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LABORATORIO DE FISICA II
TEMA:
Instrumentaci´on Electrica
Entrega de informe: 11/09/
Integrantes: Paralelo: PF
Aispur Santiago
Arteaga Sheyla
Rodriguez Emily
1. Objetivo
Identificar, emplear los dispositivos e instrumentos de medidas el´ectricas disponibles en el labora- torio.
Realizar mediciones de corriente y voltaje continuo usando los instrumentos del laboratorio y aplicar los conceptos b´asicos inherentes a las mediciones y errores.
Emplear efectivamente las herramientas y m´etodos estad´ısticos para determinar los errores en las mediciones directas y los procedimientos utilizados para determinar la propagaci´on de los errores en las mediciones indirectas.
2. Fundamentos Te´oricos
2.1. Mediciones en F´ısica
Las magnitudes f´ısicas se miden comparando con una unidad patr´on. Las mediciones pueden ser directas o indirectas. Las directas se obtienen con un instrumento calibrado, sin necesidad de emplear c´alculos, mientras que las indirectas requieren c´alculos usando ecuaciones para determinar la magnitud. La precisi´on mide la repetitividad de las mediciones, mientras que la exactitud indica qu´e tan cercanos son los valores de medici´on obtenidos con respecto al valor real.
2.2. Errores de Medici´on
Los errores de medici´on se dividen en sistem´aticos y aleatorios. Los errores sistem´aticos son constantes y repetibles, como el error de paralaje. Los errores aleatorios son variaciones accidentales que afectan el resultado y se minimizan con promedios.
Desviaci´on Est´andar: La dispersi´on de los datos se mide con la desviaci´on est´andar:
σ =
s P N i=1(xi^ −^ x)^2 N · (N − 1)
2.3. Redondeo
Para redondear, el valor de la medida debe coincidir con el n´umero de decimales del error:
1 , 12 ± 0 ,03 cm
2.4. Regresi´on Lineal
Para una relaci´on lineal y = a + bx, los coeficientes se calculan como:
Coeficiente a:
a =
P
yi
P
x^2 i −
P
xi
P
xiyi n
P
x^2 i − (
P
xi)^2 Coeficiente b:
b = n^
P
xiyi −
P
xi
P
yi n
P
x^2 i − (
P
xi)^2
2.5. El Osciloscopio
2.5.1. Definici´on y funcionamiento de un osciloscopio
El osciloscopio es un instrumento de medici´on electr´onica que representa gr´aficamente las se˜nales el´ectricas que var´ıan a trav´es del tiempo. La raz´on de su funcionamiento es cuando se toma la se˜nal el´ectrica aplicada y se grafica en funci´on del tiempo. En el eje horizontal (X) se representa el tiempo, y en el eje vertical (Y), el voltaje o la amplitud de la se˜nal. Esto permite visualizar formas de onda como se˜nales sinusoidales, cuadradas, triangulares, entre otras, as´ı como cualquier distorsi´on o variaci´on que pueda existir.
2.5.2. Partes del osciloscopio
Las partes externas de un osciloscopio normalmente poseen todos los conectores de entrada para reali- zar las mediciones de se˜nales adem´as de los botones y perillas de control. La parte frontal del osciloscopio cuenta con los controles necesarios para operar el equipo. Las funciones de estos elementos son las siguientes:
Display: Muestra las formas de onda y mediciones realizadas, los osciloscopios m´as antiguos poseen pantallas de rayos cat´odicos.
Canales: Son las entradas para las se˜nales anal´ogicas, normalmente aqu´ı se conecta la punta del osciloscopio, la mayor´ıa de los osciloscopios tienen m´ultiples canales, lo que permite observar m´as de una se˜nal simult´aneamente.
Canal RF: Conexi´on al analizador de espectro disponible en los osciloscopios de dominio mixto.
