SIMBOLOGÍA Y MANEJO DE INSTRUMENTOS 1.- INTRODUCCIÓN En el laboratorio de electromagnetismo como en cualquier otro , es importante y fundamental conocer los instrumentos de medida básicos que se utilizarán durante el desarrollo de las actividades académicas, así como los métodos generales de experimentación y las medidas de seguridad que deben observar los docentes, auxiliares de docencia y estudiantes, para evitar accidentes o el deterioro innecesario de equipos e instrumentos, los cuales son costosos y en muchos casos importados, consecuentemente muy difíciles de ser reemplazados o ser reparados. Los equipos e instrumentos que se emplean en el laboratorio de electromagnetismo son diversos diversos y dependen de las mediciones que se realizan: fuentes de alimentación, galvanómetros, condensadores, bobinas, termómetros, generadores, frecuencímetros, resistencias fijas y variables, etc. Pero el voltímetro y e l amperímetro, se consideran de mayor uso. Es también muy importante reconocer la simbología general que se emplea en todo tipo de laboratorio dentro del área del electromagnetismo, para así identificar convenientemente los diferentes elementos que intervienen en los circuitos y que pueden representarse en diagramas de circuitos.
2.- OBJETIVOS
Familiarizar al alumno con el laboratorio de electromagnetismo y con las normas de seguridad que deben observar en cada práctica.
Conocer la simbología general con la que se trabaja en el laboratorio de electromagnetismo.
Manejar y medir correctamente, la tensión e intensidad de corriente con los instrumentos de medición eléctrica correspondientes.
Reconocimiento y montaje de circuitos, con la conexión de amperímetros y voltímetros, resistencias variables, divisores de tensión y otros elementos de circuitos.
3.- NORMAS DE SEGURIDAD PARA EL TRABAJO EXPERIMENTAL EN EL LABORATORIO DE ELECTROMAGNETISMO. En todo laboratorio y durante la realización de las prácticas experimentales donde intervengan equipos que funciones con fluido eléctrico, siempre está presente el riesgo de electrocución. Si una persona toca dos conductores entre los cuales existe una diferencia de potencial superior a los 24 voltios, puede establecerse a través de su cuerpo o una parte de este una corriente eléctrica peligrosa para la salud, al extremo de poder resultar de fatales consecuencias para el accidentado. Para evitar todos estos problemas que no son más que por falta de cuidado y conocimiento, se deben guardar rigurosamente rigurosamente las siguientes medidas de seguridad:
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a) Colocar el interruptor de encendido y apagado del sistema (siempre y cuando la fuente no lo tenga) entre la fuente de alimentación de energía eléctrica y el circuito objeto de la práctica, el cual debe estar siempre abierto (apagado) cuando no se está trabajando con el circuito. b) Conectar al circuito (encender) la fuente una vez revisado por el docente o el auxiliar de docencia y además, cuando ninguna persona este manipulando los elementos del circuito. c)
No tocar los conductores, instrumentos o accesorios del sistema o circuito sino están debidamente aislados y más aún en pleno funcionamiento.
d) No realizar cambios de elementos o cambios en las conexiones, cambios de escala en los instrumentos de medida, sin haber desconectado previamente la fuente de energía. e) Desconectar los circuitos con grandes reactancias inductivas como: bobinas, devanados y transformadores con sumo cuidado. Así mismo descargar los condensadores, en caso de estar cargados, antes de utilizar en las prácticas y después de haberlos utilizado. f)
No tocar, sin necesidad, las paredes metálicas de máquinas eléctricas, cajas de las fuentes de energía u otros instrumentos aunque estén debidamente conectados a tierra.
g) No trabajar con ropa húmeda en e l laboratorio. h) En caso de observar cualquier desperfecto de funcionamiento o deterioro en los equipos, causados por otros grupos así como los que se hayan podido cometer en la realización de la práctica, comunicar inmediatamente al docente o responsable, para que puedan tomar nota del incidente.
4.- SIMBOLOGÍA Dependiendo del circuito y los elementos a utilizar, los símbolos se agrupan de la siguiente forma:
4.1.- SÍMBOLOS REPRESENTATIVOS DE LA NATURALEZA DE CORRIENTE
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4.2.- SÍMBOLOS ELÉCTRICOS
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5.- DESCRIPCIÓN DE LOS INSTRUMENTOS DE MEDIDA. La intensidad de corriente eléctrica es la magnitud que indica la cantidad de carga eléctrica “Q” que atraviesa la sección transversal de un conductor en la unidad de tiempo “t” es decir:
(1) La intensidad de corriente es una magnitud escalar que no se puede medir según la definición, es =
decir, midiendo la cantidad de carga que fluye por la sección transversal del conductor en la unidad de tiempo. Para medir esta magnitud se emplean instrumentos cuyo funcionamiento se basa en algún efecto de la corriente eléctrica. Estos instrumentos son los “Amperímetros”. La diferencia de potencial o la tensión en una porción de circuito, es el trabajo “ ” que por unidad de carga realizan las fuerzas eléctricas al trasladar la carga entre dos puntos que limitan la porción de circuito dado, es decir: =
(2)
De forma similar a la intensidad de corriente, esta medición se realiza mediante algún efecto de la corriente eléctrica, para ello se utilizan los instrumentos de medición llamados “Voltímetros”. El uso de estos instrumentos requiere de ciertos cuidados y conocimientos sobre el correcto empleo de sus diferentes escalas, rangos y, sobre todo, la forma de conexión de cada uno de ellos en un circuito. Los instrumentos de medida en general y en particular el amperímetro como el voltímetro, tienen una resistencia eléctrica interna que al conectarse al circuito afecta las corrientes y tensiones que con dichos instrumentos pretenden medir. Es por esto que la resistencia interna en estos instrumentos debe ser tal que afecte menos posible la resistencia eléctrica de los circuitos objeto de experimentación en las diferentes prácticas a desarrollar.
