Manual Laboratorio Física Ii.pdf

UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA

FISICA II

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO ELECTRICIDAD | MAGNETISMO | ÓPTICA

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICAS | Marlon Ponce

MANUAL PRÁCTICAS DE LABORATORIO FÍSICA II Autor: Marlon F. Ponce Laboratorio de Física Versión revisada por: Carlos Vallejos T. Coordinador Ciencias Naturales

2012 UNIVERSIDAD CENTROAMERICANA, UCA Universidad Centroamericana (UCA), Managua, Nicaragua Rotonda Rubén Darío 150 metros al oeste. Apartado Postal 69 WEB: www.uca.edu.ni

2

CONTENIDO

INTRODUCCIÓN

4

NORMAS GENERALES EN EL LABORATORIO DE FÍSICA

5

GUÍAS DE LABORATORIO DE FÍSICA II

6

RECOMENDACIONES GENERALES Y MANEJO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN

7

CIRCUITOS DE RESISTENCIA EN SERIE Y EN PARALELO

13

CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Y LEY DE OHM EN LÍQUIDOS

19

REGLAS DE KIRCHHOFF

23

CIRCUITOS MIXTOS Y FENÓMENOS TRANSISTORIOS

27

CIRCUITOS CON CA Y APLICACIONES DE ELECTROMAGNETISMO

32

CELDAS SOLARES Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES

36

NATURALEZA DE LA LUZ

39

LISTA DE REFERENCIA

42

ANEXOS

43

1.

Rúbrica para evaluar informe de laboratorio

43

2.

Orientaciones para redactar el informe

45

a.

Ejemplo de portada

45

b.

Estructura del informe

45

3.

Unidades y medidas del SI

51

4.

Alfabeto Griego

53

5.

Constantes Físicas Fundamentales

54

6.

Error absoluto y relativo (porcentual)

54

3

INTRODUCCIÓN Las prácticas de laboratorio de Física son fundamentales para complementar la base teórica que se recibe. A través de la experimentación se obtiene la última y definitiva garantía de la validez de una ley. Las sesiones prácticas que recibirá en este curso permitirán lo siguiente:
Confirmación experimental, cualitativa y cuantitativa de la teoría previamente abordada. Cuando algo lo “vemos” resulta de mucha facilidad entender su significado y así retener su contenido.
El profesor o instructor de laboratorio tendrá la oportunidad de hacer más creativa la enseñanza de la física, ya que según la experimentación y deducción, los estudiantes pueden redescubrir las bases teóricas planteadas. Cada guía de este manual se ha diseñado para que el estudiante pueda realizar la sesión de laboratorio de de manera casi autónoma, con poca intervención del instructor. En cada una, se da cierta base teórica acorde al experimento a realizar, se indica todo el procedimiento que se debe seguir y se señala los espacios necesarios para anotar los resultados y discusiones a las interrogantes que se plantean en la evaluación. El profesor o instructor de laboratorio tendrá una labor de asesoramiento, ayuda y revisión. Esta labor se desarrollará por grupos de trabajo los cuales deben ser –formados naturalmente- previo al inicio del curso de Física II. Los integrantes de los grupos de trabajo no deben exceder los cinco miembros. Cada grupo dispone de tres horas para desarrollar y concluir la experiencia; dos de estas tres horas deben ser utilizadas en la realización del montaje experimental y la adquisición de datos. Dado que se solicita la entrega de un informe de laboratorio. Se debe seguir las instrucciones específicas sobre la forma de escribirlo. La guía general para redactar el mismo se encuentra dentro de este mismo documento. El programa del curso esta constituido de ocho sesiones prácticas; siete de ellas relacionadas con electricidad y magnetismo y una con óptica. El aprovechamiento óptimo de cada experiencia depende en gran medida de la planeación anticipada y adecuada de la misma, esto implica una buena documentación de acuerdo al tema y una interpretación precisa de la guía correspondiente presentada en este manual. Los estudiantes que lo deseen pueden descargar el Manual en la siguiente dirección Web: (anote en el siguiente espacio la dirección indicada)

4

NORMAS GENERALES EN EL LABORATORIO DE FÍSICA La siguientes medidas de seguridad han sido adoptadas para que con un poco de sentido común se pueda trabajar en el laboratorio de manera segura, no sólo para ti, sino para todos los que estén a tu alrededor. 1. Nunca trabajes en el laboratorio si no hay un profesor o instructor que se de cuenta de lo que haces. 2. Prepara tu actividad o experimento de laboratorio leyéndolo de antemano. Haz las preguntas necesarias acerca de lo que no te resulte claro. Anota todas las precauciones que deber tomas. 3. Usa ropa apropiada para el laboratorio. En el laboratorio de física es obligatorio el uso de gabacha. Evita el uso de uso de joyas o artículos que cuelguen. 4. Mantén el área de trabajo libre de libros y materiales que no sean necesarios para tu trabajo. Esto incluye no usar computadora portátil si la práctica no lo amerita. 5. En caso de ser necesario usar gafas de seguridad, principalmente debe ser cuando trabajes con fuego, líquidos calientes y material de vidrio. 6. Nunca lances cosas, ya sea dentro o fuera del laboratorio. 7. Usa los aparatos únicamente como se indica en el manual o según las instrucciones del profesor. Si quieres aplicar otro procedimiento, tu profesor tendrá que aprobarlo primero. 8. Cuando se rompa algún equipo u objeto, sin importar el tipo material, informa de inmediato a tu profesor. Jamás toques directamente vidrios rotos o mercurio derramado de un termómetro. 9. No toques objetos que pueden estar calientes; vasos metálicos, bombillas, resistencias, calentadores de inmersión, agitadores magnéticos, etc. 10. Cuando trabajes con circuitos eléctricos, apaga la fuente de alimentación antes de hacer ajustes en ellos. 11. Si estas conectando un voltímetro o amperímetro a un circuito, tu profesor deberá aprobar las conexiones antes de suministrar corriente. 12. No conectes entre sí las terminales de una pila o batería con alambre. Puede que se caliente y resulte peligroso. 13. Informa de inmediato a tu profesor en caso de cualquier lesión, accidente o destrozo. También avisa si sospechas que algo no funciona correctamente, por ejemplo sonidos u olores extraños. 14. Trabaja en silencio para que puedas escuchar cualquier aviso sobre precauciones y seguridad. 15. Interésate por conocer la ubicación de los extinguidotes y la salida de emergencia más cercana. 16. Cuando termines tu trabajo, revisa que las conexiones de los circuitos eléctricos estén desconectadas, y las de agua y gas queden cerradas. Guarda todos los materiales y aparatos en los lugares designados por el profesor. Cuando sea necesario, sigue las instrucciones para deshacerte de cualquier material de desecho. Y finalmente, Limpia el área de trabajo y ordena el asiento utilizado.

5

GUÍAS DE LABORATORIO DE FÍSICA II

6

LABORATORIO Nº 1 RECOMENDACIONES GENERALES Y MANEJO DE EQUIPOS DE MEDICIÓN Objetivos 1. 2. 3. 4. 5.

Asimilar las medidas de seguridad para prevenir un choque eléctrico y cortocircuitos. Adquirir habilidades en el manejo de los diferentes aparatos de medición y fuentes de alimentación. Aprender a leer resistencia usando el código de colores y el ohmímetro Instruir la construcción de circuitos simples en un tablero de conexiones Familiarizarse con la función de los componentes de un circuito eléctrico simple y como actúan en conjunto.

Introducción Cuando la corriente eléctrica pasa a través del cuerpo humano produce el efecto llamado sacudida o choque eléctrico. El choque eléctrico puede ocurrir por un deficiente diseño del equipo, fallas eléctricas o errores humanos. El efecto letal del choque eléctrico es una función de la cantidad de corriente la cual es forzada a través del cuerpo humano, como camino de conducción. No necesariamente depende del valor del voltaje aplicado. Un choque de 100 voltios puede resultar tan mortal como de uno de 1000 voltios. Por general el nivel de corriente requerido para matar a cualquier ser humano es pequeño, por esta razón deben ejercerse cuidados extremos para prevenir que ocurra el choque eléctrico. La mínima corriente que puede ser percibida por la mayoría de los seres humanos es de 1 miliamperio-mA- y el rango más fatal de corrientes se encuentra entre 100 y 300 mA. También es importante estudiar la relación que existe entre las cantidades elementales presentes en un circuito eléctrico; corriente, tensión y resistencia mixta. Cabe destacar que la corriente solamente fluye en un circuito cerrado. A principios del siglo XVIII, el físico alemán G. S. Ohm, como resultado de sus experimentos, descubrió que todas estas cantidades básicas son directamente dependientes entre sí y que cada una de ellas depende pues del valor de las otras dos. Basándose en esos resultados estableció que “la corriente que pasa por un circuito es directamente proporcional a la tensión aplicada a la resistencia e inversamente al valor de dicha resistencia”.

I= Esta ley puesta en fórmula es:

V R

Donde V es la tensión eléctrica en voltios, I es la intensidad de la corriente eléctrica en Amperes y R es de la resistencia eléctrica dad en ohm. Si se conocen dos de esas variables se puede determinar la tercera. Materiales y equipos Resistencias de distintos valores Diodos LED Bombillo incandescente Tablero de conexión 2 instrumentos V/A

Fuente alimentación CC, 0-30V 1 Reóstato (Resistencia variable) Conexiones 1 resistencia de 100 Ω Fusibles

7

Metodología 1. Explicaciones de las medidas de seguridad: junto a su grupo de trabajo proceda al leer cada una de las siguientes recomendaciones generales de seguridad para evitar accidentes en los laboratorios de Física II. Discuta con sus compañeras la lógica de cada una de ellas. •

Antes de comenzar a trabajar con cualquier equipo, averigüe en qué condiciones está el equipo y si existe algún peligro.

•

Nunca confíe en dispositivos de seguridad tales como fusibles, relevadores y sistemas de cierre, como base de su protección. Puede ser que no estén funcionando, o que no logren protegerlo cuando más lo necesite.

•

Jamás quite la punta de tierra de un enchufe de entrada de tres alambres. Esto elimina la característica de conexión a tierra del equipo, convirtiéndolo en un verdadero peligro.

•

Conserve el orden en la mesa de trabajo. Trabajar entre una maraña de cables de conexión, con un montón de componentes y herramientas sólo propicia el descuido, con lo que aumentan las posibilidades de un cortocircuito, choques y accidentes. Acostúmbrese a trabajar en forma sistemática y organizada.

•

No trabaje sobre pisos mojados. Esto hace que se reduzca sustancialmente su resistencia, al haber mejor contacto a tierra; trabaje sobre tapetes aislantes, o pisos aislados.

•

No trabaje solo. Siempre conviene que haya otra persona para cortar la corriente, aplicar respiración artificial y llamar a un médico.

•

Trabaje siempre con una mano a la espalda, o en el bolsillo (en experimentos de potencia). Cualquier corriente que pase entre las manos atraviesa el corazón y puede ser más letal que cuando va de una mano al pie. Los técnicos “experimentados” trabajan siempre con una sola mano. Observe con cuidado a su técnico de televisión.

•

No distraiga ni se distraiga. No permita que le distraigan y no converse con nadie, sobre todo si se trabaja con equipos peligrosos. No sea usted la causa de un accidente.

•

Muévase siempre con lentitud cuando trabaje cerca de circuitos eléctricos. Los movimientos rápidos y violentos son la causa de muchos choques, accidentes y cortos circuitos.

