informe-4-fisica-3.docx

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, Decana de América)

FACULTAD DE INGENIERIA GEOLOGICA, MINERA, METALURGICA, GEOGRAFICA Y CIVIL ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MINAS

INFORME TEMA:

DIVISOR DE TENSIÓN Y PUENTE DE WHEATSTONE CURSO

:

LABORATORIO DE FISICA III

PROFESOR ALUMNOS

: :

-

Vento Flores Jaime Jara Rios Javier Castillo Roque Gustavo Huaranga Yantas Brayan Esleyter M. Riveros Ramirez

LIMA – PERÚ

2015 ÍNDICE

Laboratorio de Física III

Pág. INTRODUCCIÓN ……………………………………………………………………………… MONTAJE EXPERIMENTAL

02

………………………………………………………………… 02 CONCLUSIONES ………………………………………………………………………………

09

CUESTIONARIO ……………………………………………………………………………………….

09

BIBLIOGRAFIA ………………………………………………………………………………….. 13

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Laboratorio de Física III

INTRODUCCION: En este laboratorio pondremos en práctica lo que se cumple en un puente de Wheatstone, el cual es un circuito eléctrico utilizado para medir una desconocida resistencia eléctrica de un equilibrio entre dos patas de un circuito de puente ,una pierna de la que incluye el componente desconocido también se pondrá en practica sobre divisor de tensión, para comprobar la efectividad de la fórmula del divisor de tensión para un circuito en serie simple, primero usando una sin carga y luego utilizando una carga y realizar los análisis respectivos para el divisor de tensión, además se comparan las fórmulas del divisor de tensión y el divisor de corriente . Con esto comprobaremos la siguiente relación :

OBJETIVOS:   

    

Determinar los valores de resistencias desconocidas, utilizando el Puente de Wheatstone. Estudiar la versatilidad del circuito Puente. Derivar pequeñas tensiones a partir de una tensión disponible usando los conocimientos que ya tenemos de tensión (diferencia de potencial), intensidad de corriente y resistencia. Diferenciar Divisor de Tensión Libre de Carga y Divisor de tensión con Carga. Medir con precisión la resistencia eléctrica de un conductor Medir la resistencia neta de circuitos en serie y contrastar los resultados con la teoría Medir la resistividad de un conductor cilíndrico Balancear un puente eléctrico

DIVISOR DE TENSIÓN FUNDAMENTO TEÓRICO DE DIVISOR DE TENSIÓN El diagrama siguiente, muestra una resistencia que depende de la luz conocida como LDR (Resistencia Dependiente de la Luz), junto con su símbolo de circuito:

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La parte sensible a la luz del LDR es una pista 'ondulada' de sulfuro de cadmio. La energía de la luz que incide en esta zona, acciona la avalancha de los portadores de carga en este material (conducción), de modo que bajará su resistencia mientras que el nivel de la iluminación se mantenga. Un sensor de luz, utiliza una LDR como parte de un divisor del tensión.

Nota: los términos 'arriba' y 'bajo' para las resistencias del divisor, por su posición en el gráfico. Circuito esencial de un divisor de tensión, también llamado divisor de potencial o divisor de voltaje y su fórmula:

[F1] Como se puede ver, dos resistencias están conectadas en serie con la tensión de entrada Vin, que puede ser o no, la tensión de la fuente de alimentación, conectada a Rarriba, la otra resistencia Rbajo conectada a masa. La tensión de la salida Vout, es el voltaje a extremos de Rbajo y viene dada por:

[F2] Normalmente conocemos la tensión de entrada Vin, la tensión de salida en algunos casos y la corriente que se necesita en la salida del divisor, por lo tanto podemos plantear un ejemplo de utilidad como el siguiente:

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL: Divisor de Tensión

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En el siguiente experimento se deben analizar dos divisores de tensión diferentes en lo relativo a las divisiones de tensión con carga. Monte el circuito experimental representado en su manual. Tenemos 3 circuitos, izquierda, derecha y centro. El profesor solicita hallar los Potenciales para cada resistencia en cada uno de los circuitos.

