Lecciones 05 Esc. Sabática. Fe contra todo pronóstico.
Electricidad básica
1. CONCEPTO Y FENÓMENOS
ELÉCTRICOS BÁSICOS Y MEDIDAS
ELÉCTRICAS
ELECTROTÉCNIA
Luis Miguel GARCÍA GARCÍA-ROLDÁN
Departamento de Tecnología
IES Cap de Llevant – MAÓ
2. CONCEPTO Y FENÓMENOS ELÉCTRICOS
BÁSICOS Y MEDIDAS ELÉCTRICAS
Magnitudes eléctricas básicas. Definiciones,
unidades y símbolos: fuerza electromotriz, voltaje,
intensidad, densidad de la corriente, potencia, trabajo
y energía. Ley de Ohm.
Condensador. Carga y descarga del condensador.
Efectos de la corriente eléctrica. Efecto térmico de la
corriente, Ley de Joule.
Medidas de magnitudes en corriente continua y
corriente alterna: tensión, intensidad, potencia,
resistencia y osciloscopio.
Características de los instrumentos de medida:
sensibilidad y precisión. Procedimientos de medida.
2
3. ELECTROTÉCNIA
Es una parte de le técnica trata
de la aplicación práctica de los
fenómenos eléctricos y
magnéticos y de las relaciones
existentes entre ellos.
3
4. NATURALEZA DE LA ELECTRICIDAD
Concepto y fenómenos eléctricos básicos y medidas eléctricas
5. MOLÉCULA
MOLÉCULA es la mínima porción de la materia que conserva las
propiedades de un material.
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6. EL ÁTOMO
ÁTOMO es una estructura eléctrica formada por la agrupación de
partículas elementales. Es la unidad elemental básica que puede
experimentar cambio químico. Diferenciamos dos partes
fundamentales: núcleo y corteza
Los átomos son neutros, tienen el
mismo número de protones que de
electrones. Un ión es un átomo
cargado por exceso o defecto de
electrones.
EL ÁTOMO
6
7. EL ÁTOMO. VARIANTES
ISÓTOPOS son átomos con el mismo número de protones y
distinto de neutrones
ISÓTONOS son átomos con el mismo número de neutrones y
distinto de protones
ISÓBAROS son átomos con el mismo número másico
7
9. EL ÁTOMO. NIVELES ENERGÉTICOS
La corteza del átomo está formada por niveles energéticos y los
electrones son entes corpusculares que pueden ocuparlos. Se
producen saltos electrónicos de un nivel inferior a uno superior o
viceversa cuando se absorbe o emite energía, respectivamente.
9
10. EL ÁTOMO: CARGAS ELECTROSTÁTICAS (I)
¿Qué ocurre al frotar enérgicamente con un trapo dos barras de
vidrio y ebonita, respectivamente, y acercarlas a una bola de
plástico?
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11. EL ÁTOMO: CARGAS ELECTROSTÁTICAS (II)
Al frotar enérgicamente dos cuerpos, éstos se atraerán o repelerán
debido a que se habrán electrizado. Habrán adquirido carga
eléctrica.
En realidad, lo que ocurre es que la energía mecánica del
frotamiento se transforma en energía calorífica que es capaz de
arrancar los electrones de la última capa de los átomos, que pasan
al otro cuerpo quedando cargados uno positivamente (el que pierde
electrones) y el otro negativamente (el que gana electrones).
Carga
positiva
Carga
negativa
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12. CARGA ELÉCTRICA
CARGA ELÉCTRICA es la cantidad de electricidad que posee
un cuerpo, ya sea por ganar o perder electrones; se mide en
coulombs (C). Cada coulomb está formado por 6.24x1018 e-.
Por tanto, cada electrón tiene una carga eléctrica de 1.6x10-19 C.
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13. LEY DE COULOMB (I)
La fuerza con la que se atraen o repelen dos
cargas es directamente proporcional al producto
de sus cargas (Q y Q’) e inversamente
proporcional al cuadrado de la distancia que las
separa (r).
