Laboratorio de Fisica 3

LABORATORIO N°03 DE FISICA III

ÍNDICE

Índice Pág.

Resumen 2

Antecedentes experimentales 3

Fundamento teórico 4

Materiales y equipos 7

Procedimiento 11

Cálculos y resultados 13

Observaciones y Conclusiones 19

Recomendaciones 20

Bibliografía 20

UNI-FIM Página 1


RESUMEN.

En el presente informe que tiene por título “Curvas características Voltaje - Corriente” tiene por objetivos: Realizar mediciones de voltaje y corriente a través de distintos tipos de materiales y obtener curvas características I vs. V. De aquí, estudiar el tipo de relación entre I y V luego mediante estos datos comprobaremos la Ley de Ohm.

El diseño experimental es el siguiente: se armaron circuitos eléctricos mediante en los cuales se medía la intensidad de corriente variando el voltaje y el tipo de material por el cual circulaba la corriente es decir diferentes tipos de resistencias. Los equipos utilizados fueron la fuente de corriente continua, el reóstato, el voltímetro, el amperímetro, la caja de cinco elementos y por último el osciloscopio.

Los resultados obtenidos se ajustan casi a los resultados teóricos pero no son iguales esto se debe a las fallas en el equipo de medición así como el estado de los resistores y de las conexiones en los cables que a veces fallaban. Las unidades de medición de la intensidad de corriente es el Amperio(A). Las conclusiones más importantes son: el diodo no es un material óhmico ya que las graficas muestran curvas no lineales, el carbón y el foco es un material óhmico y la curva que muestra es lineal tal como se había visto en la teoría, el diodo rectifica la corriente y solo permite su paso en un solo sentido.Palabras clave: Voltaje, Corriente, graficas voltaje-corriente.

UNI-FIM Página 2


TITULO DE LA EXPERIENCIA: Curvas Características de Voltaje y Corriente.

ANTECEDENTES EXPERIMENTALES:

Como antecedentes experimentales podemos mencionar a los experimentos que realizo Georg Simon Ohm en su estudio de los materiales conductores. Como resultado de su investigación, en la que experimentaba con materiales conductores, el científico alemán Georg Simon Ohm llegó a determinar que la relación entre voltaje y corriente era constante y nombró a esta constante resistencia.

Esta ley fue formulada por Georg Simon Ohm en 1827, en la obra Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Trabajos matemáticos sobre los circuitos eléctricos), basándose en evidencias empíricas. La formulación original es:

Siendo la densidad de la corriente, σ la conductividad eléctrica y el campo eléctrico, sin embargo se suele emplear las fórmulas simplificadas anteriores para el análisis de los circuitos.

FUNDAMENTO TEÓRICO:

UNI-FIM Página 3


Cuando se establece un campo eléctrico en un conductor, las cargas que en un principio se movían aleatoriamente realizan un movimiento neto en una

dirección debido a la acción de la fuerza , dada por:

(1.1)

Esto produce un flujo de cargas conocido como corriente eléctrica , la fuerza

hace que las cargas se muevan en la dirección de si q es positiva y de - si q

es negativa, con una velocidad , llamada velocidad de desplazamiento

(alrededor de ).

Entonces vemos que el campo realiza trabajo al trasladar cargas dentro del conductor. La magnitud de este trabajo es distinta para cada tipo de material y depende de su estructura cristalográfica. En un conductor, estas cargas son electrones que en su desplazamiento chocan con los iones del material donde se libera energía. Esto produce el calentamiento del conductor, lo que se denomina Efecto Joule. Para distintos tipos de materiales los portadores de cargas son:- En conductores: electrones.- En gases y soluciones iónicas: electrones e iones positivos.- En semiconductores: espacios libres en la estructura atómica, “vacantes”.

La corriente en un material se puede expresar como:

(1.2)

Donde: : Números de portadores de carga por unidad de volumen.

: Carga unitaria.

: Modulo de la velocidad de desplazamiento.

: Sección transversal del conductor.

Luego se define la densidad de corriente , como el vector:

; (1.3)

UNI-FIM Página 4


De (1.1) vemos que depende del valor del campo , la relación entre y se expresa como:

(1.4)

Donde se define como la resistividad del material, En general la resistividad es función de la temperatura y de la geometría del material. La ley de Ohm establece

la proporcionalidad directa entre las magnitudes de y (Ley de Ohm

microscópica) solo para ciertos materiales. Si tomamos la sección transversal

de un conductor de longitud (como el de la figura 2), al establecer una

diferencia de potencial entre los puntos y , entonces . Producto

de esto se crea una corriente dada por: Al reemplazar esto en (1.4) se obtiene:

(1.5)

Para todo material se define la resistencia como la relación:

(1.6)En la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades

practicas respectivas que son la tensión o diferencia de potencial , en voltios; la

intensidad de corriente en amperios y la resistencia eléctrica en ohm u

ohmios. Se abrevian , , , respectivamente.

