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

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).

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

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.

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.

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.

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]

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.

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

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?