Informe 3 de Fisica III

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

FACULTAD DE INGENERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

3° Laboratorio de Física III

“año del buen servicio al ciudadano”

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Índice Antecedentes…..…………………………………1 Objetivos…………………………………………..2 Materiales y equipo utilizado…………………….3 Fundamento teórico………………………………4 Procedimiento……………………………………..5 Resultados, y datos obtenidos………..…………………………………6 Conclusiones……………………………………...7 Observaciones……………………………………8 Recomendaciones………………………………..9 Bibliografía………………………………………..10


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Reseña Histórica del Circuito Eléctrico Como antecedentes experimentales podemos mencionar a los experimentos que realizo Georg Simón Ohm en su estudio de los materiales conductores. Como resultado de su investigación, en la que experimentaba con materiales conductores, el científico alemán Georg Simón Ohm llegó a determinar que la relación entre voltaje y corriente era constante y nombró a esta constante resistencia. Esta ley fue formulada por Georg Simón Ohm en 1827, en la obra Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet (Trabajos matemáticos sobre los circuitos eléctricos), basándose en evidencias empíricas. La formulación original es: Siendo la densidad de la corriente, σ la conductividad eléctrica y el campo eléctrico, sin embargo se suele emplear las fórmulas simplificadas anteriores para el análisis de los circuitos.

OBJETIVO -obtener las gráficas corriente-voltaje de elementos resistivos y estudiar sus características.


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EQUIPO UTILIZADO númer Nombre del o instrumento o herramienta 1 Un osciloscopio de 25MHz, Elenco modelo S-135

Funciones del instrumento

2

Cables de conexión.

Para anexar al osciloscopio la pila, el transformador, el generador y la fuente de poder.

3

Una fuente de corriente continua

Es el dispositivo que convierte la corriente alterna en una o varias corrientes continuas, que alimentan los distintos circuitos del aparato electrónico

4

Un reóstato

Se utilizará como un potenciómetro

Figura

Medir el voltaje (constate o alterno), amplitud, frecuencia y periodo.


4


5

Un voltímetro

Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos de un Circuito eléctrico

6

Una caja con tres elementos y dos resistencias de valores dados

De los cuales solo analizaremos 3 de ellos

7

Un multímetro digital.

Instrumento que mide amperaje, voltaje, resistencia eléctrica dentro de un circuito.


5


FUNDAMENTO TEÓRICO Cuando se establece un campo eléctrico E en un conductor, las cargas q que en un principio se movían aleatoriamente realizan un movimiento neto en una dirección debido a la acción de la fuerza F , dada por: e

Fe



qE

(1.1)

Esto produce un flujo de cargas conocido como corriente eléctrica I , la fuerza F hace que las cargas se muevan en la dirección de E si q es positiva y de e

E

si q es negativa, con una velocidad

desplazamiento (alrededor de

10

4

m

V d ,

llamada velocidad de

).

s

Entonces vemos que el campo E realiza trabajo al trasladar cargas dentro del conductor. La magnitud de este trabajo es distinta para cada tipo de material y depende de su estructura cristalográfica. En un conductor, estas cargas son electrones que en su desplazamiento chocan con los iones del material donde se libera energía. Esto produce el calentamiento del conductor, lo que se denomina Efecto Joule. Para distintos tipos de materiales los portadores de cargas son: - En conductores: electrones. - En gases y soluciones iónicas: electrones e iones positivos. - En semiconductores: espacios libres en la estructura atómica, “vacantes”. La corriente en un material se puede expresar como: I

nq Vd A



(1.2)

Donde: n : Números de portadores de carga por unidad de volumen. q : Carga unitaria. V d

: Modulo de la velocidad de desplazamiento.

A :

Sección transversal del conductor.

Luego se define la densidad de corriente J



nq V d

;

J

I 

A

J ,

como el vector:

(1.3)

De (1.1) vemos que V depende del valor del campo E , la relación entre se expresa como: (1.4) E pJ d

J y E




6


Donde p se define como la resistividad del material, En general la resistividad es función de la temperatura y de la geometría del material. La ley de Ohm establece la proporcionalidad directa entre las magnitudes de E y J (Ley de Ohm microscópica) solo para ciertos materiales. Si tomamos la sección transversal A de un conductor de longitud L (como el de la figura 2), al establecer una diferencia de potencial V  0 entre los puntos a y b , entonces J A V E L . Producto de esto se crea una corriente dada por: I 



Al reemplazar esto en (1.4) se obtiene:  I   p   L  A V

 pL   I A  

V  



(1.5)

Para todo material se define la resistencia R

V 

I

R

como la relación:

(1.6)

En la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades practicas respectivas que son la tensión o diferencia de potencial V , en voltios; la intensidad de corriente I en amperios y la resistencia eléctrica R en ohm u ohmios. Se abrevian V , A ,  , respectivamente.