Por lo tanto para un material óhmico, de (1.4) y (1.6):

UNI-FIM Página 5


(1.7)

Ya que , , siempre son constantes para este tipo de material, entonces la resistencia siempre es la misma para un material óhmico, de (1.6) este tipo si se

graficara se obtendría una recta de pendiente que pasa por el

origen. A la grafica de una función: para un cierto material, se le denomina curva característica del material, en general puede haber relaciones más

complejas entre y como en diodo semiconductor.

Resistores

Son dispositivos electrónicos que poseen un valor específico de resistencia .Según el material del cual están hechos se clasifican en:a) Resistores de alambre: Reconstruyen enrollando alambre de nicromo alrededor de un núcleo aislante.b) Resistores de carbón: Se construyen de carbón o de grafito granulado que se encierra en un tubo de plástico endurecido.

Además existen resistores que pueden variar el valor de su resistencia, estos se denominan resistencia variable. Según su aplicación en un circuito se denominan:

i) Potenciómetro.- Cuando se conectan en serie en un circuito de tal manera que regule su voltaje.ii) Reóstato.- Cuando está conectado en paralelo en un circuito de tal manera que regule la corriente que pasa por él.A las sustancias que cumplen con lo dicho anteriormente se les conoce como materiales Óhmicos. A los materiales que no cumplen con la ley de Ohm, se les llama “Conductores no Óhmicos”.

UNI-FIM Página 6


PARTE EXPERIMENTAL

MATERIALES Y EQUIPOS.

El Multímetro

Es un instrumento que realiza las funciones combinadas del amperímetro y voltímetro y señala directamente la potencia.

Se compone de una bobina con una aguja indicadora, unida a ella, que gira alrededor de un eje, de tal modo que puede oscilar en el campo magnético de la segunda bobina, y está sometida a un resorte cuyo momento recuperador es proporcional al ángulo girado. El par que tiende a hacer girar la bobina es proporcional al mismo tiempo, a la intensidad de corriente que la recorre y al campo magnético proporcional a la intensidad de corriente en la bobina fija.

Por consiguiente si la bobina fija se conecta como el amperímetro, la intensidad que pasa por ella es proporcional a la intensidad total y su campo magnético es proporcional a esta intensidad. Si la bobina móvil se conecta como el voltímetro, la intensidad de la corriente que la recorre es proporcional a la diferencia de potencial entre los bornes de x.

Diodos Semiconductores

Cuando los extremos de un conductor eléctrico, por ejemplo un trozo de alambre de cobre, se conectan a los terminales de una batería, la corriente eléctrica fluye a través del mismo, esto significa que existe una gran transferencia continua de cargas negativas, desde la placa negativa hasta la positiva a través del alambre.

Algunas sustancias ocupan una posición intermedia entre los conductores y los aisladores en lo que se refiere a su posibilidad de transmitir la corriente eléctrica. Por tal motivo se denominan semiconductores.

El germanio y el silicio son semiconductores que en la actualidad se utilizan ampliamente en la electrónica, sus propiedades semiconductoras se pueden explicar por el comportamiento de los electrones en los átomos que componen dichos materiales.

El diodo semiconductor de un punto en contacto se fabrico antes que el tipo de unión. Un alambre presiona contra un disco de germanio de tipo - n.

UNI-FIM Página 7


Durante la fabricación se hace pasar una corriente relativamente alta por el “punto de contacto” lo cual equivale a tomar en el localmente, una zona de germanio de tipo-p de esta manera se forma la unión p-n.

En un semiconductor, siempre habrá un discreto número. de electrones “libres” menor que el de un conductor responsable de sus propiedades semiconductoras. en el gráfico se puede observar el efecto de orientación directa o inversa sobre la conducción de un diodo semiconductor. Cuando el diodo está orientado hacia adelante, un pequeño incremento en el voltaje produce un gran incremento en la corriente y cuando el diodo está orientado hacia atrás un gran incremento de voltaje produce un incremento pequeño de la corriente.

