y 25%
Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.
Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:
Voltímetro A: tensión primaria UPRIM =
V
Voltímetro B: tensión secundaria USEC =
V
Varíe el número de espiras del transformador n1 = 400, n2 = 200. La animación STEP2 muestra
la manera de hacerlo.
Lea ambos instrumentos y transfiera los valores:
Voltímetro A: tensión primaria UPRIM =
Voltímetro B: tensión secundaria USEC =
V
V
Calcule:
Tensión primaria/ tensión secundaria: UPRIM / USEC=
Espiras del primario/ espiras del secundario n1 / n2=
1.- ¿Cuál de las afirmaciones de relación de transformación del transformador es correcta?
explique cada una de ellas.
2.- ¿Por qué razón, la tensión de salida es menor que lo esperado de acuerdo con la relación
entre el número de espiras de los devanados? Explique por qué
3.-Transformador con
carga
Se aplicará una carga a un
transformador y se medirá la tensión
del secundario mientras se aumenta
la carga.
Los valores medidos se anotarán en
una tabla y se representaran
gráficamente.
Monte el siguiente arreglo
experimental.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Abra el instrumento virtual voltímetro A pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 5 V, DC
Display digital
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)
Abra el instrumento virtual voltímetro B pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes ajustes:
Rango: 2 V, DC
Display digital
Conmutador giratorio en RMS (valor eficaz)
Abra el instrumento virtual generador de funciones pulsando sobre la imagen. Realice los siguientes
ajustes:
Forma de la curva SINUS
Frecuencia 50Hz
Amplitud 1:1 y 40%
Conecte el generador de funciones accionando el botón POWER.
Cargue el transformador con los valores de resistencias indicados en la tabla. En la animación
sólo se muestra el primer caso, esto es, una carga de 100  Los otros casos se obtienen
conectando en serie y en paralelo las dos resistencias de 100  . El valor 9999 representa el
caso a circuito abierto, es decir, sin carga. El valor de 10  se obtiene aproximadamente con la
lámpara.
Lea los valores medidos en el voltímetro B y anótelos en la tabla.
Compare los valores medidos representados en su diagrama con la siguiente selección.
Grafique U vs R, Interprete.
¿Cuál afirmación sobre un transformador es correcta?
A) La tensión de salida disminuye cuando la carga resistiva aumenta.
B) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
C) La tensión de salida aumenta cuando la carga resistiva disminuye.
Cuestionario sobre el transformador
1.-¿En qué se distinguen el devanado primario y el secundario del transformador?
Responda.
2.-¿Cómo se comportan la tensión y la corriente en un transformador por cuyo devanado
primario circula corriente alterna? Responda.
3.-Los transformadores no son componentes ideales en la práctica mencione los problemas
que presentan.
4.-En un transformador con carga resistiva, ¿Qué ocurre con la tensión?
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Relés Magnéticos
1.-FUNDAMENTO TEÓRICO
En 1837, cuando Samuel Morse pudo hacer funcionar su
telégrafo de registro de señales, desarrollado con
el electroimán creado por J. Henry en 1824, fue el momento
en el que nació el relee. Su nombre se deriva del francés y al
comienzo se utilizó en las comunicaciones para la
retransmisión de mensajes, de modo similar a las estaciones
de relevos (celáis) propias de la época en que el correo era
transportado por diligencias tiradas por caballos.
En la era de los bits y los Bytes se podría pensar que los
relés electromecánicos estarían pasados de moda. Pero en la
realidad, hoy en día se fabrican más relés que nunca antes.
El relé es, en principio, un conmutador que, con una corriente
eléctrica de muy baja potencia, acciona contactos
conmutadores que pueden conectar potencias mayores.
Los relés existen en muchas formas:
 estable o monoestable (regresan a la posición inicial)
 biestables, conocido también como conmutador de control remoto
 con diferentes cantidades de contactos de conmutación
 relees temporizadores (excitación o des excitación con retardo)
 para diferentes tensiones de mando
 para diferentes corrientes de conmutación
Sobre un aislante (verde) y un núcleo de hierro se encuentra
arrollada una bobina. Si al conectar el relé, la corriente circula
por la bobina, se genera un flujo magnético, cuyas líneas
transcurren básicamente a través del núcleo de hierro. El
circuito magnético se cierra a través del hierro exterior y la
armadura que se puede ver arriba. El campo magnético
produce una fuerza de atracción sobre una armadura. En la
armadura se encuentran los contactos de conmutación fijados
con aislante. La armadura es móvil y la fuerza de atracción
magnética la desplaza hacia la bobina con núcleo de hierro.
