labo de fisica 3

Laboratorio N 3: Curvas caractersticas Voltaje- corriente

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFacultad de Ingeniera Industrial y de SistemasTema: Curvas caractersticas Voltaje-corrienteProfesores: Altamirano Macetas, Alejandra

Curso: Fsica II (CB-312V)

Alumnos:

Ita Silva, Armando R.

Carhuas aez, Milton C.

Zamora Villaordua, Johnny J.

2005-IIPrlogo

El presente trabajo esta orientado a cultivar el desarrollo de las ciencias en los estudiantes, interrelacionando la vida real con la experiencia en el grfico de las curvas caractersticas voltaje-corriente.

Una breve teora para entender mejor el desarrollo del mismo sobre corriente elctrica, ley de Ohm, resistores, conclusiones y clculos desarrollados en el presente laboratorio y las diversas interrogantes que se puedan plantear estn desarrolladas en le presente documento.

1. Objetivo:

Obtener las grficas voltaje-corriente de elementos resistivos y estudiar sus caractersticas.

Comprobar experimentalmente la ley de Ohm

2. Equipo:

3. Fundamento terico:

3.1. CORRIENTE ELCTRICA

Se ha dicho que las cargas elctricas pueden moverse a travs de diferencias de potencial. Naturalmente, debern de hacerlo por medio de los conductores (excepto en el caso especial de las vlvulas de vacio, pero tambin stas estn terminadas en conductores).

A este movimiento de cargas se le denomina corriente elctrica. La causa que origina la corriente elctrica es la diferencia de potencial. Las cargas "caen" del potencial ms alto al ms bajo. Las nicas partculas que pueden desplazarse a lo largo de los conductores, debido a su pequeo tamao, son los electrones, que como se sabe, son cargas de signo negativo. Entonces, la corriente elctrica se mueve desde el potencial negativo, que es la fuente de electrones, hacia el positivo, que atrae las cargas negativas. Esta circulacin recibe el nombre de CORRIENTE ELECTRONICA, para distinguirla de la CORRIENTE ELECTRICA, que fluye al revs, de positivo a negativo. Este ltimo acuerdo fu tomado en los principios de la electricidad, por considerar que las cargas "caen" del potencial ms alto al ms bajo, cuando se crea que eran las cargas positivas las que se desplazaban. En la actualidad, coexisten ambos criterios, uno real y otro ficticio. A la hora de resolver circuitos puede aplicarse uno u otro, ya que, tratndose de convenios, ambos dan el mismo resultado.

Es evidente que no en cualquier circunstancia, circular el mismo nmero de electrones. Este depende de la diferencia de potencial y de la conductividad del medio. Una forma de medir el mayor o menor flujo de cargas es por medio de la INTENSIDAD DE CORRIENTE (o tambin, simplemente, CORRIENTE), que se define como la cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo (un segundo). Segn esto:

La intensidad de corriente se mide principalmente en:

Amperios AMiliamperios mAMicroamperios A

1 Amperio =1103106

1 Miliamperio =10-31103

1Microamperio =10-610-31

3.2 LEY DE OHM

Debe existir alguna relacin entre la diferencia de potencial aplicada en los extremos de un conductor y la corriente que atraviesa ese conductor. Ohm encontr experimentalmente que esta relacin era proporcional, es decir, que para un conductor dado, cuando, por ejemplo, se duplica o se triplica la diferencia de potencial, se duplica o se triplica la corriente, respectivamente.

Dicho de otro modo, cuando una corriente elctrica atraviesa un conductor, era en ste una diferencia de potencial directamente proporcional a la corriente. A esta constante de proporcionalidad se le llama resistencia. La mayor o menor resistencia de un conductor es la mayor o menor dificultad que opone al paso de la corriente. Y as tendremos buenos y malos conductores de la corriente en funcin de que tengan pequea o alta resistencia respectivamente. Obviamente, los aislantes ( no conducen la corriente) tendrn una resistencia altsima.Si se representa la resistencia del conductor por la letra R, la diferencia de potencial en los extremos del conductor por la letra V, y la corriente que circula por l, con la letra I la ley de Ohm puede formularse como:

A los materiales que obedecen la ley de Ohm se les denomina Materiales hmicos.