Uniones p-n:

Cuando una pieza de un semiconductor tipo-p, se une a una pieza de tipo-n, es necesario suponer, en principio que los electrones del tipo-n pasaran inmediatamente a través de la unión de las dos piezas para llenar los vacíos del material tipo-p.

Aunque este proceso se verifique solo durante un periodo de tiempo muy corto, se interrumpe porque se va formando una carga positiva sobre el lado tipo-n y otro negativo al lado tipo-p. Esto se debe a que cuando se transfiere un electrón precedente del material del tipo-n se deposita una carga negativa en tipo-p, que anteriormente era neutro quedando el primero limitado de cargas negativas y por tanto cargado positivamente.

Fuente De Corriente Continua

UNI-FIM Página 8


Es un elemento de dos terminales, como una batería o un generador, que mantiene un voltaje específico entre sus terminales a pesar del resto del circuito que esta conectado a él. El voltaje es por completo independiente de la corriente a través del elemento.

Un reóstato

No es otra cosa que una resistencia variable

Voltímetro

Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir

la diferencia de potencial entre dos puntos de un

Circuito eléctrico.

Amperímetro

Un amperímetro es un instrumento que sirve para medir

Intensidad de corriente.

UNI-FIM Página 9


Una caja con 5 elementos

De los cuales solo analizaremos 3 de ellos

Un Osciloscopio

Es un instrumento que permite medir voltajes

y en consecuencia cualquier cantidad física,

que por medio de algún dispositivo se

transforme a una diferencia de potencial.

PROCEDIMIENTO

Primera parte:

1) Se identifico todos los elementos de la caja de cinco elementos.

UNI-FIM Página 10


2) Para la primera experiencia montar el siguiente circuito (con la lámpara E1).

3) En el circuito montado gire el cursor del reóstato afín de que la tensión sea nula.

4) Varíe el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circula por el filamento del foco cuando la diferencia de potencial es de un voltio.

5) Mida el valor de la corriente cuando la diferencia de potencial es 2, 3, 4, 5, y 6v.

6) Repetir los paso 3, 4 y 5 para la resistencia de carbón (E2). Y (E3).

Segunda parte:

7) usamos el transformador 220/6V para ensamblar el circuito de la figura. En este caso R es la resistencia conocida de 1 W. colocamos el control 21 del osciloscopio CHA para observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del filamento del foco.

8) usamos el osciloscopio en el modo XY. El control 23 de estar en posición “hacia afuera”. Observara la dependencia I vs V para el filamento del foco.

9) Mnotamos el circuito de la figura para estudiar las características de la resistencia de carbón. En este circuito R es el elemento E2.

UNI-FIM Página 11


10) Armamos el equipo de la figura para estudiar las curvas características en el diodo de unión (E3)

Cálculos y Resultados:

1) Graficar I vs V con los valores obtenidos para cada elemento:

Resistencia del Foco

Voltaje Corriente

UNI-FIM Página 12


(v) (A)1 0.13

1.5 0.152 0.173 0.194 0.21

3.5 0.2

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

f(x) = 0.0257142857142857 x + 0.110714285714286R² = 0.974436090225564

Corriente vs Voltaje para el foco

Voltaje (V)

Corr

ient

e (A

)

Resistencia de CarbónVoltaje (V)

Corriente (A)

1 0.022 0.04

2.5 0.05

UNI-FIM Página 13


3 0.063.5 0.07

4 0.08

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

f(x) = 0.02 xR² = 1

Corriente vs Voltaje para la Resistencia de Carbon

Voltaje (V)

corr

ient

e (A

)

DiodoVoltaje (V)

Corriente (A)

0.7 0.10.75 0.20.79 0.3

UNI-FIM Página 14


0.8 0.40.81 0.5

0.8 0.60.8 0.70.8 0.80.8 0.9

0.68 0.7 0.72 0.74 0.76 0.78 0.8 0.820

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

f(x) = 11.5388376759844 x^13.5656737446678R² = 0.797811014133777

Corriente vs Voltaje para el Diodo

Voltaje (V)

Corr

ient

e (A

)

2) ¿En cual de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuales no? Explique.

Rpta.: Según la experiencia realizada y los datos obtenidos, los materiales que cumplen aproximadamente la ley de Ohm, es la resistencia de carbón y del foco, para la cual la gráfica I vs V es una recta cuya pendiente vendría a ser la resistencia del material.

UNI-FIM Página 15


3) Para una diferencia de 0.8v halle las resistencias de cada uno de los elementos.

