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UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE 3

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PRACTICA DE LABORATORIO No 3: LEY DE OHM Salcedo Paola1, Santofimio Nathalia2

1. Estudiante programa Ingeniería Electrónica Código: 2080645, Universidad Autónoma de Occidente Cali-Valle E-mail: [email protected] 2. Estudiante programa Ingeniería Industrial Código: 2086719, Universidad Autónoma de Occidente Cali-Valle E-mail: [email protected]

Resumen: Esta práctica de laboratorio permite comprobar experimentalmente la Ley de Ohm y a través de la curva característica V-I determinar si un dispositivo obedece o no a esta ley. De igual forma, permite hallar el valor de la resistencia a partir de esta relación. El experimento consistió en someter diferentes dispositivos a una diferencia de potencial variable, de manera que se pudiera obtener las curvas características de voltaje vs. Corriente para cada dispositivo. Los datos obtenidos permitieron realizar los respectivos análisis respecto a la relación existente entre la diferencia de potencial eléctrico, la corriente y la resistencia a través de la Ley de Ohm. INTRODUCCION Cuando un conductor transporta una corriente, existe un campo eléctrico en su interior. La dirección de la corriente coincide con la del campo eléctrico. Experimentalmente, en la mayor parte de los materiales, la diferencia de potencial entre dos puntos es proporcional a la corriente que circula por el material. Este resultado experimental se conoce como Ley de Ohm. La Ley de Ohm enuncia que la proporción entre la densidad de corriente y el campo eléctrico es una constante δ que es independiente del campo eléctrico productor de la corriente. J = δE La Ley de Ohm se puede expresar en términos de la proporcionalidad existente entre el voltaje en los extremos de muchos tipos de conductores y la corriente que fluye a través del material de la siguiente manera: V = I *R ; Donde V está dado en voltios, I está dado en amperes y la constante de proporcionalidad R recibe el nombre de resistencia. La unidad de la resistencia es el OHM (Ω) Laboratorio No2: SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES 1


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Los materiales que obedecen a la Ley de Ohm, se conocen como materiales, y en consecuencia, demuestran la relación entre el campo eléctrico E y la densidad de corriente J. Además presentan una característica V-I completamente lineal. Esta práctica de laboratorio se realizó con el objetivo de verificar experimentalmente la Ley de Ohm, obtener las curvas características Corriente – Voltaje de diferentes dispositivos electrónicos y emplear la Ley de Ohm para determinar valores de resistencias. El cumplimiento de estos objetivos llevó a determinar cuáles dispositivos son Óhmicos y cuáles no, de acuerdo con la característica V-I de cada dispositivo. De igual forma permitió calcular el valor de la resistencia a partir de su curva V-I verificando el hecho de que por ser lineal, la resistencia sigue la Ley de Ohm y es independiente de la corriente. METODOS Y MATERIALES La primera parte de la práctica de laboratorio consistió en la configuración de la interfaz y el sensor, la cual se realizó de la siguiente manera: Primero se conectó la interfaz Science Workshop al computador y se encendió. Después se conectaron el sensor de voltaje, el sensor de corriente y el amplificador de potencia a los canales analógicos de la interfaz. Como segundo paso, se ejecutó el programa DataStudio y se instalaron virtualmente los sensores y el amplificador de potencia en los mismos canales donde fueron conectados físicamente, desactivando la medición de corriente de este último. Con el amplificador de potencia apareció también la ventana del Generador de señal, desde la cual se controló el voltaje de alimentación de los circuitos que se trabajaron en la práctica. Se configuró el generador de señal de manera que produjera voltaje de corriente continua. Se puso en cero el valor inicial de voltaje, se habilitó la opción Auto (de manera que el generador solo funcionaba mientras se estaban tomando las medidas) y se desactivaron las opciones de Medición de voltaje y corriente de salida. Cada dato registrado dependió del voltaje variado manualmente por los estudiantes. Para este tipo de registro, en la ventana de Configuración, se dio clic en le botón Opciones de muestreo, se seleccionó la pestaña de Muestreo manual, se marcó la opción Conservar valores de datos solo si se solicita y se deshabilitaron las demás opciones disponibles. El tercer paso fue crear un gráfico Corriente vs. Voltaje, verificando que las medidas que se graficaron correspondían con las lecturas arrojadas por los sensores correspondientes y que no provenían de otros elementos como el amplificador de potencia o el generador de señal. La segunda parte de la práctica fue la Toma de datos de la curva característica de un resistor para lo cual se procedió de la siguiente manera: Como primer paso, se seleccionaron dos resistores de valores distintos de la caja de resistencias. Luego se determinó su resistencia y tolerancia usando el código de colores. Se registraron las bandas de color, el valor de la resistencia, la tolerancia y su incertidumbre absoluta en la Tabla 1. El segundo paso fue montar un circuito como se observa en la Figura 1a usando uno de los dos resistores seleccionados. Este mismo circuito se encuentra esquematizado en la Figura 1b. En la pantalla, simultáneamente, se tenía la gráfica Corriente vs. Voltaje y la ventana de control del generador de señal. Laboratorio No2: SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

