informe de fisica 3

CURVAS CARACTERISTICAS VOLTAJE-CORRIENTE

FISICA II

EXPERIMENTO Nº 03 CURVAS CURVA S CARACTERISTICAS CAR ACTERISTICAS VOLT VOLTAJE AJE – CORRIENTE CORRIE NTE I. OBJETIVOS -

Obtener las graficas voltaje-corriente de elementos resistivos.

-

Estudiar las características de estos elementos resistivos.

-

Obse Observ rvar ar las las curv curvas as cara caract cter erís ísti tica cas s obte obteni nida das s usan usando do para para ello ello el osciloscopio.

-

Realizar una correcta instalación del circuito.

reóstato dentro del proceso de instalación. instalación. - Analizar la importancia del reóstato

II. EQUIPO -

Una fuente de corriente continua (!"

-

Una reóstato para utilizarlo como potenciómetro

-

Un amperímetro de #-$ A

-

Un voltímetro de #-$# !

-

Una Una caja caja con con tres tres elem elemen ento tos s para para obte obtene nerr cara caract cter erís ísti tica cas s % dos dos resistencias de valores dados.

-

Oc&o cables

-

'os &ojas de papel milimetrado

-

Un osciloscopio de dos canales de ) *+z. Elenco ,$)

-

Un transformador #!/ #+z.

III. FUNDAMENT FUNDAMENTO O TEÓRICO: 1. INTRODUCCIÓN El termino corriente el0ctrica/ o simplemente corriente/ se emplea para describir la tasa de flujo de carga 1ue pasa por alguna región de espacio. 2a ma%or part parte e de las las aplic aplicac acio ione nes s pr3c pr3ctic ticas as de la elec electr tric icid idad ad tien tienen en 1ue 1ue ver ver con con


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corrientes el0ctricas. 4or ejemplo/ la batería de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos dom0sticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes/ el flujo de carga flu%e por un conductor/ por ejemplo/ un alambre de cobre. Es posible tambi0n 1ue e5istan corrientes fuera de un conductor. 4or ejemplo/ un &az de electrones en el tubo de imagen de una 6! constitu%e una corriente.

2. RESISTENCIA Y LEY DE OM 2as cargas se mueven en un conductor para producir una corriente bajo la acción de un campo el0ctrico dentro del conductor. 7onsidere un conductor de 3rea transversal A 1ue conduce una corriente 8. 2a densidad de corriente 9 en el conductor se define como la corriente por unidad de 3rea. 4uesto 1ue la corriente 8:n1v d A/ la densidad de corriente es;

'onde 9 tiene unidades del ,istema 8nternacional Am . 2a e5presión es v3lida sólo si la densidad de corriente es uniforme % sólo si la superficie del 3rea de la sección transversal A es perpendicular a la dirección de la corriente. En general/ la densidad de corriente es una cantidad vectorial;

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A partir de esta definición/ vemos otra vez 1ue la densidad de corriente/ al igual 1ue la corriente/ est3 en la dirección del movimiento de los portadores de carga negativa. Una densidad de corriente 9 % un campo el0ctrico E se establece en un conductor cuando se mantiene una diferencia de potencial a trav0s del conductor. ,i la diferencia de potencial es constante/ la corriente tambi0n lo es. Es mu% com?>-$?)@". *3s específicamente/ la le% de O&m establece 1ue en muc&os materiales (incluidos la ma%or parte de los metales"/ la proporción entre la densidad de corriente % el campo el0ctrico es una constante/ =/ 1ue es independiente del campo el0ctrico productor de la corriente. Los materiales que obedecen la ley de Ohm y que, en consecuencia, presentan este comportamiento lineal entre E y J se dice que son óhmicos. El comportamiento eléctrico de la mayor parte de los materiales es

bastante

lineal

para

pequeños

cambios

de

la

corriente.

Experimentalmente, sin embargo, se encuentra que no todos los materiales tienen esta propiedad. Los materiales que no obedecen la ley de Ohm se dice que son no óhmicos. La ley de Ohm no es una ley fundamental de la naturalea sino m!s bien una relación emp"rica #!lida sólo para ciertos materiales.


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F"#$%& 1 Una forma de la le% de O&m
4or tanto/ podemos e5presar la magnitud de la densidad de la corriente en el alambre como

4uesto 1ue 9:8A/ la diferencia de potencial puede escribirse;

2a cantidad

 A se denomina la resistencia R del conductor. 'e acuerdo con

la

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A partir de este resultado vemos 1ue la resistencia tiene unidades del ,istema 8nternacional (,8" de voltios por ampere. Un voltio ampere se define como un o&m (B".