Para el foco

I(V) = 0.0257xV + 0.1107

I(0.8) = 0.0257x(0.8) + 0.1107

I(0.8) = 0.13126A

R = V/I = 6.09

Para la resistencia de carbón

I(V) = 0.02V

I(0.8) =0.02x(0.8)

I(0.8) = 0.016A

R = V/I = 50

Para diodo

I(V) = 11.539V13.566

I(0.8) =11.539(0.8)13.566

I(0.8) = 0.559A

R = V/I = 1.43

UNI-FIM Página 16


4) En el o los casos en que la curva I vs V obtenida en el osciloscopio sea una recta determine la pendiente de la recta y por lo tanto la resistencia del elemento. Compare con los valores obtenidos manualmente usando voltímetro y amperímetro.

Se observa experimentalmente en el osciloscopio la grafica I vs V el cual nos arroja una curva con tendencia lineal en el caso de la resistencia de carbón debido a que es un material óhmico y por lo tanto no depende de la corriente eléctrica ni de la diferencia de potencial.

La grafica realizada I vs V nos arroja la resistencia del material mediante su pendiente estos datos se establecieron manualmente mediante el voltímetro.

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.50

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

f(x) = 0.0257142857142857 x + 0.110714285714286R² = 0.974436090225564

Corriente vs Voltaje para el foco

Voltaje (V)

Corr

ient

e (A

)

Grafica I vs V para los datos tomados manualmente

Pendiente: 0.0257

UNI-FIM Página 17


5) En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje critico a partir del cual comienza a conducir. ¿Cuál es el valor?

Cuando la corriente alterna entra sin un circuito adicional al osciloscopio este se muestra de la siguiente manera:

Cuando a la entrada de la corriente al osciloscopio se coloca un diodo rectificador este justamente como dice su nombre rectifica la corriente y solo deja pasar en un sentido (este es el principio de la conversión de corriente alterna a continua)

CONCLUSIONES

UNI-FIM Página 18

Dependencia pedida acerca del diodo-corriente.

Para nuestro caso el voltaje critico a partir del cual comienza a conducir corriente es 0.6v

Grafica de la corriente alterna con un diodo rectificador

Grafica de la corriente alterna sin conectarlo al diodo


Observando y extrayendo datos en el laboratorio llegamos a las siguientes conclusiones:

El diodo no es un material óhmico ya que las graficas muestran curvas no lineales, por lo que la dependencia entre la intensidad y la diferencia de potencial no es proporcional, ya que su resistencia varia conforme varia la intensidad de corriente.

El carbón y el foco es un material óhmico y la curva que muestra es lineal tal como se había visto en la teoría.

El diodo rectifica la corriente y solo permite su paso en un solo sentido.

OBSERVACIONES

La aproximación de la curva en el material no óhmico se tomo a partir de una ecuación potencial ya que de esta forma es mas aproximada a los puntos dados, la resistencia varía al aumentar o disminuir la corriente.

El reóstato como una resistencia variable (es por ello que controla la diferencia de potencial de salida) se calienta y emite calor al exterior debido al efecto joule es por ello que se recomienda no utilizar este circuito por largos periodos.

En el diodo rectificador es de suma importancia la dirección que presente en su participación con el circuito ya que si se invierte de sentido cambia el rango de salida de los valores permitidos.

RECOMENDACIONES

UNI-FIM Página 19


Armar correctamente el circuito eléctrico, asegurándose primero que la fuente de suministro de energía eléctrica este desconectada.

El amperímetro, el voltímetro, las resistencias y el reóstato son instrumentos muy sensibles, así que se les debe de usar con sumo cuidado y sabiendo lo que se hace.

Leer correctamente lo que indican los respectivos instrumentos de medida.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS.

1. Serway, Raymond A. “Física”, Tomo II, cuarta edición, 1999.Paginas: 773-782.

2. Asmat, Humberto, “Física General III” 5ta edición, Universidad Nacional de Ingeniería.

3. Sears ,F. ; Zemansky , M. ; Young , H. ; Freedman , R. : Fisica Universitaria.Volumen II. Undécima edición: México. Pearson ed. 2004.Paginas: 943-953.

4. Facultad de ciencias de la Universidad nacional de ingeniería. Manual de Laboratorio de Física General. 1ra edición. FC UNI .2009.Paginas: 116-119.

UNI-FIM Página 20

Laboratorio de Fisica 3

Documents

Transcript of Laboratorio de Fisica 3