3er laboratorio de fisica 3

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA Facultad de Ingeniería Geológica, Minera y Metalúrgica LABORATORIO 3- FISICA III

CURVAS CARACTERISTICAS VOLTAJE CORRIENTE

I. OBJETIVOS:

Obtener las graficas corriente voltaje de elementos resistivos y estudiar sus características. Verificar si los materiales usados cumplen con la ley de Ohm. Y decir cuales de ellos no. Hallar la resistencia de los cuerpos dada las graficas I vs V dada una determinada

diferencia de potencial.

II. FUNDAMENTO TEORICO:

Las cargas en los conductores pueden moverse con cierta libertad. La corriente eléctrica constituye un movimiento continuado de las cargas libres. La cantidad de carga que circula por un conductor en la unidad de tiempo es la intensidad de corriente. Los responsables de mantener la corriente en un circuito eléctrico son los generadores eléctricos, los cuales suministran al circuito la energía precisa para ello. La ley de Ohm aporta algunas relaciones que facilitan el estudio científico de la corriente eléctrica.

La característica esencial de los conductores, sean éstos sólidos, líquidos o gaseosos, consiste en que disponen de partículas cargadas que pueden moverse con bastante libertad bajo la acción de campos eléctricos. Así, cuando se conecta un alambre conductor a los bornes de una pila los electrones libres del conductor fluyen a través de los atraídos por el polo positivo de la pila, a la vez que otros electrones entran al conductor por el polo negativo.

Debido al voltaje de la pila los electrones fluyen a través del conductor.

+ Electrones

Fig. N°01 -

Electrones

PILA

Convencionalmente el sentido de la corriente es del polo de mayor potencial (positivo) al de menor potencial (negativo)

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+ Corriente convencional

Fig. N°02

- corriente convencional

Definición de corriente eléctrica:

Si los extremos de un alambre se conectan a una batería, se establece un campo eléctrico en todos los puntos dentro del alambre. Este campo actuará sobre los electrones y les dará un movimiento resultante en la dirección de - . Decimos que ha establecido una corriente eléctrica i, si pasa una carga neta q por una sección transversal cualquiera del conductor en el tiempo t, la corriente, inicialmente supuesta como constante, es:

+ -

Sección recta Fig. N°03

Si la velocidad de flujo de carga no es constante al transcurrir el tiempo, la corriente variará con el tiempo, y está dada por el límite diferencial de la ecuación anterior:

La ley de Ohm Diferencia de potencial e intensidad de corriente:

En un conductor el movimiento de cargas eléctricas es consecuencia de la existencia de una tensión eléctrica entre sus extremos. Por ello la intensidad de corriente que circula por el conductor y la tensión o diferencia de potencial deben estar relacionadas. Otros fenómenos de la física presentan una cierta semejanza con la conducción eléctrica; así el flujo de calor entre dos puntos depende de la diferencia de temperaturas entre ellos y la velocidad de caída de un cuerpo por un plano inclinado es función de la diferencia de alturas.

PILA

++ +

+ +

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Ese tipo de analogías, y en particular la relativa a la conducción del calor, sirvió de punto de partida al físico alemán Georg Simón Ohm (1787-1854) para investigar la conducción eléctrica en los metales. En 1826 llegó a establecer que en los conductores metálicos el cociente entre la diferencia de potencial entre sus extremos y la intensidad de corriente que lo atraviesa es una cantidad constante, o en otros términos, que ambas magnitudes son directamente proporcionales. Esta relación de proporcionalidad directa entre tensión e intensidad recibe el nombre de ley de Ohm.

Representando, como es habitual en electrocinética, la tensión eléctrica por V y no por V, la ley de Ohm se puede escribir en la forma:

I = G · V... (I)

Donde G es una constante característica de cada conductor que recibe el nombre de conductancia.

Curva característica de un conductor – Concepto de resistencia:

Se denomina curva característica I-V de un conductor a la línea que se obtiene cuando se representa gráficamente la variación de la intensidad de corriente I que atraviesa un conductor con la diferencia de potencial o tensión V aplicada entre sus extremos. Su forma es característica de cada conductor, de ahí su nombre.

