Isaac Mateo Gavilanes Chávez & Ethan Aaron Guevara López

Universidad de Investigación Experimental Yachay Tech, Escuela de Ciencias Físicas y Nanotecnología.
Urcuquí, Ecuador.
Isaac.gavilanes@yachaytech.edu.ec
Ethan.guevara@yachaytech.edu.ec

2024

Resumen
La presente práctica tiene como objetivo aplicar los conceptos teóricos de instrumentación eléctrica. Para ello, se enfoca en identificar y utilizar los instrumentos y dispositivos de medición eléctricos disponibles en el laboratorio. Además, se busca lograr mediciones eléctricas precisas. Esto implica comprender y aplicar los conceptos de errores y su propagación en mediciones indirectas. A través del análisis estadístico, se emplearán herramientas y métodos para determinar y minimizar los errores tanto en mediciones directas como indirectas. Durante la práctica, se llevarán a cabo actividades como el armado de circuitos, la medición de corriente y voltaje, y el uso de osciloscopios para la visualización de señales eléctricas. Permitiendo así una mejor comprensión de la precisión y confiabilidad de los datos experimentales obtenidos.

Abstract
The objective of this practice is to apply the theoretical concepts of electrical instrumentation. To do this, it focuses on identifying and using the electrical measuring
instruments and devices available in the laboratory. In addition, it seeks to achieve accurate electrical measurements. This involves understanding and applying the concepts of errors and their propagation in indirect measurements. Through statistical analysis, tools and methods will be employed to determine and minimize errors in both direct and indirect measurements. During the practice, activities such as assembling circuits, measuring current and voltage, and using oscilloscopes for the visualization of electrical signals will be carried out. Thus, allowing a better understanding of the accuracy and reliability of the experimental data obtained.

Introducción

En el campo de la física uno de los pilares que permiten el estudio y comprensión de los fenómenos eléctricos son la instrumentación eléctrica, puesto que estos dispositivos permiten medir y cuantificar las ondas electromagnéticas generadas con precisión y junto a la aplicación del estudio de mediciones exactas las cuales permitan describir un comportamiento preciso y/o aproximado de las mismas han permitido generar el conocimiento necesario para el avance en la ciencia y tecnología. En el presente informe de laboratorio se explorará los fundamentos del uso de instrumentos que permiten medir la electricidad con el objetivo de analizar el funcionamiento de los insumos y las mediciones en física, esto mediante la familiarización y estudio de la instrumentación a través de los postulados de las leyes de Ohm y la aplicación a circuitos simples.

Las leyes de Ohm postulan que la corriente que fluye a través de un conductor entre dos puntos es directamente proporcional al voltaje a través de los puntos e inversamente proporcional a la resistencia entre ellos[1], [2]. Expresado por la siguiente ecuación:

𝑉 = 𝐼 ⋅ 𝑅 (1)
Donde:
V es la diferencia de potencial en voltios (V), I es la corriente en amperios (A) y R es la resistencia en ohmios (Ω).

Además, aparte de los postulados de Ohm se debe realizar una diferenciación sobre los 2 tipos de corriente existentes los cuales son corriente continua (CC) y corriente alterna (CA)[2]. Por un lado, la corriente continua es un tipo de corriente que fluye en una sola dirección, con un valor constante de voltaje y corriente, esta normalmente se la utiliza en dispositivos electrónicos, como baterías, teléfonos móviles y ordenadores. A modo de contraste la corriente alterna (CA)[3] es un tipo de corriente que cambia de dirección periódicamente, con un voltaje y una corriente que varían sinusoidalmente con el tiempo, normalmente empleada en la red eléctrica y los motores eléctricos.

Debido al cambio constante de voltaje emitido de la fuente de poder a un circuito y la complejidad del mismo para el estudio de la corriente alterna se empleará el análisis matemático del movimiento armónico simple, con la finalidad de describir los circuitos de CA, dado que la corriente alterna se produce mediante la rotación de un generador eléctrico, como un alternador. La rotación del generador produce un cambio en la dirección y magnitud de la corriente eléctrica a lo largo del tiempo, lo que resulta en una forma de onda senoidal[1].