Los contactos se accionan debido al movimiento de la
armadura, el circuito eléctrico principal se cierra y la lámpara se enciende. De la misma manera
se puede construir un interruptor o un conmutador.
Al suspenderse la corriente de
excitación,
en
los
relees
monoestables, la fuerza de un
resorte procura que el contacto
retorne a su posición inicial.
2.-CONECTAR EL RELÉ
Se aplicará una tensión al
devanado de excitación del relé.
Con el contacto de conmutación
se encenderá una lámpara en el
circuito eléctrico principal. Monte
el siguiente arreglo experimental.
Abra y cierre varias veces la
última conexión y observe lo que
sucede (también dentro del relé).
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
¿Qué sucede después de que el relé se conecta a la tensión de alimentación? Responda
detalladamente este proceso
Diodo de vía libre
El devanado de excitación de un relee representa una inductancia. Tras
la carga eléctrica almacenada en la inductancia causa una punta de
tensión negativa.
El diodo de vía libre permite que, tras la desconexión de la batería, la
corriente siga circulando brevemente, disipando la energía
electromagnética acumulada, sin que se presenten las puntas de
tensión. Observe el circuito de conmutación y la forma de la tensión al
conectar y desconectar. Pulsando el botón verde, el circuito se
complementará con un diodo de vía libre.
3.-Punta de inducción
Se conectará y desconectará el relé y se
observará lo que sucede al desconectarlo.
A continuación se repetirá el experimento
con el diodo de vía libre y se advertirá la
diferencia.
Monte el siguiente arreglo experimental.
Abra y cierre varias veces la conexión con
la alimentación de tensión de 5V y observe
el comportamiento de la lámpara
fluorescente.
Nota: La lámpara se utilizará solamente
como indicador de "alta tensión". La
lámpara se enciende sólo a aprox. 110 V,
por debajo de esta tensión permanece oscura
1.- ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado excitador
del relé? Explique.
2.- ¿Cuál es la razón para que la lámpara conectada en paralelo al devanado de excitación del
relé se ilumine brevemente? Explique.
Incluya el diodo de vía libre y repita el experimento. La animación muestra la manera en que se
debe conectar el diodo por medio de un puente; pulse sobre el botón con el diodo para
observarlo.
3.- ¿Cómo se comporta una lámpara de efluvios conectada en paralelo al devanado de
excitación del relé con diodo de vía libre? Explique.
4.- ¿Cuál es la razón de la ausencia de una punta de inducción al desconectar un relé con
diodo de vía libre?
INTERRUPTOR DE LÁMINAS
FUNDAMENTO TEÓRICO
Los interruptores de láminas constan de dos contactos de muelle, muy cercanos, colocados
dentro de un cuerpo de vidrio. Si el tubito de vidrio se encuentra cerca de un campo magnético,
los contactos adoptan polaridades distintas y se cierran abruptamente. De este modo se
establece la conexión eléctrica entre ambos contactos.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Los interruptores de láminas se comportan de diferente manera, según sea el modo en que se
acerca el imán al tubo.


Arriba: Se encuentran presentes dos campos para dos puntos de
conmutación. En la mitad del tubo los contactos permanecen abiertos.
Abajo: El campo se encuentra en la mitad del tubo. El interruptor de láminas
sólo tiene un punto de conmutación.
EXPERIMENTO DE INTERRUPTOR DE LÁMINAS
Se observará el funcionamiento de un interruptor
de láminas. Para esto se montará un circuito
eléctrico con una lámpara, que se encenderá y
apagará por medio de un interruptor de láminas
cuando un campo magnético actúe sobre el
interruptor.
Monte el siguiente arreglo experimental.
Saque de su soporte los dos imanes
permanentes. Pase uno de los imanes cerca del
interruptor
de
láminas
y
observe
el
comportamiento del interruptor cuando se pasa el
imán en diferentes posiciones, como se describe a
continuación:
Vertical: polo norte hacia abajo
Vertical: polo sur hacia abajo
Horizontal: polo norte hacia la izquierda
Horizontal: polo sur hacia la izquierda
1.-¿Cuáles afirmaciones sobre los puntos de conmutación se confirman con el experimento y
explique cada una detalladamente?
A) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de conmutación.
B) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparece un punto de
conmutación.
C) Si el imán pasa horizontalmente, cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos
de conmutación.
