LABORATORIO DE FÍSICA III

CAPACITORES Y MANEJO DEL OSCILOSCOPIO

I. OBJETIVOS 1. Ser capaz de manipular el osciloscopio. 2. Obtener mediciones directas e indirectas con la ayuda del osciloscopio 3. Comprobar que un capacitor, conectado a un circuito, necesita un tiempo de

carga. 4. Observar la curva típica carga-descarga de un capacitor alimentado por una

corriente tipo onda cuadrada. 5. Comprobar las leyes de asociación de capacitores

II. MATERIALES Y EQUIPO Voltímetro

Osciloscopio

Juego de capacitores

Resistores

Conectores

´Protoboard’

III. BREVE RESUMEN TEÓRICO 1. Si un capacitor se conecta una fuente de voltaje DC, la corriente eléctrica que fluye

de la fuente produce una redistribución de la cargas en las placas del capacitor. Esta redistribución de la carga genera un cambio en el potencial de las placas, hasta que la diferencia de potencial entre las placas del capacitor es igual a la de la fuente que está conectada. Este proceso no es instantáneo, ni siquiera tan corto que fuera inapreciable para nosotros. Dura un tiempo normalmente del orden de varios segundos. Consulte para más información:

http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/capacitor/

http://www.lon-capa.org/~mmp/kap23/RC/app.htm

Sears/Zemansky/Young/ Freedom; 11ª. ed./ Vol. 2., Cap. 26, sec. 4 )

2. Si el capacitor está conectado a una fuente alterna de onda cuadrada se realizará el proceso señalado anteriormente con tanta frecuencia como la de esa onda cuadrada (evidentemente como la corriente va cambiando de sentido, el proceso en el capacitor también). Si al capacitor se le conecta una resistencia en paralelo se le permite descargarse a través de ella. Pero como la fuente es alterna lo vuelve a

cargar. Esto produce un proceso de carga y descarga continuo, que es visible en un osciloscopio conectado convenientemente.

3. La resolución numérica del circuito AC. antes dicho muestra que en la malla R-C el voltaje que ‘ve’ el osciloscopio- decae y aumenta exponencialmente de forma alternativa. El coeficiente del tiempo en el exponente en ambos casos es

precisamente RC

1, lo cual indica que en el caso de descarga el voltaje habrá

decaído en 1/e de su valor inicial después de consumido el tiempo de relajación

RC , mientras en el caso de carga aumentará a ‘e’ veces su valor anterior

en la misma cantidad de tiempo. Si el periodo de la onda cuadrada es lo suficientemente grande para permitirnos observar cuando se estabiliza el voltaje en

el circuito notaremos que el tiempo de estabilización tiene un valor aproximado de 5τ (ver figura).

IV. EL OSCILOSCOPIO

(PREVIO AL ANÁLISIS DE CAPACITORES) El osciloscopio permite visualizar la forma gráfica de una señal de voltaje. [Osciloscopio

Análogo] Su constitución interna se basa en un tubo de rayos catódicos, que dispone de un

filamento incandescente proveedor de electrones libres, una combinación de condensadores

para dirigir la trayectoria de aquéllos y una pantalla que emite luz por fluorescencia (u otro

fenómeno) y al mostrar el impacto de los electrones en ella permite ver la señal de entrada. El

que estudiaremos es el convencional de dos canales. (Las versiones más modernas de estos

aparatos están claramente mejoradas y permiten detención de la imagen, grabar en memoria,

‘FFT’ y más. Este tipo de osciloscopio se usará en Física IV).

Osciloscopio digital

Reconocimiento de cada uno de los botones básicos del osciloscopio: Reconozca los siguientes botones y su uso:

Entrada de la señal Cambio de canal en la pantalla Ajuste horizontal Control de tiempo (eje X) Amplificador de la señal (eje Y)

Algunos de los botones en el panel de un osciloscopio

Voltaje pico-pico

Periodo

Voltaje

pico

Cambiar

Posicion

en el eje

“x”

Divisor

de

tiempo

Voltaje

por

divisiòn

Entrada de señal

Cambiar

Posición

en el eje

“y”

Zona de

Calibración

V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

ACTIVIDAD A. USO DEL OSCILOSCOPIO 1. Conecte el generador al osciloscopio, use un par de sondas. 2. Ajuste la señal de salida del generador de funciones a una Onda Senoidal, con frecuencia de

1000Hz y tensión de 10 voltios [pico-pico] (aproximadamente). 3. Presione el botón de Auto Set y llene la TABLA # 1

4. Con la misma pantalla mida y calcule ahora las magnitudes indicadas en las TABLAS 2 y 3. 5. Presione ahora el botón de CURSOR y establezca con el botón superior de opciones de

pantalla: Tipo de dato: Tensión

6. Mueva las 2 líneas horizontales de manera que delimiten los puntos máximos del semi-ciclo positivo y del semi-ciclo negativo de la onda y llene la columna Tensión de la TABLA # 4.

