Curvas Características Voltaje Labo 3

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

FACULTAD DE INGENIERÍA INDUSTRIAL Y DE SISTEMAS TEMA

:

INFORME DE LABORATORIO Nº03

CURSO

:

FISICA II

PROFESOR

:

SAN BARTOLOME

ALUMNOS

:

BAYES CONDOR JEAN MARCOS GARCIA TREBEJO JERSON JOSE REGALADO ORELLANA FRANZ EDGAR RAFAEL ROSALES, EDGARD JEAN CARLOS

2014

CURVAS CARACTERÍSTICAS VOLTAJE - CORRIENTE  Objetivo principal: Obtener las gráficas corriente-voltaje de elementos resistivos y estudiar sus características

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Objetivos secundarios: Estudiar las características de las resistencias, guiándonos del tipo de material. Reforzar el uso del osciloscopio como graficadora de comportamientos eléctricos. Reconocer las componentes para calibración de voltajes como potenciómetro, así como los medidores como el voltímetro y el amperímetro.

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Materiales: Una fuente de corriente continua (6 V). Un reóstato para utilizarlo como potenciómetro.

Un amperímetro de 0 - 1 A

Un voltímetro de 0 – 10 V.

Una caja con tres elementos para obtener características y dos resistencias de valores dados. Ocho cables. Dos hojas de papel milimetrado. Un osciloscopio de dos canales de 25 MHz, Elenco S1325.

Un transformador 220/6V, 60 Hz.

 Fundamento Teórico: LEY DE OHM: La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

Donde, empleando unidades del Sistema internacional, tenemos que: I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial en voltios (V) R = Resistencia en ohmios (Ω). Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté circulando. La ley define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:

Un conductor cumple la Ley de Ohm sólo si su curva V-I es lineal, esto es si R es independiente de V y de I. Se dan 3 Casos:

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Con la resistencia fija. La corriente sigue a la tensión. Un incremento en la tensión, significa un incremento en la corriente y un incremento en la corriente significa un incremento en la tensión.

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Con el voltaje fijo. Un incremento en la corriente, causa una disminución en la resistencia y un incremento en la resistencia causa una disminución en la corriente

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Con la corriente fija. El voltaje sigue a la resistencia. Un incremento en la resistencia, causa un incremento en el voltaje y un incremento en el voltaje causa un incremento en la resistencia

Para tres valores de resistencia diferentes, un valor en el eje vertical (corriente) corresponde un valor en el eje horizontal (voltaje). Las pendientes de estas líneas rectas representan el valor de la resistencia. Con ayuda de estos gráficos se puede obtener un valor de corriente para un resistor y un voltaje dados. Igualmente para un voltaje y un resistor dados se puede obtener la corriente.

RESISTENCIA: Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica. ¿Qué elementos resistivos utilizaremos en nuestro experimento?

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Resistencia de Carbón

Las resistencias de este tipo son muy inestables con la temperatura, tienen unas tolerancias de fabricación muy elevadas, en el mejor de los casos se consigue un 10% de tolerancia, incluso su valor óhmico puede variar por el mero hecho de la soldadura, en el que se somete a elevadas temperaturas al componente. Además tienen ruido térmico también elevado, lo que las hace poco apropiadas para aplicaciones donde el ruido es un factor crítico, tales como amplificadores de micrófono, fono o donde exista mucha

ganancia. Estas resistencias son también muy sensibles al paso del tiempo, y variarán ostensiblemente su valor con el transcurso del mismo.

 Diodo (Semiconductor) El diodo semiconductor es el dispositivo semiconductor más sencillo y se puede encontrar, prácticamente en cualquier circuito electrónico. Los diodos se fabrican en versiones de silicio (la más utilizada) y de germanio.

Símbolo del diodo (A - ánodo, K - cátodo) Los diodos constan de dos partes, una llamada N y la otra llamada P, separados por una juntura llamada barrera o unión. Esta barrera o unión es de 0.3 voltios en el diodo de germanio y de 0.6 voltios aproximadamente en el diodo de silicio.  Principio de operación de un diodo: El semiconductor tipo N tiene electrones libres (exceso de electrones) y el semiconductor tipo P tiene huecos libres (ausencia o falta de electrones) Cuando una tensión positiva se aplica al lado P y una negativa al lado N, los electrones en el lado N son empujados al lado P y los electrones fluyen a través del material P mas allá de los límites del semiconductor.