2. Reconocimiento de materiales y equipos de medición y prueba; a. Atienda a la explicación del equipo de medición y prueba (Multímetro) el cuál se utilizará en los laboratorios subsiguientes, de éste identifique y anote el significado de cada una de las posiciones del selector giratorio: la simbología, entrada positiva, negativa, común, las escalas, magnitudes que se pueden medir y las unidades de medida respectivas. Ver figura 1

Figura 1. Selector giratorio, Multímetro Fluke 117

8

b. Aprenda a probar diodos LED (rojo, verde o amarillo) con el multímetro y aplique el concepto de polaridad (simbología):

c. Mida con un voltímetro CD, la tensión en una batería alcalina 9V, dos pilas (AA y AAA) anote los resultados en la tabla 1. Tabla 1. Lectura de voltaje

Batería o Pila

Voltaje de Fabrica, V (nominal)

Voltaje Leído, V

Alcalina 9 V AA AAA d. Utilice el multímetro en la función correspondiente para leer resistencias y comparé este valor con el que obtendrá a través del código de colores. En el inciso d el instructor/profesor mostrará dos ejemplos de lectura de resistencia usando el código de colores, luego se le entregará a cada estudiante resistencias para conocer su valor usando el código de colores y verificar el resultado con el ohmiómetro. Tabla 2. Lectura de resistencias usando el código de colores

Color Negro Marrón Rojo Naranja Amarillo Verde Azul Violeta Gris Blanco Oro Plata Sin color

1ra. Cifra (A) 1 2 3 4 5 6 7 8 9

2da. Cifra (B) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

3ra. Cifra (C) 0 00 000 0 000 00 000 000 000 0 000 000 00 000 000 000 000 000

Tolerancia (D)

±5% ± 10 % ± 20 %

9

Tabla 3. Valores de las resistencias facilitadas

R

Combinación de colores

Valor nominal con el código de color

Valor real con el multímetro

Desviación (Real - Nominal)

¿Resistencia buena o dañada?

1 2 3 4 5 6 7 8 Nota: al escribir el valor nominal debe anotar también la tolerancia con base en la última banda del código de colores (Ej. 2200 ± 100 Ω )

e. También se le mostrará como hacer conexiones de componentes en el tablero de conexión según los nodos. Ver figura 2 El tablero de conexión lleva un sistema de puntos de conexión, los cuales, están conectados con alambres, tal como lo muestran las líneas en la cara superior de la placa. Estos puntos de conexión aceptan las espigas de los enchufes de los componentes usados en los experimentos. Un bloque de conexión (9 puntos unidos con una línea continua en la cara superior) contiene un alambre corto entre las espigas que permite que los puntos de conexión, del tablero de conexión, sean convenientemente conectadas una con otra sin necesidad de un cable de conexión. Cada bloque de conexión tiene 9 puntos conectados unos con otros como un solo nodo. Facilita el montaje del circuito sin necesidad de usar tantos cables de conexión.

Manipulación de la fuente de alimentación. Atienda la explicación sobre las instrucciones de manejo de la fuente de alimentación. Para evitar que se le olvide, anote el procedimiento indicado por el instructor sobre como manipular dicho equipo. Anote además el tipo de corriente que suministra. _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ _______________________________________________ f.

g. Circuito simple; a continuación se procederá a armar un circuito simple el cual se muestra en la figura 2, para ello siga los siguiente pasos: i. Observe que el símbolo ± indica donde se debe conectar la fuente de alimentación. ii. Los números 1, 2 y 3 indican donde se ubicaran cables de conexión, los cuales pueden ser de los

Figura 2. Montaje de un circuito simple.

10

rojos o azules o bien los componentes rígidos con una línea continua en la cara superior, también son conectores. iii. La línea cortada a mitad del circuito representa la ubicación de un interruptor o Switch. Este debe estar abierto antes de encender la fuente (abierto significa que debe estar en señal de apagado). iv. El círculo con una X en el centro indica una lámpara o bombillo incandescente. v. Si todo esta bien, suministre 4.5 V al bombillo y cierre el circuito (para ello cambie a posición de encendido el interruptor) vi. Abra el circuito (señal de apagado en el Switch) sustituya los bloques rígidos por cables de conexión y repita el paso anterior. vii. Abra el circuito e intercambie la posición del bombillo con el interruptor, repita el paso v nuevamente. viii. Anote sus observaciones; luminosidad del bombillo al intercambiar las posiciones, funciones los cables y bloques rígidos conectores, seguridad y precauciones durante el montaje de un circuito en el tablero de conexión. h. Medir voltaje; proceda a montar el circuito de la figura 3. La fuente (± ±) indica que se usará un voltaje de 0 hasta 12 voltios de corriente continúa. i. Verifique que el multímetro se encuentre el la Figura 3. Medición de tensión posición correcta para medir voltaje y revise que el interruptor este en posición de apagado. ii. Suministre un voltaje de 4.5 voltios al circuito. Y cierre el interruptor. iii. Anote el valor indicado por el multímetro y sus observaciones respecto a como medir voltaje. Observaciones

Medir intensidad de corriente eléctrica; construya un circuito como el de la figura 4. Observe que debe colocar el amperímetro (letra A) entre dos bloques de conexión. i. Cerciórese que el multímetro se encuentra en la posición correcta para medir intensidad de la corriente eléctrica y revise que el interruptor se encuentre en posición de apagado. ii. Suministre un voltaje de 4.5 voltios al circuito y cierre el interruptor. iii. Anote el valor indicado por el Multímetro y sus observaciones respecto a como medir Figura 4. Medición de intensidad intensidad de corriente eléctrica. iv. Apague la fuente de alimentación, desarme el circuito armado y ordene el lugar de trabajo. Observaciones i.

11

Datos leídos (Circuito simple) Voltaje en la fuente (V) Voltaje leído con el voltímetro(V) Intensidad de corriente leída con el amperímetro (A, mA) Resistencia calculada (Ohm) (use ley de ohm dada en introducción) Evaluación 1. Registre en una tabla la simbología principal tanto de componentes eléctricos como de magnitudes eléctricas y sus unidades de medida. 2. Resuma las consideraciones principales a tomar en cuenta cuando se mida la tensión (o voltaje) y la intensidad de corriente eléctrica. 3. Extraiga sus conclusiones de la sesión número 1 de laboratorio y destaque los aprendizajes más importantes que podrá poner en práctica en la vida diaria. 4. Investigación; Indague (y presente en el anexos del reporte de este Laboratorio) sobre los tipos de materiales conductores óhmicos (resistencias de carbón, conductores de cobre, etc.).

12

LABORATORIO Nº 2 CIRCUITOS DE RESISTENCIA EN SERIE Y EN PARALELO Objetivos 1. 2. 3. 4. 5.

Comprobar experimentalmente la ley de Ohm Investigar que materiales obedecen a la ley de Ohm Comprobar experimentalmente las ecuaciones de resistencia cuando se conectan en serie Aplicar las ecuaciones de resistencia conectadas paralelo en circuito sencillo de laboratorio. Combinar los conceptos de resistencias en serie y en paralelo y aplicarlos a circuitos mixtos de resistores.

Introducción Si se conoce el valor de la tensión aplicada a los extremos de un conductor y la intensidad de l corriente que por él circula, se puede calcular el valor de la resistencia del mismo mediante la aplicación de la ley de Ohm para una porción de dado que;

I=

V R

de donde R =

V I

Para un mismo conductor el valor de la resistencia, por lo general es constante, no dependiendo de V ni de I, ya que esta determinada por la naturaleza y dimensiones del conductor. Entonces para determinar la resistencia de una porción de circuito es necesario conectar en él un amperímetro en serie y un voltímetro en paralelo. En el sistema internacional (SI) la tensión eléctrica V se mide en voltios, la intensidad de la corriente I en amperios y la resistencia eléctrica R en ohm (Ω). Tomando como base la ley de Ohm las resistencias se pueden agrupar tanto en serie y en paralelo y estudiarse aplicando los principios de la misma. Los experimentos de resistencias en serie y en paralelo pretenden demostrar que al conectar resistencias en serie o en paralelo el valor de la corriente que pasa por cada una de ellas depende del arreglo de las mismas. La corriente que pasa por cada una de las resistencias armadas en serie es la misma, mientas que en un circuito en paralelo el valor de la corriente eléctrica varía según el divisor de corriente, es decir según el valor de cada una de ellas en dependencia del valor que tengan esas resistencias. Para aplicar la ley de Ohm en un circuito en serie se sustituyen las resistencias por una sola que tenga el mismo valor equivalente a la suma de todas las resistencias conectadas en serie. En el circuito de la figura 1 por cada resistencia la misma corriente I. Al polo “-“de la batería no puede llegar más corriente de la que sale por el polo “+”. De este modo, en todo el circuito no puede añadirse o restarse ninguna corriente y, por tanto, I es la misma en todo él.

I

Aplicando la ley de Ohm a todas y cada una de las resistencias del circuito, tenemos:

VR1 = I × R1

;VR2 = I × R2

;VR3 = I × R3

También se observa que:

Vtot = VR1 + VR2 + VR3 Figura 1. Conexión en serie de resistencias

13

Sustituyendo las tres resistencias en serie por una sola, Re, que extraiga la misma corriente de la batería, se puede decir que Vtotal = IRe. Por consiguiente:

I * Re = I * R1 + I * R2 + I * R3 = I * (R1 + R2 + R3 ) Dividiendo por I resulta:

Re = R1 + R2 + R3 Se ve que la resistencia que sustituye a varias en serie es igual a la suma de ellas. En la figura 2 se da tres resistencias R1, R2 y R3, conectadas a la misma fuente de tensión V. Si se aplica la ley de Ohm se puede calcular la corriente que circula por cada una de las tres resistencias;

I1 =

V V V , I2 = , I3 = R1 R2 R3

Figura 2. Conexión en paralelo de resistencias

Según la ley de los nodos de Kirchhoff; It = I1 +I2 +I3 ) Si las tres resistencias se sustituyen por una sola resistencia equivalente Re. La corriente total puede expresarse ahora por;

It =

V V V V = + + Re R1 R2 R3

o V*

1 1 1 1  = V *  + +  Re  R1 R2 R3 

Si se divide ambos lados por V, se tiene que,

1 1 1 1 = + + , lo que significa que la inversa de la Re R1 R2 R3

resistencia equivalente es igual a la suma de los valores inversos de cada una de las resistencias individuales. Cuando solamente se tiene dos resistencias se puede usar la siguiente fórmula.

Re =

R1 * R2 R1 + R2

Materiales Tablero de conexión Multimetro para V/A. Resistencia de 47Ω

Resistencia de 1K Resistencia variable (reóstato) Fuente de alimentación 0-30V CC

Resistencia de 100Ω

Cables de conexión

Resistencia de 470Ω

14

Metodología 1. Para la demostración de la ley de Ohm sigua los siguiente pasos; a. Construya un circuito como el esquema de la figura 3, con una resistencia de 100 ohm. b. Use una fuente de alimentación de 0 a 20V, no exceda el voltaje en circuito más allá de 12 V. c. Asegúrese que todo el circuito está correctamente montado. Antes de encender la fuente verifique que el potenciómetro de control de voltaje esté en cero. Encienda la fuente de alimentación. d. Varíe el voltaje de la fuente desde 0 a 10 V, de 1 en 1 voltio, anotando los valores de corriente Figura 3. Circuito para comprobar ley de ohm. correspondiente a cada tensión en la tabla 1. e. Reduzca a cero el voltaje de la fuente y desconecte del circuito el cable positivo. f. Sustituya la resistencia de 100 Ohm, por el reóstato. g. Fije un voltaje de 8 V, en la fuente; apáguela y conecte nuevamente el positivo al circuito. No debe reducir a cero el voltaje de 8 V, para mantener el mismo valor durante la toma de datos siguiente. Únicamente apague la fuente. h. Mida las corrientes correspondientes a los distintos valores de las resistencias según se le pide en la tabla 2. i. Tenga cuidado al variar la resistencia. Antes de que cambie de valor de R, debe apagar la fuente de voltaje para evitar corrientes muy grandes que dañen el amperímetro o las resistencias de pequeño valor. Tabla 1. Intensidad de la corriente con voltaje variable.

