UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA24

PRLOGO

Muchas veces nos preguntamos cmo es que lleg a evolucionar tanto la ciencia y tecnologa en estos ltimos cien aos, pues la respuesta a ello es la creacin y uso de herramientas las cuales ayudaron a acelerar el proceso de descubrimiento de nuevos comportamientos fsicos, muchos de estos instrumentos electrnicos surgen a partir de la necesidad de acortar pasos o de medir magnitudes fsicas.Uno de los instrumentos fundamentales en la fsica, la cual ayud mucho en el avance de esta ciencia y sobre todo en el estudio de la electricidad es el osciloscopio, el cual nos ayuda a medir la amplitud, periodo y frecuencia de diferentes funciones de voltaje peridicas en el tiempoPor ello este breve informe representa una gran oportunidad para abordar tal tema, comprenderlo y aprender el funcionamiento y uso de dicho instrumento, el cual nos ayudar al anlisis de las funciones voltaicas. As tambin comprobaremos los resultados obtenidos experimentalmente en prctica como los tericos para luego determinar la amplitud del error, con este procedimiento podremos saber la diferencia existente entre los valores tericos y los reales.Esperando que el presente informa sea de su total comprensin invitamos al lector pueda realizar el experimento sin complicaciones.

OBJETIVOS.

Familiarizacin de los estudiantes con el osciloscopio, el cual ser usado como: Instrumento de medida de voltaje constante, voltaje alterno, y como instrumento para medir la amplitud, periodo y frecuencia de diferentes funciones de voltaje peridicas en el tiempo.

Graficador XY

Comprender el funcionamiento de un transformador de voltaje alterno, para luego aplicarlo en el ensayo.

Aprender el comportamiento interno del osciloscopio.

Analizar el comportamiento de un generador de funcin

Saber utilizar un multmetro digital.

FUNDAMENTO TERICO.El osciloscopio es un instrumento muy corriente en ellaboratorio de Fsica, de Electricidad y Electrnica. Tiene forma cnica con un cuello tubular en el que va montado el can de electrones. Describiremos sus distintas partes:

El can electrnicoLos electrones son emitidos por un ctodo de caldeo,que tieneforma de un cilindro cerrado por un extremo mediante una plaquita. Estaplaca estrecubierta por xidos de bario y estroncio que emiten unhaz de electronesde alta densidad. El ctodo se calienta mediante un elemento calefactor en forma de hlice que est contenido en el cilindro.A continuacin, y muy prximo al ctodo viene la rejilla de control que tiene un orificioms pequeoque la superficie emisora. Una segunda rejilla de control acelera los electrones que han pasado a travs de la primera rejilla.El siguiente elemento dentro del tubo, es el denominado nodo de enfoque. Que tiene forma cilndrica con varios orificios. Finalmente, tenemos el nodo acelerador.

El nodo acelerador A2 est fijado a un potencial de varios miles de voltios respecto al ctodo. El primer nodo de enfoque A1 funciona a un potencialVCque es aproximadamente la cuarta parte de A2,VC+VB. La segunda rejilla R2 est conectada internamente a A2. Variando los potencialesVByVCse puede cambiar la energa del haz de electrones.La rejilla de control R1 es siempre negativa respecto al potencial del ctodo C. La densidad del haz de electrones y por tanto, la intensidad de la imagen sobre la pantalla puede variarse cambiando esta diferencia de potencial, que recibe el nombre de tensin de polarizacin. Normalmente, la rejilla de control R1 funciona a un potencial de 20 voltios negativos respecto del ctodo.El tubo de rayos catdicos tiene dos pares de placas deflectoras que desvan el haz en dos direcciones mutuamente perpendiculares. Las placas no son completamente paralelas sino que se ensanchan para lograr grandes ngulos de desviacin evitando que el haz de electrones choque contra los bordes de las placas. La diferencia de potencial entre las placas deflectoras suele ser de 0 a 45 voltios.