D) Si un polo pasa cerca del interruptor de láminas, aparecen dos puntos de conmutación
2.-¿Reacciona el interruptor de láminas con mayor sensibilidad (incluso con distancias
mayores) cuando se acerca el imán vertical u horizontalmente? Explique detalladamente
5.-CUESTIONARIO
El polo sur de un imán pasa delante del interruptor de láminas.
1.- ¿Cuántos puntos de conmutación aparecen?
2.- ¿Qué aplicaciones tiene el interruptor de láminas?
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Capacitancia e Inductancia en Circuito de
Corriente Alterna
Experiencia Nº 10
1.- OBJETIVO:
El objetivo fundamental en este experimento es el estudio de la corriente alterna en un circuito
RC y RL.
2.- MATERIALES
Inserte en la interfaz UniTrain-I La Tarjeta SO 4203-6A y SO 4203-2F Monte el circuito
mostrado en la imagen:
3.- FUNDAMENTO TEÓRICO
En electrónica y electrotecnia, se denomina reactancia a la oposición ofrecida
al paso de la corriente alterna por inductores (bobinas) y condensadores y se
mide en Ohmios. Junto a la resistencia eléctrica determinan la impedancia total
de un componente o circuito, de tal forma que la reactancia (X) es la parte
imaginaria de la impedancia (Z) y la resistencia (R) es la parte real, según la
igualdad:
Condensador con tensión alterna sinusoidal
Reactancia de un Condensador
El valor momentáneo p(t) de la potencia consumida por el condensador es el resultado del producto
de los valores momentáneos de la corriente y la tensión. Dado que, no obstante, la corriente y la
tensión del condensador tienen un desfase de 90°, se obtiene para el consumo de potencia una curva
en función del tiempo de doble frecuencia, tal como se muestra en la siguiente gráfica (curva verde).
Esta contiene, por una parte, tramos en el
tiempo en los que la tensión y la corriente
mantienen el mismo sentido y, por tanto, el
condensador opera como carga; por otra
parte, tiene también largos tramos en los que
la tensión y la corriente presentan sentidos
opuestos y, por tanto, el condensador trabaja
como generador (batería).
En el diagrama, el consumo de energía se
representa como potencia positiva y la
entrega de energía como potencia negativa.
La energía eléctrica, por lo tanto, oscila
constantemente entre el condensador y la
fuente de tensión. Al contrario de la potencia activa de una carga resistiva (en la que la energía
eléctrica se convierte en energía calorífica) se habla aquí de la reactancia del condensador.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Respectivamente, el condensador posee, en lugar de una resistencia efectiva, una reactancia XC
(capacitiva) que viene dada por los cocientes resultantes del valor eficaz de tensión U y el valor eficaz
⁄
de corriente I:
De igual manera que lo que ocurre con la resistencia efectiva, la unidad que expresa la reactancia es
el ohmio (símbolo Ω).
Como se insinuó anteriormente, un condensador "conduce" corriente alterna, y lo hace de mejor
manera mientras mayor sea su frecuencia y mayor la capacidad del condensador menor es la
Amplitud. A continuación se expone la fórmula de la reactancia capacitiva:
donde  es la frecuencia angular, la cual se obtiene mediante  = 2··f
Si se realiza el montaje de un divisor de tensión empleando una resistencia R y un condensador C, el
circuito obtenido presentará también un comportamiento dependiente de la frecuencia.
Si la frecuencia aumenta, la resistencia del condensador disminuye. En consecuencia, la tensión U C(f)
disminuye cuando la frecuencia aumenta. En la ilustración se muestra la dependencia descrita en un
diagrama de respuesta en frecuencia (R=1k; C=1µF). El eje de frecuencia se representa en escala
logarítmica. El eje de ganancia es lineal. En la parte inferior de la ilustración se representa la
respuesta en fase.
Monte el circuito experimental representado a continuación.
Abra el instrumento virtual Generador de funciones a través de la opción de menú Instrumentos
| Fuentes de tensión | Generador de funciones, o también pulsando la siguiente imagen, y
seleccione los ajustes que se detallan en la tabla. Encienda a continuación el instrumento por
medio de la tecla POWER.
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Modo de operación:
FUENTE: SINE
Amplitud:
1:1, 100%
Frecuencia:
100 Hz
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos |
Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione
los ajustes que se detallan en la tabla.
Ajustes del osciloscopio
Canal A
5 V / div
Canal B
500 m V / div
Base de tiempo:
2 ms / div
Modo de operación:
X/T, AC
Trigger:
Canal A / Flanco ascendente /SINGLE/ Pre-Trigger 25%
Arrastre el oscilograma obtenido hacia la siguiente ventana.