De igual manera los huecos en el material P son empujados con una tensión negativa al lado del material N y los huecos fluyen a través del material N. En el caso opuesto, cuando una tensión positiva se aplica al lado N y una negativa al lado P, los electrones en el lado N son empujados al lado N y los huecos del lado P son empujados al lado P. En este caso los electrones en el semiconductor no se mueven y en consecuencia no hay corriente.

 Lámpara -Tungsteno (Filamento) Es una de las aplicaciones mas practicas del efecto térmico de la corriente. Este se compone de una largo filamento (fino) de tungsteno que ofrece una considerable resistencia, el filamento puede tener hasta 60 cm. de largo. Cuando mayor sea la resistencia del hilo conductor mayor calor producirá, debido al escaso calibre y gran longitud se produce suficiente calor coma para que el tungsteno se vuelva incandescente y emita una luz casi blanca.

 POTENCIÓMETRO: Un potenciómetro, llamada olla a corto, es un componente eléctrico que actúa como un divisor de voltaje variable. Por lo general, tienen tres terminales, una de las cuales está conectada a un centro de contacto en movimiento. Un potenciómetro con dos terminales es una resistencia variable, llamado reóstato. Potenciómetro es también el término para un viejo instrumento que mide un voltaje desconocido después de ser calibrado con una conocida tensión. Estos han sido sustituidos por los multímetros de hoy. Potenciómetros son compactos dispositivos utilizados para el ajuste de la tensión en puntos específicos en un circuito. Ellos son los más comúnmente utilizados para controlar la salida de audio de radios y televisores. Volumen, graves, agudos, y el equilibrio de los altavoces están ajustados con todos los potenciómetros. Asimismo, controlar el brillo, el contraste y balance de color en los televisores. Reóstatos se utilizan teniendo en cuenta los reguladores para controlar el actual llegando a las luces.

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Procedimientos / Interpretación de la teoría en el experimento: Este tercer laboratorio se divide en dos partes. Primero, cuando determinamos las curvas gracias a un circuito que tenemos que armar, es decir, de forma experimental; y segundo, con la ayuda del osciloscopio, cuyo uso ya aprendimos en el laboratorio anterior. PRIMERA PARTE: Determinación de las curvas usando voltímetro 

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Se identifica los elementos que nos proporcionará el auxiliar de laboratorio. Son 5 elementos: E1, E2, E3, dos resistencias de 1 Ω y 100 Ω. Los E1, E2 y E3 son resistencias, que de forma experimental, iremos reconociendo ya sea una de carbón, un diodo o una lámpara con filamento de tungsteno. Para experimentar armamos un circuito semejante a la figura, el potenciómetro en un punto antes del amperímetro y uno antes de la fuente. Regulamos la fuente para que ésta entregue 6 V. Tenemos que girar el potenciómetro de tal manera que obtengamos una tensión de salida nula. Ahora conectamos, en donde se ubica R, la lámpara E1, con el objetivo de saber

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cuál va a ser su comportamiento frente a un voltaje, y por ende, frente a una intensidad de corriente. Hay que tener en cuenta que el potencial al que debe estar es de 1 voltio, por ello, hay que regular el cursor del reóstato. Observación: si nos fijamos, podríamos utilizar un multímetro para saber el voltaje, en caso de un voltímetro hay que calibrarlo a una escala de 5 o 6V. Repetimos para voltajes de 2, 3, 4, 5 y 6 V. Ahora repetimos los pasos anteriores, pero ahora utilizamos la resistencia de carbón (E2) y luego, el diodo, pero hay que tener cuidado con éste último ya que voltajes de más de 0.9 V, sería causante de que se queme el diodo, por ello, el dato de las tensiones a obtener deben ser menores a 0.9 V. Acotación final: Con esta primera parte se podrá graficar las curvas de voltaje corriente, algunas se parecerán a la gráfica teórica, pero algunas de seguro serán diferentes, ¿a qué se deberá? Una hipótesis sería que la variación de la temperatura es un factor determinante en la variación de la resistencia durante el paso de la corriente. Esto lo comprobaremos en el laboratorio.