7. Ahora establezca con el botón superior de opciones de pantalla: Tipo de dato:: Tiempo

8. Mueva las 2 líneas verticales de manera que delimiten el inicio y el fin de un ciclo completo de la onda y llene la columna Tiempo de la TABLA # 4.

9. Presione ahora el botón auto-set, disminuya la división por tiempo (giro pequeño del potenciómetro hacia la derecha) y mida las magnitudes que se le piden en las TABLAS # 5 y 6. Observe que se mejora la aproximación a los verdaderos valores.

10. Siempre con esta misma configuración, presione el botón CURSOR y establezca primero en la pantalla: Tipo de dato: Tensión y llene la Columna Tensión de la TABLA # 7, ahora establezca en la pantalla: Tipo de dato: Tiempo y llene la Columna Tiempo de la TABLA# 7.

Pantalla de un osciloscopio digital con señal típica sinusoidal

Generador de

Funciones

Osciloscopio Sondas

ACTIVIDAD B. MEDICIÓN DEL TIEMPO DE CARGA DE UN CAPACITOR

1. Monte en el ‘protoboard’ el siguiente circuito:

C

2. Mida con el multímetro digital activado en la opción de medir voltaje en DC que la fuente proporcione 10 Voltios, para ello conecte en paralelo el multímetro a la fuente.

3. Monte el circuito mostrado en el diagrama. Tenga mucho cuidado de conectar tanto el multímetro como el osciloscopio en Paralelo al Capacitor.

4. Configure el osciloscopio en 1V/Div, 50seg/Div y reduzca la posición vertical al punto que la flechita con un 1 este en el primer cuadro contando de abajo hacia arriba de la pantalla.

5. Tenga a mano el cronómetro. En el momento que encienda la fuente inicie el cronómetro. (Se recomienda usar el cronometro de su celular o el online-stopwatch en una computadora). De no ser así tendría que detener el procedimiento, descargar el capacitor y repetir la actividad.

6. Cada 15 segundos, vaya viendo y anotando la lectura del voltímetro en la TABLA# 8;

esta lectura irá poco a poco aumentando hasta estabilizarse e igualar a la tensión de entrada, para este caso se medirá por 6 minutos. (Recomendación: antes de empezar verifique que su capacitor este descargado).

7. Al finalizar tome una foto de la pantalla del osciloscopio.

Multímetro

D

Fuente

de

voltaje

Protoboard

V V

Resistencia de

940 kΩ (2 de

470 kΩ en serie)

Capacitor

de 100μF

10V

+

-

Oscilosco

pio

8. Ahora con la siguiente configuración repita los pasos del 1 al 7 ahora con un capacitor de 400μF por 7.0 minutos y llene la TABLA# 8.

V V

Resistencia de

460 kΩ

(amarillo-azul-

amarillo)

Capacitor

de 400μF

10V

+

-

Oscilosco

pio

ACTIVIDAD C. ANÁLISIS DE LA CURVA CARGA-DESCARGA EN UN CAPACITOR.

1. Conecte el generador de funciones con el canal1 de su osciloscopio, genere una señal de onda cuadrada de 400Hz y voltaje pico-pico de 3V (aproximadamente). Verifique la señal con el osciloscopio.

2. Monte el circuito siguiente:

3. Presione Auto-Set y observe la curva carga-descarga en el osciloscopio. 4. Reduzca la frecuencia a 25 Hz, modifique el tiempo/división y tome una foto de

la pantalla del osciloscopio.

ACTIVIDAD D. COMPROBACIÓN DE LAS LEYES DE ASOCIACIÓN DE CAPACITORES MEDIANTE LA CURVA DE CARGA-DESCARGA

1. En el circuito inmediatamente superior sustituya el capacitor por: i. Primero, una combinación en serie de dos capacitores(ambos de 1μF), ii. después, la combinación de esos mismos en paralelo.

2. Para cada caso, repita los pasos 2 a 6 de la actividad B anterior

Fuente de onda

cuadrada

Voltaje Pico-Pico 3V

f= 400Hz

Resistencia

2.2kΩ

[Rojo-rojo-

Rojo]

Capacitor 1 µF

Sonda del generador

Sonda del

osciloscopio

Sonda del

osciloscopio

Capacitores en Serie

Capacitores en paralelo

Sonda del

osciloscopio

Sonda del generador

Curva Carga-

Descarga del

capacitor

equivalente

VI. REGISTRO DE DATOS

Para Actividad A: Tablas #1 - #7

Para la actividad B: Tabla #8 Valor de Resistencias utilizadas por capacitor Fotografía de las pantallas del osciloscopio para ambos capacitores.

