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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO
FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN
“ELABORACIÓN DE MATERIAL DIDÁCTICO PARA LOS LABORATORIOS DE
ÓPTICA, ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO Y TEORÍA
ELECTROMAGNÉTICA”
ACTIVIDAD DE APOYO A LA DOCENCIA
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO ELECTRICISTA
PRESENTA:
URIEL MATIAS SOBERANES
ASESOR: M.I. RAMÓN OSORIO GALICIA
CUAUTITLÁN IZCALLI, ESTADO DE MÉXICO 2013
AGRADECIMIENTOS
A tu paciencia y comprensión, ya que preferiste sacrificar tu tiempo para que yo pudiera
cumplir con el mío, con tu bondad y sacrificio me inspiraste a ser mejor,
ahora puedo decir que esta tesis lleva mucho de ti,
gracias por estar siempre conmigo mamá.
INDICE
Pág.
INTRODUCCIÓN
1
CAPÍTULO 1
Revisión de Prácticas de Electricidad y Magnetismo
Revisión de los fundamentos teóricos necesarios para comprender el
contexto de la práctica
Revisión de contenido de los cuestionarios previos de cada práctica
Revisión de los conceptos necesarios
Revisión en el material y equipo
Desarrollo
Electroscopio de láminas y generador de Van de Graff
Capacitores electrolíticos
Rigidez dieléctrica
Osciloscopios
Escopómetro
Circuitos RC
Circuitos RL
Revisión de cuestionario final
Material y apoyo ilustrado
Óptica
Teoría Electromagnética
Investigación bibliográfica de planes de estudio de Teoría Electromagnética
Leyes básicas de electromagnetismo
Ley de Gauss para campo eléctrico
Ley de Gauss para campo magnético
Ley de ampere
Ley de Inducción de Faraday
Interacción de campos eléctrico y magnético
2
2
2
4
4
4
6
8
9
11
13
14
16
18
18
19
22
22
34
34
35
36
37
39
CAPÍTULO 2
Mantenimiento preventivo y correctivo
Cables de conexión
Fuentes de poder
Osciloscopios
Cajas de ruptura de rigidez dieléctrica
Generadores de señales
Multímetros
42
42
43
44
44
46
46
CONCLUSIONES
47
BIBLIOGRAFÍA
48
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
Pág.
Fotografía 1.1 Curso de revisión de prácticas de electricidad y magnetismo.
3
Fotografía 1.2 Revisión y desarrollo de cada una de las prácticas propuestas en el manual.
5
Fotografía 1.3 Se muestra como debe ser tocado el electroscopio con una varilla previamente
cargada.
6
Fotografía 1.4 Se muestra la transferencia del generador de Van de Graff al electroscopio de
láminas por medio de la esfera de descarga al tocarlo.
7
Fotografía 1.5 Se muestra la energización del capacitor para corroborar su polaridad y
comprobar su funcionamiento.
Fotografía 1.6
8
En esta parte se hizo la prueba destructiva del capacitor conectando de forma
invertida la fuente de poder.
9
Fotografía 1.7 Caja de ruptura
10
Fotografía 1.8 Dispositivo de ruptura con aire
10
Fotografía 1.9 Dispositivo de ruptura con un dieléctrico
10
Fotografías 1.10a y 1.10b. Se muestra la capacitación para el uso y manejo del osciloscopio,
tanto del digital a) como del analógico b).
12
Fotografía 1.11 Implementación del osciloscopio Tektronix con ranura USB.
12
Fotografía 1.11 Implementación y capacitación para el uso y manejo del Escopómetro
13
Fotografía 1.1. Prueba de fuerza electromotriz para diferentes materiales con un mismo
electrolito.
14
Fotografía 1.14 Puesta en marcha de equipo de nueva adquisición para los experimentos de
Circuitos RC para la comprobación de la constante de tiempo.
15
Fotografía 1.15 Recreación del experimento de Oersted
16
Fotografía 1.16 Implementación de un circuito oscilador RL
17
Fotografía 1.17 Implementación de equipo de nueva adquisición, Fuente de poder GW Instek
y Teslámetro para el experimento de propiedades magnéticas.
17
Fotografía 1.18 Código de colores para resistencias y su forma de lectura en el dispositivo.
18
Fotografía 1.19 Propagación de una onda por medio de un medio conductor
20
Fotografía 1.20 Se muestra la propagación de una onda por medio de una cuerda atada a un
sistema oscilatorio.
20
Fotografía 1.21 Reflexión de ondas por medio de rayo láser, se puede observar como la luz se
refleja en función del ángulo de incidencia del rayo láser sobre un fragmento de Lucita.
21
Fotografía 1.22 Trabajo en conjunto con los profesores para demostrar la composición de la
luz blanca con todos los colores del espectro electromagnético visible con ayuda del disco de
Newton.
21
Figura 1.23. Programa de estudios de Teoría electromagnética de FES-Cuautitlán
22
Figura 1.24. Programa de estudio de teoría electromagnética en Facultad de Ingeniería
29
Figura 1.25. Programa de asignatura de teoría electromagnética de FES Aragón
31
Fotografía 1.26. Jaula de Faraday
35
Fotografía 1.27. Líneas de campo magnético
36
Fotografía 1.28. Corriente de desplazamiento
36
Fotografía 1.29. Ley de inducción de Faraday primera parte
37
Fotografía 1.30. Ley de inducción de Faraday segunda parte
38
Fotografía 1.31. Efecto foto iónico.
39
Fotografía 1.32. Desviación del haz de electrones
40
Fotografía 1.27. Regla de la mano izquierda
40
Fotografía 1.34. Trabajo conjunto con los profesores para la implementación y puesta en
marcha del equipo de microondas.
41
Fotografía 2.1. Cables de conexión usados en las prácticas en mal estado.
42
Fotografía 2.2. Cables de conexión hechos para el desarrollo de las prácticas.
43
Fotografía 2.3 Limpieza de las fuentes de poder.
43
Fotografía 2.4. Limpieza en los osciloscopios.
44
Fotografía 2.5. Caja de ruptura de rigidez dieléctrica.
45
Fotografía 2.6. Revisión de material dispuesto para las prácticas.
45
Fotografía 2.7. Mantenimiento a los generadores de señales.
46
Fotografía 2.8. Revisión de funcionamiento de multímetros.
46
INTRODUCCIÓN
Hoy en día, para los ingenieros es necesario e indispensable comprender los fenómenos Físicos que se
presentan en la naturaleza, en las máquinas, equipos y procesos industriales, algunos de ellos muy sencillos
y otros más complejos de comprender, para lograr cabalmente la preparación del ingeniero es conveniente
realizar replicas lo más cercano posible de dichos fenómenos dentro de los laboratorios.
Para poder entender estos fenómenos, el hombre ha realizado un sinnúmero de experimentos en los cuales
trata de recrear las condiciones ideales para el desarrollo del mismo, esto con la finalidad de comprender de
una mejor forma lo que sucede a su alrededor.
En la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán se imparte la carrera de Ingeniería Mecánica Eléctrica desde
el año de 1993, siendo necesaria la actualización del plan y los programas de estudio, dando como resultado
la actualización de la carrera de Ingeniero Mecánico Electricista y la creación de dos nuevas carreras, Ingeniero
Industrial e Ingeniero en Comunicaciones, Sistemas y Electrónica.
Por lo antes mencionado es importante que en los laboratorios de física se tenga una constante revisión de
los manuales de prácticas de los diferentes laboratorios que se ofrecen, así como del equipo que se utiliza
para la realización de las prácticas y cursos de homogenización y actualización para los profesores.