Q Q'
F k F newtons
r2
1
k ε permitividad o cte dieléctrica
4π
13
14. LEY DE COULOMB (II)
___EJERCICIO___
Dos cargas puntuales de 20μC y -35μC se encuentran en el
vacío separadas una distancia de 20cm. ¿Cómo es la
fuerza y qué valor tiene? (Cte dieléctrica del vacío k=9x109
Nm2/C2)
QQ Nm 2 20·10 -6 C· 35·10 -6
C
F K 12 2 9·10 9 2 157.5 N
r C 0.04 m 2
14
15. CAMPO ELÉCTRICO (I)
El CAMPO ELECTRICO generado por una carga Q es la región
del espacio alrededor de ésta en el que se manifiestan las fuerzas
de atracción o de repulsión sobre otras cargas que pudieran estar
en dicho espacio.
Se representa mediante líneas de fuerza , que corresponden a los
caminos que seguiría una carga puntual al ser atraída o repelida por
la carga que genera el campo.
15
17. CAMPO ELÉCTRICO (III)
La intensidad de campo eléctrico (E) creado por una carga Q en
un punto del espacio es la fuerza eléctrica que actúa sobre una
unidad de carga situada en ese punto.
Es una magnitud vectorial y su dirección y sentido son las de la
fuerza realizada sobre una carga positiva en ese punto (tangente a
las líneas de campo)
F Q
E K
Q' r2
CAMPO
ELÉCTRICO 17
18. CAMPO ELÉCTRICO (IV)
___EJERCICIO___
Dos cargas puntuales de 3μC y 4μC se encuentran en el vacío en
los puntos (-3,0) y (1,0) respectivamente de un sistema cartesiano.
Calcula el vector intensidad de campo en el punto (-1,2) (Cte
dieléctrica del vacío k=9x109 Nm2/C2)
r1 r2 22 2 2 2 2m
Q Nm 3·10-6 C
9 N
E1 K 21 9·10 3375
r1 C2 8 m2 C
Q Nm - 4·10-6 C
9 N
E2 K 22 9·10 4500
r2 C2 8 m2 C
N
E E1 E 2 33752 45002 5625
C
18
19. CAMPO ELÉCTRICO (V)
___EJERCICIO___
Dos cargas puntuales de 3μC y -4μC se encuentran en el vacío en
los puntos (-3,0) y (1,0) respectivamente de un sistema cartesiano.
Calcula el vector intensidad de campo en el punto (-1,2) (Cte
dieléctrica del vacío k=9x109 Nm2/C2)
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21. ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA
De la misma forma que tenemos que ejercer trabajo para desplazar
una masa en el interior de un campo gravitatorio y éste se almacena
en forma de energía potencial, tenemos que realizar trabajo para
desplazar una carga en el interior de un campo eléctrico que se
almacenará en forma de ENERGÍA POTENCIAL ELÉCTRICA .
W ΔE p
La energía potencial eléctrica en un
punto es el trabajo que hay que hacer
para llevar una carga Q’ desde el infinito
hasta dicho punto.
Ep E Q' r
21
22. POTENCIAL ELÉCTRICO (I)
El POTENCIAL ELÉCTRICO en un punto A es el trabajo para vencer las
fuerzas del campo eléctrico al llevar una carga Q’ desde el infinito hasta
dicho punto.
Es la energía potencial por unidad de una carga. Su unidad es el Voltio
(J/C)
Ep Q
VA [V voltios] VA Er K
Q' r
Todos los puntos del campo que se
encuentran a la misma distancia r de la
carga Q que lo crea tienen el mismo
potencial y forman una superficie
esférica de radio dicha distancia. Es la
superficie equipotencial.