Resistencia constante de 100 Ω Voltaje (V)

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

170

180

190

200

Intensidad calculada (mA) Intensidad medida (mA) Error Relativo (%) Tabla 2. Intensidad de la corriente con voltaje constante.

Voltaje constante de 8 V Resistencia (Ω)

100

110

120

130

140

150

160

Intensidad calculada (mA) Intensidad medida (mA) Error Relativo (%)

j. Reduzca a cero la fuente, apáguela. Desconéctela de la red, desarme el circuito y ordene el puesto de trabajo.

15

k. Con los datos de la tabla 1, trace gráfico V (Y) vs. I (X) cuando R es constante. l. Con los datos de la tabla 2 trace un gráfico R (X) vs. I (Y) cuando V es constante. m. Para los pasos k y l saque sus propias conclusiones y preséntelas en el reporte al respecto de: i. Forma de la gráfica (lineal, exponencial) ii. Relación funcional entre la Intensidad y el Voltaje y entre la intensidad y la resistencia. iii. Determine la pendiente de ambas gráficas, usando el método de mínimos cuadrados. ¿Qué representa esta pendiente en cada caso? 2. Resistencias en serie; construya un circuito de tres resistencias en serie, como el de la figura 4. a. Realices lo cálculos pertinentes para encontrar los valores teóricos del circuito y anotarlos en la tabla 3. b. Verifique que el circuito está correctamente y encienda la fuente de alimentación, previamente debe estar ajustada en 14 voltios. c. Mida la corriente que pasa por cada uno de las resistencias. Tenga cuidado al desconectar el amperímetro primeramente debe apagar la fuente de Figura 4. Resistencias en serie. voltaje. d. Mida cada uno de los voltajes del circuito, es decir el voltaje total y el respectivo de cada una de las resistencias. e. Apague la fuente de tensión y desconecte el cable positivo del circuito. f. Sustituya las tres resistencias por su equivalente, arme nuevamente el circuito (ver figura 4) ahora solamente con una resistencia (utilice el reóstato o resistencia variable). Anote los valores leídos en la fila de R equivalente. g. Mida nuevamente el voltaje y la intensidad total en el circuito. h. Anote los valores obtenidos en la tabla 3. Tabla 3. Medida de tensión y corriente en un circuito en serie.

Componente

Valores teóricos Corriente Voltaje (V) (mA)

Resultado experimental Corriente (mA)

Voltaje (V)

Circuito en serie (V e I Total) R1 = R2 = R3 = Requivalente =

Compruebe: a. Itotal = IR1 = IR2 = IR3 b. Vtotal = VR1 + VR2 + VR3

16

3. Resistencias en paralelo; construya un circuito de tres resistencias en paralelo, como el de la figura 5. a. Realices lo cálculos pertinentes para encontrar los valores teóricos del circuito y anotarlos en la tabla 4. b. Cerciórese del estado de las conexiones realizadas y encienda la fuente de alimentación, previamente debe estar ajustada en 14 voltios. Figura 5. Resistencias en paralelo c. Mida la corriente que pasa por cada uno de las resistencias. Tenga cuidado al desconectar el amperímetro primeramente debe apagar la fuente de voltaje. d. Mida cada uno de los volatjes de los elementos del circuito. La fuente y las 3 resistencias. e. Apague la fuente de tensión y desconecte el cable positivo del circuito. f. Sustituya las tres resistencias por su equivalente, arme nuevamente el circuito (figura 6) ahora solamente con una resistencia (utilice el reóstato o resistencia variable). g. Mida nuevamente el voltaje y la intensidad total en el circuito. h. Anote los valores obtenidos en la tabla 4. Tabla 4. Medida de tensión y corriente en un circuito en paralelo. Valores teóricos Resultado experimental Componente Corriente Voltaje (V) Corriente (mA) Voltaje (V) (mA) Circuito en paralelo (V e I Total) R1 = R2 = R3 = Requivalente =

Compruebe: a. Itotal = IR1 + IR2 + IR3 b. Vtotal = VR1 = VR2 = VR3 4. Desconecte todos los equipos y componentes y ordene el puesto de trabajo, recuerde colocar los cables de conexión en el lugar indicado.

Figura 6. Circuito con resistencia equivalente

17

Evaluación 1. ¿Cuáles son las tres formas en que se puede escribir la ley de Ohm? 2. ¿Qué sucede con la corriente que pasa por una resistencia si: a. se duplica la tensión b. se reduce la resistencia a la mitad? 3. Realice su respectivo análisis y discusión para cada tabla de valores. Compare el error entre en valor teórico o calculado y los datos experimentales obtenidos durante la práctica de laboratorio. ¿Son aceptables los errores? ¿Por qué? 4. ¿Cuál es la particularidad de las resistencias que se conectan en serie o en paralelo? 5. ¿Por qué cree es importante tener asocianes en serie o en paralelo de componentes resistivos?

Ejercicios anexos Nota: Los debe practicar antes de entrar a la práctica de laboratorio, puede que sea requerido para la prueba previa a la sesión. No es necesario presentar en su reporte o informe de laboratorio. 1. La tensión aplicada a una resistencia de 10 Ω es de 50 V. ¿Cuál es la corriente? 2. Una corriente de 10 A pasa por una resistencia de 22 ohmios. ¿Cuál es la tensión aplicada a la resistencia? 3. Una resistencia desconocida está conectada a una fuente de 42 V. La corriente medida es de 7 A. ¿Cuál es el valor de la resistencia en cuestión? 4. En un circuito se necesita una resistencia de 100 ohmios. Se dispone de resistencias de valores de 10, 20, 30, 40, 50, 60 y 70 ohmios. ¿Cuáles son las combinaciones posibles en serie de estas resistencias con las que podemos obtener 100 ohmios? 5. Calcule la resistencia equivalente de los circuitos en paralelo siguientes.

a. 60 y 40 ohmios b. 300, 200, 50 ohmios c. 7 Resistencias de 56 ohmios.

18

LABORATORIO Nº 3 CONDUCTIVIDAD ELÉCTRICA Y LEY DE OHM EN LÍQUIDOS Objetivos 1. Estudiar el fenómeno de conducción de electricidad en líquidos y conductores sólidos. 2. Determinar si el agua contiene disueltas sustancias conductoras de corriente eléctrica. 3. Examinar la relación entre tensión y la intensidad de corriente eléctrica en una solución acuosa. Introducción Para que un medio material pueda conducir la corriente eléctrica debe contener cargas móviles capaces de conducir la electricidad. En los metales, las cargas móviles son los mimos electrones de las capas más externas de los átomos que lo forman (electrones de conducción). Al formarse el metal, el campo de cada átomo afecta a sus vecinos más próximos, lo que hace que los electrones más externos dejen de estar ligados a un solo átomo y tengan libertad para moverse a través de todo el sólido. En algunos líquidos, por ejemplo el agua, si se disuelven sales, ácidos o bases, éstas se disocian en iones positivos y negativos que pueden moverse a través del líquido, por lo que la conducción eléctrica se hace apreciable. La conductividad en medios líquidos está relacionada con el pH, es decir con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. La conductividad eléctrica en soluciones se define como la capacidad que tiene la solución para conducir la corriente eléctrica. Una solución tiene capacidad para conducir corriente eléctrica cuando contiene partículas cargadas. Estas partículas cargadas se llaman iones. El agua pura (destilada), prácticamente, no conduce la corriente eléctrica ya que por ser pura “no contiene iones”. La conductividad de una solución que contiene un electrolito se calcula a partir de la resistencia de la forma: L =

1 R

L es la conductividad dada en ohm inverso o mho y R es la resistencia en ohm. Para un electrodo de 1cm2 de sección (A) y un cm. de longitud (l) se tiene que: L = Donde κ es la conductividad específica; Es decir que k =

k*A l

L *l A

La conductividad específica se puede entender como la medida de la facilidad con que la corriente fluye a través de un cubo de 1 cm. de arista. Materiales Agua Sal común Bicarbonato de sodio o Sulfato de cobre Fuente de alimentación Cables de conexión Multímetro (2) Electrodos de cobre o Zinc

Beaker 500mL Papel absorbente Cuchara desechable Pinzas de cocodrilo Tablero de conexión Cubeta de vidrio Solución de azúcar

19

¡Evite Accidentes! 1. No pruebes o inhales las sustancias. 2. Cuida de no derramar líquido sobre el circuito, la mesa o el piso. 3. Trabaja atentamente y no interfieras en el trabajo de tus compañeros. 4. No olvides lavar los electrodos con agua antes de utilizarlos nuevamente.

Metodología. Conductividad eléctrica en líquidos 1. Vacíe 100 ml. de agua potable en la cubeta acanalada, también puede utilizar un beaker de 500 mL. 2. Introduce los electrodos, del mismo material, (cobre o Zinc) a la cubeta. 3. Arme el circuito mostrado en la figura 1. 4. Varíe la tensión de la fuente en 2, 4 y 6 Voltios, anote la corriente alcanzada, tenga cuidado y observe el valor indicado por el amperímetro, evite salirse de escala. 5. Registre en la tabla 1 sus datos y sus observaciones. 6. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta. 7. Agregue a la cubeta 100 ml de solución salina (agua + sal). 8. Coloque nuevamente los electrodos en la cubeta Figura 1. Conducción de electricidad en líquidos. 9. Arme el circuito mostrado en la figura 1. 10. Aumente la tensión de la fuente a 6V, anote la corriente alcanzada. Tenga cuidado con la escala. 11. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta. También limpie los electrodos. 12. Agregue a la cubeta 100 ml de solución de bicarbonato de sodio (Agua + bicarbonato). 13. Coloque nuevamente los electrodos en la cubeta. 14. Arme el circuito mostrado en la figura 1. 15. Aumente la tensión de la fuente a 6V, anote la corriente alcanzada 16. Abra el circuito, vacíe y seque la cubeta. También limpie los electrodos. 17. Termine de llenar la tabla 1 para cada una de las soluciones siguientes. Tabla 1. Conductividad eléctrica en soluciones

Agua potable

I=

Voltaje (V) 4 I=

Agua + sal.

I=

I=

I=

Agua + bicarbonato. I =

I=

I=

I=

I=

Sustancias

Agua + Azúcar

2

I=

6 I=

Observaciones

18. Tome nuevamente 100 mL de la solución que “deja pasar más corriente” en el paso anterior y arme el circuito de la figura 1.

20

19. Seleccione rangos de medidas adecuados de corriente continua para los instrumentos de medición (Voltímetro, Amperímetro) y cierre el circuito. 20. Ponga fuente de alimentación a 0 V y enciéndala. 21. Incrementa la tensión en pasos de 0.5 V, midiendo a la vez la corriente y anótela en la tabla 2. 22. Ahora deje fija la tensión en 6V, abra el interruptor y disminuya la distancia de los electrodos a la mitad. 23. Cierre el circuito y mida la intensidad, anótela al final de la tabla 2. 24. Fije la tensión en 0 V y apague la fuente de alimentación. 25. Desarme el circuito, lave y seque los materiales (electrodos, cubeta, envases, cables, etc.) Tabla 2. Ley de ohm para líquidos.

