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LABORATORIO DE FSICA III
OSCILOSCOPIO Y CAPACITORES
I. OBJETIVOS
1. Entender el funcionamiento de un capacitor.
2. Comprobar que un capacitor, conectado a un circuito, necesita
un tiempo para acumular carga.
3. Observar la curva tpica carga-descarga de un capacitor
alimentado por una corriente tipo onda cuadrada.
II. MATERIALES Y EQUIPO
1. Voltmetro
2. Osciloscopio
3. Juego de capacitores 4. Resistores
5. Conectores 6. Protoboard
7. Sondas 8. Generador de funciones
9. Fuente de voltaje 10. Cronmetro
III. BREVE RESUMEN TERICO
1. Si un capacitor se conecta una fuente de voltaje DC, la
corriente elctrica que fluye de la fuente produce una
redistribucin de la cargas en las placas del capacitor. Esta
redistribucin de la carga genera un cambio en el potencial
de
las placas, hasta que la diferencia de potencial entre las
placas
del capacitor es casi igual a la de la fuente que est
conectada.
Este proceso no es instantneo, ni siquiera tan corto que
fuera
inapreciable. Dura un tiempo normalmente del orden de varios
segundos.
(Consulte
http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/capacitor/
http://www.lon-capa.org/~mmp/kap23/RC/app.htmo tambin
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2. Si el capacitor est conectado a una fuente alterna de onda
cuadrada se realizar el
proceso sealado anteriormente con tanta frecuencia como la de
esa onda cuadrada
(evidentemente la corriente va cambiando de sentido, de manera
que el proceso en el
capacitor tambin). Si al capacitor se le conecta una resistencia
en paralelo se
le permite descargarse a travs de ella. Pero como la fuente es
alterna lo vuelve a
cargar. Esto produce un proceso de carga y descarga continuado,
que es visible en un
osciloscopio conectado apropiadamente.
3. La resolucin numrica del circuito AC antes mencionado muestra
que en la malla
RC la corriente y por tanto el voltaje que ve el osciloscopio-
decae y aumenta exponencialmente de forma alternativa. El
coeficiente del tiempo en el exponente es
precisamente 1
, lo cual indica que la corriente habr decado en 1/e de su valor
RC
inicial despus de consumido el tiempo de relajacin = RC .
Inmediatamente despus aumentar a e veces su valor anterior en la
misma cantidad de tiempo.
IV. USO DEL OSCILOSCOPIO (PREVIO AL ANLISIS DE
CAPACITORES)
El osciloscopio permite visualizar la forma grfica de una seal
de voltaje.
[Osciloscopio Anlogo]. Su constitucin interna se basa en un tubo
de rayos
catdicos, que dispone de un filamento incandescente proveedor de
electrones libres,
una combinacin de condensadores para dirigir la trayectoria de
aqullos y una
pantalla que emite luz por fluorescencia (u otro fenmeno). Al
mostrar el impacto de
los electrones en esta pantalla permite ver la seal de entrada.
El osciloscopio que se
utilizar es el convencional de dos canales. (Las versiones ms
modernas de estos
aparatos estn claramente mejoradas y permiten detencin de la
imagen, grabar en
memoria, FFT y ms. Este tipo de osciloscopio se usar en Fsica
IV).
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Voltaje
pico
Periodo
Voltajepico--pico
1) Reconocimiento de cada uno de los botones bsicos del
osciloscopio: Reconozca los siguientes botones y su uso:
Entrada de la seal Cambio de canal en la pantalla Ajuste
horizontal Control de tiempo (eje X) Amplificador de la seal (eje
Y)
Cambiar
Posicin
en el eje
y
Voltajepo
rdivisin
Entrada de seal
Cambiar
Posicion
en el eje
x
Divisor
de tiem
po
Zona de
Calibracin
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2) Calibracin de las Sondas (1X)
1. Verifique que el switch de la sonda est orientado hacia la
opcin 1X. 2. Conecte la sonda en el canal de entrada del
osciloscopio. (CH1 o CH2).