La ecuación asociada a la posición en función del tiempo de una onda de acuerdo con el movimiento armónico simple es la siguiente:

𝑋(𝑡) = 𝐴 𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔𝑡 + 𝜙) (2)
•X(t) es el valor de la función en un momento dado, •A es la amplitud de la función representada la distancia vertical desde la línea media hasta el punto máximo o mínimo de la función, •ω es la frecuencia angular de la función, •t es el tiempo, •ϕ es el desfase o fase inicial de la función, que indica un cambio horizontal en la posición de la onda.

Para el caso particular del modelamiento de una función de voltaje en CA, debido a que se estudia en condiciones ideales se despreciara al desface por lo que la ecuación (2) pasaría a ser la siguiente:

𝑉(𝑡) = 𝑉𝑝 𝑠𝑖𝑛 ( 𝜔𝑡) (3)
•V(t) es el voltaje en un momento dado, •Vp es la amplitud máxima del voltaje representado el valor máximo del voltaje alcanzado.

Para el correcto estudio de los instrumentos eléctricos se utilizará la Ley de Ohm para determinar la resistencia de un circuito simple de CC[4], [5]. Se medirá el voltaje y la corriente en el circuito y se utilizarán estas medidas para calcular la resistencia del circuito, además, se analizará la relación entre el voltaje, la corriente y la resistencia en un circuito de CC., finalmente, se discutirá la importancia de la Ley de Ohm para comprender el comportamiento de los circuitos eléctricos.

Los errores de medición en todo tipo de estudio e investigación son inevitables, siendo que estos son las discrepancias entre el valor medido y el valor real o aceptado de una magnitud física[6]. Estos errores son inherentes al proceso de medición y pueden deberse a una variedad de factores, inevitables en cualquier tipo de investigación o estudio, a estos errores se les relaciona 3 conceptos fundamentales para un adecuado entendimiento que son la precisión, exactitud e incertidumbre, la primera indica la repetibilidad de las mediciones. Una medición es precisa si al repetirla varias veces bajo las mismas condiciones, los resultados son consistentemente similares entre sí[6], por otro lado, la exactitud indica qué tan cerca está el resultado de una medición del valor verdadero o aceptado. Una medición es exacta si está muy próxima al valor real, independientemente de la consistencia entre múltiples mediciones y el parámetro caracterizado por la dispersión de los datos Incertidumbre[6], [7], este representa la falta de exactitud o precisión en una medición, siendo una medida que muestra el margen de error de las muestras.

Las ecuaciones asociadas a los errores de medición son las siguientes:

Media aritmética (X): Esta indica el promedio de un conjunto de datos especifico, para el caso del cálculo de errores este dato es representado como el valor real de la muestra[7]. Para calcular Ma de un conjunto de medicines, se suman todos los valores de la muestra y divide para el numero de mediciones total expresado como la siguiente ecuación:

•𝑁 es el número de mediciones, • 𝑋𝑖 representa cada valor individual en el conjunto de
datos.

Error Absoluto (𝐸𝐴): Es la diferencia entre el valor medido y el valor real o aceptado(cita):
𝐸𝐴 = 𝑋 − 𝑋̅𝑖 (5)

Error Relativo (𝐸𝑟): Es el error absoluto dividido por el valor verdadero. Proporciona una medida de la magnitud del error en relación con el tamaño del valor que se está midiendo. Se expresa como:

Desviación estándar (𝜎): Es la cantidad más apropiada para cuantificar la dispersión, la cual se define como la raíz cuadrada de la media de las desviaciones cuadráticas:

Es mediante estas ecuaciones que se lograra entender y minimizar estos errores para mejorar la precisión y fiabilidad de los resultados experimentales de la práctica de laboratorio

Metodología

En la presente practica es fundamental cuantificar y describir la energía que interviene en el sistema, por ello, se recurrió a planificar y ejecutar las siguientes actividades con el fin evaluar la precisión obtenida en el uso de los instrumentos. De esta manera, la base para desarrollar los experimentos previstos fue el Set Eléctrico de Física de la marca Phywe que cuenta con 25 elementos e instrumentos de medida (Figura 1), sin embargo, para la Tabla 1 y 2, se utilizaron un voltímetro, una bombilla y un multímetro externos al set, un set de cables de carácter positivo y negativo (b), una resistencia de 100 ohmios (a), un adaptador de lampara(a), un protoboard de 12 conexiones (a).

