FISICA 3 - Informe 3 - Curvas Caracteristicas

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INFORME DE LABORATORIO Nº 3 - FÍSICA III

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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INTRODUCCIÓN

En el pres present entee inf inform ormee tene tenemos mos com comoo pri princi ncipal pales es obj objeti etivos vos fam famili iliari arizarn zarnos os con los materiales eléctricos de la experiencia, así como instrumentos de medición de uso frecuente


3


y observar con ayuda del osciloscopio las gráficas

voltaje-corriente

de

elementos

resistivos y estudiar sus características Utilizaremos materiales tales como una fuente de corriente continua !v", un reóstato para utilizarlo como potenciómetro, un amperímetro de #-$ a, un voltímetro de #-$# v, una caja con tres elementos y dos resistencias de valores dados, oc%o cables, un osciloscopio de dos canales de &'m%z, elenco s$(&', un transformador &&#)!v, !# *z y dos %ojas de papel milimetrado, en el cual realizamos las gráficas pedidas en la guía utilizando la resistencia variable para observar cómo va modificándose el voltaje y la intensidad, a la vez +ue %ayamos la resistencia de la pe+uea lamparita +ue se nos facilita sin ese dato .bservamos +ue fue posible obtener las curvas características de voltaje-corriente para una lámpara, una resistencia de carbón y un diodo mediante el empleo de instrumentos de medida y del osciloscopio, y también vemos +ue la gráfica / vs 0 para el diodo es en la primera parte de tipo exponencial 1in embargo, la gráfica dada por el osciloscopio está compuesta por dos curvas cuyo primer punto máximo nos da el voltaje crítico a partir del cual el diodo empieza a conducir2 a diferencia del valor de la resistencia tanto para la lámpara como la resistencia de carbón, los cuales depende del voltaje al +ue se exponen, mientras +ue para un diodo este depende de la intensidad de corriente

FUNDAMENTO TEÓRICO 3uando se establece un campo eléctrico E en un conductor, las cargas q +ue en un principio se movían aleatoriamente realizan un movimiento neto en una dirección debido a la fuerza Fe, dada por4


4

INFORME DE LABORATORIO Nº 3 - FÍSICA III F e qE (1) =

Esto produce un flujo de cargas conocido como corriente eléctrica /, la fuerza Fe %ace + las cargas se muevan en la dirección de E si q es positiva y 5 E si q es negativa, con una velocidad Vd, llamada velocidad de desplazamiento alrededor de $#-6 m)s" Entonces vemos +ue el campo E realiza trabajo al trasladar cargas dentro del conductor 7a magnitud de cada trabajo es distinta para cada tipo de material y depende de su estructura cristalográfica En un conductor, estas cargas son electrones +ue en su desplazamiento c%ocan con los iones del material donde se libera energía Esto produce el calentamiento del material, lo +ue se denomina efecto joule  8ara distintos tipos de materiales los portadores de carga son4

− − −

En conductores4 electrones En gases y soluciones iónicas4 electrones e iones positivos En semiconductores4 espacios libres en la estructura atómica, vacantes

7a corriente en un material se puede expresar como4

I nq V d A =

&"

9onde4 n4 n:mero de portadores de carga por unidad de volumen +4 carga unitaria 0d4 módulo de velocidad de desplazamiento ;4 sección transversal del conductor

7uego se define la densidad de corriente , J como el vector4

J nq V d =

2

J

=

I A

("

9e $" vemos +ue 0d depende del valor del campo E, la relación entre J y E se expresa como4


5


6"

E pJ =

9onde p se define como la resistividad del material, en general la resistividad es función de la temperatura y de la geometría del material 7a ley de .%m establece la proporcionalidad directa entre las magnitudes de E y < ley de o%m microscópica " solo para ciertos materiales 1i tomamos la sección transversal ; de un conductor de longitud 7 como el de la fig&", al establecer una diferencia de potencial 0=o entre los puntos a y b, entonces 0>E7 8roducto de esto se crea una corriente dada por /><; ;l reemplazar esto4

( )

V I p L A =

V

( )

=



pL I A

'"

8ara todo material se define la resistencia ? como la relación4 R

=

V I

!"