5.1.- EL AMPERÍMETRO El amperímetro mide la intensidad de corriente en la rama del circuito donde se instala; su conexión se realiza en serie con el elemento de circuito a través del cual se desea medir la intensidad de corriente que circula, ver Figura 1. De manera que su resistencia interna debe ser muy pequeña en comparación con la resistencia del elemento por el que circula la corriente a medir, garantizando de esta manera, que se altere muy poco la resistencia Figura 1.- Conexión del amperímetro
de la rama en cuestión
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Se entiende por conexión en serie aquella en la cual sólo puede considerarse una trayectoria de circulación de corriente.
5.2.- EL VOLTÍMETRO El voltímetro mide la tensión o diferencia de potencial existente entre los extremos de una porción de circuito. Su conexión es en paralelo al elemento de circuito donde se desea medir la tensión, ver Figura 2. De manera que su resistencia interna
es
grande
en
comparación
con
la
resistencia del elemento donde se desea medir, con lo cual se garantiza alterar poco la resistencia Figura 2.- Conexión del Voltímetro
de esa porción de circuito.
La conexión simultanea de un Amperímetro y un Voltímetro se muestra en la Figura 3 .
Figura 3.- Conexión simultanea de dos instrumentos en un mismo circuito. En todos los casos debe tomarse en cuenta la polaridad de los equipos y de la fuente de alimentación, principalmente si la corriente es continua, lo cual es indispensable en todo circuito eléctrico donde la corriente tiene un sólo sentido de circulación. También debe tomarse en cuenta los rangos de tolerancia máxima que se especifican en los instrumentos tanto analógicos como en los digitales.
6.- ESCALAS DE LECTURA DE DATOS Otro de los problemas importantes en el uso de equipos del laboratorio de electromagnetismo, es la selección adecuada de las escalas y la lectura de datos indicados por el instrumento de medida, según la posición donde se ubicó el indicador en la escala del dispositivo. Generalmente en el laboratorio de electromagnetismo, se encuentran equipos de medición eléctrica con múltiples escalas, de ahí que surge la necesidad de seleccionar la más adecuada para realizar una medición determinada del fenómeno a estudiar.
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En primer lugar, la selección correcta de la escala permite evitar problemas de sobrecarga que se ocasionan cuando la magnitud medida es una cantidad muy superior a la escala elegida del instrumento. Cuando esto sucede, la aguja del equipo (en los analógicos) se deflecta violentamente hasta el tope final y ello puede motivar que la aguja se flexione o rompa, así como se queme la bobina que posee este equipo, debido a que circula una corriente mucho mayor que la corriente admitida por la bobina. En los digitales lo más probable es que se queme el integrado, consecuentemente el instrumento se inutiliza. En segundo lugar, una correcta selección de la escala permite una medición con el menor error posible, de acuerdo a las posibilidades del instrumento. Cada escala de estos equipos tiene un nivel de sensibilidad distinto y, por tanto, la precisión de las mediciones con ellas es distinta. Ver Figura 4-
Figura 4.- Multímetro digital, sus funciones y escalas 6
Al realizar la medición se debe colocar en la escala mayor del instrumento, es decir, aquella donde el equipo mide el mayor valor de la magnitud. Este procedimiento es de vital importancia, no solamente para los instrumentos analógicos sino también en los digitales, además de los que se consideran auto rango, y debe constituir una habilidad que se desarrolla en el uso correcto de estos instrumentos.