SEGUNDA PARTE: Observación de las curvas características usando el osciloscopio  

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Siguiendo con esta experiencia, ahora tenemos que obtener los mismos resultados pero ahora en el osciloscopio, que lo utilizamos en el laboratorio pasado. Con la ayuda de las conexiones tenemos que enlazar una parte de nuestro circuito (con resistencia de 100 Ω y una fuente) con las entradas del osciloscopio en CH1 y CH2. No olvidar que el control 21 debe estar en CHA para observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del filamento del foco. Luego ponemos el control en CHB para observar la dependencia (respecto del tiempo) de la corriente a través del filamento del foco. El control 23 debe estar “hacia fuera”. Ahora, para observar en XY, ponemos el control 30 en posición “hacia adentro”, el 24 en CHA y 21 en CHB. El control 23 “hacia fuera”. Entonces veremos la dependencia de I vs. V para el filamento del foco. Repetimos lo anterior pero ahora para la resistencia de carbón y también para el diodo de unión. Acotación final: Pueda ser que en estos casos nos dé una visión más clara respecto a la relación I vs. V y la forma en que obtenemos la curva que nos dirá también como es que cambia la resistencia. ¿se encontrará lo mismo que usando un circuito con instrumentos de medida? Puede ser, pero esto lo tenemos que experimentar para poder sacar nuestras conclusiones del caso.

CALCULOS:

1. Grafique I=f (V), para cada elemento, con los valores obtenidos en los pasos 4, 5, 6 y 7.  Para el caso de un filamento de tungsteno ( foco):

Graficando el circuito:

Tabla de valores: Filamento de Foco V I 0.2 0.07 0.4 0.08 0.6 0.11 0.8 0.12 1 0.13 1.2 0.14 1.4 0.15 1.6 0.15 1.8 0.16 2 0.17

Ajuste de curva para el filamento de foco V vs I

I Linear (I)

0.2 y = 0.0533x + 0.0693 R² = 0.9424

0.18 0.16

CORRIENT

0.14 0.12 0.1 0.08 0.06 0.04 0.02 0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

VOLTAJE

Según la ley de Ohm:

V  IR

Se puede notar de los datos que obtuvimos, que en el caso de un filamento de tungsteno cumple la ley de Ohm. Ya que la resistencia no depende de la intensidad de corriente.

 Para el caso de una resistencia de carbón Tabla de valores: Resistencia de Carbón V I 1 0.01 2 0.02 3 0.03 4 0.04 5 0.05 6 0.06 7 0.07 8 0.08

Ajuste de curva para la resistencia de carbón

CORRIENTE

V vs I 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 0

y = 0.01x + 4E-17 R² = 1

I Linear (I)

0

2

4

6 VOLTAJE

8

10

 Para el caso de un diodo: Tabla de valores: Diodo V 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

I 0 1.2 3.5 13.5 24.3 67.9

Ajuste de curva para el diodo V vs I 80 y = 439.29x2 - 539.27x + 162.94 R² = 0.9586

70 60 CORRIENTE

50 40

I

30

Poly. (I)

20 10 0 -10

0

0.2

0.4

0.6 VOLTAJE

0.8

1

1.2

SEGUNDA PARTE DEL EXPERIMENTO, GRAFICOS CARACTERISTICOS OBSERVADOS POR EL OSCILOSCOPIO: I)

PARA LA RESISTENCIA DEL FOCO

Voltaje (V) VS Tiempo (T)

Intensidad (I) VS Voltaje (V)

Intensidad (I) VS Tiempo (T)

II)

PARA LA RESISTENCIA DEL CARBON

Voltaje (V) VS Tiempo (T)

Intensidad (I) VS Tiempo (T)

Intensidad (I) VS Voltaje (V)

III)

PARA LA RESISTENCIA DIODO

Voltaje (V) VS Tiempo (T)

Intensidad (I) VS Voltaje (V)

Intensidad (I) VS Tiempo (T)