En este trabajo se hablará de las mejoras realizadas en las prácticas ya existentes de laboratorio de
Electricidad y Magnetismo y óptica, así como de la elaboración de material didáctico para un óptimo
desarrollo de las mismas, de igual manera se menciona el mantenimiento preventivo y correctivo del equipo
existente en el laboratorio.
Respecto a la asignatura de teoría electromagnética, es importante mencionar que en el nuevo plan de
estudios de la carrera de Ingeniero en Comunicaciones, Sistemas y Electrónica, se volvió una asignatura
teórico-práctica, siendo necesario el diseño y la implementación de las prácticas Teoría Electromagnética.
Se describirá el trabajo que se desarrolló en cada rubro, dando un panorama general de las actividades
realizadas.
Lo anterior se realizó dentro del marco que establece el sistema corporativo de calidad para la certificación
de la enseñanza experimental, debido a que el laboratorio de Electricidad y Magnetismo está certificado por
la norma ISO 9001-2008
1
CAPÍTULO 1
REVISIÓN DE PRÁCTICAS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO
El Departamento de Física de la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán impartió su “Curso taller de
actualización de prácticas del laboratorio de Electricidad y Magnetismo” con la finalidad de revisar, actualizar
y mejorar las prácticas del laboratorio antes mencionado, participaron en el curso profesores y alumnos que
realizan el servicio social (Figura 1.1), enfocándose principalmente en los siguientes rubros:
Fundamentos Teóricos
Cuestionario previo
Conceptos necesarios
Material y equipo
Desarrollo
Cuestionario final
REVISIÓN DE LOS FUNDAMENTOS TEÓRICOS NECESARIOS PARA COMPRENDER EL CONTEXTO DE LA
PRÁCTICA.
Aquí se revisó la sincronía con la cual se imparte la parte teórica (clase) con la parte práctica (laboratorio)
debido a que existe un desfase entre una y otra, y por tanto el alumno no comprenderá cabalmente los
fenómenos que se analizan en el laboratorio. Para dar solución a esto, en cada práctica se dan a conocerlos
fundamentos teóricos y conceptos básicos para que el alumno realice satisfactoriamente las prácticas, para
este rubro se realizaron algunas modificaciones señaladas dentro del curso por los profesores y alumnos de
tal forma que la información teórica fuese más acorde con los conocimientos que se pretenden enseñar. Aquí
se realizaron las correcciones sugeridas así como corrección de ortografía, redacción y se complementó la
información
REVISIÓN DE CONTENIDO DE LOS CUESTIONARIOS PREVIOS DE CADA PRÁCTICA.
El cuestionario previo es una serie de preguntas acorde al tema que se va a tratar en la práctica de laboratorio,
se hace con el fin de que el alumno logre comprender y asimilar por si mismo los conceptos que se pretenden
enseñar durante dicha práctica. Aquí la relevancia del cuestionario es muy importante debido a que si las
preguntas formuladas no contienen un enfoque con respecto a la práctica el alumno no comprenderá o lo
hará erróneamente algunos conceptos. Por lo que se corrigieron, modificaron y se agregaron algunas
preguntas del cuestionario previo. En esta parte se participó resolviendo algunas preguntas del cuestionario
2
previo, con el fin de que los profesores vieran si las respuestas eran las esperadas por ellos, debido a que
existían preguntas ambiguas.
Figura 1.1. Curso de revisión de prácticas de electricidad y magnetismo.
3
Ejemplo: se tenía la pregunta “dar la fórmula de campo eléctrico”, esta pregunta tenía diferentes respuestas
debido a que no se especifica para que distribución de carga, por lo cual se cambió la pregunta a: “Defina el
concepto de intensidad de campo eléctrico y establezca la expresión matemática debido a una carga puntual
1
aislada”. Siendo la respuesta esperada por los profesores: 𝐸⃗ = 4𝜋𝜀
𝑞1 𝑞2
2 𝑟̂12
0 𝑟12
REVISIÓN DE LOS CONCEPTOS NECESARIOS.
Se realizó el análisis y se agregaron o quitaron algunos conceptos en función de los señalamientos que
hicieron los profesores. Las correcciones se realizaron directamente en la computadora.
REVISIÓN EN EL MATERIAL Y EQUIPO.
Se revisó que existiera el material y el equipo necesarios para realizar las prácticas, así como la disponibilidad
y el funcionamiento de los mismos. También se implementaron equipos de nueva adquisición para el
desarrollo de las prácticas, por ejemplo:

Osciloscopio Tectronix

Escopómetro FLUKE

Teslámetro Syntrex

Fuente de poder BK Precision

Fuente de poder GW Instek
Ejemplo: Se tenían fuentes para alimentar las bobinas de choque que tenían capacidad de 20V a 10A, llamadas
PB-LAB 1 (Fotografía 1.2a) las que presentan bastantes problemas para sostener una corriente de 5A
requeridos, dando como resultado que el experimento no resultara como estaba previsto, para esas fechas
ya se contaba con otra fuente nueva marca GW Instek (Fotografía 1.2b) con la que se logra obtener las
corrientes apropiadas para realizar el experimento.
También podemos mencionar que para obtener la medición del campo magnético se tenía un procedimiento
en donde se medía el flujo magnético con el flujómetro y se tenía que dividir entre el área de la sonda para
encontrar el valor del campo lo cual generaba errores en las mediciones, este procedimiento cambió al contar
con un teslametro e implementarlo en la práctica para obtener valores directos del campo (Fotografía 1.2b).
4
a)
b)
Fotografías 1.2a y 1.2b, Revisión y desarrollo de cada una de las prácticas propuestas en el manual.
En este punto, se desarrollaron físicamente todas las prácticas propuestas en el manual siguiendo el orden
establecido, para el desarrollo de las mismas, se preparaba el equipo y material necesario para su realización,
los alumnos del servicio social nos tocó hacer las prácticas con la finalidad de que los profesores participantes
observaran y propusieran las modificaciones del desarrollo, del material y del equipo que se pudieran
implementar para mejorar las prácticas.
Las modificaciones señaladas por los profesores se realizaban inmediatamente en el archivo y también en la
situación experimental, las modificaciones las teníamos que realizar para obtener los resultados para el
análisis por parte de los profesores.
5
Por otra parte se participaba en la puesta en marcha de los equipos de reciente adquisición y se probaban en
los procedimientos experimentales obteniendo los resultados y las modificaciones o adecuaciones que se
tenían que realizar para que la práctica cumpliera con sus objetivos.
Si en alguna práctica se sugería la adquisición de equipo nuevo y material, nos tocaba realizar la cotización de
estos, y en algunas otras ocasiones se hicieron cambios menores pero de gran importancia como la
homogenización de la nomenclatura usada, corrección ortográfica y de redacción, cambio de esquemas por
fotografías y cambio de las fotografías por otras de mayor resolución, a continuación mostraremos unos
ejemplos de las fotografías incluidas.
Se tenía en la práctica solo un diagrama de cómo se procediera a verificar la carga en el Van de Graaff a través
de una esfera de descarga y el electroscopio de láminas. Se decidió que también se ilustrara con una
fotografía.
ELECTROSCOPIO DE LÁMINAS Y GENERADOR DE VAN DE GRAAFF
Un electroscopio sencillo consiste en una varilla metálica vertical que tiene una terminal en la parte superior
y en el extremo opuesto dos láminas metálicas muy delgadas. Al acercar un objeto electrizado a la esfera, la
varilla se electrifica y las laminillas cargadas con igual signo que el objeto se repelen. La fuerza de repulsión
electrostática se equilibra con el peso de las hojas. Si se aleja el objeto de la esfera, las láminas, al perder la
polarización, vuelven a su posición normal.