3.1. Materiales y equipos para la segunda parte de la pr´actica
Kit electr´onica I Mult´ımetro digital Fuente de voltaje DC - AC Osciloscopio Sondas de medici´on Bater´ıa de 9V
4. Actividades
- Hallar el valor del error de medici´on directa para la medici´on de voltaje de la lampara y la medicion de corriente electrica.
- calcular el valor de resistencia de la l´ampara a partir de los valores obtenidos experimentalmente
- Calcular la resistencia (R) a partir de la curva Voltaje (v) vs corriente (I).
4.1. Hallar el valor del error de medici´on directa
4.1.1. Procedimiento
- El circuito se ensambla en un protoboard, conectando la l´ampara en serie con la fuente de poder de 10 V.
- En paralelo a la l´ampara, se colocan un interruptor y una resistencia de 47 ohmios, asegurando que el interruptor est´e inicialmente abierto.
- Tras completar el montaje, se conecta la fuente de poder al circuito, verificando la polaridad. Medici´on de Voltaje a) Ajustar el mult´ımetro en la escala de voltaje DC. b) Conectar el mult´ımetro en paralelo a la l´ampara para medir el voltaje con el interruptor abierto. c) Realizar la medici´on del voltaje cinco veces, utilizando un mult´ımetro diferente en cada ocasi´on. d ) Antes de desconectar el mult´ımetro, cerrar el interruptor. Medici´on de Corriente a) Desconectar el mult´ımetro usado para medir el voltaje. b) Colocar un amper´ımetro en serie con la l´ampara. c) Ajustar el amper´ımetro en la escala de corriente adecuada. d ) Encender la fuente de poder y abrir el interruptor. e) Medir la corriente cinco veces, utilizando un amper´ımetro diferente en cada ocasi´on.
- Apagar la fuente de poder.
- Desconectar el amper´ımetro y volver a conectar el mult´ımetro para futuras mediciones.
- Reiniciar el proceso para la siguiente medici´on.
4.1.2. Registro de Datos
Figura 1: Datos de Voltaje L´ampara
Figura 2: Datos de Corriente L´ampara
4.1.3. An´alisis de Resultados
Las mediciones realizadas en el circuito de una l´ampara con una resistencia de 47 Ω muestran una notable consistencia y precisi´on, con valores relativamente estables tanto para la corriente como para el voltaje. En el caso de la corriente, las mediciones var´ıan ligeramente entre 71,2 mA y 71,8 mA, con errores absolutos que oscilan entre 0,100 mA y 0,300 mA. Los errores relativos permanecen m´ınimos, entre 0,001 y 0,004, lo que indica un alto grado de precisi´on en las mediciones. El margen de error m´aximo combinado para la corriente tambi´en se mantiene bajo, en el rango de 0,050 mA a 0,150 mA, reforzando la confiabilidad de los datos obtenidos. Por otro lado, las mediciones de voltaje, que var´ıan entre 6,600 V y 6,630 V, presentan una mayor fluctuaci´on en comparaci´on con las mediciones de corriente. Sin embargo, los errores asociados al voltaje siguen siendo peque˜nos. El error absoluto en las mediciones de voltaje var´ıa entre 0,004 V y 0,016 V, con errores relativos consistentemente bajos, entre 0,001 y 0,002. A pesar de las ligeras variaciones, el margen de error m´aximo combinado para el voltaje oscila entre 0,002 V y 0,008 V, lo que asegura que las mediciones son precisas y confiables para cualquier an´alisis posterior. En general, los datos reflejan un sistema de medici´on adecuado con un nivel controlado de incertidumbre. Para completar las tablas de los registros de datos, se utilizaron las siguientes f´ormulas: Valor Medio: El valor promedio de N mediciones se calcula como:
x = (^) N^1
X^ N
i=
Xi
Error Absoluto y Relativo: El error absoluto para cada medici´on es:
ϵa = x − xi
Mientras que el error relativo, expresado como porcentaje, es:
ϵr = ϵ xa × 100 %
4.3. Actividad 3
4.3.1. Procedimiento
A partir de los datos de corriente y voltaje obtenidos en la ACTIVIDAD No 2, realizar una gr´afica Corriente (I) vs Voltaje l´ampara (V). Hacer una l´ınea de ajuste por m´ınimos cuadrados (una recta), y obtener el valor de la resistencia a partir de la pendiente de la curva.