Voltaje (V) Intensidad (mA) Resistencia (Ω Ω)

0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

Intensidad [en mA] distancia de los electrodos reducida: _______________________________________ ________________________________________________________________________________________ Conductividad eléctrica en diferentes materiales 1. Arme un circuito como el de la figura 1, no obstante coloque en los extremos de las pinzas de lagartos un trozo de grafito (carbón) en lugar de la cubeta. 2. Encienda la fuente de poder, cerciórese antes que el potenciómetro de la misma este en cero. 3. Aumente lentamente el voltaje de la fuente a intervalos de 0.3 en 0.3 voltios hasta llegar a 3.3 V, anote la intensidad de la corriente para cada valor correspondiente de la tabla 3. 4. Reduzca a cero el potenciómetro de la fuente y cambie el trozo de grafito por un trozo de papel aluminio enrollado y aumente nuevamente el voltaje (debe hacerlo más despacio que en el caso del grafito, varíe el voltaje de 0.2 en 0.2 voltios) y obtenga los valores de intensidad de la corriente correspondientes a cada voltaje. 5. Anote los datos en la tabla 4 y complétela calculando la resistencia para cada par de valores de V e I tanto para el grafito como para el papel aluminio. Tabla 3. Conductividad en materiales sólidos

Voltaje (V)

0.0

Conductividad eléctrica en el grafito 0.3 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1

2.1

2.4

2.7

3.0

3.3

1.6

1.8

2.0

2.4

2.6

Intensidad (mA) Resistencia (Ω Ω), R = V I

Tabla 4. Conductividad en materiales sólidos

Voltaje (V)

0.0

Conductividad eléctrica en el papel aluminio 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

Intensidad (mA) Resistencia (Ω Ω), R = V I

Observaciones tabla 3

21

Evaluación 1. ¿Hay diferencia entre el comportamiento del agua potable y el agua con otra sustancia al introducir los electrodos? Si hay diferencias, ¿cómo explicas esta diferencia para cada una de las sustancias? 2. ¿Por qué no deberías usar el secador de pelo u otro artefacto eléctrico cerca del agua potable? 3. Calcule la resistencia, para cada valor de voltaje e intensidad encontrado el la solución de sulfato de cobre. 4. Para la tabla 2 realice un gráfico V (Y) vs. I (X). Si observa una relación lineal calcule al pendiente de la recta usando el método de los mínimos cuadrados. 5. ¿Considera que la relación V/I en el grafico realizado para la tabla 2 es una constante? ¿Qué concluye de la validez de la ley de ohm para los líquidos? 6. Con los datos de la tabla 3 y 4 realice un gráfico V (Y) vs. I (X) para cada material y calcule la pendiente de la recta. Con base en los datos de la tabla 3 y 4 y en los gráficos construidos, qué puede concluir respecto a la conductividad eléctrica de los dos materiales utilizados ¿Cuál es mejor, el grafito o el aluminio? 7. Comparando todas las sustancias utilizadas, líquidas y sólidas, ordénelas de mayor a menor conductividad eléctrica y explique por que unas son mejores conductoras de electricidad que otras.

22

LABORATORIO Nº 4 REGLAS DE KIRCHHOFF Objetivos 1. 2. 3. 4.

Aplicar las reglas de Kirchhoff para analizar circuitos de mallas y nodos Explicar cómo las reglas de Kirchhoff son consecuencia de la conservación de la carga y la energía. Verificar las reglas de Kirchhoff en circuitos de mallas y nodos. Describir las características de las ramas, los nodos y los lazos de un circuito.

Introducción Estas reglas representan una aplicación de dos principios de la física, vistos hasta ahora: La conservación de la carga eléctrica y la conservación de la energía. La primera regla establece que la suma algebraica de las corrientes que pasan por un nodo es cero. Dicho de otro modo, la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del nodo. Esto significa que ningún nodo guarda, destruye, o crea carga.

I1 En la figura 1 se da un ejemplo sencillo en el que cuatro conductores forman una unión con una corriente I1, I2, I3 e I4, respectivamente. La dirección de las corrientes está indicada con las flechas. Si se supone que corrientes que van hacia el nodo son positivas y que las que salen de él negativas, la primera regla de Kirchoff se puede escribir en la forma; I1 – I2 + I3 – I4 = 0 ó I1 + I3 = I2+ I4, es decir, ΣI entran= ΣI salen

I2

I4

las son

I3

Figura 1. Esquema Nodal: Unión de tres o más componentes. anudados entre si.

La segunda regla establece que la suma algebraica de los voltajes alrededor de un lazo cerrado es cero. Dicho de otro modo, la suma algebraica de las elevaciones de voltaje es igual a la suma de caídas de voltaje (caídas de tensión): Σe = ΣV. Esto significa que la energía que entrega la batería es usada en su totalidad por el circuito. La batería, o cualquiera de los elementos de circuito, no crean, ni destruyen energía, sólo la transforman. La energía se transforma en otra forma en trabajo, o en otra forma de energía, por ejemplo, en calor y se disipa en el ambiente. Estas dos reglas permiten analizar cualquier circuito y establecer las ecuaciones para resolver y obtener los valores de las corrientes (las incógnitas) que circulan por sus elementos. Observando figura 2, si se conecta el punto A de la red a masa, dicho punto tiene un potencial fijo y se puede considerar los demás (B, C y D) con respecto a él. Si conecta un I 3Ω voltímetro entre los puntos A y B, el potencial de B será 25 V mayor que el de A. En el circuito cerrado (malla) A, B, C, D, A: Σe = ΣV: 15 V (25 V – 15 V) = (7 Ω + 3 Ω) * I la corriente será de

(25 − 15) V (7 + 3) Ω

7Ω

=1 A

La caída de tensión en la resistencia BC será pues de 1A * 3Ω = 3 V. Como la batería de 15 V entre los puntos C y D. La caída de tensión en la resistencia AD es de 1A x 7Ω = 7 V.

Figura 2. Circuito cerrado o malla.

23

En la figura 3 se indica esquemáticamente lo anterior. De este modo, se puede trazar el “gráfico de potencial” o de tensión de cualquier circuito. De este modo se utiliza estas valiosas herramientas de trabajo que se utilizan todos los días en la resolución de circuitos simples, que ayudan por ejemplo a un técnico a determinar los valores de tensión y corriente, existentes en los circuitos. Materiales y equipos Tablero de conexión Multímetro para V/A. Resistencia de 1K Resistencia de 10K Resistencia de 470Ω (o de 390 Ω) Resistencia de 100Ω (dos) Fuente alimentación DC (dos) Cable conectores Tomas de masa

Figura 3. Gráfico de potencial

Metodología Primera regla de Kirchhoff 1. Monte el circuito del esquema A–1 y llame al instructor para que se lo revise. 2. Ajuste la fuente de alimentación a 20 V. Previamente debe haber encendido el voltímetro y el amperímetro ajustados en las escalas adecuadas (hacer antes los cálculos para hallar los valores teóricos). 3. Conserve constante la tensión de alimentación mientras dura el experimento. No varía el potenciómetro de la fuente de poder. 4. Lea cada una de las intensidades de corriente que pasa por las resistencias. Recuerde apagar la fuente alimentación antes de desconectar el instrumento de medición de corriente. 5. Si el amperímetro marca un valor negativo significa que está mal colocado y se debe invertir las terminales en el circuito. (cambiar de posición las espigas de los cables conectores) 6. Anote los valores medidos en la tabla 1. I1 I3 Tabla 4. Comprobación de la conservación de la carga. Componente

Corriente Calculada (mA)

Corriente del Experimento (mA)

Error Relativo (%)

I1 (por R1)

I2

Esquema A-1

I2 (por R2) I3 (por R3)

Compruebe: a. Itotal = IR2 = IR1 + IR3 b. VR1 = VR3 c. Vtotal = VR1 + VR2 7. Apague la fuente de alimentación y rearme el circuito sugerido en el paso siguiente.

24

8. Construya el circuito del esquema A–2, omita la resistencia de 470 Ω. 9. Ajuste B2 a 15 V. 10. Ajuste B1 a 10 V. 11. Conecte las resistencias de 470Ω en la posición indicada. 12. Compruebe los valores de B2 y B1 y si hace falta ajústenlas a I1 15 V y 10V, respectivamente 13. Lea los instrumentos I1 e I2 y anote sus valores en la tabla 2. Observe el valor de la corriente (negativo o positivo) si le da positivo significa que la corriente fluye en ese sentido (salir o I3 entrar) sino indica que va en sentido contrario. 14. Lea el valor de la corriente I3. (asegúrese bien que la polaridad es la correcta). 15. Aumente el voltaje de B1 hasta 15 V, y lea nuevamente los valores de las corrientes (compruebe nuevamente la conservación de la carga) 16. Indique con un esquema nodal (figura 1) que corrientes salen y cuales salen del nodo en cuestión. Fíjese en el signo indicado por el amperímetro. 17. Apague la fuente alimentación y desarme el circuito. Apague también los multímetros.

I2

Esquema A-2

Tabla 5. Comprobación de la conservación de la carga para el esquema A-2

B1 = 10V y B2 = 15V Componente

Corriente Calculada (mA)

Corriente del Experimento (mA)

Error Relativo (%)

I1 (por R1) I2 (por R2) I3 (por R3) B1 = 15V y B2 = 15V Componente

Corriente Calculada (mA)

Corriente del Experimento (mA)

Error Relativo (%)

I1 (por R1) I2 (por R2) I3 (por R3) Compruebe: a. Considerando uno de los nodos; se debe cumplir que la suma de las corrientes que salen es igual a la suma de las que entran.

25

Segunda regla de Kirchhoff 1. Forme el circuito B–1 (excepto la resistencia de 10 kΩ) 2. Ajuste B1 a 18 V y B2 a 8 V. y Apáguela sin reducir a cero los potenciómetros de la fuente. 3. Conecte la resistencia de 10 kΩ y el amperímetro y encienda la fuente de alimentación. 4. Reajuste si es necesario B1 y B2 a 18 V y 8 V respectivamente. 5. Lea en el amperímetro la corriente que pasa por la resistencia de 10K. 6. Mida la caída de tensión (leer voltaje) en cada resistencia (cuidado con la polaridad) 7. Observe que la suma algebraica de las tensiones en cada una de las mallas es cero. 8. Reduzca la tensión B1 hasta que el amperímetro marque cero. 9. Midan ahora B1 y B2 y comprueben que las tensiones son iguales. 10. Compruebe otra vez que la segunda regla de Kirchhoff es cierta. 11. Anote lo valores en la tabla 3.

I

Esquema B-1.Circuito con 2 lazos.

Tabla 3. Comprobación de la segunda regla de Kirchhoff.

Parámetro

Corriente I (mA) que pasa por R = 10K

Corriente I (mA) que pasa por R = 1K

Caída de tensión en R = 10K (V)

Caída de tensión en R = 1K (V)

Valor Calculado Valor Experimental Error relativo (%) Compruebe: a. Considerando una de las dos mallas de este circuito; se debe cumplir que la suma de las elevaciones de voltaje es igual a la suma de las caídas de tensión en la misma. Evaluación 1. Para la tabla 1 y 2 compruebe que la suma de las corrientes que entran a un nodo es igual a la suma de las corrientes que salen del mismo. ¿Se cumple la conservación de la carga? 2. Para la tabla 3 considere las dos mallas y compruebe que la sumatoria algebraica de las tensiones (fem, caídas o elevaciones) es igual a cero. 3. Establezca las definiciones prácticas de las reglas de Kirchhoff. 4. ¿Por qué no habrá corriente en el circuito B-1, si B1 = B2? Demuestre con cálculos. 5. Para los esquemas A-1 y A-2 establezca un esquema nodal con las direcciones de las corrientes que demuestre la validez de la primera regla de Kirchhoff.