Fotografía 1.3. Se muestra como debe ser tocado el electroscopio con una varilla previamente cargada al
frotarla con un paño de seda, para observar el efecto en las láminas y verificar que se abren existiendo una
carga eléctrica en la barra de vidrio
6
Un generador de Van de Graaff es un artefacto que crea diferencias de potencial o tensiones, produciendo
por ello grandes voltajes. Su nombre viene de su creador, Robert Jamison Van der Graaff, quien lo construyó
en 1929. El sistema se basa en fenómenos de electrización por contacto, para ello va a emplear una cinta
móvil aislante en la cual se van a trasportar elevadas cantidades de carga eléctrica, generadas por contacto,
hacia la parte superior donde se encuentra una esfera metálica hueca que actúa como terminal. En esta parte
de la práctica se verifica que existe una orientación de carga en el Van de Graaff y se comprueba a través del
electroscopio de láminas y finalmente se verifica la carga por contacto y por inducción.
Fotografía 1.4. Se muestra la transferencia de carga eléctrica del generador de Van de Graaff al
electroscopio de láminas por medio de la esfera de descarga al tocarlo.
7
CAPACITORES ELECTROLÍTICOS
En la mayoría de las prácticas propuestas se utilizan capacitores electrolíticos, por lo que se necesita una
breve explicación de funcionamiento del mismo. El capacitor es un dispositivo que almacena carga eléctrica,
está formado por dos placas metálicas paralelas de igual superficie y dispuestas una frente a la otra y
separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se
carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa, o sea que el capacitor sirve para almacena energía.
Los capacitores electrolíticos son un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera placa, la
cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en
general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda placa (ánodo), consiguiendo así la
capacitancia. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un corto entre el electrolito y la segunda
placa, aumentando la temperatura, y por tanto el capacitor explota.
Fotografía 1.5. Se muestra la energización del capacitor para corroborar su polaridad y comprobar su
funcionamiento.
8
Fotografía 1.6. En esta parte se hizo la prueba destructiva del capacitor conectando de forma invertida la
fuente de poder con la polaridad del capacitor y aplicando un voltaje mayor al voltaje de trabajo del mismo.
Al energizar la fuente, la explosión del capacitor es un tanto violenta, de ahí el uso de la caja de acrílico.
RIGIDEZ DIELÉCTRICA
Se conoce por rigidez dieléctrica al valor límite de la intensidad del campo eléctrico en el cual un material
pierde su propiedad aislante y pasa a ser conductor, se mide en voltios por metro V/m en el sistema
internacional. Se utiliza la caja de ruptura de rigidez dieléctrica para que el alumno comprenda que los
dieléctricos tienen una capacidad determinada para soportar un voltaje, si éste se sobrepasa se romperá su
rigidez dieléctrica, por ejemplo, cuando un capacitor se somete a un voltaje excesivo se forma un arco a través
de la capa de dieléctrico, y lo quema o perfora. Este arco crea una un corto circuito entre los conductores. La
magnitud máxima de campo eléctrico a que puede someterse un material sin que ocurra la ruptura, se
denomina rigidez dieléctrica, esta cantidad se ve afectada de manera significativa por la temperatura, las
impurezas, las pequeñas irregularidades en los electrodos metálicos y otros factores que son difíciles de
controlar. Por esta razón sólo pueden darse cifras aproximadas de las rigideces dieléctricas.
Para la práctica se procede a usar un transformador de alto voltaje controlado por un variac (variador de
voltaje) y una caja de rigidez dieléctrica en donde se pueden mover los electrodos a fin de tener diferentes
distancias entre ellos cuando el aislante es aire y de ajustarse a la medida de las muestras dieléctricas que se
utilizan.
Nota: En esta práctica no la pudimos realizar solos los alumnos de servicio social debido al riesgo que conlleva
el manejo de alto voltaje.
9
Fotografía 1.7 Caja de ruptura
Fotografía 1.8 Dispositivo de ruptura con aire
Fotografía 1.9 Dispositivo de ruptura con un dieléctrico
10
OSCILOSCOPIOS
Los osciloscopios son de gran utilidad en el análisis de circuitos ya que permiten el estudio de tensiones
variables con el tiempo. Los equipos electrónicos se dividen en dos tipos: Analógicos y Digitales. Los primeros
trabajan con variables continuas mientras que los segundos lo hacen con variables discretas. Por ejemplo un
tocadiscos es un equipo analógico y un Compact Disc es un equipo digital. De igual manera los osciloscopios
también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, está una
vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste
los osciloscopios digitales utilizan previamente un convertidor análogo-digital para almacenar digitalmente la
señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Ambos tipos tienen sus
ventajas e inconvenientes. Los analógicos son preferibles cuando es prioritario visualizar variaciones rápidas
de la señal de entrada en tiempo real. Los osciloscopios digitales se utilizan cuando se desea visualizar y
estudiar eventos no repetitivos (picos de tensión que se producen aleatoriamente), debido a esto, se alienta
a los estudiantes a aprender el uso y manejo de ambos tipos de osciloscopios.
Durante la realización de la práctica del osciloscopio se utilizaba el osciloscopio analógico, se propuso por
parte de los profesores se integrara a la práctica los osciloscopios digitales Tektronix y Escopómetro, se realiza
la comparación de las mediciones obtenidas por el osciloscopio analógico y digital, además de establecer el
funcionamiento y uso del osciloscopio digital Tektronix. Se aprovechó esta situación para poner en marcha
equipo de nueva adquisición como lo es la fuente de poder BK Precision.
a)
11
b)
Fotografías 1.10a y 1.10b. Se muestra la capacitación para el uso y manejo del osciloscopio, tanto del
digital a) como del analógico b).
Se propone utilizar la fuente escalonada para realizar mediciones de voltaje de C.D. y Voltaje de C.A. Es
importante indicar que ésta es una fuente con muchas deficiencias y permite al alumno observar como
aparecen distorsiones en las señales senoidales de C.A. y como aparece el voltaje de rizo en C.D. esto
permite al profesor realizar el análisis de las señales de tal forma que el alumno observe que esta
presentación grafica da ventaja sobre la medición con un multímetro.
Fotografía 1.11. Implementación del osciloscopio Tektronix con ranura USB.
12
La versatilidad de los osciloscopios modernos nos permiten inclusive guardar de manera sencilla la
información visualizada en la pantalla del mismo, esto gracias a su ranura USB incorporada, en la cual al
insertar una memoria no volátil (memoria USB) y tras analizar la memoria de forma automática, también
cuenta con un botón de “Print” (imprimir), el cual al presionarlo guarda la información de la pantalla en un
formato de imagen en la memoria con una resolución de 600 X 800 pixeles.
ESCOPÓMETRO
El Escopómetro es una combinación de osciloscopio digital portátil de 1 canal y un multímetro en un sólo
instrumento capaz de analizar con lujo de detalles las señales y formas de onda con toda claridad gracias a su
pantalla LCD. También tiene capacidad de memoria para reproducir eventos aislados. Además cuenta con
entrada para memoria USB, y puerto de comunicación para capturar el muestreo por pantalla y exportación
de datos a Excel. En resumen, el Escopómetro es una poderosa herramienta con todas las funciones de un
Osciloscopio Digital ideal para trabajo de campo o en el taller, por su portabilidad y diseño robusto.