Actividad 1. Determinación del error en medición directa

En esta actividad, se llevaron a cabo las conexiones necesarias en el protoboard para medir la entrada y salida de voltaje. Utilizando cables positivos y negativos, se conectaron los componentes adecuados. En una sección paralela, se incluye un adaptador de bombilla y una resistencia de 100 ohmios. Previamente, se configuró el voltímetro para alcanzar una lectura de 10 voltios en el multímetro y la intensidad de corriente que existe en el circuito, para que posteriormente se encienda la bombilla.

Los datos recopilados se analizaron en la Tabla 1, teniendo en cuenta la máxima precisión posible en la medición del voltaje e intensidad. El objetivo principal de esta actividad es evaluar la precisión alcanzable y, mediante herramientas de análisis estadístico, cuantificar los errores inherentes en mediciones de alta precisión.

Actividad 2. Cálculo de la intensidad de corriente a partir de valores obtenidos experimentalmente

Siguiendo la explicación proporcionada por el docente en clase, cada grupo llevó a cabo el cálculo del amperaje en un circuito cerrado utilizando datos experimentales. Utilizaron el mismo circuito que se empleó en la actividad 1. El objetivo principal de esta actividad consistió en evaluar el comportamiento físico ante el incremento de corriente continua que circulaba por el circuito. Para lograrlo, se realizaron diversas mediciones de amperaje y voltaje.

Actividad 3. Visualización de señales eléctricas en el osciloscopio

Para concluir las actividades propuestas, se procedió a visualizar las gráficas de corriente continua (CC) y corriente alterna (CA) en el osciloscopio. Para lograrlo, se conectan las puntas del osciloscopio a la fuente de alimentación AC (6V). De esta manera, se pudo identificar los datos de amplitud, frecuencia y período de la señal. Luego, se repitió el mismo procedimiento en el modo de corriente continua para visualizar la señal continua correspondiente. Se debe repetir el mismo procedimiento cambiando el valor de las resistencias.

Resultados

Al cabo de finiquitar las actividades propuestas, se analizó los siguientes resultados obtenidos:
Actividad 1.

En cuanto a los errores obtenidos en las mediciones se sabe que pueden influir factores externos tales como:

• Defectos de fabricación ya que los equipos de medición pueden presentar deformaciones, falta de linealidad, imperfecciones mecánicas o desgaste debido al uso.
• Error de Abbe que ocurre cuando los ejes de la pieza a medir no están alineados con los ejes del equipo de medición.

Estos errores también pueden ser causados por el operador ya sea por la falta de agudeza visual, ya que la visión deficiente puede afectar la precisión de las mediciones. Descuidos y cansancio presentes a la hora de realizar las mediciones debido a la fatiga o la falta de atención. Fuerza excesiva ya que al aplicar demasiada fuerza al realizar las mediciones puede alterar los resultados, dando lugar a la consideración del método de sujeción o posición de instrumentos que consiste en la forma en que se sujeta o coloca el instrumento ya que esta también puede afectar la precisión.
Y para finalizar debidos a factores ambientales tales como la temperatura ya que las fluctuaciones de temperatura pueden cambiar el volumen de un objeto y, por lo tanto, afectar la longitud, así mismo la humedad y presión atmosférica pudiendo influir directamente en las mediciones.

Actividad 2.

Tabla 3. Cálculo del valor de la resistencia de la lámpara a partir de los valores obtenidos experimentalmente.

Como se expuso en el apartado de introducción la relación entre el voltaje aplicado a la lámpara y la corriente que fluye a través de ella se observa. El voltaje de la lámpara y la corriente aumentan con el voltaje de entrada[3], [5]. Culminada la determinación de los datos, se vio como debido a que la resistencia no permanece constante con el cambio de voltaje y corriente, la resistencia de la lámpara muestra pequeñas variaciones, lo que indica que tiene un comportamiento ligeramente no óhmico. Pero estas variaciones son mínimas, lo que indica que la lámpara mantiene una resistencia relativamente estable en el rango de voltajes aplicados. El cambio en la resistencia interna (Ri) es bastante alto y constante en comparación con la resistencia de la lámpara, lo que podría indicar que otros factores en el circuito, como las conexiones y los cables, contribuyen a la resistencia total.