3.3 RESISTORES

Los circuitos electrnicos necesitan incorporar resistencias. Es por esto que se fabrican un tipo de componentes llamados resistores cuyo nico objeto es proporcionar en un pequeo tamao una determinada resistencia, especificada por el fabricante. El smbolo de un resistor es:

Hay resistencias de varios tipos. Los tipos ms usuales son:

3.3.1 CONDUCTANCIA

La conductancia es una magnitud elctrica que se define como la inversa de la resistencia y se representa con la letra G. Por analoga con la resistencia, podra decirse que la conductancia es la facilidad que un conductor ofrece al paso de la corriente a travs de l.

La unidad de conductancia es el MHO (inverso de Ohm), y se representa por la letra omega invertida:

3.3.2 CODIGO DE COLORES

Ya se ha dicho que los valores hmicos de los resistores se suelen representar por medio de unos anillos de color pintados en el cuerpo de los mismos. Suelen ser en nmero de cuatro, y su significado es el siguiente:

1er. anillo : 1 cifra 2. anillo : 2 cifra 3er. anillo : Nmero de ceros que siguen a los anteriores. 4. anillo : Tolerancia

3.3.4DIODODispositivo que permite el flujo de corriente en una sola direccin. | Vlvula electrnica de dos electrodos que reciben el nombre de nodo o placa y ctodo. | Dispositivo de dos electrodos que utiliza las propiedades rectificadoras de una unin entre los materiales tipos P y N de un semiconductor

Diodo rectificador *Diodo rectificador

Diodo rectificadorDiodo zener

4. Clculos:

a) Para el caso de un filamento de tungsteno ( foco):

Graficando el circuito:

Tabla de valores:

V (voltios)I (Amperios)

0.00

2.40.27

2.60.3

3.60.35

4.30.38

4.60.4

Segn la ley de Ohm:

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

b) Para el caso de una resistencia de carbn(10w47J):V (voltios)I (Amperios)

0.00

4.70.1

4.80.11

5.60.12

5.80.13

6.00.15

Tablas de valores:

c) Para el caso de una resistencia de carbn(2w2RJ):

Tabla de valores:V (voltios)I (Amperios)

0.00

1.00.46

1.20.58

2.01.02

2.61.38

3.01.59

d) Para el caso de un diodo:

V (voltios)I (Amperios)

0.00

0.40.01

0.50.03

0.60.1

0.70.24

0.80.73

Tabla de valores:

5. Resultados:

1. Grafique I = f(V), para cada elemento.

a. Para el filamento de tungsteno (para el foco)

b. Para el caso de una resistencia de carbn(10w47J):

c. Para el caso de una resistencia de carbn (2w2RJ):

d. Para el caso de un diodo:

2. En cul de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cules no? Explique su respuesta.

La ley de Ohm se cumple en la resistencia de carbn, ya que la diferencia de potencial aplicada vara linealmente con la intensidad de corriente, es decir:

Segn la ley de Ohm, la diferencia de potencial a travs de una porcin de conductor es proporcional a la corriente elctrica:

V = IR, R constante

donde R es la resistencia que no depende de la diferencia de potencial ni de la intensidad de corriente.

Para el caso de la resistencia de carbn, el cociente V / I es constante para cualquier valor de V por lo que se comporta como un material hmico (cumple la ley de Ohm).

En el caso de un filamento de tungsteno no se cumple la ley de Ohm. Ya que la resistencia depende de la intensidad de corriente; en este caso la resistencia aumenta con el aumento de la intensidad de corriente.

En el caso del diodo tampoco se cumple la ley de Ohm para cualquier valor de voltaje; porque la intensidad de corriente no vara directamente proporcional al voltaje. Esto lo demuestra el comportamiento por tramos que presenta la curva intensidad voltaje para el diodo.

3. 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 voltmetro y ampermetro.