Fotografía 1.11. Implementación y capacitación para el uso y manejo del Escopómetro
También se dio una guía de funcionamiento del Escopómetro usándolo como osciloscopio o como
multímetro. En la práctica de osciloscopio se propone que sea el profesor el que elija cual osciloscopio utilizar,
considerando que en otras prácticas posteriores también se utiliza el osciloscopio se podrían utilizar todos o
uno a la vez.
13
Es conveniente que el alumno considere que la polaridad de un electrodo depende del tipo de material de
que está hecho el otro electrodo, que no siempre va a tener un positivo o negativo al combinarse con otro
material. Para esto se realiza la prueba de fuerza electromotriz entre dos electrodos diferentes y un electrolito
con el fin de que el alumno observe como cambia la polaridad de los materiales al combinarse con otros y
como varía el valor de la FEM entre electrodos. Es importante indicar que se limpiaron los electrodos para
que no haya falsos contactos y se cuidó que se tuvieran suficientes para realizar la práctica.
Fotografía 1.12. Prueba de fuerza electromotriz para diferentes materiales con un mismo electrolito.
CIRCUITOS RC
Los circuitos RC son circuitos que están compuestos por una resistencia y un condensador y se caracteriza por
que la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador está
descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay
una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula
corriente, es por eso que se utiliza una resistencia. El estudio del circuito RC es importante debido a su
utilización como oscilador para controlar tiempo. En esta parte nada más se analiza la carga y descarga del
capacitor cuando se alimenta con una onda cuadrada para comprobar la constante de tiempo (𝜏).
𝜏 = 𝑅𝐶
14
En esta parte se realizó la toma de medidas usando el osciloscopio digital Tektronix en su forma automática,
con lo que se obtuvieron señales inmediatamente medibles y con sus valores respectivos de voltaje, tiempo
y frecuencia.
Fotografía 1.14. Puesta en marcha de equipo de nueva adquisición para los experimentos de Circuitos RC
para la comprobación de la constante de tiempo.
Experimento de Oersted, dicho experimento consiste en acercar una brújula a un cable por el cual circula una
corriente y observar que la aguja de la brújula se orienta de manera particular. Con esto se demostró que una
corriente eléctrica que pasa por un conductor, produce en su entorno, un campo magnético. En el caso de un
alambre recto, este resulta directamente proporcional a la intensidad de corriente que pasa por el alambre e
inversamente proporcional a la distancia al conductor.
Para realizar este experimento, aunque muy sencillo se tenían problemas por los tipos de fuentes que se
ocupaban, se propuso realizarlo con la nueva fuente de poder BK Precision y se observó que se sostenía
perfectamente la corriente eléctrica demandada y sin variaciones, lo que permitió observar a través de las
brújulas la dirección del campo magnético generado por el alambre sin ninguna dificultad.
15
Fotografía 1.15. Recreación del experimento de Oersted
CIRCUITOS RL
Los profesores propusieron agregar a la práctica anterior el circuito RL por considerarlo relevante,
propusieron la práctica y tuvimos que realizarla y ponerla a punto con los valores de inductancias que se
tenían en el laboratorio, de tal forma que se pudieran observar y medir correctamente en el osciloscopio.
Los circuitos RL son aquellos que contienen una bobina (inductor) que tiene auto inductancia, esto quiere
decir que evita cambios instantáneos en la corriente. Siempre se desprecia la auto inductancia en el resto del
circuito puesto que se considera mucho menor a la del inductor.
Para un tiempo igual a cero, la corriente comenzará a crecer y el inductor producirá igualmente una fuerza
electromotriz en sentido contrario, lo cual hará que la corriente no aumente. A esto se le conoce como fuerza
contra electromotriz. El estudio del circuito RL es importante debido a su utilización como oscilador para
controlar tiempo, y para comprobar la constante de tiempo (𝜏) .
𝜏=
16
𝐿
𝑅
Fotografía 1.16. Implementación de un circuito oscilador RL
En la edición anterior en lo referente a campo magnético, exclusivamente se realizaban experimentos
cualitativos o de medición indirecta de campo magnético, con la adquisición de los Teslámetro se pueden
realizar las prácticas de manera cuantitativa. En la práctica se realiza la medición de campo magnético
generado por un solenoide al ir variando la corriente de entrada para comprobar la fórmula dada para un
solenoide 𝐵 = 𝜇0 𝑛𝐼 .
La práctica de campo magnético cambió radicalmente debido al uso del teslámetro, la medición de campo
magnético se realiza solo con apretar un botón selector y aparece el valor, como el teslámetro tiene varias
posibilidades de medición el profesor tendrá una versatilidad para realizar diferentes mediciones
Fotografía 1.17. Implementación de equipo de nueva adquisición, Fuente de poder GW Instek y Teslámetro
para el experimento de propiedades magnéticas.
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REVISIÓN DEL CUESTIONARIO FINAL
Se hicieron modificaciones y correcciones marcadas por los profesores en el cuestionario, en realidad en este
rubro principalmente se dieron mayores espacios y las modificaciones de fondo solamente se propusieron
cuando se cambió el equipo a usar.
MATERIAL DE APOYO ILUSTRADO
También se elaboró material que era necesario para la realización de las prácticas de electricidad y
magnetismo. Podemos mencionar la elaboración de códigos de colores para la obtención de los valores de la
resistencia y la capacitancia. Este código de colores fue creado los primeros años de la década de 1920 en
Estados Unidos por la Radio Manufacturer's Association, y aceptado por la Comisión Electrónica Internacional.
En un principio se optó por pintar con colores un costado del cuerpo del dispositivo con puntos de un código
de colores representando las cifras del 0 al 9 (basado en la escala del arco iris para que fuera más fácil de
memorizar), por la ventaja que representaba para los componentes electrónicos el poder pintar su valor sin
tener que imprimir ningún texto. Si el valor de los componentes estuviera impreso sobre un cuerpo cilíndrico,
al soldarlos en el circuito impreso, el valor podría quedar oculto. Por ello y para poder ver bien su valor desde
cualquier dirección, pasó a ser codificado con franjas anulares de color. Este sistema, por su buena legibilidad
se extendió a los condensadores pequeños y a los inductores
Fotografía 1.18. Código de colores para resistencias y su forma de lectura en el dispositivo.
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ÓPTICA
Se participó en la realización de las prácticas de óptica, llevadas a cabo por los profesores en la preparación
del equipo y en el proceso de desarrollo, se realizaron ajustes a la redacción de los cuestionarios previos,
desarrollo y cuestionarios finales. La parte de fotografía y de implementación de equipo y material fue escaso
debido a que las prácticas tenían un semestre de arranque. Por otra parte se seleccionó el equipo que se
utiliza por práctica, esto debido a que se puede realizar una misma práctica con diferentes equipos, por
ejemplo: “Reflexión de ondas”, se puede utilizar en este caso el equipo de microondas, la cuba de ondas y se
puede utilizar espejos con rayo láser siendo importante que el profesor tenga disponible todo el equipo y que
él seleccione el equipo que quiera utilizar.
En el estudio de la propagación de una onda aparecen una serie de fenómenos como la reflexión, la refracción
y la difracción, que pueden explicarse analizando el paso de un frente de onda al siguiente. Cuando el frente
de onda avanza en el medio, el movimiento ondulatorio se propaga alcanzando nuevos puntos de ese medio.
Christian Hüygens (1629-1695) apoyándose en esta sencilla idea visualizó una construcción geométrica para
pasar de una superficie de onda a otra, que constituye el Principio de Hüygens.
Cuando el movimiento ondulatorio alcanza los puntos de un frente de onda, cada partícula del mismo, se
convierte en una fuente de ondas secundarias que alcanzan a las sucesivas partículas del medio. El siguiente
frente de onda será la superficie envolvente de todas las ondas secundarias. La repetición del proceso da
como resultado la propagación de la onda a través del medio.
