Fisica 3. Curvas Características Voltaje-corriente (1)

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Ingeniería Química y Textil

Área académica de ciencias básicas

Informe Nº 3

Curvas características Voltaje - Corriente FI-403A Realizado por:

Mesa: H2

Cuicapuza Araujo, Rafael Soto Moreno, Miguel Eduardo Wong Muñoz, Carlos Esteban NOTA DEL INFORME Profesores responsables de la práctica:

Altuna Díaz, Isaac Gabriel Reyes Guerrero, Reynaldo Gregorino

Periodo Académico: 2012-1 Fecha de realización de la práctica: 23/04/12 Fecha de presentación del informe: 21/05/12

Lima - Perú Laboratorio Nº 3 “Curvas características Voltaje -

corriente”

Página 1


1. OBJETIVO. 

Realizar la medición de voltaje y corriente a través de distintos elementos resistivos, para así obtener sus gráficas y estudiar sus características.



Comprobar si los elementos resistivos cumplen o no la ley de Ohm.

2. FUNDAMENTO TEÓRICO. Corriente eléctrica La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

Conducción eléctrica Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado. Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una Laboratorio Nº 3 “Curvas características Voltaje -

corriente”

Página 2


sección transversal dada del alambre, en un tiempo t , entonces la intensidad de corriente I , a través del alambre es: Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es: Si la intensidad permanece constante, en cuyo caso se denota I m, utilizando incrementos finitos de tiempo se puede definir como: Si la intensidad es variable la fórmula anterior da el valor medio de la intensidad en el intervalo de tiempo considerado.

Resistencia La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente. La resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha constante de proporcionalidad es la conductancia eléctrica, que es inversa a la resistencia eléctrica. La ecuación matemática que describe esta relación es:

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω).

Laboratorio Nº 3 “Curvas características Voltaje -

corriente”

Página 3


DIODO Un diodo es un componente electrónico de dos terminales que permite la circulación de la corriente eléctrica a través de él en un solo sentido. Este término generalmente se usa para referirse al diodo semiconductor, el más común en la actualidad; consta de una pieza de cristal semiconductor conectada a dos terminales eléctricos. El diodo de vacío (que actualmente ya no se usa, excepto para tecnologías de alta potencia) es un tubo de vacío con dos electrodos: una lámina como ánodo, y un cátodo. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. I aumenta de forma exponencial con el incremento de V; para potenciales negativos, la corriente es extremadamente pequeña. Así, una diferencia de potencial positiva V ocasiona que la corriente fluya en la dirección positiva, pero una diferencia de potencial negativa origina poca o ninguna corriente.


corriente”

Página 4


Resistores Son dispositivos electrónicos que poseen un valor específico de resistencia. Según el material del cual están hechos pueden ser: 

Resistores de alambre: alambre de nicromo enrollado alrededor de un núcleo aislante.



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 varían el valor de su resistencia, estos se denominan resistencia variable. 

Potenciómetro: cuando se conecta en serie a un circuito eléctrico, mediante este es posible regular el voltaje.



Reóstato: Se conecta en paralelo a un circuito eléctrico de tal manera que regula la corriente que pasa por él.

3. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Y DATOS OBTENIDOS. 3.1. Equipos y materiales: 

Una fuente de corriente continua (6V)



Un reóstato que es utilizado como potenciómetro



Un amperímetro de 0 – 1 A



Un voltímetro de 0 – 10 V



Una caja con tres elementos y dos resistencias de valores dados



Ocho cables



Un transformador 220/6V, 60 Hz

3.2. Procedimiento experimental. 3.2.1. Determinación de las curvas usando voltímetro y amperímetro. 

Primero

identificamos

los

elementos

incógnita

cuyas

curvas

características nos proponemos a investigar; un foco, un diodo y una resistencia. 

Luego armamos el circuito como se muestra en la figura regulando la fuente para que entregue 6V.



Giramos el cursor del reóstato a fin de que el voltaje medido sea nulo.



Al tener el sistema listo, conectamos los puntos “a” y “b” al foco a fin de averiguar el comportamiento de la resistencia de su f ilamento.


corriente”

Página 5




Variamos el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circula por el filamento del foquito cuando la diferencia de potencial va de 0 a 6V así llenando los valores de las intensidades de corriente medidas por el multitéster en la tabla adjunta.



Repetimos los pasos anteriores para la resistencia.



Por último repetimos los último pasos para el diodo pero teniendo cuidado de no pasar de 0.9A, ya que el diodo se quema. Así obtuvimos los datos de voltaje para corrientes que varían de 0.01 hasta 0.9 A.

3.3. Datos obtenidos: Elemento: FOCO

Elemento: RESISTENCIA 47 Ω

Voltaje Aplicado (En Voltios)

Corriente (En Amperios)

Voltaje Aplicado Voltios)

0.0

0.00

0.0

0.00

1.0

0.11

1.0

0.02

2.0

0.16

2.0

0.04

2.5

0.18

2.5

0.05

3.0

0.20

3.0

0.06

3.5

0.21

3.5

0.07

4.0

0.23

4.0

0.08

4.5

0.25

4.5

0.09

5.0

0.26

5.0

0.10

6.0

0.29

6.0

0.13


corriente”

Corriente (En (En Amperios)

Página 6


Elemento: DIODO Voltaje Aplicado (En Voltios)

Corriente (En Amperios)