FOCO

VI

xy xy x2

2.60.30.786.76

3.60.351.2612.96

4.60.41.8421.16

4.30.381.63418.49

2.40.270.6485.76

0000

17.51.76.16265.13

n = 6 (nmero de datos)

Sea la recta cuya pendiente e intercepto con el eje Y se van a estimar:

y = ax + b

donde: a = 1/R, siendo R la resistencia del elemento b: intercepto con el eje Y

Utilizando el Mtodo de los Mnimos Cuadrados:

a = 0.0854, este valor se iguala a 1/R

b = 0.0341

Entonces:R = 11.7096

RESISTENCIA(10W 47J)

V I

xyxyx2

5,60,120,67231,36

4,80,110,52823,04

5,80,130,75433,64

4,70,10,4722,09

60,150,936

0000

26,90,613,324146,13



y = ax + b

donde: a = 1/R, siendo R la resistencia del elemento

b: intercepto con el eje Y



b = -1.8 x 10-3

Entonces:R = 43.478

RESISTENCIA (2W 2J)

V I

xyxyx2

21,022,044

31,594,779

1,20,580,6961,44

2,61,383,5886,76

10,460,461

0000

9,85,0311,55422,2



y = ax + b

donde: a = 1/R, siendo R la resistencia del elemento

b: intercepto con el eje Y



b = -0.042

Entonces:R = 1.855

Obs:

Se tomaron para cada elemento un punto ms para la estimacin (el punto V = 0, I = 0), dado que la curva obtenida en el osciloscopio en cada caso, es decir, para cada elemento, las grficas mostradas (las rectas) pasaban por el origen del sistema de referencia.4.

Para una diferencia de 0,8 voltios, halle las resistencias de los tres elementos.

Utilizando la parte 3, se tiene para cada elemento su respectiva recta estimada, as se tiene para cada elemento:

FOCO:

La ecuacin de la recta estimada es: y = 0.0854x + 0.0341

Cambiando x: V e y: I se tiene: I = 0.0854V + 0.0341

Evaluando para V = 0.8:I = 0.854(0.8) + 0.0341 = 0.102 AEntonces, R = V/I = 0.8 / 0.102 = 7.84

RESISTENCIA (10W 47J):

La ecuacin de la recta estimada es: y = 0.023x - 1.8 x 10-3Cambiando x: V e y: I se tiene: I = 0.023V - 1.8 x 10-3Evaluando para V = 0.8:I = 0.023(0.8) - 1.8 x 10-3 = 0.0166 A

Entonces, R = V/I = 0.8 / 0.0166 = 48.192

RESISTENCIA (2W 2J):

La ecuacin de la recta estimada es: y = 0.539x 0.042

Cambiando x: V e y: I se tiene: I = 0.539V 0.042

Evaluando para V = 0.8:I = 0.539(0.8) 0.042 = 0.3892 A

Entonces, R = V/I = 0.8 / 0.3892 = 2.05 5.

En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crtico a partir del cual comienza a conducir Cul es ese valor?

El valor obtenido experimentalmente es 0.5 voltios aproximadamente.

6. Observaciones y conclusiones:

a) Para el caso de un filamento de tungsteno (foco):

En la grfica siguiente se muestra la corriente que pasa por un filamento de tungsteno en funcin de la diferencia de potencial entre sus extremos I = f (V).

Fig. 1

Fig.2

Cuando la temperatura se mantiene constante la grfica es una recta cuya pendiente 1/R mide su resistencia constante.

Cuando la temperatura del filamento aumenta, como en el caso del filamento de un bombillo (Fig. 1), su resistencia aumenta con la temperatura, y la grfica correspondiente se curva hacia abajo. Este contraste ilustra que la ley de Ohm es una relacin prctica ms que fundamental, y que funciona con algunos sistemas en condiciones especficas.

Un filamento de un foco elctrico no obedece la ley de Ohm, la grfica Caracterstica de Voltaje y Corriente es no lineal.b) Para el caso de una resistencia de carbn:

La ley de Ohm no es una relacin fundamental de la naturaleza, pues no se cumple para todos los materiales; es una descripcin emprica de una propiedad compartida por una gran cantidad de materiales.

Para materiales hmicos, la curva I vs V es una recta de pendiente 1 / R (como en el caso de la resistencia de carbn).

Como puede observarse en la grfica I vs V de la resistencia de carbn, conforme la diferencia de potencial aumenta, la relacin deja de ser lineal. Esto es debido a que la corriente elctrica que fluye en el conductor incrementa su energa interna, lo cual da lugar a un aumento de su temperatura (Efecto Joule). Este incremento de temperatura influye en la resistividad del conductor, cantidad directamente proporcional a la resistencia R.

La resistividad se define por:

Donde 20 es la resistividad a 20 C y , el coeficiente de temperatura de la resistividad a 20 C.