El Principio de Hüygens dice que: “Todo punto de un frente de ondas se convierte en punto de partida de una
serie de ondas secundarias (ondas elementales) en todos los sentidos”.
En este principio se considera que la amplitud de las ondas secundarias no es uniforme en todas las
direcciones, sino que varía continuamente desde un máximo en la dirección y sentido de propagación de la
onda hasta un mínimo en sentido opuesto.
Para la práctica de ondas estacionarias se ocupa un dispositivo para genera una onda mecánica, la cual se
analiza para encontrar longitud de onda, frecuencia y velocidad.
𝑉 = 𝜆𝑓
Dónde:
𝜆 - longitud de onda
19
𝑉- Velocidad de propagación
𝑓- Frecuencia
En ésta práctica se apoyó en la logística y en la toma de fotografías.
Fotografía 1.19. Propagación de una onda por medio de un medio conductor
Fotografía 1.20. Se muestra la propagación de una onda por medio de una cuerda atada a un sistema
oscilatorio.
Reflexión: este fenómeno se utiliza usando el rayo láser en donde se proyecta en una pantalla y esta refleja
al laser, en donde se miden el ángulo de incidencia y el ángulo de reflexión
20
Fotografía 1.21. Reflexión de ondas por medio de rayo láser, se puede observar como la luz se refleja en
función del ángulo de incidencia del rayo láser sobre un fragmento de Lucita.
A través del disco de Newton se le explica al alumno como la luz blanca en sí no existe, si no es una
combinación de varios colores.
Fotografía 1.22. Trabajo en conjunto con los profesores para demostrar la composición de la luz blanca con
todos los colores del espectro electromagnético visible con ayuda del disco de Newton.
TEORÍA ELECTROMAGNÉTICA
21
De acuerdo a la creación de una nueva carrera llamada Ingeniería en Telecomunicaciones, Sistemas y
Electrónica (ITSE) en la cual se imparte la materia de teoría electromagnética y dado que se tiene contemplado
un laboratorio para dicha materia, nos vimos en la necesidad de realizar una investigación bibliográfica para
tener una idea de qué temas y experimentos se proponen en los laboratorios de diferentes escuelas, esto
debido a que en el plan anterior no se tenía un laboratorio para ésta materia.
Primeramente se muestra el programa de estudios de la asignatura de teoría electromagnética que se imparte
en la Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán
Figura 1.23. Programa de estudios de Teoría electromagnética de FES-Cuautitlán
CONTENIDO TEMÁTICO
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1. FUNDAMENTOS DE ELECTRODINÁMICA
1.1. Introducción.
1.2. Conductividad y resistividad.
1.3. Fuerza electromotriz.
1.4. La ley de inducción de Faraday
1.5. Corriente de desplazamiento.
1.6. Corriente de polarización.
1.7. Potenciales escalar y vectorial.
1.8. Inductancia propia.
1.9. Inductancia mutua.
1.10. El transformador.
1.11. Energía: caso cuasiestático.
1.12. Energía: caso general.
1.13. Las ecuaciones de Maxwell.
1.14. Transformaciones de norma.
Campo eléctrico. Ley de Gauss (forma diferencial e integral).
1.1 Potencial eléctrico. Dipolo eléctrico. Capacitancia.
1.2 Corriente eléctrica (conducción y convección). Ley de Ohm en forma puntual.
1.3 Ley de Ampere (forma diferencial e integral). Ley de Gauss para campos magnéticos
(forma diferencial e integral). Potenciales Magnéticos (escalar y vectorial).
1.4 Ley de Faraday (forma diferencial e integral).
1.5
Principio de conservación de la carga y ecuación de continuidad. Corriente de
desplazamiento.
1.6 Ecuaciones de Maxwell para campos eléctricos y magnéticos estáticos y variables en el
tiempo.
2. ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
2.1. Introducción.
2.2. Función de onda.
2.3. Polarización en una onda transversal.
2.4. Ondas electromagnéticas en el espacio libre.
2.5. El espectro electromagnético.
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2.6. Energía en ondas electromagnéticas.
2.7. Reflexión y trasmisión de ondas electromagnéticas.
2.8. Reflexión interna total.
2.9. Dispersión.
2.10. Dispersión anómala y absorción resonante.
2.11. Ondas electromagnéticas en medios conductores.
2.12. Reflexión y trasmisión en una superficie conductora.
2.13. Conductividad compleja.
3. TRANSMISIÓN DE ONDAS ELECTROMAGNÉTICAS
3.1. Introducción.
3.2. Líneas de trasmisión.
3.3. Guías de onda.
3.4. Fibra óptica.
3.5. Antenas.
4. LÍNEAS DE TRANSMISIÓN
4.1. Parámetros de las líneas de transmisión.
4.2 Guías de onda.
4.3 Propagación de las ondas electromagnéticas.
ACTIVIDADES PRÁCTICAS: Realización de prácticas de laboratorio para comprobar los fenómenos físicos
descritos en la teoría, relacionados con temas:
1. Campos electromagnéticos.
2. Espectro electromagnético.
3. Propagación de ondas TEM.
4. Guía de ondas.
5. Transmisión laser.
Algunas de las instituciones en donde se imparte la materia de teoría electromagnética son los siguientes:
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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL (IPN)
1- ELECTROMAGNETISMO
1.1- LA CARGA ELÉCTRICA Y LA LEY DE COULOMB
1.1.1- La carga eléctrica. Conductores y Aislantes. La ley de Coulomb. Cuantización y
conservación de la Carga.
1.1.2- Ejercicios y resolución de problemas.
1.2- EL CAMPO ELÉCTRICO
1.2.1- El campo eléctrico de las cargas puntuales. Líneas de Fuerza. El campo eléctrico de las
distribuciones de carga continua.
1.2.2- Ejercicios y resolución de problemas.
1.3- LA LEY DE GAUSS
1.3.1- El flujo del campo vectorial y del campo eléctrico. La ley de Gauss. Aplicaciones.
1.3.2- Ejercicios y resolución de problemas.
1.4- EL POTENCIAL ELÉCTRICO
1.4.1- La electrostática. Energía potencial eléctrica. Potencial eléctrico.
1.4.2- El potencial
eléctrico de las distribuciones de carga continua. Superficies
equipotenciales. 1.4.3- Ejercicios y resolución de problemas.
1.5- EL CAMPO MAGNÉTICO
1.5.1- El campo magnético. La fuerza magnética sobre cargas en movimientos. El efecto Hall.
1.5.2- La fuerza magnética sobre una corriente. Momento de torsión en una espira de
corriente. El dipolo magnético.
1.5.3- Ejercicios y resolución de problemas.
1.6- LA LEY DE AMPÉRE
1.6.1- La ley de Biot-Savart.
1.6.2- Ejercicios y resolución de problemas.
1.6.3- La ley de Ampére. Aplicaciones.
1.6.4- Ejercicios y resolución de problemas.
1.7- LA LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY
1.7.1- La ley de Faraday. La ley de Lenz.
1.7.2- Ejercicios y resolución de problemas.
1.8- ECUACIONES DE MAXWELL
25
1.8.1- Ecuaciones básicas del electromagnetismo. Campos inducidos y Corrientes de
desplazamiento.
1.8.2- Solución de Problemas.
1.9- ONDAS ELECTROMÁGNETICAS
1.9.1- El espectro electromagnético. Generación de la onda. Ondas y ecuaciones de Maxwell.
Propagación de las ondas electromagnéticas.