22
24. POTENCIAL ELÉCTRICO (III)
___EJERCICIO___
Dos cargas puntuales de 20μC y -30μC se encuentran en el vacío
a una distancia de 1m del punto A en sentidos opuestos. Calcula el
potencial en el punto A (Cte dieléctrica del vacío k=9x109 Nm2/C2)
Q Nm 20·10 -6 C
9
V1 E1 r K 1 9·10 2
180000 V
r C 1m
Q Nm - 30·10 -6 C
9
V2 E2 r K 2 9·10 27 0000 V
r C2 1m
V V1 V2 180000 ( 270000) 90000 V
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25. DIFERENCIA DE POTENCIAL (I)
La DIFERENCIA DE POTENCIAL entre dos puntos es el trabajo
necesario para llevar una carga Q’ desde el segundo punto hasta el
primero. Su unidad es el Voltio (J/C)
- ΔW
VA VB [V voltios]
Q'
VA VB K Q (1/rA 1/rB )
25
26. DIFERENCIA DE POTENCIAL (II)
___EJERCICIO___
Calcula la diferencia de potencial entre dos puntos situados a 0.8 y
1.2m respectivamente de una carga de 50μC que se encuentra en
el vacío. (Cte dieléctrica del vacío k=9x109 Nm2/C2)
Nm 2
9 6
VA VB K Q (1/rA 1/rB ) 9·10 2
· 50·10 C (1/0.8m 1/1.2m)
C
VA VB 187500 V
26
28. CONDUCTORES, SEMICONDUCTORES Y AISLANTES
La disposición electrónica de las últimas capas de los átomos que
forman los materiales confieren a éstos diferente capacidad de
conducción de la electricidad.
Los materiales conductores permiten el paso de la
electricidad
• Metalls
• Dissolucions
Los materiales semiconductores permiten el paso de
la electricidad en determinadas circunstancias
• Silicio
• Germanio
Los materiales aislantes no permiten el paso de la
electricidad
• Fusta
• Ceràmica
• Plàstics 28
29. MATERIALES CONDUCTORES (I)
Los metales son buenos conductores de la electricidad porque el enlace
metálico que une sus átomos genera una estructura cristalina muy rígida
con gran cantidad de electrones deslocalizados que pueden recorrer el
metal con mucha libertad ya que las fuerzas que los unen a los núcleos
son muy débiles. Son los electrones libres.
29
31. MATERIALES SEMICONDUCTORES (I)
Son materiales que a bajas temperaturas se comportan como
aislantes pero en otras condiciones presentan cierta conductividad
eléctrica.
Principales semiconductores:
31
32. MATERIALES SEMICONDUCTORES (II)
Los materiales semiconductores están formados por átomos de 4 electrones
de valencia que mediante enlaces covalentes comparten un electrón con
otros cuatro átomos. Conducen en tres situaciones:
Aumento de su temperatura
Sometidos a un proceso de dopaje
En algunos casos al recibir luz solar directa
SEMICONDUCTORES
32
33. MATERIALES AISLANTES
Los materiales aislantes no son capaces de conducir la electricidad por
no tener electrones libres en sus átomos; todos sus electrones de
valencia se utilizan en los enlaces.
33
35. CIRCUITO ELÉCTRICO
Generadores: transforman energía química, mecánica, etc en
energía eléctrica (pilas, baterías, dinamos,…)
Receptores: transforman la energía eléctrica en otro tipo de
energía como mecánica (motores), lumínica (lámparas,
luminarias,…), calorífica (aparatos de calefacción y
climatización,…), etc
Conductores: son cualquier sistema material por el que circule
la corriente eléctrica ofreciendo una resistencia y diferencia de
potencial entre sus extremos inapreciables (cables, pistas,…)
Elementos de maniobra o control: gobiernan el funcionamiento
del circuito (interruptores, pulsadores, conmutadores,…)
35
37. CORRIENTE ELÉCTRICA (I)
Cuando Unimos mediante un conductor
dos cuerpos, uno cargado
positivamente y otro negativamente, se
produce una circulación de electrones
desde el segundo al primero hasta que
los dos cuerpos acaban
neutralizándose
La CORRIENTE ELÉCTRICA es el movimiento ordenado de
electrones a través de un conductor
37
38. CORRIENTE ELÉCTRICA (II)
Lo que ocurre en realidad es que entre
los dos cuerpos, positivo y negativo, se
establece un campo eléctrico que va
desde el positivo al negativo y una
diferencia de potencial entre ellos.
Entonces los electrones libres van
pasando de átomo a átomo desde el
cuerpo negativo al positivo produciendo
una corriente eléctrica contraria al
campo hasta que los dos cuerpos
igualan su potencial.
38
39. INTENSIDAD DE CORRIENTE (I)
La INTENSIDAD DE CORIENTE (I)
es la cantidad de carga eléctrica
que atraviesa la sección transversal
de un conductor por unidad de
tiempo. Su unidad es el amperio
(A).