26

LABORATORIO Nº 5 CIRCUITOS MIXTOS Y FENÓMENOS TRANSISTORIOS Objetivos 1. 2. 3. 4.

Calcular y medir la resistencia equivalente de resistencias conectadas en serie-paralelo. Aprender a conectar circuitos eléctricos más complejos basándose en un diagrama esquemático. Analizar el fenómeno de carga y descarga de un capacitor. Observar el fenómeno de control de tiempo en un circuito RC.

Introducción Los proveedores de equipo eléctrico casi siempre proporcionan un instructivo que muestra los diagramas del circuito (dibujos esquemáticos). Estos diagramas tienen un diseño claro y nítido; pero se requiere cierta práctica para interpretarlos en relación al circuito físico real. Este experimento de laboratorio le permitirá al estudiante aprender a hacer conexiones basándose en un diagrama de alambrado, lo cual constituye el primer paso para resolver combinaciones más complejas. Los circuitos en serie y los de paralelo se calculan con facilidad, cuando menos en lo que respecta a la resistencia equivalente. Los circuitos conectados en serie-paralelo no son necesariamente más difíciles y el secreto está en reducir los diversos elementos de circuito a valores en serie y en paralelo hasta que todo el circuito se haya cambiado a una sola resistencia equivalente. El método experimental es la mejor prueba de corrección o comprobación de una teoría, y el resultado de laboratorio es determinante para cualquier diferencia entre ambos valores. A esto se debe que el trabajo de laboratorio sea tan importante. El capacitor como un almacenador de energía permite múltiples aplicaciones y una de estas es controlar el tiempo en un circuito, para esta función se aprovecha la carga y descarga del capacitor a través de un resistor. El producto RC es una medida de que tan rápido se carga el capacitor, a RC se llama constante de tiempo o tiempo de relajación del circuito y se representa con τ (tau) que es el tiempo efectivo de carga del capacitor. Este además representa el tiempo que tomará la corriente para decrecer hasta 1/e de su valor inicial. Dependiendo de la frecuencia de carga y descarga del capacitor este puede controlar el tiempo en un circuito.

t −   − RC   Vc (t ) = Vo − Vo e τ Sabiendo que τ = R*C, Vc = Vo 1 − e    t

Haciendo τ = t, se tiene:

τ −  Vc = Vo 1 − e τ 

  = Vo (1 − e −1 ) = 0.63I  

Donde: Vo = Carga máxima (Carga inicial o valor de la fem ε antes de abrir el circuito) Vc = Caida de tensión carga en función del tiempo (carga temporal) Se pueden hacer mediciones de tau a través de las lecturas de voltajes en un osciloscopio, que es un graficador de señales de todo tipo (sinusoidales, pico de sierra, cuadradas), dichas mediciones pueden ser en un laboratorio práctico o de manera virtual utilizando un software simulador, por ejemplo Electronics workbench (EWB V5.12). La lectura de τ permite calcular C, sabiendo que τ= RC, se despeja la C. Cuando se conecta una f.e.m., un capacitor, y un voltímetro en paralelo, es posible calcular el voltaje a través del condensador como una función del tiempo. Si Q (t) = C ε e- t/RC;

27

En el circuito descrito anteriormente (figura 1), con un interruptor abierto los únicos elementos en el circuito son el condensador C y la resistencia R del voltímetro, de modo que para todo instante de tiempo el voltaje a través del capacitor Q / C es igual al voltaje a través del voltímetro IR de donde se obtiene: V = Q / C = C ε e- t/RC /C V = ε e- t/RC de donde se llega a la expresión ln (ε / V) = t / RC de este modo se determina el V a través del capacitor como una función de t. Si se gráfica t vs. ln (ε / V), dará una línea recta con pendiente 1/RC así podemos encontrar la resistencia interna del voltímetro si se conoce la capacitancia del capacitor. La función que representa la relación lineal entre ln (ε/V) y t es:

ln(ε / V ) =

1 t RC

Materiales Tablero de conexión Resistencia de 1K

Resistencia de 10K Multímetro DC/AC

Resistencia de 100Ω (dos) Resistencia de 470Ω

Condensador de 47µF Cables de conexión

Resistencia de 47Ω

Fuente de alimentación 0-30V CC

Resistencia de 4.7K

Metodología Circuitos Resistivos 1. Verifique que los valores indicados por las resistencias son correctos. Si alguna de ellos esta alterado corrija el valor real en el circuito correspondiente. 2. Calcule la resistencia equivalente del circuito de la figura 1. 3. Arme el circuito de la figura 1, debe identificar como realizar la construcción del circuito en el tablero de conexión. 4. Mida la resistencia equivalente del circuito con el ohmiómetro, debe darle un resultado similar al calculado, de lo contrario revise el circuito hasta que los valores sean bastante parecidos. 5. Calcule la resistencia equivalente del circuito de la figura 2. 6. Desarme el circuito anterior y construya el de la figura 2. 7. Utilice el ohmiómetro y mida la resistencia equivalente del circuito de la figura 2 y compara con el valor obtenido en el paso 5, los valores debe ser similares, sino verifique el circuito. 8. Anote los valores obtenidos en la tabla 1.

Figura 1. Circuito resistivo

Tabla 1. Resistencias equivalentes

Circuito

Resistencia equivalente calculada(Ω)

Resistencia equivalente medida(Ω)

Error relativo (%)

Figura 2. Resistencias mixtas

1 2

28

9. Monte el circuito de la figura 3 y calcule la resistencia total del circuito. 10. Determine el voltaje necesario en el circuito 3 para obtener una corriente total de 30 mA. Utilice la ley de Ohm. 11. Encienda la fuente alimentación y aumente lentamente el voltaje de la misma hasta llegar al voltaje calculado en el paso anterior. 12. Lea el valor de la intensidad total del circuito. Mida la corriente que pasa por cada resistencia así como el voltaje de I=30mA las mismas. 13. Anote los valores en la tabla 2.

Figura 3. Diseño de circuito con voltaje desconocido

Tabla 2. Valores encontrados para el circuito 3.

Procedimiento

Resistencia Equivalente (Ω)

Intensidad total (mA)

Voltaje total (V)

Resistencia (Ω)

Teórico

1=

Práctico

2=

Error (%)

3=

Intensidad (mA)

Voltaje (V)

4= Fenómenos transistorios 1. Construya el circuito de la figura 4, no conecte aun la fuente de alimentación. 2. Ajuste la fuente a un valor de 10 V (ε) mida el voltaje en las terminales con el ε voltímetro. (Anote en una tabla de datos número tres). 3. Apague la fuente (sin disminuir a cero el potenciómetro) y conéctela en la posición indicada en el circuito. 4. Antes de encender la fuente, llame al instructor o profesor para que revise el circuito. Anote la capacitancia del condensador. 5. Encienda la fuente y lea el voltaje mostrado por el voltímetro (DCV 10V), hasta Figura 4. Circuito RC. que se muestre el valor máximo ajustado previamente. 6. Abra el circuito si hay interruptor (o si no quite cable positivo de la fuente) y al mismo tiempo que usted abre el circuito active el cronómetro (recuerde no trabajar solo necesitará colaboración de sus compañeros). 7. Dejando activado el cronómetro y para nueve (9) valores predeterminados del voltaje, registrará el tiempo correspondiente a cada voltaje. Los valores Vi deben escogerse de modo que tengan decrecimiento del 10% del valor inicial, llene la columna correspondiente en la tabla 3 antes de medir. 8. Repita los pasos los pasos 5 y 6 dos veces más.

29

Tabla 4. Linealización relación caída de tensión voltaje vs. tiempo.

Tabla 3. Caída de tensión en un condensador

Medición

Vi(V)

0

1.0*εε =

1

0.9*ε =

2

0.8*ε =

3

0.7*ε =

4

0.6*ε =

5

0.5*ε =

6

0.4*ε =

7

0.3*ε =

8

0.2*ε =

9

0.1*ε =

1 t(s)

Repetición 2 t(s) 3 t(s)

σt

tpromedio

ln(ε/Vi)

ε=

(V)

1/RC =

(s-1)

C=

(µ µF)

Rcalculada =

(Ω Ω)

14. Sabiendo que la pendiente (m) del gráfico linealizado es igual a

120

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Caída de tensión (Vi en voltios)

9. Calcule los valores de ln(ε/Vi) y anótelos en la tabla 4. Divida el valor máximo suministrado de la fem (10 V) entre el valor de la caída de tensión 10 Curva de descarga de un condensador y en función de t y aplique logaritmo 9 linelización tiempo vs. caída de tensión. natural. empezando en Vi = 10V; ln 8 7 (10/10). 6 10. Si los valores de t fueron tomados para 5 un mismo valor Vi, puede promediar los 4 valores de tiempo y asignarlos a su 3 respetivo voltaje, de lo contrario trabaje 2 los datos de manera independiente. 1 11. Grafique la línea de descarga del 0 capacitor (t vs. Vi). 12. Grafique la relación lineal entre el Tiempo de descarga (t en segundos) tiempo y la caída de tensión. t vs. Gráfica 1 ln(ε/Vi) 13. Desarrolle el método de mínimos cuadrados, utilizando ln(ε/V) como las ordenadas y los valores de correspondientes de t como las abcisas y encuentre la pendiente del gráfico.

1 1 (m = ), determine el valor de la RC RC

resistencia del voltímetro. C es el valor de la capacitancia anotada en el paso 4, debe estar en Faradios. 15. Extraiga sus propias conclusiones respecto al calculo de R. Nota: R calculada es el valor de la resistencia interna del voltímetro y esta debe coincidir con la proporcionada por el fabricante

30

Evaluación 1. ¿Cuánto es el error de la resistencia equivalente medida con respecto al valor de R equivalente teórico del multímetro? 2. Según los 4 esquemas de la figura 5 marque las conexiones que se requieren para obtener 1400 ohms. 2000ohms, y 500ohms. 3. El circuito de la figura 6 tiene algunos errores de conexión. ¿Cuáles son? Corrija los errores y encuentra la resistencia equivalente.