7a resistividad y la resistencia varían con la temperatura @ para ∆@ menores de $##A>$##B se puede considerar p y ? constantes


6


8or lo tanto para un material ó%mico, de 6" y !"4 R

=

pL A

C"

Da sea p, 7, ; siempre son constantes para este tipo de material, entonces la resistencia siempre es la misma par un material ó%mico, de !" este tipo si se grafica / vs 0 se obtendría una recta de pendiente m>? -$ +ue pasa por el origen ; la gráfica de una función4 />f 0" par aun cierto material, se le denomina curva característica del material, en general puede %aber relaciones más complejas entre / y 0 como en diodo semiconductor

RESISTORES 1on dispositivos electrónicos +ue poseen un valor específico de resistencia 1eg:n el material del cual están %ec%os se clasifican en4

a ?esistencia de bobina4 reconstruyen enrollando alambres de nicromo alrededor de un n:cleo aislante

b ?esistencia de carbón4 se construyen de carbón o de grafito granulado +ue se encierra en tubo de plástico endurecido UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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c ?esistencia de cerámica4 Estos pueden aguantar temperaturas muy altas, también causan una significativa cantidad de ruido eléctrico



;demás existen resistores +ue pueden variar el valor de su resistencia, estos se denominan resistencia variable  1eg:n su aplicación en un circuito se denominan4

i

8otenciómetro4 cuando se conectan en serie en un circuito de tal manera +ue regule su voltaje


8


ii

?eóstato4 cuando está conectado en paralelo en un circuito de tal manera +ue regule la corriente +ue pasa por él

MATERIALES •

Una fuente de corriente continua !0"


9


Ilustración 1 Fuente de corriente continúa •

Un reóstato para utilizarlo como potenciómetro

Ilustración 2 Reóstato •

Un amperímetro de #-$ ;


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Ilustración 3 Amperímetro

•

Un voltímetro de #-$# 0

Ilustración 4 Voltímetro

•

Una caja con tres elemento para obtener características y dos resistencias de valores dados


11


•

.c%o cables

Ilustración 6 Cales

•

9os %ojas de papel milimetrado


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•

Un osciloscopio de dos canales de &' *z, Elenco 1$(&'

Ilustración # $sciloscopio

•

Un transformador &&#)!0, !# *z


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PROCEDIMIENTO Primera parte 9eterminación de las curvas usando voltímetro y amperímetro $ /dentifi+ue en la caja de cinco elementos, los elementos incógnitas cuyas características nos proponemos investigar4 E$, E& y E( .bserve también +ue %ay una resistencia de $F y una de $##F En esta primera parte se usaran solo E$, E& y E(


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& ;rme el circuito como se muestra en la figura y regulando la fuente para +ue entregue !0 ( Gire el cursor del potenciómetro a fin de +ue la tensión de salida sea nula 6 3onecte los puntos HaI y HbI a la lámpara a fin de averiguar el comportamiento de la resistencia de su filamento

Ilustración 1( Fi)ura *1+

' 0arié el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente +ue circula por el filamento del fo+uito cuando la diferencia de potencial sea $0 1ugerencia4 Emplear una escala de ' o !0 EJ E7 0.7@/E@?." ! ?epetir el paso anterior para &, (, 6, ' y ! 0 C ?epita los pasos 6 y ' para la resistencia de carbón E&" K ?epita los pasos 6 y ' para el diodo E(" pero teniendo cuidado de no pasar de #L; 1E MUE;" .btenga los datos de voltaje para corrientes de ##, #$2 #&2N2 #L; Jota4 1i no pasa corriente y solo marca voltaje, invertir la polaridad

Se!"#da parte .bservación de las curvas características usando el osciloscopio L Usando el transformador &&#)!0 ensamble el circuito de la figura & En este caso ? es la resistencia conocida de $ o%m 3olo+ue el control &$ del osciloscopio en 3*; para observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del filamento UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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del foco 3olo+ue el control &6 en 3*O para observar la dependencia respecto al tiempo" de la corriente a través del filamento del foco 3on el control (# en posición %acia afuera

Ilustración 11 Fi)ura *2+

$# Use el osciloscopio en el plano PD, control (# en posición %acia adentro, &6 en 3*; y &$ en 3*O El control $! debe estar en posición %acia afuera .bservaremos la dependencia / vs 0 para el filamento del foco

$$ ontamos el circuito de la figura ( para estudiar las curvas características de la resistencia de carbón En este circuito ? es el elemento E&



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$& Establecemos el circuito de la figura 6 para estudiar la curva característica de un diodo de unión E("


RESULTADOS $ Grafi+ue 0>f /" con los valores obtenidos en los pasos 6, ',! y C 8ara el caso de la resistencia del foco4 E7EEJ@. 0.7@;
$6 #$6

$! #$'

Q.3. && &! #$C #$K

& #$!