La determinación experimental de una curva característica se efectúa mediante un montaje que permita aplicar a los extremos de un conductor cualquiera una tensión variable y que a la vez haga posible la medida tanto de la tensión aplicada como de la intensidad de corriente que constituye la respuesta del conductor. Algunas curvas características I-V son

Lineales, lo que equivale a decir que en sus conductores correspondientes ambas magnitudes eléctricas son directamente proporcionales. Esto es lo que viene a establecer la ley de Ohm para los conductores metálicos.

En la curva característica I-V de un conductor metálico la pendiente de la gráfica coincide con la constante de proporcionalidad G que, de acuerdo con su definición, constituye una medida de la aptitud para la conducción eléctrica del cuerpo considerado. Cuanto mayor sea G, mayor será la inclinación de la característica I-V y, por tanto, mayor la intensidad que circulará por el conductor para una misma diferencia de potencial.

La inversa de la conductancia G se denomina resistencia eléctrica y se representa por la letra R:

Desde un punto de vista físico, la resistencia R de un conductor constituye una medida de la oposición que presenta éste al paso de la corriente eléctrica. En los metales los electrones han de moverse a través de los átomos de la estructura cristalina del propio metal. Tales obstáculos al movimiento libre de las cargas contribuyen, en su conjunto, al valor de la resistencia R.

La expresión (I) puede escribirse, haciendo intervenir a la resistencia, en la forma:

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V = I · R… (II)

Que constituye la expresión más conocida de la ley de Ohm.

A partir de la ecuación anterior se define el ohm (Ω) como unidad de resistencia eléctrica en la forma:

El hecho experimentalmente observado de que no todos los conductores posean características I-V rectilíneas indica que no todos cumplen la ley de Ohm. Es ésta, por tanto, una ley de carácter restringido que sólo puede aplicarse a cierto tipo de conductores llamados óhmicos. En los no óhmicos la resistencia no tiene un valor constante, sino que éste depende de la tensión que se aplique entre los extremos del conductor.

III. EQUIPO UTILIZADO Y DIAGRAMA DE FLUJO:

Una fuente de corriente continua (6V). Un reóstato para utilizarlo como potenciómetro. Un amperímetro de 0-1ª. UN voltímetro de 0-10V. Una caja con tres elementos para obtener características y dos resistencias de valores

dados. Ocho cables. Hojas de papel milimetrado. Un osciloscopio de dos canales de 25 MHz. Un transformador 220/6V, 60 Hz.

Fig. N°04 Fig. N°05

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IV. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL:

Primera Parte:1. Identifique en la caja de 5 elementos, los elementos incógnitas cuyas características nos

proponemos investigar: E1, E2 y E3. Observe también que hay una resistencia de 1 y una de 100. En esta primera parte se usaran sólo E1, E2 y E3.

2. Arme el circuito como se muestra en la figura 1 y regule la fuente para que entregue 6V.3. Gire el cursor del potenciómetro a fin de que la tensión de salida sea nula.4. Conecte los puntos “a”y “b” a la lámpara (E1) a fin de averiguar el comportamiento de la

resistencia de su filamento.5. 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 1 voltio. Sugerencia: Emplear en el voltímetro una escala de 5 ó 6 V.

6. Mida el valor de la corriente cuando la diferencia de potencial es 2, 3, 4, 5 y 6 V.7. Repetir los pasos 4, 5 y 6 para la resistencia de carbón (E2).8. Repita los pasos 4, 5 y 6 para el diodo (E3) pero teniendo cuidado de no pasar de 0.9 A (SE

QUEMA). Obtenga los datos del voltaje para corrientes de 0,0; 0,1; 0,2;.....0,9 A.

I. Segunda Parte: Observación de las curvas características I vs V usando el osciloscopio

NOTA: Para hacer esta parte del experimento se supone que el estudiante ha realizado previamente el experimento 20 de este

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manual.Usando el transformador de 220/6V , ensamble el circuito dela figura 2. En este caso R es la resistencia conocida de 1. Coloque el control 21 del osciloscopio en CHA (Figura 5 del experimento 20)observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del filamento del foco. Coloque el control 21 en CHB para observar la dependencia (respecto del tiempo) de la corriente a través del filamento del foco.