1

2

3

4 Figura 5

4. Según el valor teórico de la resistencia del multímetro considera que el método de los fenómenos transitorios es adecuado para encontrar dicho valor. El valor teórico del multímetro es de 1 MΩ (Megaohm, 1*106 ohm) Resistencia interna del voltímetro Teórica Calculada Error Relativo (%)

Figura 6

31

LABORATORIO Nº 6 CIRCUITOS CON CA Y APLICACIONES DE ELECTROMAGNETISMO Objetivos 1. Estudiar los principios de funcionamiento de un modelo de motor universal de corriente directa. 2. Comprender técnicamente la generación de corriente alterna usando un modelo simple de generador. 3. Armar un modelo de timbre eléctrico y usarlo para examinar su funcionamiento. Introducción Motor universal El motor universal de CA/CD se utiliza en herramientas portátiles tales como taladros, nenas, pulidoras eléctricas, etc., y también en aparatos caseros como aspiradoras, batidoras, etc., en los que la alta velocidad, mucha potencia y tamaño pequeño constituyen una ventaja. El motor universal es fundamentalmente un motor de c.d diseñado especialmente para funcionar con c-a y con c.d. Un motor serie normal de c.d funciona muy deficientemente en c-a, debido sobre todo a dos razones: a) La alta reactancia de los devanados de armadura y campo limitan la corriente de c-a a un valor mucho menor que la corriente directa (para el mismo voltaje de línea) b) Si se usa acero sólido para el marco o yugo del estator, el flujo de c-a producirá grandes corrientes parásitas en él y, por lo tanto, se calentará. Generador de corriente alterna El funcionamiento del generador de corriente alterna, se basa en el principio general de inducción de voltaje en un conductor en movimiento cuando atraviesa un campo magnético. Este generador consta de dos partes fundamentales, el inductor, que es el que crea el campo magnético y el inducido que es el conductor el cual es atravesado por las líneas de fuerza de dicho campo. La frecuencia de la corriente alterna que aparece entre los terminales de salida se obtiene multiplicando el número de vueltas por segundo del inductor por el número de pares de polos del inducido, y el voltaje generado dependerá de la fuerza de los imanes (intensidad del campo), la cantidad de vueltas de alambre de las bobinas y de la velocidad de rotación. Timbre eléctrico La existencia de la fuerza que actúa sobre una corriente que cruza un campo magnético se llama efecto motor. Se llama electroimán a un solenoide con núcleo de hierro, y cuando se hace pasar una corriente eléctrica por el solenoide, dicho núcleo de hierro se comporta como un imán. Si la corriente que pasa por el solenoide es variable, también es variable la fuerza magnética. Cuando la corriente se interrumpe prácticamente desaparecen las fuerzas magnéticas. Este efecto se aprovecha en el uso de algunos aparatos como el timbre, el teléfono, el telégrafo, motores eléctricos, grúas electromagnéticas, etc. Materiales Motor Universal Multímetro Fuente de alimentación Cables de conexión

Barra rectangular de imán permanente Núcleo de hierro Bombilla de 6V

Dispositivo para timbre Resistencias Bobina de 400 vueltas

32

Metodología Motor Universal 1. Examine la estructura del módulo de motor universal suministrado por el profesor. 2. Observe detenidamente el motor desde la parte posterior y delantera, identifique las partes principales de equipo. Partes del motor: Figura 1. Activación de motor con imán permanente.

3. Arme el circuito mostrado en la figura 2. 4. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente hasta 6 voltios (no exceda este valor). 5. Si el motor no empieza a girar por si solo coloque el embobinado el rotor el diagonal en la esquina contraria donde se inicia el giro. 6. Deje trabajar el motor por 3 minutos y anote sus observaciones. Preste atención al amperímetro y observe el valor indicado cuando el motor empieza a girar y cuando se encuentra en movimiento a régimen continuo. 7. Mida y anote los valores indicados en la tabla 1. Tabla 1. Observaciones del motor universal con imán permanente

Medición

V(Volts)

I(Amps)

P(Watts)

Al arranque Figura 2. Motor CC 9V

Régimen continuo Potencia [Watt] = Voltaje * intensidad de la corriente (P = V * I)

8. Apague y desconecte la fuente de alimentación y proceda al paso siguiente. 9. Arme el circuito mostrado en la figura 3. 10. Conecte la fuente de alimentación y aumente lentamente hasta que el motor empieza a girar a una velocidad similar a la observada en el caso anterior con imán permanente. No exceda los 6 voltios. Figura 3. Motor CC 9V 11. Preste atención al amperímetro y observe el valor indicado cuando el motor empieza a girar y cuando se encuentra en movimiento a ritmo constante. Deje trabajar el motor por 3 minutos y anote sus observaciones. 12. Mida y anote los valores indicados en la tabla 2. Tabla 2. Observaciones del motor universal de circuito derivado

Medición

V(Volts)

I(Amps)

P(Watts)

Al arranque Régimen continuo Observaciones sobre el funcionamiento del motor universal

33

Generador de corriente alterna 1. Monte el experimento según se muestra en las tres figuras de abajo (figura 4,5 y 6) 2. Atornille firmemente el imán al vástago de rotación. Coloque el imán entre las dos bobinas, de tal manera que cada polo tenga una distancia de 1cm a las bobinas. 3. Gire el imán a diferentes velocidades y observe el instrumento de medición de voltaje (anote sus observaciones)

Figura 4.

Figura 6. Figura 5.

Observaciones del generador de corriente alterna

Timbre eléctrico 1. Arme el circuito comos se muestra en la figura 7. 2. Use los dos enchufes de conexión para insertar la bobina en el tablero y deslice el núcleo de hierro (yugo), el interruptor debe estar abierto. 3. Atornille firmemente el soporte universal para que haga buen contacto con el muelle de armadura (martillo del timbre, si es necesario, retire la tuerca del tornillo 4. Encienda la fuente de alimentación y fije a 5V. 5. Cierre el interruptor de tal manera que la campana sea golpeada por el martillo si es necesario ajuste la distancia entre el núcleo de hierro y el muelle de la armadura. 6. Cierre y abra el circuito varias veces y observe lo que ocurre anote sus observaciones. 7. Ponga la fuente alimentación en 0V y apáguela.

Figura 7. Timbre eléctrico.

34

Observaciones del timbre

Use este espacio para más anotaciones acerca de los experimentos

35

LABORATORIO Nº 7

CELDAS SOLARES Y LAS ENERGÍAS RENOVABLES Objetivos 1. 2. 3. 4.

Familiarizarse con el principio básico de conversión de la energía luminosa en energía eléctrica. Estudiar las características eléctricas de las celdas solares Ilustrar las características y conducta de una red activa de dos terminales Analizar el comportamiento de carga de una red activa con celdas solares.

Introducción Las celdas solares juegan un papel sustancial en el desarrollo de fuentes de energía no fósil. Ellas transforman la luz directamente a energía eléctrica y son, por lo tanto, la solución más favorable para áreas especiales de aplicación. La tensión nominal de la celda solar es de 0,5V; su resistencia interna disminuye cuando la intensidad luminosa incidente aumenta. La resistencia interna no es constante a una intensidad luminosa dada, sin embargo, es dependiente de la carga. Si la resistencia fuera constante la curva característica para la tensión (V) y corriente (I) sería una línea con una pendiente negativa entre la corriente de cortocircuito (IS) en el eje de la I, y la tensión nominal (V0) en el eje de V. Cuando se comparan las diferentes posibilidades para producir energía también se deben considerar las desventajas, Por ejemplo, se necesita una gran cantidad de energía para fabricar las celdas solares. Además, para remover los metales pesados de las baterías solares es un gran problema de medio amiente y su costo inicial es muy alto. Las celdas solares son diodos de gran área superficial, en las que, la luz puede ingresar la unión PN y producir, allí, pares portadores de carga. El sustrato semiconductor está en un soporte metálico y una celosía de metal en el lado superior permite que los electrones fluyan. Exponer la celda solar a la luz produce una tensión entre 0,5 y 0, 6 voltios en una operación de circuito abierto. Una corriente fluye cuando se conecta una resistencia de carga. La intensidad de la corriente depende del tamaño de la resistencia, de la intensidad de la luz incidente y del área de la superficie de la celda solar. La tensión nominal y la corriente de cortocircuito, las cantidades características de una fuente de corriente se pueden ajustar para lograr requerimientos individuales de conexiones en serie y en paralelo de celdas solares en baterías solares. Materiales Multímetro (dos)

Celda solar 0,5V, 0,3A

Soporte de conexión

Fuente de alimentación 0-20V CC

Bombilla de 6V, 0,5A

Cables de conexión

Tablero de conexión

Potenciómetro 250Ω

36

Metodología 1. Arme el circuito mostrado en la figura 1. Fije los lados de la celda solar en los soportes de conexión, y ubique la lámpara en la posición 1. 2. Seleccione los rangos de medición adecuados a 1 V y 30 mA de CC. 3. Conecte la lámpara a la fuente de alimentación, y ajústela a 6V. 4. Fije el potenciómetro 0, es decir la máxima carga en la celda solar, mida la tensión y la intensidad de la corriente y registre los valores medidos en la tabla 1. 5. Use el potenciómetro para incrementar la tensión, haciéndolo por etapas de 0.03 V cada una. Llegando hasta el valor máximo del potenciómetro (250 Ohm) 6. Cuando llegue al valor máximo del potenciómetro y haya registrado todos los valores en la tabla 1, apague la fuente de alimentación y desconéctala. 7. Acerque más la posición de la lámpara respecto a la celda solar y repita los pasos anteriores. (posición 2) 8. Utilice la tabla 2, para registrar los datos en la nueva posición de la lámpara. 9. Ordene el puesto de trabajo y realice las actividades de evaluación, además anote sus observaciones respecto a la práctica. 10. Reduzca a cero y apague la fuente de alimentación. 11. Desarme el circuito y ordene el puesto de trabajo. Anote sus observaciones. Tabla 1. Serie de mediciones V-I para una celda fotovoltaica en la posición 1.

Voltaje Corriente (V) (I)

Potencia Resistencia (mW) (Ω Ω)

Figura 1. Conversión de la luz en energía eléctrica.

Figura 2. Circuito simplificado conversión de energía luminosa en eléctrica.

Tabla 2. Serie de mediciones V-I para una celda fotovoltaica en la posición 2.

Voltaje Corriente (V) (I)

Potencia Resistencia (mW) (Ω Ω)

a. La resistencia eléctrica se debe calcular usando ley de ohm; ( R = V/I)

37

b. P = V * I.

Observaciones

Evaluación 1. Grafique la intensidad I (eje Y, en A) contra la tensión V (eje X, en V) para cada una de las series registradas (posición 1 y 2). Trace una curva característica de la celda solar para ambos gráficos y describa lo que observa al comprar cada una (Ver gráfica 1). Se recomienda trazar ambas posiciones en un mismo gráfico. 2. Calcule la potencia eléctrica (P = V*I) de la celda solar para todos los pares de valores V e I. Expresa en mili vatios, mW, Es decir multiplique por 103. Resultado de de voltios por amperios. 3. También calcule la resistencia de carga R (ohm) para todos los pares de valores V e I. 4. Trace un gráfico P (eje Y, en mW) contra R (eje X, en Ω). Tanto para la posición 1 y 2, puede hacer un mismo gráfico. 5. Realice un análisis para cada gráfico realizado en los pasos 1 y 4. Que puede concluir respecto al comportamiento de la celda solar. 6. Si la corriente medida cuando la celda solar esta cortocircuitada (teóricamente V= 0), se llama corriente de cortocircuito, IS. ¿Por qué la tensión de la celda solar es mayor que cero cuando el potenciómetro esta en 0V? 7. Como cambian la corriente de cortocircuito y la tensión nominal cuando cambia la intensidad luminosa, es decir cambia de posición el bombillo.

iS iM

Intensidad (I)

i

Voltaje (V)

VM

V

V0

Gráfica 1. Curva característica de una celda solar.

38

LABORATORIO Nº 8 NATURALEZA DE LA LUZ Objetivos 1. Estudiar experimentalmente las leyes de la reflexión y la refracción de la luz. 2. Determinar del índice de refracción de distintas sustancias. Introducción Cuando un haz de luz incide sobre la superficie que separa dos medios (p.e Aire-Agua), en los cuales la luz se propaga con diferentes velocidades, parte de la misma se transmite y parte se refleja, como se indica esquemáticamente en la figura 1. Para un medio cualquiera, el índice de refracción n se define como:

C n = . Donde C es la velocidad de la luz en el vacío y V la V velocidad de la luz en ese medio.

Haz θ1 incidente

θ2

Haz reflejado Índice n

Medio 1 Medio 2 Índice n´ Índice de refracción n´>n

θ3

Haz refractado

El objetivo de los siguientes experimentos es estudiar las propiedades generales de la reflexión y refracción de la luz. Figura 1. La luz se refleja y se refracta.