1.10- MAGNETOELECTRÓNICA Y SENSORES
1.10.1- Magnetorresistencia y magnetoimpedancia.
1.10.1- Sensores Hall y Fluxgate.
1.10.3- Mediciones de variables no magnéticas.
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANA (UAM)
26
http://laryc.izt.uam.mx/electronica/index.php/plan-de-estudios/mapa-curricular-actual/11-articulos/27electromagnetismo-i
Unidad: Iztapalapa
División: ciencias básicas e ingeniería
Nivel: licenciatura en ingeniería electrónica
Unidad de enseñanza - aprendizaje: electromagnetismo i (obligatoria)
Clave: 2111100
Seriación: 213192 y 2151068
Créditos: 10
Trimestre: VIII-IX
Horas-teoría: 4
Horas-práctica: 2
Objetivos generales:
Que al final del curso el alumno sea capaz de:

Emplear las herramientas del cálculo vectorial para describir los campos eléctricos y magnéticos.

Distinguir los campos electromagnéticos en el vacío y en los medios materiales.

Analizar las condiciones de frontera entre dos distintos materiales.

Diferenciar las distribuciones discretas y continuas de carga eléctrica.

Asociar el concepto de corrientes eléctricas estacionarias con los métodos de análisis de redes
eléctricas.
Las horas prácticas consisten de dos horas de taller. En las sesiones de taller se realizarán prácticas
demostrativas o de simulación, el profesor presentará ejemplos y propondrá problemas y ejercicios para que
los alumnos los resuelvan de manera individual o grupal.
INSTITUTO TECNOLÓGICO AUTÓNOMO DE MÉXICO (ITAM)
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En el instituto se propone como prácticas de laboratorio los siguientes temas:
Práctica 1: Carga eléctrica
Práctica 2: Superficies equipotenciales y campo eléctrico
Práctica 3: Capacitores y capacitancia
Práctica 4: Energía y potencia
Práctica 5: Resistencia y resistividad
Práctica 6: Elementos electromagnéticos
Práctica 7: Electromagnetismo
Práctica 8: Reflexión y refracción de ondas electromagnéticas
Práctica 9: Introducción a guías de onda y ondas estacionarias
Práctica 10: Energía electromagnética en movimiento
Práctica 11: Patrones de radiación y polarización
Práctica 12: Ganancia de antenas y líneas ranuradas
Práctica 13: Zonas de Fresnel e interferencia de ondas
Práctica 14: Antenas para microondas, cálculos de enlace
Práctica 15: Antenas para microondas, patrón de radiación
Proyecto Final 1: Interconexión a través de fibras ópticas
Proyecto Final 2: Interconexión a través de microondas
FACULTAD DE INGENIERÍA UNAM
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(No tiene laboratorio)
http://www.ingenieria.unam.mx/paginas/Carreras/planes2010/Telecomunicaciones/05/campos_y_ondas.pdf
Figura 1.24. Programa de estudio de teoría electromagnética en Facultad de Ingeniería
Temario
1 Campos eléctricos y magnéticos. Propiedades electromagnéticas de la materia
Campos eléctricos y magnéticos estáticos y estacionarios
Carga eléctrica. Distribuciones de carga
Corriente eléctrica. Densidad de corriente
Principio de conservación de la carga. Ecuación de continuidad
Campo eléctrico. Fuerza debida a un campo eléctrico
Ley de Gauss
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Potencial eléctrico
Propiedades de los materiales conductores y semiconductores. Corrientes de conducción.
Conductividad. Ley de Ohm
Propiedades de los materiales dieléctricos. Polarización dieléctrica
Capacitancia
Ecuaciones de Laplace y Poisson
Campo magnético. Fuerza debida a un campo magnético
Ley de Ampere
Potenciales magnéticos
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FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN
(No tiene laboratorio)
http://www.aragon.unam.mx/oferta_educativa/licenciaturas/ing_electronica/pdf/IEE_4_SEMESTRE.pdf
Figura 1.25. Programa de asignatura de teoría electromagnética de FES Aragón
TEMA I "CONCEPTOS FUNDAMENTALES Y ECUACIONES DE MAXWELL"
I.1 Campo eléctrico. Ley de Gauss (forma diferencial e integral).
I.2 Potencial eléctrico. Dipolo eléctrico. Capacitancia.
I.3 Corriente eléctrica (conducción y convección). Ley de Ohm en forma puntual.
I.4 Ley de Ampere (forma diferencial e integral). Ley de Gauss para campos magnéticos (forma
diferencial e integral). Potenciales magnéticos (escalar y vectorial).
I.5 Ley de Faraday (forma diferencial e integral).
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I.6 Principio de conservación de la carga y ecuación de continuidad. Corriente de desplazamiento.
I.7 Ecuaciones de Maxwell para campos eléctricos y magnéticos estáticos y variables en el tiempo.
TEMA II "ONDAS ELECTROMAGNETICAS"
II.1 Ecuaciones de onda para el espacio libre y para medios homogéneos isotrópicos y lineales (medio
sin pérdidas y medio con pérdidas).
II.2 Campos que varían sinusoidalmente en el tiempo: fasores; ecuaciones de Maxwell y ecuaciones
de onda en su forma fasorial; propagación de ondas planas en el espacio libre, en un medio sin
pérdidas y en un medio con pérdidas (impedancia intrínseca, constantes de propagación, fase y
atenuación, velocidades de fase y de grupo, profundidad de penetración); clasificación de los medios
con pérdidas (factor de disipación o tangente de pérdidas, buenos dieléctricos y buenos
conductores).
II.3 Vector de Poynting.
II.4 Polarización de ondas electromagnéticas.
TEMA III "REFLEXION Y REFRACCION DE ONDAS ELECTROMAGNETICAS"
III.1 Condiciones de frontera.
III.2 Reflexión de ondas plantas que inciden normalmente en un medio: coeficientes de reflexión y
transmisión; ondas estacionarias; relación de onda estacionaria (S.W.R.); coeficiente de reflexión
generalizado; impedancia de entrada.
III.3 Incidencia normal en varios dieléctricos colocados paralelamente: Métodos de análisis, técnicas
para evitar reflexiones (ventana dieléctrica de delta/w y capa de delta/4).
III.4 Ondas planas orientadas arbitrariamente.
III.5 Reflexión de ondas planas que inciden oblicuamente: Leyes de la reflexión y la refracción
(Snell); incidencia oblicua en un conductor; incidencia oblicua en un dieléctrico (coeficientes de
reflexión y de transmisión, ángulo de Brewster, ángulo crítico y reflexión interna total).
III.6 Impedancia de Superficie.
III.7 Propagación en gases ionizados y propagación ionosférica (sin considerar efectos de girotropía).
TEMA IV "LINEAS"
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IV.1 Parámetros distribuidos de las líneas de Transmisión.
IV.2 Teoría de la línea de transmisión uniforme:
a) línea infinita
b) línea terminada en cualquier carga
c) línea en circuito abierto y corto circuito
IV.3 Guías de Onda. Ondas TM en guías rectangulares. Ondas TEM. Velocidad de Propagación y
Longitud de Onda de la guía.
Como se puede observar en los programas de algunas otras instituciones no se contempla la enseñanza
experimental en esta asignatura.
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Realizando un análisis con diferentes profesores se llegó a la conclusión de sugerir una serie de prácticas para
cubrir el laboratorio de teoría electromagnética, a continuación se muestran los nombres tentativos de las
prácticas.