La pantallaLa pantalla del tubo de rayos catdicos est recubierta internamente con una sustancia fosforosa que destella visiblemente cuando incide sobre ella un haz de electrones.Se denomina luminiscencia a una propiedad radiactiva de los slidos. La sustancia brilla cuando se ilumina con luz delongitud de ondaapropiada o se excita por algn otro medio como el choque con un haz de electrones.

Cuando se lleva un electrn de labanda de valenciaa la banda de conduccin, deja un hueco en la banda de valencia. En una red perfectamente pura y regular, el electrn regresa a la banda de valencia.Si la red tiene impurezas que introduzcan niveles de energa en la regin prohibida, un electrn que ocupe un nivel de impureza bajo, puede llenar el hueco en la banda de valencia,mientras queel electrn en la banda de conduccin puede caer a alguno de los niveles de impureza cercanos a dicha banda. Cuando el electrn pasa de un nivel de impureza cercano a la banda de conduccin a un nivel de impureza de baja energa, emite radiacin que se denomina luminiscencia.El electrn situado en la banda de conduccin puede caer en una trampa, desde la cual est prohibida una transicin al nivel fundamental de impureza. Al cabo de cierto tiempo, el electrn puede regresar a la banda de conduccin, despus de lo cual pasa de a un nivel de impureza cercano a la banda de conduccin y a continuacin, al nivel fundamental de impureza.Debido al tiempo empleado en este proceso, que puede ser de varios segundos, el proceso se llama fosforescencia. La sustancias que se comportan de esta manera como el sulfuro de cinc se usan en las pantallas de los tubos de rayos catdicos, televisin, etc.Cuando el haz de electrones choca contra el material de la pantalla, otros electrones son expulsados del fsforo. Estos electrones libres, se denominan electrones secundarios y son recogidos por un recubrimiento de grafito en polvo que se aplica a la superficie interna del tubo. El grafito es conductor de la electricidad y lleva los electrones al terminal positivo de la fuente de alimentacin.Fundamentos fsicosEl movimiento del electrn se realiza en tres etapas: En el can acelerador Entre las placas deflectoras Cuando se dirige hacia la pantalla

Movimiento en el can acelerador

Lavelocidad de los electronescuando llegan a las placas deflectoras despus de haber sido acelerados por el can de electrones es.

Movimiento entre las placas del condensadorEntre las placas deflectoras, el electrn experimenta una fuerza constanteF=qE. SiendoEel campo elctrico en el espacio comprendido entre las dos placas. Utilizamoslas ecuaciones delmovimiento curvilneo bajo aceleracin constante

SiLes la longitud del condensador, la desviacin verticalydel haz de electrones a la salida de las placas ser

Movimiento fuera de las placasDespus de que el haz de electrones abandone la regin deflectora, sigue unmovimiento rectilneo uniforme, una lnea recta tangente a la trayectoria en el puntox=Len el que dicho haz abandon la mencionada regin.La desviacin total del haz en la pantalla situada a una distanciaDdel condensador es

El ngulo de desviacin aumenta con la longitudLde las placas, con la diferencia de potencialVd( o el campoE) entre las mismas. Aumenta tambin, si se disminuye el potencial aceleradorV, o la velocidadv0de los electrones, permitindoles estar ms tiempo dentro del campo deflector.

EQUIPO UTILIZADO.1. Un osciloscopio de 25 MHz, elenco modelo S-1325

2. Una pila de 1.5 voltios

3. Una fuente de voltaje constante con varias salidas.

4. Un transformador de voltaje alterno 220/6v, 60 Hz.

5. Un generador de funcin Elenco GF-8026

6. Cables de conexin.7. Un multmetro digital.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

A. Identificacin de controles e interruptores del osciloscopio:

1. Observe el osciloscopio e identificar controles e interruptores en el osciloscopio real con los enumerados en la figura. En las instrucciones siguientes nos referiremos a los controles del osciloscopio solo por su nmero correspondiente en la figura.