La ley de Snell establece que la relación entre el ángulo incidente (θ1) y el refractado (θ3) es: n1 * senθ 1 = n3 * senθ 3 Donde n1 es el índice de refracción del medio donde se propaga el rayo incidente y n3 es el índice de refracción correspondiente al medio donde se propaga el rayo transmitido. Despejando n3 queda; n3 =

n1 senθ 1 senθ 3

Similarmente, la ley de la reflexión establece que el ángulo de incidencia (θ) es igual al ángulo reflejado (θ2), esto es: θ 1 = θ 2 Tabla 1. Índice de refracción de En la tabla 1 se muestra os índice de algunos líquidos. algunas sustancias Índice de Sustancia En la tabla 1, se proporcionan datos acerca de los índices de refracción de refracción diversas sustancias Vacío 1 Aire 1,00029 Materiales Glicerina 1,47 Agua 1,333 Puntero láser Papel angular Alcohol etílico 1,362 Prisma semicircular hueco Transportador Vidrio óptico 1,52 Prisma de vidrio óptico Base rígida y plana Aceite de oliva 1,46 Sustancias líquidos varios (250 ml) Regla 30 cm. Cloruro de sodio 1,54 Solución de azúcar 1,49 (80%)

: Evite utilizar el puntero láser para señalar a sus compañeros de grupo.

39

Metodología 1. Refracción y reflexión a. Medir la longitud del prisma y marcar la parte media. b. Disponer de cierta cantidad de sustancia líquida dentro del prisma, hasta un poco más de 2/3 de su capacidad. c. Colocar el prima en el centro del papel angular, es decir en el origen (0,0) d. Hacer incidir con el láser un rayo que entre justamente por la parte media del prisma y medir el ángulo de incidencia, de reflexión y el de refracción. Vea la figura 2. e. Un modo simple de determinar la dirección de los rayos de luz consiste en marcar tres puntos cada vez que se hace incidir un rayo láser en el centro, el cual deber ser mismo Figura 2. Dispositivo sugerido para estudiar las para cada medición. Disponga el puntero láser (o un láser leyes de la reflexión y la refracción. común) de tal manera que visualice la marcha de los rayos en la sustancia. f. Repetir los pasos anteriores para otras sustancias líquidas orientadas por el instructor. Y anote siempre los datos en la tabla 2, luego termine de llenarla con los cálculos requeridos. Tabla 2. Índice de refracción calculado. Considere n1 = 1,00029 (Aire)

n senθ

Muestra Nº

1 Rayo Rayo Rayo n3 = 1 senθ 3 reflejado refractado incidente θ1 (Grados) θ2 (Grados) θ3 (Grados)

Error relativo (%)

Velocidad de la luz en el medio, m/s. Vmedio = C/n3

1= 2= 3= 4= 5= 6= 7= 8=

Error relativo (%) =

 n3Teórico − n3 Experimental  n3Teórico  

  *100  

2. Dependencia de θ3 respecto a θ1 a. Seleccione una de las sustancias utilizadas anteriormente, puede ser cualquiera, y repita el experimento de modo que el ángulo de incidencia θ varía desde 0º hasta 70º en pasos de aproximadamente 10º. Para ello haga incidir el láser de modo que el haz incida siempre en el mismo punto en el centro del prisma. Marque el punto se salida del haz refractado, esto es el punto la proyección del ángulo refractado. b. Lea para cada ángulo de incidencia el ángulo del haz reflejado y el refractado. c. Llene la tabla 3 con sus mediciones y con los cálculos que se requieran.

40

Tabla 3. Haz refractado en función del haz incidente

Sustancia seleccionada: ________________________________________________ Rayo incidente θ1

0°

10°

20°

30°

40°

50°

60°

70°

Rayo reflejado θ2 Rayo refractado θ3

n3 =

n1 senθ1 senθ 3

Evaluación 1. Haciendo uso de la ecuación de la ley de Snell determine el índice de refracción de la luz para cada sustancia contenida en el prisma y para el vidrio óptico (n3). Recuerde que el índice de refracción del aire en condiciones normales de presión y temperatura es: n1 = 1.00029. 2. Compare el valor obtenido en su experimento con los valores de tablas para el material en estudio (ver valores teórico en la tabla 1). 3. Con los datos de la tabla 3 realice un gráfico de θ3 (Y) vs. θ1 (X) y otro para senθ3 (Y) vs. senθ1 (X). Analice las distintas dependencias y discuta sus conclusiones. 4. Haciendo uso del índice de refracción calculado (n3), determine la velocidad de la luz para cada una de las sustancias utilizadas. 5. ¿Qué puede decir acerca de la validez de la ley de Snell y la ley de la reflexión (θ1 = θ2) para los casos que acaba de estudiar experimentalmente? Desarrolle su respuesta en las conclusiones.

41

LISTA DE REFERENCIA

Fiebich, R., Rossler, W. y Scholmeyer, G. (2004). La física en experimentos de estudiantes Electricidad/Electrónica en tablero de conexión. Alemania: Serie de publicaciones PHYWE. Hewitt, P. G. (1998). Manual de laboratorio de Física. México: Pearson Educación. Ministerio de Fomento, Industria y Comercio, MIFIC (2005). Norma metrológica sobre el Sistema Internacional de Unidades (SI). Managua: MIFIC. National Institute of Standards and Technology, NIST (2008). Guide for the Use of the International System of Units (SI). USA: NIST.

42

ANEXOS 1. Rúbrica para evaluar informe de laboratorio La rúbrica consiste en una guía para valorar la calidad del informe que entregue (ver cuadro 1), Con base en ella se corregirá su informe de laboratorio y la puntuación dependerá del nivel de desempeño que se obtenga. Por ejemplo: si todo su informe es catalogado como nivel 3, las notas posibles que obtendrá serán las que están en la columna correspondiente a dicho nivel (17 puntos de 17). Cabe señalar que los niveles se ajustan por apartado, usted puede tener un marco teórico y resultados ejemplares (nivel 3), pero puede que sus conclusiones y metodología sean insuficientemente desarrolladas (nivel 1), en este caso su nota final será una combinación de puntuaciones por niveles. Notas generales: •

Se realizarán 8 laboratorios, de 3 horas de duración cada uno. Los 8 laboratorios y las 8 pruebas cortas totalizan un 25% de la nota final de la asignatura (ver cuadro 2). El laboratorio número uno se realiza en la segunda semana de haber comenzado el cuatrimestre correspondiente.

•

Cada informe de laboratorio se corregirá de acuerdo con una calificación máxima de 17 puntos y al final se promediará los 8 laboratorios que se realicen. La nota máxima de los 8 es 17 puntos.

•

Las pruebas cortas totalizarán un máximo de 8 puntos. Se realiza una prueba antes de cada sesión de laboratorio y no durarán más de 10 minutos. Las pruebas consisten en preguntas acerca de la guía correspondiente (léala completamente) o ejercicios que se relacionen con el experimento a desarrollar.

•

Los informes se entregan una semana después de que se ha realizado la sesión práctica. Todo informe debe ser entregado al entrar al siguiente laboratorio y únicamente se acepta informes en formato físico (escrito a mano o en máquina).

•

Todo estudiante que no se encuentre al momento de iniciar la prueba perderá el derecho a la misma.

•

Recuerde; uso obligatorio de la gabacha, zapatos cerrados, portar limpión, cuaderno de apuntes y manual de laboratorio.

En el Cuadro 1. Rúbrica para evaluar los informes de laboratorio de física, de la página siguiente encontrará una descripción de las características que posee cada nivel de puntuación de los informes de laboratorio.

43

Cuadro 1. Asignaciones cuantitativas de los niveles de desempeño y nota final de los 8 laboratorios.

Componentes del Informe Presentación

Resumen

Introducción

Objetivos

Marco teórico

Metodología

Resultados: datos, figuras y gráficos, tablas, etc.

Discusión

Conclusiones

Lista de referencia y anexos.

1: Insuficiente

Niveles de desempeño 2: Adecuado

No incluye todos los datos solicitados y los presentados están muy desordenados. No se ajusta al formato de presentación. Se omiten uno o más elementos centrales del experimento o de los resultados.

Se ajusta al formato establecido pero omite datos relevantes de la presentación. Incluye la mayoría de los elementos esenciales del experimento y los resultados y omite cuestiones menores.

Incorpora cierta información del marco del experimento, omitiendo algunos aspectos importantes.

Introducción básicamente completa, con omisión solo de algunos aspectos menores. Objetivos del experimento redactados con pequeñas omisiones y errores de redacción.

Redacción insuficiente de objetivos, se omite algunos propósitos del laboratorio. Uso no adecuado de verbos. Algunos supuestos están evidenciados y justificados. Las citas de integran de modo deficiente, pobre o débil integración de fuentes secundarias.

Se da cuenta de parte de los detalles experimentales importantes, con omisiones relevantes. La mayor parte de las figuras, gráficos y tablas son correctas pero en varios casos presentan limitaciones de importancia

La mayoría de los conceptos están sustentados. Presentan alguna desconexión en la redacción y no están del todo claras respecto a lo desarrollado en el laboratorio. Se da cuenta de todos los detalles importantes de la práctica de laboratorio, salvo omisiones menores. Figuras, tablas y gráficos son en general correctos, aunque presentan algún problema menor que podría ser mejorado.

Parte de los datos se han interpretado y discutido correctamente, pero se identifican errores e imprecisiones de importancia.

Casi todos los resultados han sido interpretados y discutidos correctamente. Se identifican imprecisiones menores.

Aunque recojan los principales aspectos estudiados, se explican y comentan errónea o ambiguamente. Pobre comprensión Presenta una bibliografía incompleta, obviando algunas referencias obligatorias. (Guías y apuntes personales, etc.). Los anexos están mal organizados.

Se exponen todas las conclusiones básicas, pero se podría mejorar la formulación. Algunos aspectos vagos. Referencia bibliográfica completa, pero sin utilizar dentro del marco teórico. Los anexos están completos, pero se hace referencia ellos dentro del informe.

3: Ejemplar Se ajusta completamente al formato y posee toda la información requerida para la presentación del informe. Incluye la mayoría de los elementos esenciales del experimento y los resultados, conforme a una estructura estándar. Bien escrito Introducción completa y bien escrita, proporcionado un buen marco para contextualizar el experimento. Redacción de los objetivos completamente ajustada al desarrollo experimental de la práctica de laboratorio. Correcto uso de verbos. Las fuentes información excelentemente integradas con el material práctico, coherente redacción. Muy buen uso de las fuentes secundarias. Lo presentado argumenta totalmente el tema. Se da cuenta de todos los detalles del experimento.

Todas las figuras, gráficos y tablas están bien diseñados, numerados y titulados.

Todos los resultados comparativos y las tendencias presentes en los datos han sido interpretados y discutidos correctamente. Buena comprensión de lo indicado por los resultados. Se exponen con claridad, concisión y acierto todas las conclusiones importantes. Excelente comprensión. Referencia bibliográfica completa y bien formulada, con excelentes citas en el informe de laboratorio. Anexos están completos, numerados y muy bien referenciados con el informe presentado.

44

Cuadro 2. Escala de puntuación para los informes de laboratorio

Ítems

Posible nota por Niveles de desempeño

Puntaje

1: Insuficiente

2: Adecuado

3: Ejemplar

máximo

Resumen

0.6

1.4

2

2

Introducción

0.3

0.5

1

1

Objetivos

0.3

0.5

1

1

Marco teórico

1

2

3

3

Metodología

03

0.7

1

1

Resultados y discusión

1.2

2.5

4

4

1

2

3

3

0.3

0.7

1

1

0.3

0.7

1

1

17

17 8

Conclusiones Lista de referencia Anexos (Cuestionario, diagramas, figuras, entre otros) SUBTOTAL

8 11 Puntuación; pruebas cortas (total 8 pruebas, 1 en cada sesión )

TOTAL

25

2. Orientaciones para redactar el informe a. Ejemplo de portada b. Estructura del informe

45

EJEMPLO DE PORTADA Facultad de Ciencia, Tecnología y Ambiente Departamento de Ciencias Básicas Coordinación de Ciencias Naturales

Física II

Laboratorio No.:_________ Tema: Nombre de la práctica

Nombre del profesor:

Grupo de trabajo (o Integrantes): En orden alfabético de acuerdo al primer apellido.