3. Las puntas de la sonda tendr que conectarlas en las
terminales de la zona de calibracin del osciloscopio.
4. Regule el switch de la sonda de manera que en la pantalla del
osciloscopio se visualice la seal de calibracin del mismo. (5 VAC,
1000
Hz, onda cuadrada).
Seal de
Calibracin Sonda
Canal de
entrada de seal
Terminales de
Calibracin
3) Medicin de tensin y frecuencia en la pantalla
1. Conecte el generador al osciloscopio, use dos sondas
diferentes.
2. Ajuste la seal de salida del generador de funciones a una
Onda Senoidal,
con frecuencia de 1.5Khz y tensin de 10 voltios [pico-pico]
(aproximadamente).
3. Presione el botn de Auto Set y llene la TABLA # 1.
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Osciloscopio
Sondas
Generador de
Funciones
4. Presione ahora el botn de CURSOR y establezca en el Channel1:
Tensin
5. Mueva las 2 lneas horizontales de manera que delimiten los
puntos mximos
del semi-ciclo positivo y del semi-ciclo negativo de la onda y
llene la
columna Tensin de la TABLA # 2.
6. Ahora establezca en el Channel1: Tiempo
7. Mueva las 2 lneas 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
# 2.
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V. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL CON CAPACITORES
A. Medicin del tiempo de carga de un capacitor 1. Monte en el
protoboard el siguiente circuito:
2. Mida con el multmetro digital activado en la opcin de medir
voltaje en DC que
la fuente proporcione 12 Voltios, para ello conecte en paralelo
el multmetro a la
fuente.
Fuente de
voltaje
Protoboard
Multmetro
3. Monte el circuito mostrado en el diagrama. Tenga mucho
cuidado de conectar
tanto el multmetro como el osciloscopio en Paralelo al
Capacitor.
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4. Configure el osciloscopio en 1V/Div, 50seg/Div y reduzca la
posicin vertical al
punto que el pequeo indicador con forma de flecha al lado
izquierdo de la
pantalla marcado como 1 est en el primer cuadro contando de
abajo hacia arriba de la pantalla.
5. Tenga a mano el cronmetro. En el momento que encienda la
fuente inicie el
cronmetro. Si ya tena la fuente en estado de operacin deber
detener el procedimiento, descargar el capacitor y repetir la
actividad.
6. Cada 15 segundos, observe y anote la lectura del voltmetro en
la
TABLA# 3; esta lectura ir poco a poco aumentando hasta
estabilizarse e igualar
a la tensin de entrada, para este caso se medir por 6 minutos.
(Recomendacin:
antes de empezar verifique que su capacitor este descargado. Lo
puede descargar
rpidamente poniendo o rozando ambos polos del capacitor en una
base metlica).
7. Al finalizar tome una foto de la pantalla del
osciloscopio.
Mechas de la
fuente
Sonda del
Curva de carga del
capacitor
osciloscopio 8. Con la misma configuracin repita los pasos del 1
al 7 ahora con un capacitor de
10F por 3 minutos y llene la TABLA# 3.b.
V
12V
Osciloscopio
+ -- Capacitor de
10F
Resistencia de 1M
[Marrn--Negro-
- Verde]
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Curva de carga con ca
pacitor de 10 micro far
adios.
B. Anlisis de la curva carga-descarga en un capacitor.
1. Conecte el generador de funciones con el canal1 de su
osciloscopio, genere una
seal de onda cuadrada de 500Hz y voltaje pico-pico de 5V
(aproximadamente).
Verifique la seal con el osciloscopio y tome una imagen de la
onda cuadrada.
2. Usando la seal de onda cuadrada, monte el circuito
siguiente:
Fuente de onda
cuadrada Voltaje Pic
o--Pico 5V
Capacitor
1F
f= 500Hz
3. Presione Auto-Set.
Resistencia 2k
[Rojo--Negro-
- Rojo]
4. Observe la curva carga-descarga en el osciloscopio y tome una
foto de la pantalla
del osciloscopio.