Q
I [amperios(A) ]
t
39
40. INTENSIDAD DE CORRIENTE (II)
___EJERCICIO___
¿Cual es la intensidad de corriente que circulará por un hilo
conductor si en 4 minutos circulan 74.88·1019 electrones? (carga
del electrón 1.6·10-19C)
Q 74.88 ·10 19 · 1.6 ·10 19
C
I 0.5A
t 4 · 60s
40
41. INTENSIDAD DE CORRIENTE (III)
___EJERCICIOS___
¿Durante cuánto tiempo tiene que circular una carga eléctrica de
400C para crear una intensidad de corriente de 4A?
¿Qué carga eléctrica pasará por un hilo conductor si circula una
corriente de 12A durante 30 minutos? ¿A cuántos electrones
equivale esta cantidad de carga? (1C = 6.24·1018 electrones)
Determina el número de electrones que circulan en 25s por la
sección de un conductor en el que la intensidad de corriente es
5A (1C = 6.24·1018 electrones)
41
42. TIPOS DE DE CORRIENTE
• Corriente
continua
• Corriente alterna
sinusoidal
• Corriente alterna
pulsante
42
43. GENERADORES (I)
El GENERADOR ELÉCTRICO es el elemento que transforma energía
química, mecánica, etc en energía eléctrica (pilas, baterías,
dinamos,…) manteniendo la diferencia de potencial.
43
44. GENERADORES (II)
Cuanto mayor sea la diferencia de potencial y menor sea la
resistencia que ofrece el circuito, mayor será la corriente que circula
por sus conductores; como podemos deducir de la LEY DE OHM.
44
45. GENERADORES (III)
La FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) de un generador es el trabajo
realizado por éste sobre la unidad de carga que lo atraviesa. Este
trabajo es responsable de la tensión o diferencia de potencial que
aparece entre sus extremos.
W
ε (FEM) [voltios (V) ]
Q
De hecho, la FEM es responsable del movimiento de cargas en el
interior del generador, mientras que la diferencia de potencial es
responsable del movimiento de cargas en el circuito.
Sus valores no coinciden debido a las pérdidas en el generador
45
46. GENERADORES (IV)
Existen diversas formas de generar la FEM:
Reacciones químicas: en pilas y baterías se produce una
reacción química entre el electrolito y sus electros (Cu y
Zn) sumergidos en una disolución, de forma que los
electrones se desplazan desde el electrodo de Cu al
electrodo de Zn
Inducción electromagnética: al mover un conductor en el
interior de un campo magnético se genera una FEM entre
sus extremos y corriente sobre él (Ley de Faraday)
Efecto piezoeléctrico: algunas sustancias como el cuarzo o
la turmalina, proporcionan una diferencia de potencial entre
sus extremos al ser sometidas a una presión o esfuerzo
mecánico.
46
47. GENERADORES (V)
Existen diversas formas de generar la FEM:
Acción de la luz: una radiación luminosa sobre algunos
elementos semiconductores arranca electrones de sus
últimas capas creando entre sus extremos una diferencia
de potencial
Efecto de un par termoeléctrico: calentando la unión entre
dos elementos como el constatán y el cobre provocamos
que aparezca una diferencia de potencial entre sus
extremos (termopar)
Frotación: es el modo de funcionamiento de generadores
de Van der Graff y generan tensiones de millones de voltios
47
49. RESISTENCIA ELÉCTRICA (I)
No todos los receptores y conductores ofrecen la misma oposición al
paso de corriente eléctrica. Al circular corriente por un conductor, los
electrones que la forman chocan entre ellos y con el resto de
partículas que forman la red cristalina de éste.
La RESISTENCIA ELÉCTRICA (R) es el grado de oposición que
ofrece un material al paso de corriente eléctrica.
49
50. RESISTENCIA ELÉCTRICA (II)
La resistencia eléctrica depende de tres factores del conductor:
• la sección del conductor (S), que se mide en m2. Cuanto más delgado
mayor resistencia.