2. Encienda el osciloscopio usando el interruptor 4. Se encender una luz roja en el botn 5; usando los interruptores 6 y 8 logre que el punto o la lnea tengan una intensidad y un ancho adecuado a su vista.

3. Observe que la seal en el osciloscopio puede ser lnea o punto dependiendo de la posicin del interruptor 30. Lnea en la posicin afuera o punto en la posicin adentro. Discuta con el profesor que es lo que se conecta internamente en el osciloscopio a las placas H para cambiar de uno a otro modo.

4. Sin conectar ningn potencial externo ni en 12 ni en 17, coloque 15 y 20 ambos en la posicin GND. Con el control 21 en posicin CHA (canal 1) use los controles 11 y 27 para colocar el punto luminoso el centro de la pantalla del osciloscopio. Con el control 21 en CHB (canal 2) use los controles 16 y 17 para colocar el punto luminoso en el centro de la pantalla o un punto que usted elija como cero para sus medidas de voltaje.

B. Medidas de voltaje dc

5. Coloque los interruptores 15 y 20 en la posicin DC. Conecte una fuente de voltaje constante (una pila por ejemplo) a la conexin 12. Manteniendo el control 21 en la posicin CHA y el control 24 en la posicin CHA observe la desviacin vertical del punto luminoso. Use las diferentes escalas dadas por el interruptor 13 y decida cul es la ms conveniente.

6. Repita lo hecho en el paso 5 con el voltaje constante conectando a la conexin 17, el control 21 en la posicin CHB y el 24 en CHB. Use ahora las escalas dadas por el interruptor 18. ( NOTA: para que las escalas de los interruptores 13 y 16 sean dados directamente en voltios por divisin es necesario que los controles 14 y 19 estn rotados totalmente en sentido horario y en su posicin hacia adentro

7. Investigue las funciones de los controles 14 y 19 jalando cada uno de ellos y rotndolos en sentido anti horario.

8. Regrese los controles 14 y 19 a sus posiciones tales que 13 y 18 den lecturas en voltios por divisin.

9. Use la fuente de voltaje constante con varias salidas y mida el voltaje de cada salida con el osciloscopio. Compare con los resultados obtenidos usando el voltmetro digital.

C. Medidas de voltaje ac: amplitud, voltaje

10. Coloque el interruptor 30 en la posicin afuera

11. Conecte le transformador de 6 V a la conexin 12, el interruptor 21 en la posicin CHA y el control 30 hacia afuera. Encuentre la mejor escala de voltios por divisin (control 13) y la de tiempo (control 28) para ver completamente un periodo del voltaje sinoidal. Use los controles 22 y 25 para estabilizar el grafico del osciloscopio.

El numero de cuadraditos verticales multiplicado por el valor indicado en el interruptor 13 nos da la medida en voltios tanto de la amplitud como del voltaje pico pico.

El nmero de cuadraditos horizontales multiplicado por el valor indicado por el interruptor 28 nos da el periodo del voltaje alterno del transformador. Esto es cierto solo si el control 29 est en la posicin totalmente rotado en sentido horario.

12. Repita las medidas usadas en 11 usando CHB

13. Compare los valores de amplitud y voltaje pico-pico con el voltaje eficaz medido por el voltmetro. La relacin es Vef= V2 , siendo V la amplitud. Estos conceptos sern mejor comprendidos al final del curso en el captulo de corriente alterna.

14. Conecte el generador a la conexin 17 y genere una onda de 7 voltios de amplitud y frecuencia 100 Hz. Compare el valor digital de frecuencia dado por el generador de funcin de onda con el periodo medido en el osciloscopio.