Por lo tanto para un material óhmico, de (1.4) y (1.6): R

pL 

A

(1.7)

Ya que p , L , A siempre son constantes para este tipo de material, entonces la resistencia siempre es la misma para un material óhmico, de (1.6) este tipo si se graficara I vs. V se obtendría una recta de pendiente m R que pasa por el origen. A la grafica de una función: I f V  para un cierto material, se le 1







denomina curva característica del material, en general puede haber relaciones más complejas entre I y V como en diodo semiconductor.


7


Resistores Son dispositivos electrónicos que poseen un valor específico de resistencia .Según el material del cual están hechos se clasifican en: a) Resistores de alambre: Reconstruyen enrollando alambre de nicromo alrededor de un núcleo aislante. b) 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 variar el valor de su resistencia, estos se denominan resistencia variable. Según su aplicación en un circuito se denominan: i) Potenciómetro.- Cuando se conectan en serie en un circuito de tal manera que regule su voltaje. ii) Reóstato.- Cuando está conectado en paralelo en un circuito de tal manera que regule la corriente que pasa por él. A las sustancias que cumplen con lo dicho anteriormente se les conoce como materiales Óhmicos. A los materiales que no cumplen con la ley de Ohm, se les llama “Conductores no Óhmicos”.


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PROCEDIMIENTO Primera parte: 1) Se identificó todos los elementos de la caja de cinco elementos. 2) Para la primera experiencia montar el siguiente circuito (con la lámpara E1).

3) En el circuito montado gire el cursor del reóstato afín de que la t ensión sea nula. 4) Varíe el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circula por el filamento del foco cuando la diferencia de potencial es de un voltio. 5) Mida el valor de la corriente cuando la diferencia de potencial es 2, 3, 4, 5, y 6v. 6) Repetir los paso 3, 4 y 5 para la resistencia de carbón (E2). Y (E3). Segunda parte: 7) usamos el transformador 220/6V para ensamblar el circuito de la figura. En este caso R es la resistencia conocida de 1 W. colocamos el control 21 del osciloscopio CHA para observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del filamento del foco.


9


8) usamos el osciloscopio en el modo XY. El control 23 de estar en posición “hacia afuera”. Observara la dependencia I vs V para el filamento del foco. 9) Montamos el circuito de la figura para estudiar las características de la resistencia de carbón. En este circuito R es el elemento E2.

10) Armamos el equipo de la figura para estudiar las curvas características en el diodo de unión (E3)


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Cálculos y resultados 1) Graficar I vs V con los valores obtenidos para cada elemento: Resistencia del Foco Voltaje Corriente (v) (A) 1 0.13 1.5 0.15 2 0.17 3 0.19 4 0.21 3.5 0.2

Corriente vs Voltaje para el foco 0.25

0.2

) A ( e t n e i r r o C

0.15

0.1

0.05

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Voltaje (V)

3

3.5

4

4.5

y = 0.0257x + 0.1107 R² = 0.9744

Resistencia de Carbón “año del buen servicio al ciudadano”

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Voltaje (V) 1 2 2.5 3 3.5 4

Corriente (A) 0.02 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

Corriente vs Voltaje para la Resistencia de Carbon 0.09

0.08

0.07

0.06 ) A ( 0.05 e t n e i r r o 0.04 c

0.03

0.02

0.01

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Voltaje (V)

3

3.5 4 y = 0.02x R² = 1

4.5

Diodo Voltaje Corriente (V) (A) 0.7 0.1 0.75 0.2 0.79 0.3 0.8 0.4 “año del buen servicio al ciudadano”

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0.81 0.8 0.8 0.8 0.8

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Corriente vs Voltaje para el Diodo 1 0.9 0.8 0.7 0.6

) A ( e t n 0.5 e i r r o C

0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.68

0.7

0.72

0.74

0.76

Voltaje (V)