• la longitud del conductor (l), que se mide en m. A mayor longitud,
mayor resistencia
• la naturaleza del conductor, que se expresa mediante una constante
llamada resistividad (ρ). Se mide en Ω·m.
l
R ρ [ohmios Ω]
S
50
52. RESISTÈNCIA ELÉCTRICA (IV)
___EJERCICIO___
¿Qué resistencia tendrá un hilo de cobre de 0.25 mm2
de sección y un km de longitud? (resistividad del Cu
1.67·10-8 Ωm)
l 1000m
R ρ 1.67·10 Ωm
8
66.8Ω
S 0.25·10-6 m 2
52
53. RESISTENCIA ELÉCTRICA (VI)
La resistividad de un material depende de la temperatura, aumentando
con ésta según la expresión:
ρT ρ 20º C (1 α(T 20º C))
En el cero absoluto de temperatura, la resistividad que presentan
algunos metales como el oro, la plata, el platino, el hierro o el cobre es
nula. Este fenómeno se conoce como superconductividad.
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55. RESISTÈNCIA ELÉCTRICA (VIII)
___EJERCICIO___
¿Qué resistencia tendrá un conductor de cobre de
0.75 mm2 de sección y 10m de longitud a una
temperatura de 35ºC? (resistividad del Cu 1.67·10-8
Ωm)
ρ 35º C ρ 20º C (1 α(T 20º C)) 1.72·10 -8
Ωm (1 3.9·10 3
º C 1 (35º C 20º C))
ρ 35º C 1.82·10 -8
Ωm
l 10m
R ρ 1.82·10 8 Ωm 0.24Ω
S 7.5·10-7 m 2
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56. RESISTÈNCIA ELÈCTRICA (IX)
___EJERCICIOS___
Se desea construir una resistencia de 51Ω con un hilo
de cobre de 0.4 mm2 de sección. ¿De qué longitud es el
hilo que tenemos que utilizar? (resistividad del Cu
1.67·10-8 Ωm)
Calcula la sección, en mm2, que tiene que tener un hilo
de cobre de 50m de longitud si sabemos que presenta
una resistencia de 85Ω. (resistividad del Cu 1.67·10-8
Ωm)
56
57. RESISTENCIA ELÉCTRICA (X)
La conductancia (G) es la magnitud inversa a la resistencia; es
decir, define la facilidad que tiene un conductor para conducir la
corriente eléctrica
1
G
R
Del mismo modo, la conductividad (σ) es el parámetro inverso a la
resistividad.
57
58. LEYES BÁSICAS DEL CIRCUITO
ELÉCTRICO
Concepto y fenómenos eléctricos básicos y medidas eléctricas
59. LEY DE OHM (I)
Relaciona la intensidad que recorre un conductor
con la diferencia de potencial que existe entre
sus extremos a través de la resistencia que éste
ofrece.
La intensidad (I) que recorre un
conductor directamente
proporcional a la diferencia de
potencial (V) aplicado e
inversamente proporcional a la
resistencia que éste ofrece.
V
I
R
59
http://teleformacion.edu.aytolacoruna.es/FISICA/document/applets/Fendt/physesp/leyohm.htm
60. LEY DE OHM (II)
___EJERCICIOS___
Dado el circuito de la figura, representa la gráfica I=f(V) para valores
de V entre 0 y 12V. Calcula la pendiente de la recta obtenida
Varía el valor de la resistencia del circuito anterior haciendo que R=2
y realiza el mismo ejercicio
60
61. LEY DE OHM (III)
La curva característica es la gráfica que relaciona la tensión
aplicada con la corriente que circula por el circuito
V
I
R
La resistencia (R) es la pendiente de la curva.
61
62. LEY DE JOULE (I)
El EFECTO JOULE es el fenómeno
consistente en que toda corriente eléctrica
circulando por un conductor provoca que éste se
caliente generando calor.
Esto ocurre porque los electrones, que viajan a
gran velocidad en el interior del conductor,
chocan entre sí y con otros electrones y núcleos
perdiendo velocidad y por tanto energía cinética;
que ceden en forma de calor a los átomos e
iones del conductor
Se puede relacionar el trabajo que realiza el generador V para
trasladar una carga Q con la intensidad I que genera y la resistencia
R del conductor
W QV RI 2 t [julios (J)]
q 0.24 RI 2 t [calorías (cal)]
62
63. LEY DE JOULE (II)
___EJERCICIO___
Una instalación eléctrica está hecha con hilo de
cobre de 2mm2 de sección y tiene una longitud
de 300m. Calcula la energía que se pierde
durante una hora si circula una intensidad de 2
A. (resistividad del Cu 1.67·10-8 Ωm)
l 300m
R ρ 1.67·10 Ωm
8
2.58 Ω
S 0.2·10-6 m 2
W RI 2 t 2.58 Ω ·(2A) 2 ·3600s 37152 J
63
65. POTENCIA ELÉCTRICA (I)
La POTENCIA ELÉCTRICA es la energía que
se genera o se consume por unidad de tiempo.