D. Otras funciones de voltaje V(t)

15. Produzca con el generador de funcin de onda voltajes que dependan del tiempo en forma de onda cuadrada y en forma de diente de sierra. En cada caso relacione la frecuencia dada por el generador con el periodo medido con el osciloscopio.E.Osciloscopio como graficador XY

Para que el osciloscopio funcione como graficador XY es necesario que el interruptor 30 este en la posicin adentro, el interruptor 24 en CHA y el 21 en CHB.

16. Conecte la salida del transformador de 6 voltios simultneamente a CHA y a CHB con el interruptor 30 en posicin afuera observe como se ve el voltaje senoidal en cada canal, Con ayuda de los controles 11 y 16 trate de ubicar las seales del canal 1 y canal 2 en diferentes alturas de la pantalla del osciloscopio. Colocando el interruptor 21 en la posicin DUAL observara ambos voltajes al mismo tiempo.

17. Ponga el interruptor 30 en posicin adentro el 21 en CHB y el 24 en CHA observe el grafico XY.

18. Observe el efecto al jalar hacia afuera el interruptor 18.

19. Conecte el transformador al canal 1 y el generador al canal 2. Genere una funcin de onda de 60 Hz y observe el grafico XY.

20. Repita el paso 19 juntando frecuencias de 120, 180 y 240 Hz.

CLCULO Y RESULTADOS

1. Haga una tabla de tres columnas indicando el voltaje medido con el osciloscopio, el voltaje medido y el voltaje nominal de cada salida de la fuente.

VNOMINALVMULTIMETROVOSCILOSCOPIO

1.51.551.54

1. Es realmente constante el voltaje de cada salida dado por esta fuente?En realidad no, aunque para trminos prcticos se toma como aproximadamente constante.

1. Cul es el periodo del voltaje alterno dado por el transformador de 6 voltios?T= 16,5 ms2. Diga el nmero de divisiones cuando el control 28 est en posicin 1 ms/divisin, 2 ms/divisin y 5 ms/divisin.

1. 1 ms/divisin 16,5 divisiones

1. 2 ms/divisin 8,25 divisiones

1. 5 ms/divisin 3,3 divisiones

2. Cul es la frecuencia del voltaje alterno dado por el transformador? Cul es la amplitud del voltaje? y Cul es el voltaje pico-pico?

1. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio e indique lo observado en los pasos 17 y 18 del procedimiento.

En los pasos 17 y 18 se pudo observar que al jalar el interruptor 16 se obtiene la inversa de la grafica, es decir, los ejes se invierten.16 FUERA

1. Si el osciloscopio esta en modo X-Y y coloca un voltaje constante de 1,5 voltios (una pila) en el canal 1 y de 3 voltios (fuente de voltaje constante con diferentes salidas) en el canal 2. Dibuje la pantalla cuadriculada del osciloscopio indicando la seal observada.

1. Repita 5 pero con el control 16 en la posicin afuera.Los ejes se invierten, entonces:

OBSERVACIONES

1. Identificacin de controles e interruptores del osciloscopio.

1. Se observ que al prender el osciloscopio con el botn 4, aparece un punto o una lnea dependiendo de la posicin del botn 30 sealado en la figura: si est afuera saldr una lnea y si est adentro saldr un punto.

1. Se vio que cuando se movan los botones 6 y 8 el punto o la lnea variaba en intensidad y ancho respectivamente.

1. Mientras se manipulaban los controles 11 y 27, manteniendo los controles 15 y 20 en GND, se observ que el punto se iba moviendo de arriba a abajo y de derecha a izquierda respectivamente.

1. Medidas de voltaje DC.

1. Se observ claramente que al conectar la pila mediante 2 cables (manteniendo el control 21 en CHA, 24 en CHB y con el botn 30 en posicin adentro) en la pantalla del osciloscopio apareca un punto en alguna posicin del eje de las ordenadas.

1. A medida que se fue variando la posicin del control 13, se observ que la posicin del punto iba cambiando de arriba abajo. Esto se deba a que el control 13 nos daba el factor multiplicador que multiplicado por la posicin del punto en el sistema coordenado daba el voltaje de la pila, un voltaje constante de 1.6 V.