Es decir/ si una diferencia de potencial de $! a trav0s de un conductor produce una corriente de $A/ la resistencia del conductor es $B. 4or ejemplo/ si un aparato el0ctrico conectado a una fuente de $# ! conduce una corriente de A su resistencia es de # B. El inverso de conductividad es resistividad C.

•

En este laboratorio los elementos óhmicos fueron el foco (E1) y el carbón (E2).

•

Teóricamente se espera que las gráficas V/ es una l!nea recta para los elementos óhmicos y una cur"a para los elementos no óhmicos y esto #ebi#o a que en los primeros su resistencia no #epen#e #e la intensi#a# #e corriente $ mientras que en los segun#os su resistencia s! #epen#e #e la intensi#a# #e corriente.

3. CIRCUITOS SERIE ,e define un circuito serie como a1uel circuito en el 1ue la corriente el0ctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida/ sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente el0ctrica es la misma en todos los puntos del circuito.


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'onde 8i es la corriente en la resistencia R i/ ! el voltaje de la fuente. A1uí observamos 1ue en general;

'. CIRCUITOS PARALELO ,e define un circuito paralelo el0ctrica se

como a1uel circuito en el 1ue la corriente

bifurca en cada nodo. ,u característica mas importante es el

&ec&o de 1ue el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial.


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(. DIODOS SEMICONDUCTORES 7uando los e5tremos de un conductor el0ctrico/ por ejemplo un trozo de alambre de cobre/ se conectan a los terminales de una batería/ la corriente el0ctrica flu%e a trav0s del mismo/ esto significa 1ue e5iste una gran transferencia continua de cargas negativas/ desde la placa negativa &asta la positiva a trav0s del alambre. Algunas sustancias ocupan una posición intermedia entre los conductores % los aisladores en lo 1ue se refiere a su posibilidad de transmitir la corriente el0ctrica/ por tal motivo se denominan semiconductores. El germanio % el ,ilicio son semiconductores 1ue en la actualidad se utilizan ampliamente en la electrónica/ sus propiedades semiconductoras se pueden e5plicar por el comportamiento de los electrones en los 3tomos 1ue componen dic&os materiales. El diodo semiconductor de un punto en contacto se fabricó antes 1ue el tipo de unión. Un alambre presiona contra un disco de germanio de tipo - n. 'urante la fabricación se &ace pasar una corriente relativamente alta por el

%punto #e contacto& lo cual e1uivale a tomar en el localmente/ una zona de germanio de tipo-p de esta manera se forma la unión p-n.

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En un semiconductor/ siempre &abr3 un discreto n
1ue

el

de

un

conductor

responsable

de

sus

propiedades

semiconductoras en el gr3fico se puede observar el efecto de orientación directa o inversa sobre la conducción de un diodo semiconductor. 7uando el diodo esta orientado &acia adelante/ un pe1ueFo incremento en el voltaje produce un gran incremento en la corriente/ cuando el diodo esta orientado &acia atr3s/ un gran incremento de voltaje produce un incremento pe1ueFo de la corriente.

). EL POTENCIÓMETRO 2os potenciómetros % los reóstatos se diferencias entre si/ entre otras cosas/ por la forma en 1ue se conectan. En el caso de los potenciómetros/ estos se conectan en paralelo al circuito % se comporta como un divisor de tensión. !er la figura

*. EL REÓSTATO En el caso del reóstato/ 0ste va conectado en serie con el circuito % se debe tener cuidado de 1ue su valor (en o&mios" % su la potencia (en Gatts (vatios"" 1ue puede aguantar sea el adecuado para soportar la corriente ( 8 en amperios (ampere" 1ue por el va a circular por 0l"

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C+,+ %-#& #-/-%&: 2os

potenciómetros

se

utilizan

para

variar

niveles

de

voltaje

% los reóstatos para variar niveles de corriente. 2as resistencias tambi0n se pueden

dividir

tomando

en

cuenta

otras

características;

- ,i son bobinadas. - ,i no son bobinadas. - de d0bil disipación. - de fuerte disipación. - de precisión. Hormalmente los potenciómetros se utilizan en circuitos con poca corriente/ pues no disipan casi potencia/ en cambio los reóstatos son de ma%or tamaFo/ por ellos circula m3s corriente % disipan m3s potencia. $ En este laboratorio el uso que le damos al reóstato es el de potenciómetro.