¿Qué puede observar en relación con el desfase existente entre la corriente y la tensión,
explique detalladamente?
No existe ningún desfase
La corriente adelanta a la tensión en 90°.
La corriente adelanta a la tensión en 45°.
La corriente sigue a la tensión en 90°.
La corriente sigue a la tensión en 45°.
Aumente ahora la frecuencia del generador de funciones a 1 kHz y adecue el barrido de
exploración y la sensibilidad del osciloscopio de manera que pueda obtener una representación
aprovechable de las señales. Arrastre el oscilograma obtenido hacia la siguiente ventana.
¿Qué relación puede reconocer entre la frecuencia y el valor de cresta de la intensidad de
corriente?
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
La intensidad de corriente no depende de la frecuencia.
La intensidad de corriente desciende si la frecuencia aumenta.
La intensidad de corriente se incrementa si la frecuencia aumenta
Determinación de la capacidad mediante mediciones de
tensión:
Se pueden aprovechar las relaciones matemáticas para determinar la capacidad,
reemplazando los valores de tensión obtenidos por medición.
Para una frecuencia "cualquiera", se mide la amplitud (valor pico a pico) de la tensión de
entrada y de la tensión en el condensador. Luego, si se conoce el valor de la resistencia
conectada a la entrada del circuito, se puede calcular el valor de la capacidad del condensador
mediante:
2
 Uˆ 
1
C
  0  1
 Uˆ 
2 f  R
 C
La frecuencia se debe elegir de modo que la
curva de ganancia (ver arriba) presente una
gradiente mayor (pendiente).
En la ilustración mostrada sería
recomendable una frecuencia del rango de
100Hz a 2kHz
La capacidad del condensador también se
puede determinar mediante el
desplazamiento de fases:
con  = ·f·t
o  = 2·f·t
( ángulo en grados)
( ángulo en radianes)
en donde t representa la distancia, en el eje de tiempo, entre los puntos de cruce por cero de
las dos curvas de tensión alterna.
Ajuste ahora el osciloscopio con los valores indicados a continuación y determine la distancia
temporal entre los puntos de cruce por cero de ambas señales.
Los flancos con una pendiente pronunciada facilitan la determinación de los puntos de cruce
por cero
Determine el desplazamiento de fase por medio del valor de t y, a partir de lo obtenido,
establezca el valor de la capacidad empleando la siguiente fórmula.
(f) = ·f·t
C
ava
12
1
 tan
2 f  R
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
BOBINA con tensión alterna sinusoidal
En la electrotecnia existen dos tipos de campo, el campo
eléctrico y el campo magnético. El campo eléctrico resulta de la
separación de cargas y depende, principalmente, de la tensión
eléctrica. El campo magnético se presenta cuando las cargas
están en movimiento, y está íntimamente relacionado con la
corriente eléctrica.
En el condensador se almacena energía en el campo eléctrico,
en cambio, en una inductancia se almacena energía en el
campo magnético.
Las inductancias se confeccionan arrollando un conductor de
modo que una espira siga a la otra. En general, se cumple que
la inductividad aumenta cuando se aumenta el número de
espiras de la bobina.
Es válido lo siguiente:
L  0 r 
2
n
A
l
en donde
µ0:
µ r:
n:
l:
A:
permeabilidad magnética en el vacío
permeabilidad magnética relativa
número de espiras
longitud de la bobina
sección transversal de la bobina
En la confección de una bobina se emplea alambre de una determinada longitud y de una
determinada sección transversal.
Para aumentar el valor de la inductancia se requiere aumentar la cantidad de alambre (si no se
varían µr o A).
En general, se cumple la siguiente regla:
Mientras más grande sea el valor de la inductancia de una bobina, mayor será el de su
resistencia óhmica.
La siguiente imagen ilustra los procesos que tienen lugar durante la desconexión. En estado de
conexión (imagen de la izquierda) la corriente I circula a través de la bobina L. Si se abre el
circuito de corriente (imagen de la derecha) ocurre entonces lo siguiente: Debido a la energía
del campo magnético formado, la bobina mantiene al principio la corriente. Dado que ésta ya
no puede fluir a través de la fuente de tensión, circula, tal como se representa en la imagen, a
través de la resistencia RL paralela a la bobina. La energía del campo magnético se convierte
aquí en energía térmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. Este proceso se
realiza, al igual que en el condensador, de forma eléctrica, pero, en este caso, la constante de
tiempo viene dada por el cociente resultante entre la inductancia y la resistencia óhmica.