7.- OTROS INSTRUMENTOS DE USO COMÚN Entre los instrumentos que más se utilizan al margen del Voltímetro y el Amperímetro son las fuentes de alimentación, los reóstatos y las cajas de resistencia, cuya descripción se detalla a continuación
7.1.- LAS FUENTES DE ALIMENTACIÓN Cuando se hace circular una corriente permanente a través de un conductor, se debe mantener continuamente un campo o gradiente de potencial dentro de este. Si el campo tiene siempre el mismo sentido, aunque pueda variar la intensidad de corriente, se denomina corriente continua (DC). Si el campo se invierte periódicamente, el flujo de carga se invierte igual y la corriente es alterna (AC) Hay cierto número de dispositivos eléctricos que tienen la propiedad de mantener constante sus bornes a potenciales diferentes. Entre estos te nemos la pila seca, la batería de acumuladores, etc. Cualquier dispositivo en el cual pueda producirse una transformación reversible entre energía eléctrica y otra forma de energía, se denomina generador de fuerza electromotriz (fem) El valor de la fem de un generador puede definirse como energía convertida de la forma eléctrica a la forma no eléctrica, o viceversa, por unidad de carga que pasa a través de una sección del generador. La fem se representa por el símbolo (esta fem no es una fuerza, sino energía por unidad de carga) Por consiguiente, si es la carga que atraviesa una sección del generador durante el tiempo y
es la energía transformada en este t iempo, la fem será: =
Debido a que la fem es energía por unidad de carga transportada, la unidad de fem en el S.I. es el Joule sobre Columbio. Su forma abreviada es el Voltio (V).
7.2.- REÓSTATO Uno de los dispositivos por medio del cual es posible aumentar o disminuir la resistencia en un circuito eléctrico y en consecuencia, variar la intensidad de corriente se denomina re óstato
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Hay diferentes tipos de reóstatos, siendo uno de los más usados el de cursor o contactos deslizantes, El reóstato consta esencialmente de una resistencia y un contacto móvil a lo largo de ésta, ubicado en la parte superior. Los reóstatos tienen tres terminales, dos en los extremos de la resistencia y uno en el contacto móvil. Para regular corriente se utiliza la conexión en serie ver Figura 5a. El reóstato puede emplearse también como divisor de tensión ver Figura 5b. La resistencia R total del reóstato está conectada a los bornes de la fuente fem, por lo que la tensión total de la fuente se reparte proporcionalmente a lo largo de la re sistencia.
Figura 5a.- Conexión del divisor de corriente
Figura 5b.- Conexión del divisor de corriente
8.- MONTAJE Y REALIZACIÓN En la realización experimental se utilizará el siguiente m aterial y equipo: 1 multímetro digital (voltímetro y ohmímetro) 1 interruptor 1 condensador de 1 cronómetro digital 1 resistencia de 100 kΩ Cables de conexión
Prepare el circuito según la Figura. 6, colocando
adecuadamente
los
instrumentos indicados como voltímetros, condensadores, resistencias y fuentes de alimentación, no encienda el sistema hasta mientras no haya sido revisado por el docente o auxiliar de docencia. Una vez supervisado la instalación, haga las lecturas
Figura 6.- Circuito para la realización
correspondientes
de la descarga del condensador
recibidas.
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según
instrucciones
Una vez revisado el circuito, proceda a cerrarlo mediante el interruptor K regule la fuente de alimentación hasta que en el condensador se observe una diferencia de potencial de 12 V. Abriendo el interruptor descargue el condensador desde un valor inicial previamente determinado y obtenga los valores del tiempo de descarga del condensador, repita las veces que sea necesario hasta tener el tiempo más aproximado posible. En la obtención de datos cambie los instrumentos analógicos por los digitales y conserve las diferencias de mediciones.
9.- TAREAS 9.1.- Mida con el voltímetro la tensión inicial de descarga V0 (por ejemplo 12 V), obtenga los tiempos de descarga del condensador en intervalos de 1 V (de 12 a 11), de 11 a 10, de 10 a 9 9.2.- Grafique los valores de la tensión de descarga vs. tiempo, en escala milimetrada y semilogarítmica, realice los ajustes de curva respectiva y de la pendiente en escala semilogarítmica obtenga el valor de la resistencia de descarga. 9.3.- De la siguiente expresión matemática, calcule teóricamente el valor de la resistencia de descarga RD, compare los resultados con el obtenido de la gráfica semilogarítmica, realice el cálculo de error correspondiente.
=
10.- OBTENCIÓN Y ORGANIZACIÓN DE DATOS TABLA Nº 1.- VALORES INICIALES Nº 1 2 3
Magnitud Voltaje inicial Capacidad del condensador Resistencia
Símbolo
Valor
TABLA 2.- TIEMPO DE DESCARGA DEL CONDENSADOR
Nº 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 9
Unidad
11.- PROCESAMIENTO DE DATOS
12.- CUESTIONARIO 12.1.- Explique las diferencias entre un voltímetro y un amperímetro desde el punto de vista de su resistencia interna y sus conexiones respectivas en un cir cuito 12.2.- Explique las características de la intensidad de corriente, Potencial eléctrico y Diferencia de Potencial. 12.3.- Mencione las características den una resistencia eléctrica y cuál es el reciproco del mismo, explique 12.4.- Explique las características que se encuentra al graficar los datos de la tensión y el tiempo en escala milimetrada respecto de la e scala semmilogaritmica.
13.- CONCLUSIONES
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