.

CURVAS

CARACTERSTICAS

CORRIENTE

–

VOLTAJE

EN

TERMISTORES 2a característica est3tica corrientevoltaje nos muestra los límites de corriente en los 1ue puede trabajar un

$

termistor 467. ,e observa 1ue &asta un

determinado valor de voltaje/ la característica 8! sigue la le% de O&m/ pero la resistencia aumenta cuando la corriente 1ue pasa por el termistor 467 provoca un calentamiento % se alcance la temperatura de conmutación (ver Iig.".

1

2os termistores 467 son resistencias (aumenta la temperatura/ aumenta la

resistividad" con un 7oeficiente 6emperatura 4ositivo % con un valor alto para dic&o coeficiente.


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F"#. 2 2a característica 8! depende de la temperatura ambiente % del coeficiente de transferencia de calor con el respecto a dic&a temperatura ambiente. 7omo puede verse en la Iig. las características se dibujan sobre una escala lineal/ sin embargo es m3s com
F"#. 3 Es posible calcular el pico de la característica 8! si se conocen las características R6 % el factor de disipación ('"


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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL P%",-%& &%-: 8dentificar en la caja de ) elementos/ los elementos incógnita E$/ E/ E % las resistencias de $J % $##J

Repetir el paso para //@/)/ ! % obtener los datos de voltaje para corrientes de #/#K #/$KL#/MA

Armar el circuito % girar el cursor del potenciómetro a fin de 1ue la tensión de salida sea nula

7onectar los puntos a % b a la l3mpara E$ % variar el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente 1ue circula por el filamento del fo1uito cuando la diferencia de potencial es de $ !

entrada

1

1

Repetir para 2, 3, 4, 5, 6 V

2

8dentificar la caja de ) elementos E$/ E/ E/ E@ % E)K asimismo/ observar las resistencias de $J % $##J

Armar el circuito % girar el cursor del potenciómetro a fin de 1ue la tensión de salida sea nula. 7onectar los puntos a % b a la l3mpara E$

!ariar el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente 1ue circula por el filamento del fo1uito cuando N! : $!

salida

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S-#$/4& &%-:

Usando el transformador armar el circuito/ en este caso R es la resistencia conocida

Usar el osciloscopio en el modo XY

*ontar el circuito de la figura  para estudiar las curvas características de la resistencia de carbón. En este circuito R es el elemento E.

V. CALCULOS Y RESULTADOS P%",-%& &%-: D--%,"/&5"6/ de las curvas usando voltímetro % el amperímetro. a% &ara el caso de un 7"&,-/+ 4- $/#8-/+ 9 foco%'

'rafiquemos el circuito

6abla de valores;

N+&:

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,e utilizó una fuente de $ voltios % una escala de medición de  voltios. 2os valores en la tabla son reales/ luego de aplicar la escala.

,eg
,e puede notar de los datos 1ue obtuvimos/ 1ue en el caso de un filamento de tungsteno no cumple la le% de O&m. a 1ue la resistencia depende de la intensidad de corrienteK en este caso la resistencia aumenta con el aumento de la intensidad de corriente.

b% &ara el caso de una resistencia de carbón'

6abla de valores; )

c% &ara el caso de un

( 9+"+8; #.# $.# .# .# @.# ).#

( 9+"+8;; #.# #.?

9&,-%"+8; #.#) #.#$ #.# #.# #.#@ #.#)

) 9&,-%"+8; #.## #.$

diodo'


$.@ . .? . @.@ ).# ).?

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#. #. #.@ #.) #. #.> #.?

N+&: ,e utilizó una fuente de tres voltios % una escala de medición de $.) voltios. 2os valores en la tabla son reales/ luego de aplicar la escala.

RESULTADOS' *. <%&7"=$- I > 79V;? &%& 5&4& --,-/+.

&. P&%& - 7"&,-/+ 4- $/#8-/+ 9&%& - 7+5+;


@. &ara el caso de una resistencia de carbón'

c . &ara el caso de un diodo'

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2. E/ 5$ 4- +8 --,-/+8 8- 5$,- & - 4- O,  -/ 5$-8 /+ E"=$- 8$ %-8$-8&. 2a le% de O&m se cumple en la resistencia de carbón/ %a 1ue la diferencia de potencial aplicada varía linealmente con la intensidad de corriente/ es decir;

∆ I ∆V

= cte.