( #$L

(! #&

Curva Característica Foco 6 4

Voltaje (volt)

f(x) = 39.29x - 4.3

2 0 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19

Corriente I (A)


0.2

0.21 0.22

6& #&$

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8ara el caso de la resistencia de cerámica4 ?E1/1@EJ3/; 9E 3E?R/3;

E7EEJ@. 0.7@;
3.??/EJ@ E

$&

$6

$!

$K

&

&&

&6

#CK

#L&

$#C

$$K

$(

$6$

$'(

Resistencia de ceramica 3 2

Voltaje (volt)

f(x) = 1.61x - 0.09

1 0 0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

Corriente (A)

8ara el caso de la resistencia del diodo4

E7EEJ@. 0.7@;
#!

#K

9/.9. #K&

##$

##(

##(C


#K( #C6K

1.3

1.4

1.5

1.6

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Curva característica del diodo 0.8 0.7 0.6 0.5

Corriente (A) 0.4 0.3 0.2 0.1 f(x) = 0 exp( 11.35 x ) 0 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85

Voltaje (volt)

8ara el caso de la resistencia de carbón4

E7EEJ@. 0.7@;
?E1/1@EJ3/; 9E 3;?OSJ & (&' 6 ##&

##(


##6

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Resistencia de carbon 6 4

Voltaje (volt)

f(x) = 100x + 0.08

2 0 0.02

0.02

0.03

0.03

0.04

0.04

0.05

Corriente (A)

8ara el caso de la resistencia embobinada4

E7EEJ@ . 0.7@;
?E1/1@EJ3/; EO.O/J;9; $6$

$!

&$

&C

(6

(C

6&

##&

##(

##6

##'

##!

##C

##K

Resistencia embobinada 5 4 f(x) = 49.54x + 0.25 3

Voltaje (volt) 2 1 0 0.05 0

0.1

Corriente (A)


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$% &E# '" de *+ eeme#t*+ +e '"mpe a e, de *-m , e# '"e+ #*. E/piq"e

8ara el caso del foco y las resistencias carbón, cerámica y embobinado" observamos +ue su grafica 0>f /" es una función lineal, notamos +ue la corriente es proporcional a la diferencia de potencial e inversamente proporcional a la resistencia, estos materiales si cumplen con la ley de o%m 8ara el diodo notamos +ue su grafica />f 0" es una función exponencial de la forma4 / > LE-#!e$$('0 8or lo tanto no cumple con la ley de o%m

0% Para "#a diere#'ia de 2%3 4*ti*+5 -ae a re+i+te#'ia de *+ tre+ eeme#t*+ Para e 'a+* de *'* 0 > (L&K!/ - 6( 9e la ecuación obtenemos +ue para una diferencia de potencial de #K, la corriente es #$&LK; />0)? #$&LK>#K)? ?>!$! F

Para a re+i+te#'ia de 'ar67# 0 > $##/ T ##K(( 9e la ecuación obtenemos +ue para una diferencia de potencial de #K, la corriente es C$!Cx$# ( ; />0)? C$!C$#-(>#K)? ?>$$$!& F


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Para e di*d* / > Lx$#-!e$$('0 9e la ecuación obtenemos +ue para una diferencia de potencial de #K, la corriente es ##KL; />0)? ##KL>#K)? ?>KLK F

8% E# e * *+ 'a+*+ e# q"e a '"r4a I 4+ V *6te#ida e# e *+'i*+'*pi*+ +ea "#a re'ta determi#e a pe#die#te de a re'ta , p*r * ta#t* a re+i+te#'ia de eeme#t*% C*mpare '*# *+ 4a*re+ *6te#id*+ ma#"ame#te "+a#d* 4*t9metr* , amper9metr*%

En el caso del foco4

7a pendiente observada en el osciloscopio es aproximadamente C F 7a resistencia %allada con el multimetro fue de !K F