Actividad 3

Aplicado el modelo de regresión lineal a la grafica de la figura 6, para determinar si la tendencia de la grafica se comportaba como una recta, se obtuvo que sí, indicando así que existe una relación proporcional entre la corriente y el voltaje de la lampara, la cual a medida que aumente V, I también aumentara. En este caso la pendiente indica a la Resistencia de la lampara, misma que es de1,7248 Ω, misma que al ser positiva experimentalmente comprueba las leyes de Ohm.

Actividad 4
4.1 Visualización de la señal en CA.

En este apartado de la experiencia 4 se analizó el circuito eléctrico simple descrito en la figura 8 empleando un osciloscopio. Observando el comportamiento de las ondas generadas por el voltaje en corriente alterna. En primer lugar se anotó los parámetros que exponía el grafico del voltaje en función del tiempo con fin de determinar el tipo de señal descrito, siendo en este caso una onda sinusoidal, de la misma primero se estudió a la onda formada conectar los polos a la entrada y salida del mismo mostrando el voltaje total, indicando una onda con una amplitud de 6.36V, misma que al compararla con la onda generada por el voltaje de las resistencias que son de la misma magnitud, se observó que su amplitud es igual a la mitad de la primera. Ambas señales al ver que no presentaban un desfase indico que el circuito formado es simétrico y sin componentes que introduzcan desfase a la señal.

Mediante la ecuación (2) se determinó que la ecuación del voltaje en función de un tiempo t y se grafico la onda generada por la función. La ecuación es

𝑉(𝑡) = 3.36 𝑠𝑖𝑛 ( 3.93𝑡 ∗ 𝑟𝑎𝑑/𝑠) (8)

Mediante este experimento se corroboro que un circuito simple alimentado por corren te alterna, su voltaje variara uniformemente en función de un tiempo. La medición precisa de la amplitud y la frecuencia de la señal proporciono información crucial para el diseño y análisis de sistemas eléctricos empleando corriente alterna.

4.2 Visualización de señales en CC.

En esta tabla se registraron los datos del mismo circuito empleado para la actividad anterior, con un cambio de configuración a corriente continua, en el cual tras registrar los voltajes de las resistencias en 2 mediciones distintas mediante el despeje de la ecuación (1) para hallar las corrientes asociadas. Es mediante estos cálculos expuestos en la tabla4 que se logró demostrar experimentalmente que el voltaje total sería igual a la suma de los voltajes de cada resistencia, el cual es de 10.04V.

Discusión

Los dos tipos de errores principales que aparecen al realizar mediciones físicas son 2: Errores Aleatorios Son variaciones en las mediciones que no siguen un patrón específico y están causados por variaciones en el ambiente, limitaciones del instrumento y las habilidades del operador [7]. Errores sistemáticos: aquellos que se repiten constantemente durante un experimento o medición. Está producido por causas conocidas que aparecen durante la medición y, por lo tanto, se pueden evitar o minimizar.

La resistencia del dispositivo es de 36,667 ohmios (Ω).

La energía eléctrica se transporta principalmente en AC por las siguientes razones:

Menores pérdidas: En AC, las pérdidas por efecto Joule (calentamiento de los conductores) son menores que en corriente continua (CC) debido a la posibilidad de aumentar la tensión sin aumentar la corriente. Esto reduce las pérdidas en las líneas de transmisión[3].

Transformadores: AC permite el uso de transformadores para cambiar la tensión de forma eficiente, lo que facilita la transmisión a larga distancia y la distribución a diferentes niveles de voltaje.
Generación eficiente[1], [6]: La mayoría de las fuentes de energía eléctrica, como generadores y turbinas, producen AC naturalmente.
Adaptabilidad: AC se puede convertir fácilmente a diferentes voltajes y frecuencias según las necesidades locales.
En cuanto a la manipulación de altos voltajes, esto conlleva riesgos significativos para la seguridad. Algunos de estos riesgos incluyen:

• Descargas eléctricas: Las descargas eléctricas pueden ser fatales o causar lesiones graves.
• Arcos eléctricos y explosiones: Los arcos eléctricos o explosiones pueden provocar quemaduras y daños
  importantes.
• Riesgos de incendio: Los equipos de alto voltaje pueden presentar riesgos eléctricos y de incendio.