2. ¿En cuál de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuáles no? Explique su respuesta. La ley de Ohm expresada por la siguiente relación: V A - VB = R.I. “La resistencia de un conductor es independiente de los potenciales aplicados, no depende más que de parámetros geométricos: l y S y de la naturaleza del material ( = resistividad)”. A las sustancias que cumplen con lo dicho anteriormente se les conoce como materiales Óhmicos. Según la experiencia realizada y los datos obtenidos, el material que cumple casi aproximadamente la ley de Ohm, es la resistencia de carbón, para la cual la gráfica V-I es una recta cuya pendiente vendría a ser la resistencia del material. Ahora si notamos las características de cada uno de estos materiales, el carbón es un conductor no metal cuya grafica intensidad vs voltaje tiende a ser una recta que debe pasar por el origen ya que cuando V=0 entonces I=0, pero si hacemos la regresión cuadrática a una función lineal ésta nos sale una recta que pasa cerca del origen. A los materiales que no cumplen con la ley de Ohm, se les llama “Conductores no Óhmicos”; este caso serían el foco y el diodo. En el caso del foquito se nota que su temperatura no es constante; cuando aumenta el voltaje, la intensidad aumenta y su temperatura también lo que hace que su intensidad aumente pero no de la forma lineal como en el caso del carbón. Ahora para el diodo, este es un dispositivo que tiene una resistencia finita y comienza a pasar corriente a un determinado valor.

3. Para una diferencia de 0,8 voltios, halle la resistencia de los tres elementos Para hallar los valores de la resistencia en cada uno de los casos para un voltaje igual a 0,8 voltios tenemos que hallar las respectivas intensidades, a través de los gráficos y por interpolación de los valores. Para el FOCO: La intensidad de corriente aproximada es de 0,079 amperios entonces el valor de la resistencia es de 10.127  Para el CARBON: La intensidad de corriente aproximada es de 0,416 amperios entonces el valor de la resistencia es de 1.923 

Para el DIODO: Según nuestra experiencia para intensidades mayores que 0.9 amperios el voltaje se mantenía en un mismo valor que era de 0.75 voltios por lo cual no podemos hallar la resistencia del diodo para 0.8 voltios. 4.- En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crítico del cual comienza a conducir. ¿Cuál es ese valor? En el caso del diodo se observó que empezaba a conducir a partir de un determinado valor el cual sería un voltaje mínimo necesario para que la corriente logre vencer esa resistencia y fue de aproximadamente 0.4 voltios lo que se aprecia en la respectiva gráfica Nº3. 5.- Escriba sus conclusiones y/o comentarios.

 Para armar el circuito de la figura 1 del manual, tuvimos que analizar cómo colocar los cables del amperímetro y voltímetro de manera que el primero este en serie y el segundo en paralelo, pues de otra forma no marcarían un valor correcto. Además el elemento que posee una resistencia tenía que estar en serie.

 Según el manual teníamos que usar una escala de 5 ó 6 V, pero en nuestro caso no se podía, pues cuando tratábamos de usarlo no nos permitía medir correctamente los valores debido a que la aguja no alcanzaba en la escala.  El filamento del foco es un caso especial, pues su temperatura varia con el voltaje, por lo tanto su resistencia también. En nuestros datos experimentales se encontró que la gráfica tendía a ser una recta para el rango de voltaje probado, lo que permitía calcular una resistencia.

 La experiencia en la resistencia de carbón nos ha mostrado que ciertas sustancias cumplen aproximadamente la ley de Ohm, los errores que se cometen son debido a los instrumentos de medida usados, como son: voltímetro, amperímetro, fuente de voltaje, etc. también depende las impurezas del elemento de trabajo.

 El diodo tiene un comportamiento diferente, su resistencia disminuía grandemente al aumentar el voltaje, esto se debe a que cuando el campo está en sentido contrario (voltaje < 0), su resistencia es muy grande, y para un valor cercano a cero su resistencia es grande.

 Los siguientes dos elementos usados son muy diferentes al primero. La dependencia de V e I ya no es lineal (R = Ro. (1+.T)). En el caso del diodo la dependencia es más estricta, puesto que este caso para un mismo valor de voltaje se obtenían diferentes valores de corriente. Esto quizá se hubiese podido evitar si el voltímetro hubiese sido más preciso en su medición.

BIBLIOGRAFÍA 

http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_em/var_resistencia_tempe ratura.pdf



http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_resistencia/ke_resistencia_ 2.htm



http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm



FISICA para Ciencias e Ingeniería. Serway, Beichner. Mc Graw Hill Interamericana Editores. 2002. México D.F. Ley de Ohm, Resistencia, Intensidad de Corriente, materiales resistivos

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