W
P VI [watios (W)]
t
En ocasiones representa pérdidas por efecto joule (conductores,…)
y en ocasiones nos aprovechamos de ella (calefacción,
electrodomésticos,…). Se puede calcular la potencia consumida por
una carga aplicando la ley de Ohm.
V2
P VI RI 2 [watios (W)]
R
65
66. POTENCIA ELÉCTRICA (II)
La potencia en un circuito
se mide con un vatímetro,
que es la unión de un
amperímetro (serie) y un
voltímetro (paralelo)
66
67. POTENCIA ELÉCTRICA (III)
___EJERCICIO___
Se dispone de una estufa eléctrica de 3300W/220V. Calcula el valor de
su resistencia interna y la intensidad que circula por ella. Si la estufa
funcionara las 24h del día, calcula el importe de energía consumida en
el mismo período, sabiendo que el precio del KWh es 0.08€
P 3300W
I 15A
V 220V
V 220V
R 14.66Ω
I 15A
0.08€
W Pt 3300W ·24h 79.2 KWh 6.34€
1KWh
67
70. INSTRUMENTOS DE MEDIDA
Indican el valor de la
medida mediante una
ANALÓGICOS aguja que se desplaza
por una escala numerada
Indican valores de forma
directa mediante dígitos
DIGITALES en una pantalla
alfanumérica
70
71. INSTRUMENTOS DE MEDIDA: CUALIDADES
EXACTITUD: grado de concordancia entre el valor real y el
experimental
PRECISIÓN: grado de concordancia entre mediciones sucesivas
FIDELIDAD: si al repetir una medida nos indica siempre el mismo
valor
RAPIDEZ: con la que se estabiliza la lectura en el instrumento
SENSIBILIDAD: mínimo valor que podemos medir en una
determinada escala
FIABILIDAD: capacidad de funcionamiento sin fallos
71
73. AMPERÍMETRO Y VOLTÍMETRO
• Se utiliza para • Se utiliza para
medir la medir voltaje. Se
intensidad de conecta en
corriente. Se paralelo
conecta en serie
AMPERÍMETRO VOLTÍMETRO
73
74. ÓHMETRO Y MULTÍMETRO
• Se utiliza para medir • Además de
la resistencia corriente, tensión y
eléctrica resistencia mide el
correcto
funcionamiento de
diodos, transistores
y condensadores
ÓMETRO MULTÍMETRO
74
75. OSCILOSCOPIO
FUNCIONAMIENTO BÁSICO
El osciloscopio se utiliza para observar, registrar y medir corrientes y
tensiones continuas y alternas. Para ello muestra en un display o
pantalla la forma de onda de la señal a medir.
Mediante la base de tiempos y el amplificador vertical podemos ajustar
la forma de onda a las dimensiones de la pantalla escalándola y
permitiéndonos medir todos sus parámetros: amplitud, frecuencia,
periodo, fase, etc.
75
76. ERRORES EN LA MEDIDA (I)
El error absoluto es la diferencia entre el valor de la medida y
el valor real de la magnitud. Pero no es lo mismo cometer un
error de 0.3V en una medida de 2V que en otra de 300V.
Ea xi x
Definimos error relativo como el cociente entre el error
absoluto y la medida real expresada en %
Ea
Er
x
76
77. ERRORES EN LA MEDIDA (II)
___EJERCICIO___
Al realizar una medida de una tensión se han obtenido los siguientes
valores: 2.34V, 2.35V, 2.34V, 2.36V, 2.38V y 2.36V. Calcula los errores
absoluto y relativo de la primera medida
x (2.34V 2.35V 2.34V 2.36V 2.38V 2.36V)/6 2.335V
Ea x i x 2.34V - 2.355V 0.015V
Ea 0.015V
Er 0.637%
x 2.335V
77