DATOS DEL EXPERIMENTO En el lado izquierdo: PR1=V1*R1  PR1= (10,5) (10kΩ) PR1=105 kW PR2= V2*R2  PR2= (3,5) (3,3) PR1=11,55 kW En el lado derecho: PR1=V1*R1  PR1= (10,5) (10kΩ) PR1=105 kW PR2= V2*R2  PR2= (3,5) (3,31) PR1=11,55kw Con carga eléctrica: PR1=V1*R1  PR1= (12,7) (10kΩ) PR1=27 kW PR2= V2*R2  PR2= (11.3) (3,3) PR1=37,29 kW

CUESTIONARIO

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

¿Qué relación de tensión U1:U2 poseen los divisores de tensión con ausencia de carga?

o Ambos poseen una relación de 2:1 o El izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 5:1  izquierdo posee una relación de 3:1, y el derecho una de 0,3:1 o o

Ambos poseen una relación de 3:1 Ambos poseen una relación de 5:1



¿Cuál es la respuesta de los divisores de tensión ante la carga?

La tensión del componente que no recibe carga aumenta. La tensión del componente que no recibe carga disminuye. La caída de tensión del componente que recibe la carga permanece invariable, mientras que la del componente que no la recibe disminuye.  En función de la carga introducida, disminuye la tensión del componente que la recibe y la relación entre los divisores varía. o o o

o o 

En función de la carga introducida, aumenta la tensión en el componente que la recibe. La relación de tensión no varía. ¿De qué manera influye el valor de la resistencia de carga sobre la tensión de salida (tensión de carga) del divisor?

El valor de la resistencia de carga no ejerce ninguna influencia sobre la tensión de salida. o Mientras menor sea la resistencia de carga, menor será la tensión de salida.  Mientras menor sea la resistencia de carga, mayor será la tensión de salida. o



Compare los resultados del divisor de tensión de la izquierda con los del de la derecha. ¿Qué observa?

o

En cuanto a la carga, la variación de la tensión de salida del divisor de la izquierda es mayor que la de la derecha. En relación con la carga, no existe ninguna diferencia digna de mención en la respuesta de ambos divisores. Las resistencias de carga en el orden de magnitud de las resistencias de los divisores producen una caída relativamente grande de la tensión de salida.

o o

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 Las resistencias muy pequeñas (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente grande de la tensión de salida. o

Las resistencias muy grandes (en relación con las resistencias de los divisores) producen una caída relativamente pequeña de la tensión de salida.

PUENTE DE WHEATSTONE FUNDAMENTO TEORICO: En la técnica de medidas eléctricas se presenta a menudo el problema de la medida de resistencias. Para estas medidas existen diversos métodos, entre los que se puede elegir el mías adecuado en función de la magnitud de la resistencia a determinar. Según sus valores las resistencias se pueden clasificar en pequeñas (inferiores a 1 ), medias (entre 1 y 1 M) y grandes (superiores a 1 M). El puente de Wheatstone es el primer tipo de puente de medida que se utilizó y es también el de uso mías frecuente. Es un puente de corriente continua que se utiliza para medir resistencias de valor medio y que fue ideado por S. H. Christie el año 1833 e introducido por C. Wheatstone en 1843. Cuando el puente se encuentra en equilibrio: R1 = R2 y Rx = R3 de donde R1 / Rx = R2 / R3 En este caso la diferencia de potencial (la tensión) es de cero "0" voltios entre los puntos A y B, donde se ha colocado un amperímetro, que muestra que no pasa corriente entre los puntos A y B (0 amperios) Cuando Rx = R3 VAB = 0 voltios y la corriente = 0 amperios Si no se conoce el valor de Rx, se debe equilibrar el puente variando el valor de R3. Cuando se haya conseguido el equilibrio Rx será igual a R3 (Rx = R3). R3 debe ser una resistencia variable con una carátula o medio para obtener valores muy precisos.

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CÓDIGO DE COLORES PARA LA IDENTIFICACIÓN DE RESISTENCIAS

1er ANILLO

2º ANILLO

3er ANILLO

4º ANILLO

1ª Cifra

2ª Cifra

Nº de ceros

TOLERANCIA

Negro

0

0

ninguno

-----------

marrón

1

1

1

----------

Rojo

2

2

2

----------

naranja

3

3

3

----------

amarillo

4

4

4

----------

Verde

5

5

5

-----------

Azul

6

6

6

-----------

morado

7

7

---------

-----------

Gris

8

8

---------

-----------

Blanco

9

9

---------

-----------

Oro

------------

----------

--------

 5%

Plata

-------------

---------

----------

 10%

COLOR

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

PROCEDIMIENTO

1.- Armamos el circuito que nos indica la separata. Consideramos una resistencia R1 el tablero de resistencias y seleccionamos otra resistencia Rx de la caja de resistencias. 2.- Variamos la posición del contacto deslizante D, a lo largo del hilo hasta que la lectura del galvanómetro sea cero.