,eg
V > IR? R 5+/8&/donde * es la resistencia 1ue no depende de la diferencia de potencial ni de la intensidad de corriente.


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4ara el caso de la resistencia de carbón/ el cociente V /  es constante para cual1uier valor de ! por lo 1ue se comporta como un material ó&mico (cumple la le% de O&m".

En el caso de un filamento de tungsteno no se cumple la le% de O&m. a 1ue la resistencia depende de la intensidad de corrienteK en este caso la resistencia aumenta con el aumento de la intensidad de corriente.

En el caso del diodo tampoco se cumple la le% de O&m para cual1uier valor de voltajeK por1ue la intensidad de corriente no varía directamente proporcional al voltaje. Esto lo demuestra el comportamiento por tramos 1ue presenta la curva intensidad voltaje para el diodo.

3. P&%& $/& 4"7-%-/5"& 4- 0? +"+8? &- &8 %-8"8-/5"&8 4- +8 %-8 --,-/+8. P&%& & %-8"8-/5"& 4- 5&%@6/ / para una diferencia de potencial de #/? voltios/ la curva 8 vs ! proporciona una corriente de #/#? amperios.

4or la definición de resistencia;

R =

V I

=

0,8V 0,08 A

= 10Ω

Este valor de resistencia ($# o&mios" es el mismo para cual1uier valor de diferencia de potencial.

P&%& - 5&8+ 4- 4"+4+ % de acuerdo a la gr3fica/ a una diferencia de voltaje de #/? voltios la intensidad de corriente es #/>) amperios. Entonces aplicando la le% de O&m en este punto tenemos;

* + V/  : #.? #.>) : $.#> o&mios.

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P&%& - 5&8+ 4- 7"&,-/+ % de acuerdo a la gr3fica/ a una diferencia de voltaje de #/? voltios la intensidad de corriente

es apro5imadamente #/@

amperios. Entonces aplicando la le% de O&m en este punto tenemos :

* + V/  : #/? #/@ : .) o&mios.

'. E/ - 5&8+ 4- 4"+4+ 8- $-4- 4-5"% =$- & $/ +&G- 5%H"5+ & &%"% 4- 5$& 5+,"-/& & 5+/4$5"% C$ -8 -8- &+% El valor obtenido e5perimentalmente es #.) voltios apro5imadamente.

VI. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES - Antes de realizar el e5perimento se debe tener presente 1ue todos los

dispositivos funcionen adecuadamente/ para ello se recomienda probarlos adecuadamente con los elementos apropiados. -

,e debe tener especial cuidado al momento de realizar las instalaciones/ %a 1ue e5iste la posibilidad de un accidente riesgoso dentro del laboratorio.

-

El osciloscopio brinda graficas de voltaje e intensidad 1ue dependen con el tiempo.

-

4ara realizar la segunda parte del laboratorio es indispensable 1ue antes se &a%a realizado el estudio % an3lisis del modo de funcionamiento del osciloscopio.

-

2a corriente 1ue pasa por el diodo debe ser esencialmente menor a #/M A/ %a 1ue este puede 1uemarse.

-

El reóstato sirve para analizar lo 1ue sucede cuando disponemos a &acer pasar m3s o menos corriente el0ctrica/ teniendo para ello la posibilidad de adaptarlo con el cursor del antes mencionado reóstato.

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-

,i al obtener una grafica % esta no es una línea recta/ no se puede considerar a priori 1ue el elemento es no o&mico/ %a 1ue la temperatura puede estar influ%endo en su comportamiento.

VII. CONCLUSIONES -

,e puede concluir 1ue la obtención de graficas corriente- voltaje es posible/ a partir de los datos e5perimentales del laboratorio.

-

El osciloscopio sirve como instrumento importante dentro del proceso de las graficas características.

-

,e conclu%e 1ue la influencia de la temperatura es vital cuando se analiza un elemento ó&mico/ debido a 1ue este &ar3 variar la resistencia interna del mismo.

-

,e conclu%e 1ue el voltaje varía casi en forma directamente proporcional con la intensidad de corriente el0ctrica/ claro 1ue si se despreciase la temperatura esta variación de ambas cantidades físicas sería m3s notoria.

VIII. BIBLIO
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