Para la actividad C:

Voltaje pico de la fuente Valores de C y R usados. Gráficas de la pantalla con la señal de entrada y la de la curva carga-

descarga( tómele una foto con su celular) Para la actividad D:

Voltaje pico de la fuente Valores de los capacitores Valor de la resistencia usada.

VII. CÁLCULOS

1. Tiempo de relajación y estabilización del capacitor en el circuito AC ACTIVIDAD C

2. Tiempo de relajación y estabilización de la combinación en serie de la ACTIVIDAD D,

haciendo uso de las fórmulas de asociación de capacitores.

3. Tiempo de relajación y estabilización de la combinación en paralelo de la ACTIVIDAD

D, haciendo uso de las fórmulas de asociación de capacitores.

Capacitores en serie

Sonda del generador

Sonda del

osciloscopio

Curva Carga-

Descarga del

capacitor

equivalente

VIII. RESULTADOS

Respecto al uso del osciloscopio ACTIVIDAD A

1. La siguiente tabla comparativa: Datos desde Voltaje Pico-

Pico Voltaje Pico Periodo Frecuencia

Tabla 1

Tablas 2 y 3 Tabla 4

Tablas 5 y 6

Tabla 7

Respecto al trabajo con capacitores ACTIVIDAD B

1. Pantallas del osciloscopio para Curva de carga-descarga de ambos capacitores. 2. Tabla comparativa del tiempo de carga de los capacitores obtenida con la tabla

#8 y vía osciloscopio. ACTIVIDAD C

3. Pantalla de curva carga-descarga. 4. Explicación del método utilizado para obtener con la imagen del osciloscopio el

tiempo de relajación del capacitor. 5. Comparación entre tiempo de estabilización medido en el osciloscopio vs.

calculado con la fórmula.

ACTIVIDAD D

6. Pantalla de curva carga-descarga para ambas asociaciones. 7. Explicación del método utilizado para obtener con la imagen del osciloscopio el

tiempo de relajación para ambas asociaciones. 8. Comparación entre tiempo de estabilización medido en el osciloscopio vs.

calculado con la fórmula para ambas asociaciones.

IX. CUESTIONARIO

1. Explique por qué, para la primera actividad B, su instructor le señaló que debía utilizar

capacitores de microfaradios y resistencia de megohmios. ¿Qué hubiera ocurrido si los

valores hubieran sido bastantes más bajos?

2. Explique por qué en la ACTIVIDAD C y D se necesitó disminuir la frecuencia del

generador a valores bajos.

3. Investigue por qué si en un circuito alimentado con corriente alterna se introduce un

capacitor se produce un retraso de la señal de voltaje respecto de la de corriente.

Después a la luz de la experiencia realizada, explique la razón física de esto.

(sugerencia ver la sección 31.2 del libro de física)

4. ¿Qué aspecto tendría la curva carga-descarga si la resistencia usada fuera

extremadamente baja? (Analice el caso hipotético de R = 0)

5. ¿Qué podría ocurrir en el capacitor y aun en el resistor, cuando R fuera

extremadamente grande en relación al capacitor?

6. Investigue 4 diferentes formas de la función de corriente y explique cada una de ellas e

ilústrelas.

7. (EXTRA) Evidentemente si un capacitor se conecta en un circuito DC a partir de cierto

momento el amperímetro conectado ahí marcaría cero: no hay paso de corriente.

Explique qué ocurre con la carga de un capacitor conectado en AC para que se diga

que en AC sí “permite” el paso de corriente. En fin, ¿hay paso real de carga de una

placa a otra cuando el capacitor está en un circuito AC?

Ver. 2_2014_28abril2014

X. ANEXO. CALIBRACIÓN DE LAS SONDAS (1X) 1.- Verifique que el switch de la sonda esté orientado hacia la opción 1X 2.- Conecte la sonda en el canal de entrada del osciloscopio. (CH1 o CH2) 3.- Las puntas de la sonda tendrá que conectarlas en las terminales de la zona de calibración del osciloscopio. 4.- Regule el switch de la sonda de manera que en la pantalla del osciloscopio se visualice la señal de calibración del mismo. (5 VAC, 1000 Hz, onda cuadrada)

Canal de

entrada de señal

Sonda

Terminales de

Calibración

Señal de

Calibración