Para minimizar estos riesgos, es importante seguir medidas preventivas, como esperar al menos 5-10 minutos hasta que el sistema de alto voltaje esté completamente libre de tensión y tomar medidas para verificar la ausencia de tensión mediante mediciones según las indicaciones del fabricante. Por lo tanto, si conectamos el multímetro en paralelo al circuito mientras medimos corrientes eléctricas, se produciría un cortocircuito. Esto podría dañar el multímetro y afectar la precisión de la medición. Por lo tanto, nunca debemos conectar el multímetro en paralelo para medir corrientes, entre los dispositivos eléctricos AC y DC y sus respectivas diferencias se encuentra que:

Corriente Continua (DC): Fluye en un solo sentido. Utilizada en baterías, pilas y paneles solares.
Ejemplos: linternas, teléfonos móviles, computadoras portátiles.
Corriente Alterna (AC): Fluye alternando dos sentidos. Utilizada en redes eléctricas.
Ejemplos: electrodomésticos, iluminación en el hogar, equipos industriales.

La calibración es esencial para garantizar la precisión de las mediciones, requiriendo la verificación previa de los instrumentos según los procedimientos del fabricante y la realización de calibraciones periódicas. Para el caso del estudio de los fenómenos asociados, se logró ver que al emplear distintos multímetros para poder medir el voltaje y corriente de cada circuito asociado a una de las actividades realizadas en el laboratorio existía una variación entre los datos que entregaba cada uno de los distintos dispositivos, es por ello que es fundamental analizar cuidadosamente los resultados y los factores que influyen en su precisión. La correcta calibración de los instrumentos y la selección de técnicas de medición adecuadas son cruciales para obtener resultados confiables. Para futuras investigaciones, se recomienda evaluar el impacto de la manipulación y el uso de diferentes dispositivos en la precisión de las mediciones, desarrollar métodos para reducir estos errores y así minimizar la variación de cada medición.

Conclusiones

El estudio de la instrumentación eléctrica realizado en este informe se centró en la medición de magnitudes básicas como voltaje, corriente y resistencia, verificando los principios teóricos, como la Ley de Ohm y el comportamiento de las resistencias en serie y en paralelo. La experiencia práctica resaltó la importancia de seguir normas de seguridad y realizar un análisis crítico de los datos para identificar posibles fuentes de error. Este informe ha contribuido significativamente a la formación en instrumentación eléctrica, brindando conocimientos y habilidades relevantes para futuras prácticas y proyectos en el campo de la medición y análisis de señales eléctricas. Este estudio sienta una base sólida para el entendimiento de como la electricidad es transferida a los estudiantes.

Referencias

[1] A. H. , & M. W. C. Robbins, Análisis de circuitos. Corriente alterna, 1a ed. Cengage Learning Editores, 2017.
[2] P. Alastrué Agudo, “Ley de Ohm”, Nota: 4, vol. 2, núm. Dc, 2009.
[3] Universidad Nacional Autónoma de México, Análisis de Corto Circuito. México: Universidad Nacional Autónoma de México, 2021.
[4] Master EERR IMF, “Ley de Ohm y Leyes de Kirchhoff”, Los Tipos de Energía, 2018.
[5] D. Skigin, “Ley de Ohm y de Kirchhoff”, Laboratorio de Física II para Químicos, 2016.
[6] C. A. A. Alfonso y J. M. Perdomo Vázquez, “Aproximando el laboratorio virtual de Física General al laboratorio real”, Revista Iberoamericana de Educación, vol. 49, núm. 2, 2009, doi: 10.35362/rie4922111.

[7] Maciej Serda et al., “Introducción de errores en la medición”, https://catalogo.itm.edu.co/catalog/product/view/id/1719/s/gpd-introduccion-deerroresen-la-medicion-9789589831434/, vol. 7, núm. 1, 2007.

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