Para el carbn, = -0,5 x 10-3 / C, por lo que el aumento de temperatura disminuye su resistividad y consecuentemente, su resistencia, lo que puede observarse a partir una diferencia entre 2,5 y 3 voltios, donde la resistencia es menor a 10 (la pendiente de la curva I vs V aumenta).

c) Para el caso de un diodo:

Fue necesario calibrar el valor del voltaje necesario para poder observar el comportamiento de la intensidad de corriente en relacin con el incremento de la fuente.

Con un voltaje menor se obtena una mayor claridad del comportamiento.

Se requiri mucha precisin para determinar los mnimos y mximos del comportamiento.

El comportamiento de la intensidad respecto al voltaje se puede analizar entres tramos:

El primer tramo comprende del voltaje 0 hasta aproximadamente el voltaje 0.5. En este tramo la intensidad de corriente es no depende del voltaje, por ello la intensidad de corriente es cero.

I = 0 para V [0 , 0.5]

El segundo tramo va desde 0.5 voltios hasta 0.8 voltios aproximadamente. Aqu la intensidad de corriente depende del voltaje, incrementndose al incrementar el voltaje. Se observa un incremento exponencial de la intensidad, hasta un a intensidad mxima de 0.75 amperios aproximadamente.

I = f(V) para V [0.5 , 0.75]

El tercer tramo va de 0.5 voltios en adelante. Aqu la intensidad de corriente asume un valor constante de 0.75 amperios.

I = 0.75 para V > 0.75

El diodo es un material que tiene un comportamiento como elemento de resistencia muy particular. Ofrece resistencia variable dado que no es posible determinar una pendiente uniforme para la curva intensidad voltaje.

Si aplicsemos la ley de Ohm por tramos tendramos que, para el primer tramo la resistencia es infinita. Para el segundo tramo la resistencia es decreciente, decrece en mayor pero decrece en mayor proporcin al crecimiento del voltaje. Y en el tercer tramo la resistencia crece en la misma proporcin en que crece el voltaje.7. Bibliografa:

Alonso, Marcelo Finn, Edward. Fsica. volumen II Editorial Fondo Educativo Interamericano S.A 1976 Pg. 105-111

http://www.sc.ehu.es/acpmial/EJERCICIOS_5/EJERCICIOS_5.html Serway Beichner. Fsica para ciencias e ingeniera Tomo II 5ta Edicin.

Editorial Mc Graw Hill / Interoamericana Editores S.A. 2002

Pg. 840-846

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

EMBED Equation.3

PAGE 17Universidad Nacional de Ingeniera

Facultad de Ingeniera Industrial y Sistemas

_1195317906.xlsGrfico1

0

0.27

0.3

0.35

0.38

0.4

I = f (V)

Voltaje (V)

Intensidad de corriente (A)

Hoja1

V (voltios)I (Ampereos)

0.00

2.40.27

2.60.3

3.60.35

4.30.38

4.60.4

Hoja1

I = f (V)

Voltaje (V)


_1195319444.unknown


0

0.27

0.3

0.35

0.38

0.4

I = f (V)

Voltaje (V)


Hoja1


0.00

2.40.27

2.60.3

3.60.35

4.30.38

4.60.4

Hoja1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

I = f (V)

Voltaje (V)



0

0.1

0.11

0.12

0.13

0.13

I = f (V)

Voltaje (V)


Hoja1


0.00

4.80.1

4.80.11

5.60.12

5.80.13

6.00.13

Hoja1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

I = f (V)

Voltaje (V)


_1195319540.unknown


0

0.46

0.58

1.02

1.38

1.59

I = f (V)

Voltaje (V)


Hoja1


0.00

1.00.46

1.20.58

2.01.02

2.61.38

3.01.59

Hoja1

I = f (V)

Voltaje (V)



0

0.1

0.11

0.12

0.13

0.13

I = f (V)

Voltaje (V)


Hoja1


0.00

4.80.1

4.80.11

5.60.12

5.80.13

6.00.13

Hoja1

I = f (V)

Voltaje (V)



0

0.01

0.03

0.1

0.24

0.73

I = f (V)

Voltaje (V)


Hoja1


0.00

0.40.01

0.50.03

0.60.1

0.70.24

0.80.73

Hoja1

I = f (V)

Voltaje (V)


_1147360868.unknown

_1181575126.unknown

_1181577003.unknown

_1181577232.unknown

_1147475238.unknown

_1147358093.unknown

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