5. Modifique el tiempo/divisin (aumente) y vuelva a tomar una
pantalla. 6. Compare la seal directa de la fuente con la de la
serie R-C.
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Sonda del generador
VI. REGISTRO DE DATOS
Sonda del
osciloscopio
Para la actividad A: Valores de tiempo de carga aproximados,
medido con cronmetro y con osciloscopio, para cada uno de los
capacitores usados.
Para la actividad B:
1. Voltaje pico de la fuente. 2. Valores de C y R usados.
3. Perodo de la seal de entrada y de la curva carga-descarga 4.
Grficas de la pantalla con la seal de entrada y la de la curva
carga-descarga.
VII. CLCULOS
1. Tiempo de relajacin del capacitor en el circuito A.C.
VIII. RESULTADOS
Respecto al uso del osciloscopio
1. Tablas:
Tabla 1:
Voltaje Pico-Pico Voltaje Pico Perodo Frecuencia
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Tabla 2:
Tensin Cursor 1 (Tensin)
Cursor 2 (Tensin)
Tiempo Cursor 1 (Tiempo)
Cursor 2 (Tiempo)
Tabla 3:
A) Con capacitor de 100 micro faradios y resistencia 1M Ohmio.
(6 min.)
Tiempo (segundos) Voltaje
15 30
45
60
15
30
45
60
15
30
45
60
15
30
45
60
15 30
45
60
15
30
45 60
B) Con capacitor de 10 micro faradios y resistencia 1M ohmio. (3
min.)
Tiempo (segundos) Voltaje
15 30
45
60
15
30
-
45 60
15 30
45
60
Respecto al trabajo con capacitores
2. Tiempo de carga de un capacitor (comparacin de resultados
manuales y va
osciloscopio).
3. Grfica V vs. t en base a las tabla 3 (recuerde que el tiempo
en segundos) y
compare con la grafica de carga del osciloscopio para cada
capacitor).
4. Grfica pedida en seccin V. B. inciso 4.
5. Comparacin entre tiempo de relajacin medido en el
osciloscopio vs. calculado con la frmula (actividad B)
IX. CUESTIONARIO
1. Explique por qu, para la primera actividad A, su instructor
le seal que deba
utilizar capacitores de microfaradios y resistencia de varios
mega ohmios. Qu
hubiera ocurrido si los valores hubieran sido bastantes ms
bajos?
2. Si en el osciloscopio entraran dos seales sinusoidales de la
misma frecuencia y
se ajustara el aparato para que una de ellas aparezca en el eje
Y y la otra en el eje
X, qu imagen vera en la pantalla, si ambas estn en fase?, qu
imagen si
estuvieran desfasadas? (Se sugiere consultar en un libro de
fsica la trayectoria
en un movimiento compuesto de dos movimientos armnicos
perpendiculares;
ello, dada la analoga con la situacin que se pregunta;
investigue sobre
Figuras de Lissajous) 3. Investigue por qu si en un circuito
alimentado con corriente alterna se introduce
un capacitor se produce un retraso de la seal de voltaje
respecto a la corriente.
Despus a la luz de la experiencia realizada, explique la razn
fsica de esto.
Consulte reactancia capacitiva.
4. Evidentemente si un capacitor se conecta en un circuito DC a
partir de cierto
momento el ampermetro conectado ah marcara cero: no hay paso de
corriente.
Explique qu ocurre con la carga de un capacitor conectado en AC
para que se
diga que en AC s permite el paso de corriente. En fin, hay paso
real de carga de una placa a otra cuando el capacitor est en un
circuito AC?
5. Qu aspecto tendra la curva carga-descarga si la resistencia
usada fuera
extremadamente baja? (Analice el caso hipottico de R = 0) Y a la
vez,
qu podra ocurrir en el capacitor y aun en el resistor, cuando R
fuera baja?