4.3.2. Registro de Datos
Figura 4: Datos de Voltaje vs Corriente
Figura 5: Calculo de la Resistencia por Matlab software
4.3.3. An´alisis de Resultados
El an´alisis de los datos de corriente y voltaje para la l´ampara se realiz´o utilizando un ajuste lineal por m´ınimos cuadrados. Los datos experimentales fueron ajustados con una recta que representa la relaci´on entre el voltaje aplicado y la corriente medida. La ecuaci´on obtenida del ajuste lineal es
V = 82, 940 · I + 0, 015 , (1)
donde la pendiente de la recta corresponde a la resistencia de la l´ampara.
La gr´afica resultante muestra una buena correspondencia entre los datos experimentales y la l´ınea de ajuste, indicando que el modelo lineal es adecuado para describir la relaci´on. Los puntos de datos (corriente vs. voltaje) se ajustan estrechamente a la recta ajustada, lo que refuerza la precisi´on del ajuste lineal realizado.
El valor calculado para la resistencia de la l´ampara es aproximadamente 82.940 ohmios. Este valor proporciona una estimaci´on confiable de la resistencia, basada en el comportamiento el´ectrico observado. La peque˜na intersecci´on en el eje de voltaje sugiere que el modelo lineal captura de manera efectiva la resistencia de la l´ampara, con m´ınima desviaci´on en las mediciones experimentales.
4.4. Actividad 4: Visualizar la se˜nal el´ectrica DC de una bater´ıa en el
osciloscopio.
4.4.1. Procedimiento
- Conectar la punta del osciloscopio en el positivo de la bater´ıa de 9V y la punta de referecia al negativo de la bater´ıa.
- Setear el amplificador vertical en 2 Volt/Div.
- Se setea la base de tiempo en 5 mS/Div y el amplificador vertical en 5 Volt/Div.
- Se registran los datos obtenido en el osciloscipio.
4.5.2. Registro de Datos
Para esta pr´actica se obtuvieron los siguientes datos: Existen dos grficas debido a que existen dos se˜nales, las cuales definiremos como: ((se˜nal roja))y ((se˜nal amarilla)) Para la se˜nal roja verificamos una frecuencia de 60 Hz, un valor pico V p = 21, 40 V y el valor RMS, V RM S = 7, 32 V .Estos datos fuern tomados directamente de los valores que presentaba el osciloscopio. Para la se˜nal amarilla, obtuvimos los datos de manera experimental,mediante el uso de c´alculos propios y aproximaciones. La frecuencia que present´o esta funci´on es de 60Hz, el valor pico V p = 5, 1 y el valor RMS, V RM S = 3, 57 V
4.5.3. An´alisis de Resultados
Al momento de la realizaci´on de esta pr´actica pudimos evidenciar que ambas se˜nales se sobrepon´ıan, esto debido a su configuraci´on en el osciloscopio, dado que la se˜nal roja estaba seteada en 5Volt/Div, mientras que la se˜nal amarilla estaba seteada en 2 Volt/Div
estabectionPregune˜nal atas de Reflexi´on
- Elabore un resumen sobre los errores durante las mediciones en F´ısica. Durante las mediciones en F´ısica, los errores son inevitables y se pueden clasificar en dos tipos principales: sistem´aticos y aleatorios. Los errores sistem´aticos ocurren debido a problemas con los instrumentos o el procedimiento de medici´on, como una mala calibraci´on o defectos en los aparatos. Los errores aleatorios son variaciones impredecibles que afectan las mediciones, como fluctuaciones en las condiciones ambientales.
