CARACTERIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE UN CIRCUITO PREINFORME, GRUPO 16-6 OBJETIVOS •
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Conocer y aprender a manejar correctamente los elementos de un circuito sencillo Familiarizarse con el montaje de circuitos eléctricos Encontrar las características de I vs V correspondientes a elementos !micos y no !micos "eterminar la in#uencia de la resistencia interna del voltímetro en las mediciones de corrientes
F$%"&'E%TO TE()ICO )esi esiste stenci ncias as** diodos diodos** transi transisto store res* s* etc+* etc+* son ele elemen mentos tos ,recu ,recuent enteme emente nte presentes en circuitos eléctricos+ El papel -ue desempe.a cada uno depende de su respuesta cuando a través de ellos se esta/lece una di,erencia de potencial+ 0or ejemplo* la respuesta de una resistencia !mica es el paso de una corriente eléctrica -ue resulta ser directamente proporcional a la di,erencia de potencial entre sus e1tremos 23ey de O!m45 adem6s* cuando las car7as se mueven a través de una resistencia resistencia pierden ener7ía por c!o-ues sucesivos con las imper,ecciones de la red del material* lo cual se mani8esta en un aumento de la temp temper erat atur ura a de la res esis iste tenc ncia ia++ Esto Estoss !ec! !ec!os os dan dan lu7a lu7arr a -ue -ue las las resistencias se utilicen en los circuitos como elementos limitadores de corriente y disipadores de ener7ía+ Cuando se -uiere conocer el desempe.o de un elemento en un circuito* se ela/ora* a partir de datos e1perimentales* e1perimentales* un 7r68co de corriente en ,uncin de la di,erencia de potencial5 el an6lisis de esta 7r68ca permite determinar el uso y las posi/les aplicaciones del elemento+ & este procedimiento se le llama caracterizacin del elemento+ En cada caso la curva característica se e1plica se79n el modelo terico aplica/le+ En las resistencias !micas* es el modelo cl6sico de conduccin: los electrones se mueven /ajo la accin de un campo eléctrico e1terno E* ori7inando una densidad de corriente J* -ue o/edece la relacin
donde ; es la conductividad propia del material+ 3a relacin anterior indica -ue para un material dado* la relacin J
Figura 1.
& nivel macroscpico* cuando se esta/lece una di,erencia de potencial V entre los e1tremos a y / de un se7mento recto de conductor !mico de seccin transversal & = Fi7ura >? se ori7ina una corriente eléctrica I relacionada con la densidad de corriente J mediante la e1presin: I =J A
V = E L V =
JL σ
IL =
Aσ
Sea ρ ≡ 1 / σ @ resistividad del material+ Entonces: V = I R
"onde R es la resistencia del se7mento conductor* y es i7ual a relacin i7ual a
V = IR
ρL A + 3a
es la e1presin macroscpica de la ley de O!m y
esta/lece -ue un material !mico el cociente
V I es una constante+ En el
caso de los diodos semiconductores* el anterior modelo no es aplica/le+ Sin em/ar7o* es un elemento ,6cil de caracterizar y a partir de la curva correspondiente se pueden deducir sus aplicaciones+ 3a caracterizacin de un elemento implica armar un circuito usando ,uentes de voltaje* medidores de corriente 2amperímetros4* medidores de voltaje 2voltímetros4 y por supuesto el elemento mismo+ En el la/oratorio usar6 ,uentes de voltaje -ue trans,orman la se.al de la red 2se.al alterna4 en voltaje continuo* es decir* di,erencias de potencial constantes en el tiempo+ $na ,uente de voltaje est6 constituida por una ,uerza electromotriz ,+e+m+ y una resistencia interna en serie* r i + $na ,uente de voltaje /uena tiene una resistencia interna muy pe-ue.a+ 3os voltímetros y amperímetros tradicionales se construyen a partir de un elemento /6sico llamado 7alvanmetro de dA&rsonval+ El 7alvanmetro tiene una /o/ina mvil colocada en un campo ma7nético permanente 2por ejemplo* el producido por un im6n4 -ue su,re una torsin cuando se !ace pasar una corriente eléctrica a través de ella+ Esta torsin se o/serva en el aparato de medida como la de#e1in de una a7uja so/re una escala previamente cali/rada+ 3a de#e1in de la a7uja es directamente proporcional a la corriente -ue pasa por la /o/ina+ El alam/re del cual est6 !ec!a la /o/ina tiene una resistencia propia -ue constituye la resistencia interna del 7alvanmetro RG Fi7ura + El amperímetro se construye a partir del 7alvanmetro* a7re7ando una resistencia pe-ue.a conectada en paralelo con la resistencia interna del
7alvanmetro
RG
+ Esta com/inacin se denomina resistencia interna del
amperímetro R A + El voltímetro se construye a partir de un 7alvanmetro* a7re7ando una resistencia conectada en serie con la resistencia interna del 7alvanmetro+ Esta com/inacin se denomina resistencia interna del voltímetro RV + Fi7ura +
Figura 2
3a resistencia interna de un /uen amperímetro de/e ser muy pe-ue.a+ 3a resistencia interna de un /uen voltímetro de/e ser muy 7rande+ En los medidores construidos a partir de un 7alvanmetro dado* el valor de la resistencia interna determina los ran7os de corriente y voltaje -ue pueden medirse+
Figura 3
3a ,orma correcta de conectar los medidores en un circuito est6 relacionada con el propsito para el cual est6 dise.ado el aparato+ &sí pues* los amperímetros de/en conectarse en serie para -ue e,ectivamente su lectura corresponda a la de la corriente -ue est6 pasando por la parte del circuito -ue se -uiere medir+ O/serve en el circuito de la iz-uierda de la Fi7ura D* -ue la corriente I -ue pasa por la resistencia R es la misma -ue pasa por el amperímetro+