1. Se compar la medida del voltaje hecha con el multmetro y la dad por el osciloscopio obteniendo un resultado parecido.

1. Medidas de voltaje AC. Amplitud, voltaje pico-pico, periodo y frecuencia.

1. Con el interruptor 30 en posicin adentro y el control 21 en CHA, se observ que al conectar el transformador con los cables a los controles 12 y 17 y aparece una funcin de onda senoidal la cual iba variando en periodo y amplitud segn los controles 28 y 13 respectivamente.

1. Se vio que para la funcin senoidal aparece una amplitud determinada, la cual al ser multiplicada por el factor multiplicador y dividida por la nos da el voltaje eficaz.

1. Este voltaje se midi tambin con el multmetro para comparar los valores y se determin la proximidad de estos con un ligero margen de error.

1. Al trabajar con el generador de funcin, nos dimos cuenta que los 7 voltios y la frecuencia de 100 Hz generados daban en la pantalla del osciloscopio funciones senoidales que resultaban en valores aproximados.

1. Otras funciones de voltaje .

1. Se produjo con el generador de voltaje una funcin que depende del tiempo en forma senoidal, cuadrada y diente de sierra respectivamente tal como observamos en las figuras siguientes.

1. Osciloscopio como graficador XY.

1. Manteniendo en CHA y en CHB los controles 24 y 21 respectivamente, movimos los controles 11 y 16 y ubicamos las seales en diferentes alturas. Luego colocamos el control 21 en DUAL y se observaron ambos voltajes al mismo tiempo (dos funciones senoidales en diferentes alturas).

1. Finalmente conectamos el transformador al canal 1 y el generador al canal. Generamos una funcin de voltaje senoidal de 60 Hz y 8.5 V y se observ en la pantalla una onda que se mova rpidamente y daba a entender que era una funcin en tres dimensiones cuando en verdad era la superposicin de ondas senoidales movindose rpidamente. A esta superposicin de movimientos armnicos simples se le llama Curva de Lissajous.

CONCLUSIONES

1. Podemos concluir de los resultados que el multmetro como indicadorde voltaje tiene mayor precisin que el osciloscopio.

1. Las figuras en XY que se generan al conectar el generador de funcin con el transformador varan de acuerdo a las frecuencias. Las frecuencias dadas porel osciloscopio y el generador de funcin concuerdan.

1. Al conectar el transformador de 6V a cualquiera de las salidas del osciloscopio, la imagen proyectada en la pantalla es una funcin senoidal, debido a que hay un movimiento rectilneo uniforme en el eje X y un movimiento armnico simple en el eje Y entonces podemos afirmar que la funcin en la pantalla es un grfico Potencial vs. Tiempo y gracias a este grfico se pueden mediramplitudes, periodos, frecuencias, etc.

RECOMENDACIONES

* Se recomienda el mantenimiento y uso adecuado del equipo de laboratorio, para conseguir datos ms exactos en el experimento, ya sea para el osciloscopio, cables de conexin, pila y otros aparatos utilizados.

* Se recomienda seguir todos los pasos indicados en la gua de laboratorio para poder calibrar adecuadamente el osciloscopio y obtener datos precisos.

* Se recomienda tener precaucin al momento de trabajar con la corriente alterna, para poder evitar posibles accidentes por descarga elctrica. Para ello tener presente las indicaciones de la gua de laboratorio y las del profesor responsable.

BIBLIOGRAFA.* Facultad de Ciencias. Universidad Nacional de Ingeniera. Manual de Laboratorio de Fsica. 2004.

* Sears Zemansky Young Freedman. Fsica universitaria. Dcimo Primera Edicin. Volumen I. Pearson educacin. Mxico. 2004.

* Robert Resnick, David Halliday, Kenneth Krane. Fsica Volumen I. Compaa Editorial Continental S.A. de C.V. Mxico, 1993.