1.- Leyes básicas de electromagnetismo
2.- Interacción de campos eléctrico y magnético
3.- Radiación de ondas electromagnéticas
4.- Polarización de ondas electromagnéticas planas
5.- Prácticas con equipo de microondas
En la primera práctica los profesores sugieren que se haga un repaso de lo que se vio en el curso de
electricidad y magnetismo y realizar experimentos para la comprobación de las ecuaciones de Maxwell.
LEYES BÁSICAS DE ELECTROMAGNETISMO.
Se pretende que el alumno recuerde las ecuaciones de Maxwell vistas en la asignatura de Electricidad y
Magnetismo para su cabal comprensión. Para esto se propone realizar experimentos sencillos para
verificación de éstas leyes.
LEY DE GAUSS PARA CAMPO ELÉCTRICO.
Se armó el siguiente experimento de la figura 2.1 utilizando la jaula de Faraday para verificar la ley de Gauss
para campo eléctrico, se conectó el generador a la jaula de Faraday y se hizo otra conexión de la jaula hacia
el electroscopio de láminas, el primer problema fue que no existía continuidad entre la jaula y el electroscopio
de láminas debido a que había fugas de carga en el cable que los conectaba, se optó por acercar el
electroscopio directamente a la jaula para observar el efecto de separación de lamina. Al cargarse el
generador de Van de Graff la carga inducida sobre el electroscopio hará que las láminas se separen dentro
del mismo, mientras que el que está contenido en la malla no se ve afectado por la inducción y sus láminas
deberán permanecer cerradas. A este fenómeno se le denomina como Jaula de Faraday. Debido a los
problemas técnicos que surgieron durante la realización de la práctica, se recomienda checar continuidad en
los cables de conexión, así como en el circuito final para garantizar la integridad de la práctica, y se elaborará
un cable lo bastante largo para conectar directamente el generador de Van de Graff con la jaula de Faraday
para evitar pérdidas en las conexiones.
34
Fotografía 1.26. Jaula de Faraday
Muchos dispositivos que empleamos en nuestra vida cotidiana están provistos de una jaula de Faraday: los
microondas, escáneres, cables, etc. Otros dispositivos, sin estar provistos de una jaula de Faraday actúan
como tal: los ascensores, los coches, los aviones, etc. Por esta razón se recomienda permanecer en el interior
del coche durante una tormenta eléctrica: su carrocería metálica actúa como una jaula de Faraday.
LEY DE GAUSS PARA CAMPO MAGNÉTICO.
En el siguiente experimento se verán las configuraciones de campo para diferentes geometrías de imanes y
se comprobará la ley de Gauss para campo magnético, al tratar de encerrar con una superficie las líneas de
campo observando que el flujo magnético es igual a cero, es decir, que las líneas que entran son las mismas
que salen y por tanto no existen mono-polos magnéticos.
En este experimento se trabajó con diferentes tipos de imanes y se trató de utilizar rebaba para observar las
líneas de campo, el problema es que las rebabas se magnetizaban y no se observaban bien las líneas de
campo, por lo que se decidió utilizar limadura de hierro, en la figura 2.x se pueden observar la configuración
de campo y como se trazan los círculos para intentar contar y ver las trayectorias de las líneas de campo
magnético, con el fin de corroborar que el flujo es igual a cero.
35
Fotografía 1.27. Líneas de campo magnético
LEY DE AMPERE.
Con este experimento los profesores tratan de comprobar la corriente de desplazamiento que se presenta en
un capacitor.
Se armó el dispositivo que se muestra en la siguiente figura:
Fotografía 1.28. Corriente de desplazamiento
En la primera parte se pretende observar la corriente de desplazamiento presente en un capacitor, esto con
ayuda del galvanómetro con cero al centro, para observar una oscilación, lo que indica la presencia de una
corriente, el problema que se generó en este punto fue que el capacitor de placas paralelas presentaba una
36
capacitancia del orden de los picofaradios, aunado a esto al alimentarlo a bajas frecuencias no se aprecia el
movimiento de la aguja, tras hacer una serie de experimentos se llegó a la conclusión de que la corriente de
desplazamiento en capacitancias bajas no se podría observar a la frecuencia a la cual la práctica especifica,
así que se optó por utilizar un capacitor cerámico de una capacitancia mayor, del orden de los microfaradios,
una vez haciendo este cambio, el movimiento de la aguja en el galvanómetro es muy evidente. Una vez
resuelto esto, se procedió a hacer las modificaciones correspondientes directamente en la práctica.
LEY DE INDUCCIÓN DE FARADAY.
En la primera parte de este experimento, se conecta una bobina a un galvanómetro con cero al centro
(Fotografía 1.29) y se pasa un imán por el centro de dicha bobina, se observa que al introducirlo se genera
una corriente ya sea positiva o negativa de acuerdo al polo del imán que se esté insertando, al cambiar la
bobina por una de mayor número de espiras que la anterior, se observa el mismo fenómeno, la diferencia es
que la magnitud de la corriente inducida aumenta en proporción al número de espiras de la bobina. Cabe
mencionar que este experimento no presentó problema alguno.
Fotografía 1.29. Ley de inducción de Faraday primera parte
37
Fotografía 1.30. Ley de inducción de Faraday segunda parte
Posteriormente se conecta una fuente de voltaje entre galvanómetro y bobina, esto para tener presente una
corriente dentro del circuito con una dirección establecida, se realizan los mismos pasos que en la primera
parte del experimento, ahora el fenómeno que se observa es que la corriente inducida se suma o se resta a
la corriente ya presente dentro del circuito, con lo cual se comprueba la ley de Lenz. Llegados a este punto,
nos dimos cuenta que la práctica especificaba que se debía hacer circular una corriente de tres Amperes, y al
momento de realizar el experimento nos dimos cuenta de que no había bobinas que soportaran esa corriente
que cumpliera con esas especificaciones, así que tras hacer un análisis llegamos a la conclusión de que se
trataba de una fuente de voltaje de tres volts, una vez corregido esto y terminado el experimento se hicieron
las correcciones correspondientes directamente en la práctica.
Una vez terminadas las dos partes de este experimento, proseguimos a corroborar la ley de Lenz, esto se
logró al armar un transformador con bobinas y núcleo didácticos, el fenómeno se pudo apreciar al observar
los valores de voltaje y corriente en el osciloscopio, usando el canal uno para el primario del transformador y
el canal dos para el secundario, pero se consideró que debido al tiempo que se tiene para realizar la práctica
no se incluyera.
38
INTERACCIÓN DE CAMPOS ELÉCTRICO Y MAGNÉTICO
Para realizar esta práctica se tuvieron que localizar los tubos de Crookes de cruz de malta y de energía
cinética, se limpió la base y se ajustaron las conexiones además de probar los diodos rectificadores antes de
su conexión.
Este experimento se planteó pero no se pudo realizar debido a que el tubo de Crookes de energía cinética se
encuentra roto, sin embargo se planteó la posible práctica pensando en adquirir un tubo nuevo, para esto se
realizó una cotización con diferentes proveedores y se obtuvo como respuesta que el tubo no se vende solo
sino con más aditamentos (Kit didáctico).
Sin embargo se ocupó el tubo de Crookes de cruz de malta para la realización de la práctica. Se armó el
dispositivo de la figura 1.31 para la verificación de la existencia de emisión foto iónica (emisión de electrones).
En donde se pudo observar con claridad la sombra de la cruz de malta, es importante indicar que se debe de
controlar el voltaje de entrada a máximo 50 V ya que existe emisión de rayos X, a continuación se muestran
en la siguiente tabla los datos arrojados en la práctica:
Vp (V)
Vs (V)
α
d (m)
E (V/m)
40
5,016.4
125.41
0.125
40,131.2*
Tabla 1.1. Valores arrojados al reproducir la práctica.