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3.- Se anota los valores de longitudes del hilo L1y L2 así como también el valor de R1 en la tabla 1. 4.- Utilizamos la ecuación Rx = (L1/L2) R1; halle el valor de la resistencia Rx y después comparamos con el valor que indica la caja de resistencias. 5.- Hallamos el porcentaje de error 6.- Completamos la tabla:

Caja de Resistenci a

Resistencia medida

Longitud del hilo

(Ohm)

Porcentaje de error ((Et – Eexp )/ Et) x 100

R1 (Ohm) L1 (cm.)

L2 (cm.)

Con el Equipo

Código de Colores

100

77,2

22,8

338,60 330 ± 0,1

-2,6

200

77,0

23,0

669,60 680 ± 0,1

1,53

300

65,1

34,9

563,04 560 ± 0,1

-0,54

200

21,9

78,1

56,08

51 ± 0,1

-9,96

300

11,2

88,8

37,84

39 ± 0,1

2,97

50

28,5

71,5

19,93

21 ± 0,01

5,09

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CONCLUSIONES: La resistencia fija R1 es grande en tanto que la longitud L1 es una cantidad más pequeña que la L2. La variación en las longitudes de la caja de resistencia se obtiene que el galvanómetro marque cero y por lo cual el circuito está en equilibrio. Se comprueba que las medidas experimentales con las teóricas son cantidades diferentes, eso se produce por los malos cálculos, la falla de los instrumentos, en tanto que el margen de error es aceptable en tanto es mínima. El puente de Wheatstone es importante para verificar los errores que se dan al formar un circuito cerrado con una resistencia ya conocida como la resistencia de carbón. Las lecturas experimentales hechas para R3 con respecto a su lectura conocida, presenta un margen mínimo de error.

CUESTIONARIO

1.-Justifique la expresión (4) utilizando las leyes de Kirchoff. Si tenemos la siguiente grafica entonces para Kirchoff.

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Por la primera ley: En el punto A Pero por estar en serie:

Por la segunda ley la cantidad de potencia es cero Hallamos en sentido horario los circuitos: - I1 R1 + I2 R2 = 0 -I3 R3 + I4 R 4= 0 ……….1

……….2 Dividimos 1 entre 2

Queda:

Como se trata de un mismo conductor la resistividad y el área transversal es lo mismo Por tanto de la ecuación queda para un RX

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2.- ¿Cuáles cree que han sido las posibles fuentes de error en la experiencia realizada? - La mal lectura de las medidas por parte del alumno -El mal funcionamiento de los instrumentos del laboratorio. -Los colores desgastados de las resistencias 3.- - ¿Cómo cree que podría evitar estas fuentes de error? Las posibles fuentes de error se podrían evitar con una mejor visibilidad de las personas sube toman las lecturas del galvanómetro. En cuanto a las resistencias mediante el código de colores ya sabemos que los clores pintados están desgatados y por eso no se puede diferenciar bien los colores ahí descritos.

5.- ¿Cuáles son los factores que influyen en la precisión del puente de Wheatstone al tratar de conocer el valor de una resistencia desconocida? ¿Por qué? Como hemos explicado en lo referente a errores en la presente práctica, algunos de los factores que influyen en la precisión del puente, lo constituyen, entre otros, las fluctuaciones de corriente y tensión, y que, como sabemos al momento de aplicar la fórmula, hacen variar la diferencia de potencial de las resistencias, y por consiguiente el valor de estas también se altera. Por otra parte, también influye el modo sustancial, la precisión en la lectura de la regleta que reemplazan a dos de las resistencias, ya que una mala lectura conlleva a un erróneo reemplazo de valores resultantes de malas mediciones, lo que por consiguiente mostrará un resultado muchas veces incompatible con el valor real.

6.- ¿Cuál sería la máxima resistencia que se podría medir con el Puente de Wheatstone?