En el caso de la cerámica4 UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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7a pendiente observada en el osciloscopio es aproximadamente $ F 7a resistencia %allada con el multimetro fue de $6 F En el caso de la resistencia embobinado4

7a pendiente observada en el osciloscopio es aproximadamente '# F 7a resistencia %allada con el multimetro fue de '$6& F


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En el caso de la resistencia de carbon4

7a pendiente observada en el osciloscopio es aproximadamente $## F 7a resistencia %allada con el multimetro fue de $#$C F

:% E# e 'a+* de di*d* +e p"ede de'ir q"e -a, "# 4*ta;e 'r9ti'* a partir de '"a '*mie#
7a curva característica del diodo obtenida en el osciloscopio es4

El diodo utilizado en el laboratorio es de silicio y para este material el voltaje crítico es de #C 0 .btenemos el voltaje crítico del diodo seg:n la curva característica, en el cual existe un valor a partir del cual la curva asciende bruscamente 8or lo tanto trazamos una línea tangente a la parte de la curva +ue asciende bruscamente y %allamos el voltaje crítico al intersectar con el eje de voltaje


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Curva característica del diodo 0.8 0.7 0.6 0.5

Corriente (A) 0.4 0.3 0.2 0.1 f(x) = 0 exp( 11.35 x ) 0 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85

Voltaje (volt)

El voltaje crítico %allado es 


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O=SERVACIONES •

1i el dispositivo mide voltaje y no pasa corriente entonces se debe invertir la polaridad

•

8ara el diodo %ay +ue tener muc%o cuidado de +ue la corriente no sea mayor a la indica da en el laboratorio ya +ue si no esta se puede +uemar

•

El reóstato solo nos permitía variar la resistencia un cierto rango, dependiendo de la cantidad de voltaje +ue generábamos para la conexión, pa sa ndo est e ra ng o la res is te nci a var ia ba cons id er ab le me nte lo +ue pr ov oc ab a da to s er róne os 

•

7a gran cantidad de corriente en algunos elementos provocaba elevar su temperatura

•

*ay +ue tener muy en cuenta las escalas de medida en los dispositivos ya +ue estas pueden variar muc%o los resultados


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ONCLUSIONES Que posible obtener las curvas características de voltaje-corriente para el foco, una resistencia de carbón, una resistencia de cerámica, una resistencia embobinada y un diodo mediante el empleo de instrumentos de medida y del osciloscopio •

•

.btuvimos los valores de la resistencia tanto para el foco como para las diferentes resistencias %allando la pendiente de la curva característica y con el multímetro Estos valores se compara en la parte de ?esultados inciso 6 Estos valores difieren por el error en las mediciones tanto del multímetro y del osciloscopio y por las diferentes conexiones del circuito

•

1e determinó +ue para un diodo este depende de la intensidad de corriente ya +ue su curva característica es de forma exponencial

•

7a gráfica / vs 0 para el diodo es en la primera parte de tipo exponencial 1in embargo, la gráfica dada por el osciloscopio está compuesta por dos curvas, esto se debe a la superposición de las ondas rectificadas por el diodo

RECOMENDACIONES


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INFORME DE LABORATORIO Nº 3 - FÍSICA III •

?econocer los elementos de la caja antes de utilizarlos para no daarlos, en especial el diodo +ue debe utilizar una corriente menor a #L ;

•

@ener cuidado en el montaje del sistema para no %acer conexiones incorrectas y no daar los e+uipos y así obtener buenos resultados

•

Qijarse bien en las posiciones de los controles del osciloscopio para poder observar las gráficas de la intensidad de corriente

•

@ener cuidado al momento de la medición con el multímetro ya +ue este tiene diferentes rangos de medida

=I=LIO>RAFIA LI=ROS $ D.UJG, Q?EE9;J-1E;?1, VE;J1BD UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA

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a Qísica universitaria, 0olumen &9écimo segunda edición, éxico &##L & @/87E?, 8; y .13;, G a HQísica para la ciencia y tecnologíaI, tomo // Editorial ?everté, 1;, +uinta edición &##' 3apítulo &' paginas C&L-C(! ( 1erWay, ?aymond2

FISICA 3 - Informe 3 - Curvas Caracteristicas

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