Figura 4
Tam/ién puede darse cuenta -ue mientras m6s pe-ue.a sea 2resistencia interna del amperímetro4 comparada con
R
R A +
la lectura del
amperímetro se apro1ima m6s al valor de ε / R 2para r i ≪ R 4+ En el circuito de la derec!a se ve -ue el voltímetro* como aparato dise.ado para medir di,erencias de potencial* de/e conectarse en paralelo con el elemento a medir+ 3a caída de potencial a través de la resistencia interna del voltímetro RV + es la misma -ue a través de la resistencia
R + O/sérvese -ue si
RV +
es
compara/le con R * una ,raccin importante de la corriente I pasar6 por el voltímetro+ 0ara disminuir en lo posi/le esta corriente* un /uen voltímetro de/e tener una resistencia interna muy 7rande+ 0)EC&$CIO%ES • • •
%o conecte el amperímetro directamente a la ,uente %o conecte el amperímetro en paralelo con el elemento a caracterizar En ambos casos circulará una corriente muy grande por el amperímetro y con seguridad el galvanómetro se destruirá
0)OCE"I'IE%TO 0ara la realizacin de la pr6ctica usted reci/ir6 una ta/leta como la -ue se muestra en la Fi7ura + Tam/ién encontrar6 en su mesa de la/oratorio una ,uente de voltaje* un voltímetro 2V4* un amperímetro 2&4 y ca/les para cone1in
Figura 5
Medición de vo!"#e$
Figura 6
'onte el circuito mostrado en la Fi7ura + Antes de prender la fuente, cerciórese que el voltaje sea mínimo, girando el “botón de ajuste de voltaje” en sentido contrario a las manecillas del reloj.
Conecte el voltímetro en la escala de >V+ Incremente el voltaje de la ,uente 7irando el /otn de ajuste en sentido de las manecillas del reloj+ 3ea al menos valores di,erentes cuales-uiera y antelos correctamente* teniendo en cuenta la incertidum/re en la lectura+ Conecte a!ora el voltímetro en la escala de GV+ Varíe el voltaje y anote valores+ Antes de desconectar el circuito poner el control de voltaje en el mínimo y apagar la fuente
Medición de co%%ien!e$
Figura 7
'ontar el circuito indicado en la 87ura H utilizando el amperímetro en la escala de G m& con una resistencia de G+ &umente el voltaje de la ,uente+ Esto incrementar6 la corriente -ue pasa por el circuito+ 'ida valores di,erentes de corriente y antelos con su incertidum/re+ Antes de desconectar el circuito poner el control de voltaje en el mínimo y apagar la fuente.
C"%"c!e%i&"ción de 'n" %e$i$!enci" ó()ic"
Figura 8
>+ &rme el circuito 2Fi7ura K4 tomado como elemento a caracterizar la resistencia de >G L+ $tilice el amperímetro en la escala de m& 2mueva a la derec!a el interruptor -ue est6 en la parte superior del amperímetro4 y el voltímetro en la escala de > V+ + Encienda la ,uente y proporcione al circuito un voltaje de alimentacin+ ¬e los valores de corriente I y V -ue reportan el amperímetro y el voltímetro respectivamente+ + "esconecte el voltímetro y anote la corriente -ue se lee en el amperímetro+
D+ )epita los pasos + y + incrementando el voltaje de alimentacin+ Tome por lo menos >G datos+ $tilice la misma escala del voltímetro para todas sus medidas+ + Ela/ore una ta/la de datos como se indica a continuacin: Voltaje I con voltímetro I sin voltímetro + )epita el procedimiento anterior con las resistencias de L y G + H+ En una sola !oja de papel milimetrado ela/ore las 7r68cas de corriente I 2con voltímetro4 vs voltaje V y corriente I 2sin voltímetro4 vs V para las tres resistencias+
C"%"c!e%i&"ción de *o)*io
Figura 9
>+ &rme el circuito -ue se muestra en la Fi7ura + En este caso* una resistencia ) de >GG limitadora de corriente se coloca en serie con el /om/illo+ 'ida la di,erencia de potencial a través del /om/illo y la corriente en el amperímetro para di,erentes valores de voltaje en la ,uente de alimentacin+ 0ara tomar los datos comience incrementando el voltaje de la ,uente !asta su valor m61imo y lue7o repita los mismos valores disminuyendo el voltaje+ $tilice el amperímetro en la escala de GG m& y el voltímetro en la escala de +G V+ + Ela/ore una ta/la con los datos+ + Ela/ore el 7r68co de corriente vs voltaje+ D+ "etermine la resistencia del 8lamento para cada valor de voltaje medido+
3a temperatura de ,uncionamiento nominal de un 8lamento de incandescencia es de H M* es decir* unas oc!o veces la temperatura am/iente 2N M4+
C"%"c!e%i&"ción de diodo >+ &rme el circuito -ue se muestra en la Fi7ura >G+ O/serve -ue se de/e colocar una resistencia ) de en serie a ,in de limitar la corriente -ue circular6 por el diodo+
Figura 10
+ 'ida en potencial entre los puntos &B y &C para di,erentes voltajes de la ,uente de alimentacin+ Pué representa cada uno de estos voltajesQ $se el voltímetro en la escala de *G V + Invierta la polarizacin del diodo y repita el procedimiento anterior D+ Calcule la corriente -ue circula por el circuito para cada uno de los valores anteriormente medidos+ + Ela/ore una ta/la con los datos de corriente I en el circuito para cada valor de voltaje a través del diodo+ + Ela/ore el 7r68co de corriente I vs voltaje a través del diodo H+ "etermine la resistencia del diodo para cada valor de voltaje medido