- ¿Cu´al es la resistencia de un dispositivo si al aplicar un voltaje de 110 V el mult´ımetro mide una corriente de 3 mA? R = VI (2) donde V = 110 V y I = 3 mA = 0,003 A. Por lo tanto, la resistencia del dispositivo es:
R = (^0110) , 003 = 36666,67 Ω (3)
- ¿Por qu´e es m´as f´acil transportar la energ´ıa el´ectrica en corriente alterna (AC)? La energ´ıa el´ectrica en corriente alterna (AC) es m´as f´acil de transportar a largas distancias porque su voltaje puede ser transformado f´acilmente mediante transformadores. Al aumentar el voltaje y reducir la corriente en las l´ıneas de transmisi´on, se minimizan las p´erdidas de energ´ıa por efecto Joule, haciendo que la transmisi´on sea m´as eficiente. Adem´as, los sistemas de AC son m´as simples y econ´omicos para generar y distribuir energ´ıa.
- ¿Qu´e riesgos existen durante la manipulaci´on de altos voltajes? La manipulaci´on de altos voltajes presenta varios riesgos, siendo el principal la electrocuci´on, que causan lesiones graves o la muerte. Otros riesgos incluyen quemaduras, da˜nos a los equipos electr´oni- cos , incendios y explosiones.
- ¿Qu´e pasar´ıa al conectar en paralelo el mult´ımetro durante la medici´on de corrientes el´ectricas? Conectar un mult´ımetro en paralelo durante la medici´on de corriente podr´ıa da˜nar tanto el mult´ıme- tro como el circuito. Esto se debe a que el mult´ımetro, cuando est´a configurado para medir corriente, tiene una resistencia interna muy baja, lo que puede provocar un cortocircuito si se conecta en pa- ralelo,lo cual afectaria en gran medida el funcionamiento del sistema.
- Elabore una lista de dispositivos el´ectricos que trabajen en corriente alterna (AC) y otra con dispositivos que trabajen en corriente continua (DC). ¿Cu´al es la diferencia entre ellos?
Dispositivos que trabajan en corriente alterna (AC):
- Electrodom´esticos (lavadora, refrigerador)
- Televisores
- Bombillas incandescentes Dispositivos que trabajan en corriente continua (DC):
- Tel´efonos m´oviles
- Computadoras port´atiles
- Cargadores de bater´ıas
La principal diferencia entre AC y DC radica en la forma en que se mueve la corriente. En corriente alterna (AC), la direcci´on del flujo de corriente cambia de forma peri´odica, mientras que en corriente continua (DC), la corriente fluye en una ´unica direcci´on.
- ¿Qu´e es el osciloscopio? El osciloscopio es un instrumento que permite visualizar y analizar las se˜nales el´ectricas en funci´on del tiempo, mostrando la variaci´on de voltaje.
- ¿Qu´e es la punta de prueba o sonda? Es un dispositivo que se utiliza para conectar el osciloscopio al circuito bajo prueba, permitiendo medir las se˜nales el´ectricas.
- ¿Para tener una se˜nal AC de voltaje cu´ales terminales de la punta de prueba se co- nectan en la fase y al neutro respectivamente? La punta se conecta a la fase y el cocodrilo o terminal de referencia al neutro.
- ¿Para qu´e sirven los cursores de amplitud y de tiempo respectivamente? El cursor de amplitud mide la magnitud de la se˜nal (voltaje), mientras que el cursor de tiempo mide el periodo o la duraci´on de la se˜nal.
- Describa qu´e caracter´ısticas observ´o en una se˜nal de corriente continua. En una se˜nal de corriente continua (DC) se observa una l´ınea recta constante en el tiempo, sin variaciones de amplitud.
6. Anexos
Figura 7: Actividad en clase , lectura del osciloscopio