Si no se encuentra presente una resistencia RL se genera una cresta de tensión muy elevada
que puede conducir fácilmente a la destrucción de los componentes sensibles (por ejemplo, los
circuitos integrados) de un circuito. Por esta razón, en la práctica, las inductancias se conectan,
la mayoría de las veces, a diodos de circulación libre, los cuales cortocircuitan esta tensión en
la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energía misma de la bobina se convierta en
energía térmica.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Determinación de inductancia de una bobina en divisor de tensión RL
Una bobina es un componente que depende de la
frecuencia. Bajo el efecto de
la corriente continua, una inductancia presenta
sólo su componente de resistencia óhmica.
Cuando la frecuencia aumenta, la bobina
presenta una resistencia que también aumenta.
La impedancia de la inductancia se obtiene
mediante la fórmula:
t
t
XL = ·L = 2··f·L
 es la frecuencia angular, la cual se obtiene
mediante la expresión  = 2··f .
Si se realiza el montaje de un divisor de tensión
con una resistencia R y una bobina L, el circuito
también presentará un comportamiento
dependiente de la frecuencia.
Si se aplica corriente continua al circuito, la impedancia de la inductancia es nula, de modo que
se tendrá un divisor de tensión puramente resistivo con R y RS (componente resistiva de L).
Sin embargo, a medida que se aumenta la frecuencia, la inductancia tendrá cada vez un valor
de resistencia mayor. En consecuencia, la tensión UL(f) aumenta también cuando la frecuencia
aumenta.
En la ilustración, se ilustra el comportamiento anteriormente descrito por medio de una curva
de respuesta en frecuencia (R=100; L=10mH con RS=19). El eje de frecuencia se representa
en escala logarítmica. El eje de la ganancia de amplitud es lineal. En la parte inferior de la
ilustración se representa la curva de respuesta en fase. En el rango de baja frecuencia se
presentan grandes diferencias entre el comportamiento de las inductancias "ideales" y las
inductancias reales con componentes de resistencia óhmica RS.
En el rango de las altas frecuencias, las respuestas en frecuencia se igualan, ya que en este
rango de frecuencia predominan las componentes de impedancia inductiva. La inductividad
también se puede determinar mediante el desplazamiento de fases:
La frecuencia debe ser lo suficientemente grande de modo que se pueda despreciar la
componente de resistencia óhmica.
con
 = ·f·t
( ángulo en grados)
o
 = 2·f·t
( ángulo en radianes)
en donde t representa la distancia en el eje de tiempo, entre dos puntos de cruce por cero, de
sendas curvas de tensión alterna.
Experimento
En el experimento siguiente se debe determinar el valor de la inductancia de un componente
RL sobre la base de un desfase entre la tensión de la bobina y la tensión de alimentación.
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Monte el siguiente arreglo experimental: Transfiera todo el circuito realizado para
condensadores a la parte de la tarjeta que contiene la bonina y haga los ajustes.
Abra el instrumento virtual Generador de funciones a través
de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión |
Generador de funciones, o también pulsando la siguiente
imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla.
Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla
POWER.
Amplitud = 70% con 1:1
Frecuencia = 1 Hz
Modo de Operación Sinusoidal (SINE) Power = On
Abra el osciloscopio del menú Instrumentos y realice los ajustes correspondientes.





Canal A: 2 V/div, AC
Canal B: 2 V/div, AC
Time Base: 20 Ms/div
Trigger: OFF
Mode: X/T,AC
Registre la señal con el osciloscopio y transfiera el oscilograma a la casilla adjunta. Introduzca
también los ajustes del osciloscopio en las casillas previstas para ello.
Determine el desfasaje mediante el valor t y, a partir de ello, calcule el valor de la inductancia
empleando la siguiente fórmula:
(f) = ·f·t =
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°
L
R
2  f  tan[ (f )]
=
mH
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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Cuestionario
1.- ¿Qué ocurre con la tensión del condensador?
2.- ¿Qué se puede observar en comparación con la medición continua?
3.- ¿Cómo se crea la corriente alterna?
4.- ¿Qué es la corriente monofásica y trifásica?
5.- ¿Determine el valor de la reactancia capacitiva?
6.- ¿Determine el valor de la reactancia inductiva?
7.- ¿Determine el valor de la impedancia para el circuito RC y RL?
8.- ¿Qué utilidad tiene un circuito RC y RL?
SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES
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