0.550

0.01

0.600

0.02

0.630 0.650 0.680

0.04 0.06 0.08

0.700

0.10

0.750 0.775

0.20 0.30

0.800

0.60

0.825

0.90

4. CÁLCULOS Y ERRORES. Para la resistencia La resistencia utilizada tenía como valor dado 47 Ω, según nuestros datos, la recta ajustada que cumple con la ley de ohm sería: I = 0.0209V - 0.0019 A Despreciando el -0.0019, tendríamos que la resistencia experimental es 47.847 Ω. Con esto podemos calcular un error. Error = 1,8% Para el diodo El modelo matemático más empleado es el de Shockley (en honor a William Bradford Shockley) que permite aproximar el comportamiento del diodo en la mayoría de las aplicaciones. La ecuación que liga la intensidad de corriente y la diferencia de potencial es: Donde:    



I es la intensidad de la corriente que atraviesa el diodo V D es la diferencia de tensión entre sus extremos. I S es la corriente de saturación (aproximadamente ) n es el coeficiente de emisión, dependiente del proceso de fabricación del diodo y que suele adoptar valores entre 1 (para el germanio) y del orden de 2 (para el silicio). El Voltaje térmico V T es aproximadamente 25.85mV en 300K, una temperatura cercana a la temperatura ambiente. Para cada temperatura existe una constante conocida definida por:


corriente”

Página 7


Con

y

.

Para voltajes pequeños en la región de polarización directa, se puede eliminar el “-1” de la ecuación, quedando como resultado:

Se observa claramente que la ecuación tiene la forma I = a e

V/b

, tomando

logaritmo neperiano para obtener los coeficiente a y b, la expresión quedaría Ln(I) = V/b + Ln (a) Que vendría a ser la ecuación de una recta.

V(Voltios) I (Amperios) Ln (I) 0,01 0,55 -4,60517019 0,6 0,63 0,65 0,68 0,7 0,75 0,775 0,8 0,825

0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,2 0,3 0,6 0,9

-3,91202301 -3,21887582 -2,81341072 -2,52572864 -2,30258509 -1,60943791 -1,2039728 -0,51082562 -0,10536052

La ecuación quedaría: ()     De la ecuación obtenemos que 1/b = 15.865 por lo tanto b = 0.0630 y a = e13.322

= 1.6381x10-6. El comportamiento del diodo estaría dado por la expresión:

I = 1.638x10-6(eV/0.0630) Comparando esta ecuación con la ecuación del comportamiento de un diodo ideal tendríamos lo siguiente: T° = 27 ºC, IS = 1.2x10-11A, n = 1 nos quedaría la expresión:

(Ecuación del comportamiento ideal del diodo)

I = 1.2x10-12(eV/0.026 -1)


corriente”

Página 8


5. GRÁFICAS. Curva característica del foco

Curva característica I vs V (Foco) I = 0.0441V + 0.05 A 0.35 0.3 0.25 0.2

Intensidad (A) 0.15 0.1 0.05 0 0

1

2

3

4

5

6

7

6

7

Voltaje (V)

Curva característica de la resistencia

Curva característica I vs V (Resistencia) I = 0.0209V - 0.0019 A 0.14

0.12

0.1

0.08

Intensidad (I) 0.06 0.04

0.02

0 0

1

2

3

4

5

-0.02

Voltaje (V)


corriente”

Página 9


Curva aproximada de Shockley para el diodo

Curva de Shockley (LnI vs. V) para el diodo LnI= 15.865V - 13.322 0 -0.5

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

-1 -1.5 -2

LnI -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5 -5

Voltaje (V)

Comparación en el diodo entre ideal y experimental


corriente”

Página 10


Curva característica del diodo y análisis de tensiones

Se observa claramente que el diodo posee una tensión umbral (0.65V) a partir de la cual variando muy poco el valor de la tensión aumenta mucho la intensidad, también posee una tensión máxima de 0.825V. Podemos determinar aproximadamente su resistencia interna de la siguiente manera:

RB =

( – ) ( – )

RB = (0.175/0.84) Ω RB = 0.21


corriente”

Página 11


6. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONES. 

Si el dispositivo mide voltaje y no pasa corriente entonces se debe invertir la polaridad.



Tanto el foco como la resistencia de carbón son materiales óhmicos



El hecho de que la grafica del Diodo sea una curva nos dice que no obedece a la ley de Ohm y que la resistencia del diodo cambia en cada punto diferente de la curva, esto es, mientras más inclinada sea la curva menor será la resistencia. La grafica también nos dice que con mínima necesidad de tensión, circula gran cantidad de corriente.



El diodo puede soportar una intensidad máxima de 0.9 A a 0.825 V, la potencia que disipa el diodo en forma de calor es P MAX= 0.74W. Si el diodo llegara a conducir una corriente mayor a 0.9 A, el diodo se fundiría por el efecto Joule.

8. BIBLIOGRAFÍA 



Sears, Zemansky; Young, Fredman Física Universitaria Vol. 2 Undécima edición. Pág. 943-953 RESNICK, Robert; HOLLIDAY David Física para Ciencias e Ingeniería (Volumen 2)

Páginas: 127-137 http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-48/issue04/features/smart-photonic-textiles-begin-to-weave-their-magic.html D. Graham-Rowe, Nature Photon., 1, 1, 6 –7 (2007). K.L. Yi Yang et al., Light-Emitting Diodes: Research, Manufacturing, and Applications IX, Proc. SPIE, Vol. 5739 (Mar. 7, 2005). K.H. Cherenack et al., IEEE Electron Dev. Lett., 31, 7, 740 –742 (2010). www.photonics21.org/uploads/4Y4g2K7ElX.pdf



 

 


corriente”

Página 12

Fisica 3. Curvas Características Voltaje-corriente (1)

Recommend Documents