RX =

R1 L2 L1

La máxima resistencia que puede medirse con el circuito tipo puente es dependiente de los valores de las resistencias obtenidas por la distancias en el hilo de tungsteno, el cual se debe medir (en longitud), esto es:

De esta ecuación, se desprende que para que el valor de la resistencia RX logre su valor máximo, el valor de R1 debe ser lo más grande posible, y que UNMSM – FIGMMG – Ing. Minas

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a su vez, el valor de L2 y L1 deben ser lo más grande y más pequeño posible respectivamente, y ya que:

R



=  

L A 

Se deduce entonces que los valores de L2 y L1 son directamente proporcionales a la distancia medida en el hilo de tungsteno, esto es, cuando mayor sea dicha longitud, mayor será la resistencia del mismo.

7. ¿Por qué circula corriente por el galvanómetro cuando el puente no está en condiciones de equilibrio? Explique detalladamente.

Circula corriente por que las diferencias de potencial en los dos puntos de contacto del galvanómetro(A) son diferentes (explicamos mejor en el siguiente ejemplo) Para entender el funcionamiento de este circuito es necesario remarcar que las diferencias de potencial son diferencias (restas) entre los potenciales de dos puntos. Para conocer la diferencia de potencial entre dos puntos A y B, se pueden medir por separado las tensiones respecto a un tercer punto de referencia, C, y restarlas. Este método se usa mucho en la práctica y el punto de referencia común a todo un circuito suele llamarse masa, y diremos que este punto de referencia puede tener cualquier valor por lo que tomaremos como tensión de referencia el punto de masa a 0 voltios. Observa que en el caso de las alturas no nos importa a que altura está el punto C si conocemos las diferencias de altura de A y B respecto a C. Volviendo a nuestro circuito puente se cumple como hemos dicho: VAB = VAC - VBC = (VA-VC) - (VB-VC) = VA - VC -VB + VC = VA - VB I1 = V/ (R1 + R3) => VAC= I1 x R3 = V x R3 / (R1+ R3) I2 = V/ (R2 + R3) => VBC= I2 x R4 = V x R4 / (R2+ R4) VAB = VAC - VBC = V x [(R3 / (R1+ R3)) - (R4 / (R2+ R4))] Se dice que el puente está equilibrado cuando la tensión en el punto A VA es igual a la tensión en el punto B, VB entonces VAB = 0. Supongamos pues UNMSM – FIGMMG – Ing. Minas

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que nuestro puente está equilibrado VAB = 0. En nuestra última fórmula y marcado en azul claro vemos dos términos que se restan, si esos dos términos son iguales entonces VAB = 0

R3 / (R1+ R3) = R4 / (R2+ R4) Operando R3 x (R2+ R4) = R4 x (R1+ R3)  R3 x R2+ R3 x R4 = R4 x R1+ R4 x R3 R3 x R2+ R3 x R4 = R4 x R1+ R4 x R3 R3 x R2= R4 x R1 o R1 / R2 = R3 / R4 8. ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de usar el Puente? ¿Por qué? VENTAJAS Los cambios en las resistencias se determinan normalmente mediante el puente de Wheatstone. El puente de Wheatstone al formar parte de un circuito logra estabilizar en una nueva posición de equilibrio a un transmisor de equilibrio de fuerzas con detector fotoeléctrico. El puente de Wheatstone de un Sensores LEL diseñado para medir metano mide la diferencia entre la resistencia de ambos elementos. Así, este sensor mide de forma eficaz el calor liberado cuando se quema un gas. El sensor tipo Strain Gauge está compuesto de un puente Wheatstone y presenta las siguientes ventajas: DESVENTAJAS Los sensores con puente Wheatstone no poseen una sensibilidad adecuada para medir combustible de aviación. Por ello, aunque su salida se aumente para proporcionar una baja respuesta del combustible de aviación, no poseen la sensibilidad necesaria para medir los niveles de combustible de aviación necesarios para proteger a los trabajadores que acceden a espacios reducidos Así, un sensor LEL con puente de Wheatstone presenta un rango de imprecisión tres veces mayor que un PID (Rango de imprecisión del PID: 160 ppm) El sensor tipo Strain Gauge está compuesto de un puente Wheatstone y presenta las siguientes desventajas: Sensor muy vulnerable a sobre extensión, lo que no le permite volver a su "cero original" y en el peor de los casos, se destruye Destrucción del sensor en muchos casos con tan solo 50% de sobre- carga.

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Destrucción del sensor por vibraciones y/o choques.

BIBLIOGRAFÍA:    

Electromagnetismo y magnetismo –– Humberto Leyva Naveros 3 edición Tripler-Mosca 6ta edición SERWAY – BEICHNER. Física para Ciencias e ingeniería. Mc Graw Hill México 2002(pag. 708–725)

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