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El tercer paso consistió en llevar el valor del voltaje a -5.0V y dar clic en el botón Inicio, permitiendo de esta forma, que el generador de señal comenzara a funcionar, estando en la opción auto. Se registró el primer dato, dando clic en conservar. Se cambió el valor de voltaje en pasos de 1V y se registraron los valores correspondientes hasta llegar a un voltaje de +5.0V. Tras el registro del último punto, se dio clic en Detener y se puso a cero el generador de señal. Se repitió este mismo procedimiento para el circuito serie esquematizado en la Figura 1c.

Figura 1a: Montaje para la toma de datos de la Esquema para la toma de datos de la curva Curva característica de una resistencia característica de una resistencia

Figura 1b: Curva

Figura 1c: Esquema para la toma de datos de la curva característica de un circuito serie 1. 2. 3. 4.

Amplificador de potencia Sensor de corriente Resistencia Sensor de voltaje

La tercera parte de la práctica consistió en la Toma de datos para la curva característica de un bombillo, la cual se realizó de la siguiente manera: Primero se realizó el montaje del circuito de la Figura 2a donde el resistor fue cambiado por un bombillo y cuyo esquema se muestra en la Figura 2b. Para registrar el ensayo, se creó una nueva gráfica Corriente vs. Voltaje. Después se repitió el paso 3 del procedimiento anterior iniciando la toma de datos en 0V, cambiando el valor del voltaje en pasos de 0.1V. Se detuvo la medición hasta alcanzar una corriente de 0.2A.

Laboratorio No2: SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

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Figura 2a: Montaje para la toma de datos de la Figura 2b: Esquema para la toma de datos de la curva característica de un bombillo característica de un bombillo 1. 2. 3. 4.

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curva


Finalmente, la cuarta parte del laboratorio consistió en la Toma de datos de la curva característica de un diodo emisor de luz (LED) para lo cual se procedió como sigue: Primero se montó el circuito de la Figura 3a usando uno de los resistores de 100Ω de la caja de resistencias y un LED. El circuito se encuentra esquematizado en la Figura 3b. Luego se creó un gráfico Corriente vs. Voltaje para registrar el ensayo. Se repitió el paso 3 del procedimiento para la toma de datos de la curva característica de una resistencia, iniciando las medidas en -1.0V, cambiando el valor del voltaje en pasos de 0.1V. Se detuvo la medida al alcanzar una corriente de 0.8A. Finalizada la práctica, se desconectaron todos los elementos y se apagaron los instrumentos de medición.

Figura 3a: Montaje para la toma de datos Esquema para la toma de datos de la curva característica de un LED característica de un LED 1. 2. 3. 4.

Figura 3b: de la curva


RESULTADOS Laboratorio No2: SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

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A continuación se muestran las tablas y gráficas obtenidas a partir de los datos recopilados durante la práctica. Los resultados obtenidos a través de estos gráficos, permiten observar el comportamiento de un dispositivo óhmico y de uno No óhmico, a través de las curvas características de cada elemento de carga (Resistencias o Bombillo). De igual forma permiten determinar y comparar el valor teórico de las resistencias con el valor medido. Resistor Bandas de color: Primera Segunda Tercera Cuarta Valor codificado, R(Ω ) Tolerancia, T (%) Incertidumbre absoluta, ∆ R (Ω ) Valor medido, R' (Ω ) Error relativo de exactitud, εe (%)

1

2

Café Negro Café Plateada 100 10 0,1 98

Café Negro Café Plateada 100 10 0,1 98

2

2

Tabla 1: Medición de las resistencias En la Tabla 1 están consignados los valores e incertidumbres absolutas de las dos resistencias que se emplearon en los montajes de las Figuras 1b y 1c. La incertidumbre absoluta se pudo determinar a partir del hecho de que la tolerancia T está definida por: T =

∆R * 100 R

(1)

De ( 1 ) se infiere que la Incertidumbre absoluta ∆R está dada por: ∆R =

T *R 100

(2) De igual forma, el error relativo de exactitud está dado por:

εe =

R − R' R'

*100

(3) Por otro lado, en la Gráfica 1 de Corriente vs. Voltaje para una resistencia conectada como se muestra en la Figura 1b la linealidad en el comportamiento de la indica que la resistencia es un dispositivo que sigue la Ley de Ohm. De igual forma en la Gráfica 2 se aprecia la curva característica para un arreglo de 2 resistencias en serie como el esquematizado en la Figura 1c, el cual presenta un comportamiento lineal, como era de esperarse por tratarse de resistencias como en el caso anterior. El caso contrario se puede apreciar en la Gráfica 3, en la cual se aprecia la curva característica para un bombillo que es sometido a una tensión variable, donde el comportamiento no es lineal lo cual indica que el bombillo es un dispositivo que no obedece a la Ley de Ohm.


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En el caso de las resistencias las cuales obedecen a Ley de Ohm, debido a la linealidad en la curva característica I-V, la pendiente de la gráfica coincide con la aptitud para la conducción eléctrica que posee un cuerpo. Por lo tanto, cuanto mayor es la inclinación de la característica I-V mayor será el grado de conductividad y mayor será la intensidad que circulará por el dispositivo para una misma diferencia de potencial. Los materiales que obedecen a la Ley de Ohm describen como se correlacionan el voltaje, la corriente y la resistencia en un nivel macroscópico, es decir como elementos de circuito en un circuito eléctrico.

Gráfica 1: Curva característica de un resistor


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Gráfica 2: Curva característica de dos resistencias en serie

Gráfica 3: Curva característica de un bombillo


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Dado que la resistencia se define como R =

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V ; donde V está dado en Voltios e I I

está dada en Amperios, El hecho de que la función sea lineal implica que la resistencia es independiente de la corriente, además permite expresar esta relación de manera análoga en términos de la ecuación de la recta: Siendo la ecuación de cualquier recta y = mx + b De la misma forma V = RI , donde R es la pendiente de la ecuación. Por tanto, de la Gráfica 1 se tiene que la pendiente de recta es R =(98 .4+0.16 )Ω ( 4 ), ∆ X = + 0 . 1 6 Ω Siendo la incertidumbre absoluta de la medición. A partir de este valor se calculó la incertidumbre relativa ∆R de la siguiente manera: ∆R =

∆X 0.16 = R 98 .4

∴∆R = 0.0016 , y el porcentaje de error % E = 0.16%

Comparando el valor obtenido en la Ecuación ( 4 ), con el dado según el código de colores se puede apreciar que los valores son muy aproximados. Debido a que la resistencia es un dispositivo que se opone al paso de corriente, en el circuito de la Figura 3b se emplea una resistencia para limitar el paso de corriente hacia e diodo Led, logrando que éste se mantenga dentro de los rangos de operación de corriente y voltaje permisibles para su óptimo funcionamiento. DISCUSION Como se planteó al inicio, la curva característica Voltaje vs. Corriente de un dispositivo permite identificar si es óhmico o no óhmico, dependiendo de si es lineal o no. Esto se evidencia en las Gráficas 1, 2 y 3 a partir de las cuales se pudo determinar que las resistencias obedecen a Ley de Ohm, mientras que los bombillos no. De igual forma, a partir de estas gráficas se pudo determinar el valor de la resistencia el cual resultó ser bastante aproximado al dado según el código de colores para las resistencias, a partir de la pendiente de la recta. Sin embargo, debido a inconvenientes con el diodo no se pudo llevar a cabo esta parte de la práctica, puesto que al estar dañado el diodo con el cual se estaba llevando a cabo el experimento, no se obtuvieron las gráficas ni resultados esperados. CONCLUSIONES • Un conductor cumple con la ley de Ohm solo si su curva V-I es lineal; Esto es si R es independiente de la corriente I. • La resistencia es la pendiente en una recta Voltaje vs. Corriente, demostrando de esta forma la relación de proporcionalidad que existe entre la diferencia de potencial entre dos puntos y la corriente que circula por el material V = RI • Cuando no se cuenta con un ohmetro, se puede calcular el valor de las resistencias a partir del código de colores para las resistencias REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Laboratorio No2: SUPERFICIES EQUIPOTENCIALES

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Física, Serway Raymond, Tomo1, Edición 6, editorial McGraw-Hill Física, Tipler A, Paul, Tomo 1, Edición 2, Editorial Reverté S.A. Guía de laboratorio Superficies Equipotenciales – Plataforma Moodle – Universidad Autónoma de Occidente


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