Número de grupo:

Carrera:

Managua, fecha de entrega del informe.

ESTRUCTURA DEL INFORME DE LABORATORIO I. RESUMEN Debe redactarse una breve explicación acerca de lo qué se midió, con qué tipo de instrumentos y equipos más importantes que se utilizaron, cómo se logró obtener los resultados, para qué me sirvió la práctica (propósito) y a qué conclusión se llega según los resultados hallados. Lo recomendable es no escribir más de 300 palabras (aunque podrá ser una tarea difícil). II. INTRODUCCIÓN Debe contener una descripción general de la experiencia, comentando los aspectos más relevantes que lo relacionan con la teoría. Debe explicarse con caridad el propósito y la importancia de la práctica según la opinión del estudiante. Es decir se debe relacionar la sesión de laboratorio con la carrera que se estudia, la vida cotidiana y el perfil profesional del estudiante. Por ningún motivo deben incluirse descripciones de parte del procedimiento experimental o incluirse resultados parciales o finales, tampoco incluir conceptos teóricos o fórmulas. Además No debe incluirse conclusiones

46

No exceder más de una página Mínimo: ½ página III. OBJETIVOS Son los resultados que se esperan obtener en la práctica, puede ser uno solo, el general, o contener algunos específicos. General: refleja el propósito del laboratorio. Específicos: indican con mayor precisión las actividades a desarrollar. En este apartado los objetivos deben redactarse de forma tal que en los mismos se reflejen las habilidades y logros que se obtendrán al llevar a cabo la práctica, se redactan en infinitivo (terminación ar, er e ir.) Algunos verbos que pueden ser utilizados: • Conocimiento: Definir, identificar • Aplicación: Descubrir, reconocer, explicar, interpretar. • Análisis: Distinguir, demostrar, experimentar, comparar, analizar. JAMÁS UTILIZAR EL VERBO CONOCER YA QUE NUNCA SE TERMINA DE CONOCER IV.MARCO TEÓRICO Es el respaldo teórico de la práctica. El cual se adquiere de diversas fuentes, tales como: libros, revistas, Internet, entre otros. Este es un aspecto que debe ser cubierto con detalle. Deben plantearse las ecuaciones y enunciarse los conceptos y/o principios básicos relacionados con la experiencia de laboratorio en estudio. Deben resaltarse aquellas ecuaciones y/o principios directamente abordados en la experiencia. No deben incluirse resultados ni conclusiones. Un aspecto importante a tener en cuenta en esta sección es el de las referencias bibliográficas. Deben aparecer citados los textos, apuntes, artículos o direcciones electrónicas que hayan sido usadas en la elaboración de esta sección. Debe citarse dentro del texto utilizando las normas APA. Ejemplo: Vallejos (1999) sostiene que……….., En un estudio reciente (Vallejos, 1999) afirma que…… No se debe copiar la introducción de la guía de laboratorio, si lo hace parafrasee y cita la misma. No copiar y pegar información de las páginas WEB que consulte, se le recomienda resumir y procesar la información encontrada. Recordar que cuando se cita en el texto solamente se escribe el apellido y la fecha. Si son más de dos autores se escriben dos, seguido de et. al En el caso de un sitio web visitado se escribe solamente el autor si es que tiene o el sitio web visitado y la fecha. Máximo: 2 páginas V. METODOLOGÍA Se debe describir el procedimiento seguido para la ejecución del laboratorio, explicando como se organizó y se llevó a cabo todo el proceso, incluyendo los materiales utilizados; también debe incluir las limitaciones encontradas en la realización del laboratorio. Aquí se pueden colocar fotos y/o dibujos del montaje.

47

Cuando se utilicen equipos de mucha importancia se debe hacer una descripción de los mismos, mencionando el nombre, modelo, capacidad, forma de funcionamiento y otros antecedentes que sean relevantes. Los equipos menores tales como probeta, beaker, metro, micrómetro etc. sólo deben ser mencionados, pero no descritos. No se deben incluir resultados, ni menos comentarlos. Se debe citar bibliografía cuando sea necesaria. La metodología se redacta totalmente solo en tiempo pasado y en tercera persona, es impersonal. Ejemplo: “Se llevó a cabo la extracción líquido-líquido mediante un embudo de separación……...” No se debe copiar el procedimiento de trabajo descrito en la guía de laboratorio. VI. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Consiste en la presentación de los datos recolectados durante la ejecución del laboratorio, dependiendo de su naturaleza podrán ir en cuadros u otro tipo de resumen; se deberá hacer una interpretación y análisis de los resultados, señalando lo que implica cada uno de ellos y mencionar los objetivos que se alcanzaron. Los resultados deberán confrontarse con las fuentes de información consultadas. o Es necesario discriminar entre lo útil y lo repetitivo o Es importante exponer los aspectos negativos de los procedimientos o técnicas, también de ellos aprendemos. o Los resultados deben ser breves y claros o Es la parte más importante pero a menudo la más corta o No sea verboso al citar figuras y cuadros. Ejemplo: “El cuadro 1 muestra con claridad que los niños nicaragüenses padecen de deficiencia de vitamina A…” LO CORRECTO; “Los niños nicaragüenses tienen deficiencia de vitamina A (ver cuadro 1.)” Los resultados deben ser entregados de forma clara. En aquellos casos en que los datos sean tomados de otra fuente y se quiere constatar o comparar, DEBEN INCLUIRSE LAS TABLAS DE DATOS pero citando las fuentes. Los datos deben entregarse en forma de gráficas, identificándose claramente los nombres de cada eje y por supuesto, las unidades de cada uno. Esta sección es una de las más importantes del informe y el alumno debe desplegar su capacidad de análisis, relacionando causas y efectos, comparando unos resultados con los otros obtenidos en la experiencia actual o en experiencias anteriores. Los errores propios del trabajo experimental es correcto comentarlos, pero no deben transformarse en el centro del análisis. El análisis de resultados debe ser lo más exhaustivo posible. El análisis de resultados debe estar constantemente apoyado por figuras y principios teóricos. Cada figura debe tener un número que la identifique, que se pone al pie de la misma. En el caso de las tablas, deben ser numeradas correlativamente y su número identificatorio debe ponerse en la parte superior de la misma. Es importante citar la bibliografía, sobre todo en la parte de análisis de resultados, para discutir que opinan otros autores sobre el tema. Técnica del Calamar “El autor duda de sus datos y se refugia tras una nube de tinta protectora”. Doug Savile Recordar que la leyenda de figuras va en la parte de abajo y la leyenda de las tablas en la parte de arriba. Se escriben con la primera letra en mayúsculas al enumerarlas.

48

VII.CONCLUSIONES Las conclusiones deben ser exclusivamente aquellas que se hayan derivado directamente de los resultados del laboratorio. Deben basarse en lo que se hizo en el laboratorio y no en lo que paralelamente observó o cree el estudiante. En general cada una de las conclusiones debe estar relacionada con los objetivos (generales y/o específicos). Estas son las primeras que deben ser enunciadas (las relacionadas con los objetivos). Enseguida, deben enunciarse aquellas conclusiones que no estén directamente relacionadas con los objetivos generales y/o específicos. Debe cuidarse de no confundir las conclusiones con los resultados. VIII. LISTA DE REFERENCIA 

Es un listado de los documentos consultados para la realización del tema del laboratorio. Incluye libros, revistas, artículos de periódicos y resúmenes.



Aquí se debe enumerar las referencias bibliográficas consultadas siguiendo la normativa APA aprobada institucionalmente por la UCA para la cita bibliográfica. No es la única forma de citar la bibliografía, pero para estandarizar las normas de publicación se ha adoptado APA.

Ejemplo:  Lehninger, A. (1995). Bioquímica. Barcelona: Ediciones Omega.  Sears, F., Zemansky, M., Young, H., Freedman, R. (2004). Física Universitaria. México: Pearson Educación. En caso que la información sea obtenida de Internet, se cita de la siguiente manera: Centeno, R. y Torres, S. (2005). Una experiencia de educación ambiental formal en Nicaragua. Consultado en 09/11, 2009 en http://www.fidamerica.org/fida_old/getdoc.php?docid=931 ANEXOS  

Colocar todo aquello relacionado con la práctica realizada que considere importante y necesario plasmar en este acápite Se incluirán como anexos los modelos de cada uno de los instrumentos utilizados, mapas, cuadros complementarios, glosarios y todos aquellos materiales que sin haberse utilizado directamente en el laboratorio, permiten ampliarlo y fundamentarlo

Deben estar citados en el informe. En este apartado va incluído el cuestionario, cuando lo haya. OTROS ASPECTOS Forma La redacción del informe de hacerse en tercera persona del singular. Por ejemplo: “Se midió la deflexión de la viga” y no “Medimos la deflexión de la viga”. “Se calibró la balanza” y no “Calibré la balanza” “Se tituló una solución ácido-base” y no “Titulamos una solución ácido-base”

49

Ortografía Contar con el corrector de ortografía del procesador de textos, se espera que sea de mucha atención la ortografía en los informes presentados por los alumnos. Errores Todo trabajo experimental está sujeto a errores. Estos errores se pueden deber a errores propios de los instrumentos de medición, a errores de lectura que dependen del experimentador y finalmente está el factor aleatorio relacionado con heterogeneidades del material. En todo caso, los errores asociados al trabajo experimental no constituyen un objetivo en sí, por tanto no debe centrarse la discusión de resultados en este aspecto. Esto no quiere decir que no ameriten ser mencionado Unidades Deben ser preferiblemente las unidades del sistema internacional o bien las del sistema métrico. Todas figuras, gráficas y tablas, deben especificar claramente las unidades en que se han hecho las mediciones o se expresen los resultados. Observaciones: 1. Se recomienda espaciado sencillo, tipo de letra Times New Roman o Arial, tamaño 12 y justificado. 2. Para títulos: Arial 14, en negritas 3. Para decimales se usa coma y no punto según el SI, y para miles no se usa ni punto ni coma. 3,55 y NO 3.55 1 000 y NO 1,000 4. También cada estudiante tendrá que tener individualmente su guía o manual de laboratorio. 5. El cuaderno se exigirá pero no tendrá puntaje, este cuaderno es sencillo, engrapado o cocido. El cuaderno deberá cumplir con los siguientes requisitos: Nombre de la práctica, fecha, páginas enumeradas, evitar manchones, trazar raya sobre el error. Si es necesario colocar fecha y firma cuando se tacha, anotar las observaciones y datos sobre la práctica. 6.

Calificación será con base a la rúbrica para el informe del laboratorio

50

3. Unidades y medidas del SI a. Unidades Básicas (SI)

Fuente: MIFIC (2005)

b. Unidades derivadas y su coherencia con el SI

Fuente: MIFIC (2005)

51

Fuente: MIFIC (2005)

52

c. Prefijos usados en el SI

Fuente: MIFIC (2005)

4. Alfabeto Griego

Fuente: NIST (2008).

53

5. Constantes Físicas Fundamentales

Fuente: NIST (2008).

6. Error absoluto y relativo (porcentual) a. Error absoluto =

ValorTeórico − ValorExperimental

; [se expresa en las mismas unidades

de medida de la magnitud en cuestión]

b. Error relativo (%) =

 ValorTeórico − ValorExperimental  ValorTeórico 

  *100 ; [se expresa en 

porcentaje]

54