*Un campo muy intenso provoca emisiones de radiación, es por eso, y por razones de seguridad, que
se tiene que limitar el Voltaje en el primario a menos de 50 V.
Fotografía 1.31. Efecto foto iónico.
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Fotografía 1.32. Desviación del haz de electrones
Posteriormente se acerca un imán generando una desviación del haz de electrones y comprobando la
dirección de la fuerza eléctrica según indica la siguiente formula
⃗⃗⃗
𝐹 = 𝑞𝑣 × 𝐵
𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑚𝑎𝑔𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎
O lo que es lo mismo, la regla de la mano izquierda
Fotografía 1.27. Regla de la mano izquierda
Dónde:
El dedo índice representa la dirección del campo magnético presente al acercar el imán
El dedo medio representa la dirección de la corriente eléctrica dentro del tubo de Crookes
El dedo pulgar representa la dirección en la cual se moverá la sombra de la cruz de malta
40
Para la práctica tres, cuatro y cinco se apoyó en la búsqueda, limpieza y puesta en marcha del equipo en la
mayoría de los casos, esto debido a que desde 1993 se dejaron de realizar las prácticas de teoría
electromagnética.
Cabe señalar que se encontró un equipo incompleto de microondas marca DEGEM en donde falta el manual
y las fuentes de alimentación y por otra parte, se recuperó un equipo de donación marca ARRA el cual está
completo y en funcionamiento para el desarrollo de las prácticas subsecuentes.
La cuestión ahora es que el trabajo de un servidor como apoyo a la docencia termina en este punto, sin
embargo se sigue apoyando con la implementación y puesta en marcha del equipo de microondas para las
demás prácticas de teoría electromagnética
Fotografía 1.34. Trabajo conjunto con los profesores para la implementación y puesta en marcha del equipo
de microondas.
41
CAPÍTULO 2
MANTENIMIENTO PREVENTIVO Y CORRECTIVO
CABLES DE CONEXIÓN
Se fabricaron cables de conexión, debido a que los que ya existían en laboratorio eran insuficientes y de mala
calidad, aparte la mayoría estaban dañados lo cual se traducía en pérdidas de tiempo al tener falsos contactos
durante el desarrollo de la práctica y tener que cambiarlos o esperar a que otros los terminaran de usar para
poder proseguir con su respectivo experimento, además otro problema que se presentó fue la de los
diferentes tipos de cable, en algunos experimentos se necesitaban cables de conexión banana-banana o
caimán-caimán o caimán-banana, pero no se contaba con ellos, por lo cual se decidió hacer cables nuevos de
todos los tipos necesarios y de diferentes longitudes.
Fotografía 2.1. Cables de conexión usados en las prácticas en mal estado
42
Fotografía 2.2. Cables de conexión hechos para el desarrollo de las prácticas.
FUENTES DE PODER
Las fuentes de poder son dispositivos electrónicos capaces de generar una diferencia de potencial entre sus
terminales (un voltaje) para generar una corriente eléctrica, en otras palabras son dispositivos que nos
proveen el voltaje necesario para que los circuitos funcionen, sin una fuente de voltaje, los circuitos
simplemente no encienden. Debido a esto la demanda de estos aparatos es mucha y el desgaste es mayor,
por lo que requieren de un servicio de mantenimiento continuo.
Fotografía 2.3 Limpieza de las fuentes de poder
43
En las fuentes de poder se realizó una limpieza de los componentes electrónicos, debido a que por la
acumulación de polvo éstas no funcionaban adecuadamente y en algunos casos cuando se tenían las
posibilidades de obtener refacciones se reparaban.
OSCILOSCOPIOS
La importancia del correcto funcionamiento de los osciloscopios es vital para el desarrollo de los
experimentos, debido a esto se les brindó mantenimiento y calibración de piezas.
Los osciloscopios presentaron principalmente problemas en los falsos contactos en sus perillas debido a la
acumulación de polvo, esto se debe a que su uso no es continuo en los periodos en donde no se imparte
laboratorio
Fotografía 2.4. En los osciloscopios se realizó una limpieza de las partes electrónicas con un limpiador
dieléctrico especial, en algunos casos se le dieron unos puntos de soldadura en las terminales de las
perrillas, ya que son las partes que se desgastan más rápido debido al uso que se les da.
CAJAS DE RUPTURA DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA
Debido a que se requiere de un alto voltaje para ver la ruptura de la rigidez dieléctrica, se van desajustando
las piezas de ajuste de distancia y del interruptor mecánico. Se procedió a la limpieza y al ajuste de las
terminales y a la revisión correcta del interruptor mecánico.
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Fotografía 2.5. Caja de ruptura de rigidez dieléctrica.
También se organizó y se verificó que existiera el equipo completo para la realización de las prácticas de
electricidad y magnetismo.
Fotografía 2.6. Revisión de material dispuesto para las prácticas.
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GENERADORES DE SEÑALES
En los generadores de señales el problema más frecuente es la calibración, esto es, que cuesta mucho trabajo
lograr la señal deseada, en ésta parte se hizo limpieza de todas las partes electrónicas y en ocasiones se
cambiaron los potenciómetros de las perillas debido a que ya estaban muy desgastados y no se podía ajustar
a la frecuencia que se requería.
Fotografía 2.7. Mantenimiento a los generadores de señales.
MULTÍMETROS
Se revisó que los multímetros estuviesen funcionando correctamente, esto con ayuda de las fuentes de poder
y de los generadores de señales, también se revisó que el fusible no estuviera quemado.
Fotografía 2.8. Revisión de funcionamiento de multímetros.
46
CONCLUSIONES
Durante el proceso de actualización de prácticas que tiene el departamento de Física en los laboratorios de
campo cuatro, tuve la oportunidad de participar y aplicar los conocimientos adquiridos durante el estudio de
la carrera. En donde aprendí a que la ingeniería se basa en los conocimientos de ciencias básicas, por lo que
es importante que en los laboratorios de Física se mantenga un proceso de mejora continua en las prácticas
para reforzar los conceptos que se aprenden en el aula, los cuales son tanto abstractos como sencillos, pero
no se puede visualizar la sencillez de ciertos fenómenos sin el apoyo de los experimentos en los laboratorios.
Pude observar en la revisión de las prácticas de Electricidad y Magnetismo, la dificultad que presenta el
realizar una práctica integralmente debido a las diferentes opiniones de los profesores, la flexibilidad de los
experimentos así como a la variedad de equipos y prácticas que se pueden realizar para un solo tema.
Algo importante es que valoré el trabajo académico que se realiza para generar las prácticas, en el sentido de
su desarrollo y de su preparación técnica para que el alumno las pueda realizar de una manera expedita y
comprensible para obtener el mejor aprovechamiento de ellas.
Por otra parte tuve la oportunidad de participar en el mantenimiento y en su caso calibración del equipo y
material que se utilizaron en las prácticas, profundizando con lo anterior los conocimientos que ya poseía
acerca de dicho equipo.
En lo personal quiero recomendar a los alumnos a que participen en éste tipo de programas de apoyo a la
docencia puesto que los profesores tienen su propia concepción acerca de cómo se imparten los laboratorios
y acerca de cómo se asimilan los conocimientos por parte de los alumnos, por el contrario los alumnos tienen
otra manera de concebir dicho conocimiento a la par que pueden proponer distintas maneras de realizar un
experimento o externar sus dudas o inconformidad con respecto a la didáctica de la práctica misma.
47
BIBLIOGRAFÍA
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Óptica (3ra. Ed.)
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48