0.78

0.8

0.82

11.539x13.566

y= R² = 0.7978

2) ¿En cuál de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuales no? Explique. Rapta.: Según la experiencia realizada y los datos obtenidos, los materiales que cumplen aproximadamente la ley de Ohm, es la resistencia de carbón y del foco, para la cual la gráfica I vs V es una recta cuya pendiente vendría a ser la resistencia del material. 3) Para una diferencia de 0.8v halle las resistencias de cada uno de los elementos. Para el foco I(V) = 0.0257xV + 0.1107 “año del buen servicio al ciudadano”

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I(0.8) = 0.0257x(0.8) + 0.1107 I(0.8) = 0.13126A R = V/I = 6.09 Para la resistencia de carbón I(V) = 0.02V I(0.8) =0.02x(0.8) I(0.8) = 0.016A R = V/I = 50  Para diodo I(V) = 11.539V13.566 I(0.8) =11.539(0.8)13.566 I(0.8) = 0.559A R = V/I = 1.43 


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4) En el o los casos en que la curva I vs V obtenida en el osciloscopio sea una recta determine la pendiente de la recta y por lo tanto la resistencia del elemento. Compare con los valores obtenidos manualmente usando voltímetro y amperímetro. Se observa experimentalmente en el osciloscopio la gráfica I vs V el cual nos arroja una curva con tendencia lineal en el caso de la resistencia de carbón debido a que es un material óhmico y por lo tanto no depende de la corriente eléctrica ni de la diferencia de potencial. La grafica realizada I vs V nos arroja la resistencia del material mediante su pendiente estos datos se establecieron manualmente mediante el voltímetro.

Corriente vs Voltaje para el foco 0.25

0.2

) 0.15 A ( e t n e i r r o C

0.1

0.05

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

Voltaje (V)

3 3.5 4 y = 0.0257x + 0.1107 R² = 0.9744

4.5

Grafica I vs V para los datos tomados manualmente Pendiente: 0.0257 5) En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crítico a partir del cual comienza a conducir. ¿Cuál es el valor? Cuando la corriente alterna entra sin un circuito adicional al osciloscopio este se muestra de la siguiente manera:


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Grafica de la corriente alterna sin conectarlo al

Cuando a la entrada de la corriente al osciloscopio se coloca un diodo rectificador este justamente como dice su nombre rectifica la corriente y solo deja pasar en un sentido (este es el principio de la conversión de corriente alterna a continua)

Grafica de la corriente alterna con un diodo

CONCLUSIONES Observando y extrayendo datos en el laboratorio llegamos a las siguientes conclusiones:



El diodo no es un material óhmico ya que las gráficas muestran curvas no lineales, por lo que la dependencia entre la intensidad y la diferencia de potencial no es proporcional, ya que su resistencia varia conforme varia la intensidad de corriente.



El carbón y el foco es un material óhmico y la curva que muestra es lineal tal como se había visto en la teoría.



El diodo rectifica la corriente y solo permite su paso en un solo sentido.


16


OBSERVACIONES 

La aproximación de la curva en el material no óhmico se tomó a partir de una ecuación potencial ya que de esta forma es más aproximada a los puntos dados, la resistencia varía al aumentar o disminuir la corriente.



El reóstato como una resistencia variable (es por ello que controla la diferencia de potencial de salida) se calienta y emite calor al exterior debido al efecto joule es por ello que se recomienda no utilizar este circuito por largos periodos.



En el diodo rectificador es de suma importancia la dirección que presente en su participación con el circuito ya que si se invierte de sentido cambia el rango de salida de los valores permitidos.

RECOMENDACIONES 

Armar correctamente el circuito eléctrico, asegurándose primero que la fuente de suministro de energía eléctrica este desconectada.



El amperímetro, el voltímetro, las resistencias y el reóstato son instrumentos muy sensibles, así que se les debe de usar con sumo cuidado y sabiendo lo que se hace.



Leer correctamente lo que indican los respectivos instrumentos de medida.

BIBLIOGRAFÍA 1. Serway, Raymond A. “Física”, Tomo II, cuarta edición, 1999. Paginas: 773-782. 2. Asmat, Humberto, “Física General III” 5ta edición, Universidad Nacional de Ingeniería. 3. Sears ,F. ; Zemansky , M. ; Young , H. ; Freedman , R. : Fisica Universitaria. Volumen II. Undécima edición: México. Pearson ed. 2004. 4. Facultad de ciencias de la Universidad nacional de ingeniería. Manual de Laboratorio de Física General. 1ra edición. FC UNI .2009. “año del buen servicio al ciudadano”

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Informe 3 de Fisica III

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