9. Use el osciloscopio en el modo XY, es decir, control 30 en la posición “adentro”, 24 en CHA y 21 en CHB. El control 16 debe estar en posición “afuera”. Observara la dependencia I vs V para el filamento del foco.

10. Monte el circuito de la figura 3 par estudiar la curva característica I vs V de la resistencia de carbón. En este circuito R es el elemento E2.

Establezca el circuito de la figura 4 para estudiar la curva característica I vs V de un diodo de unión (E3).

V. CALCULOS Y RESULTADOS:

1. Datos obtenidos para el filamento de Tungsteno.

Tabla 1.- Foco de filamento de Tungsteno.N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V( ) 1 1,4 2 2,5 3 3,4 3,8 4 5 6I( ) 0,11 0,13 0,16 0,18 0,19 0,21 0,22 0,23 0,26 0,28

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2. Datos obtenidos para la cerámica o carbón.

Tabla 2.- Cerámica o Carbon N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V( ) 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5I( ) 0,01 0,01 0,02 0,02 0,03 0,03 0,04 0,04 0,05 0,05

3. Datos obtenidos para el diodo.

Tabla 3.- Diodo N° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V( ) 0,25 0,4 0,5 0,6 0,75 I( ) 0 0,01 0,03 0,09 0,39

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4. Datos obtenidos para el diodo con la polaridad invertida.

Tabla 4.- Diodo con la polaridad invertidaN° 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10V( ) 0,5 1 1,5 2 2,5 3 4 4,5 5 5,2I( ) 0,09 0,16 0,26 0,34 0,42 0,5 0,67 0,75 0,84 0,87

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VI. CONCLUSIONES:

Para armar el circuito de la figura 1 del manual, tuvimos que analizar como colocar los cables del amperímetro y voltímetro de manera que el primero este en serie y el segundo en paralelo, pues de otra forma no marcarían un valor correcto. Además el elemento que posee una resistencia tenía que estar en serie.

Según el manual teníamos que usar una escala de 5 ó 6 V, pero en nuestro caso no se podía, pues cuando tratábamos de usarlo no nos permitía medir correctamente los valores debido a que la aguja no alcanzaba en la escala.

La primera instalación, no se observaba que pasaba corriente, por lo que invertimos la polaridad.

Para armar los circuitos de las figuras 3 y 4, cambiamos sólo la lámpara por los demás elementos que deseábamos analizar.

Con ayuda del osciloscopio podíamos obtener las curvas características I vs V de cada elemento desconocido. Cuando colocábamos el control 21 en CHA, se observaba la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través del elemento. Cuando colocábamos el control 21 en CHB podíamos observar la dependencia de la corriente respecto del tiempo. Cuando nos pasábamos al modo XY, con el control 30 en la posición “adentro”, 24 en CHA y 21 en CHB, observábamos la dependencia de I vs V para el elemento.

Tuvimos mucho cuidado al usar el transformador pues se calentaba con rapidez y en el ambiente se proliferaba un olor a quemado.

El carbón cumple la ley de Ohm, pues a temperatura constante su resistencia es constante

y su gráfica I vs V es una recta.

El filamento del foco es un caso especial, pues su temperatura varia con el voltaje, por lo

tanto su resistencia también. En nuestros datos experimentales se encontró que la gráfica

tendía a ser una recta para el rango de voltaje probado, lo que permitía calcular una

resistencia.

El diodo tiene un comportamiento diferente, su resistencia disminuía grandemente al

aumentar el voltaje, esto se debe a que cuando el campo esta en sentido contrario (voltaje

< 0), su resistencia es muy grande, y para un valor cercano a cero su resistencia es grande.

VII. BIBLIOGRAFIA:

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Guía de laboratorio de Física BRAGA, Newton Cómo usar el Osciloscopio. En Saber Electrónica, Volumen 3, Nº 11,

1991. http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Uso-del-osciloscopio.php http://es.wikipedia.org/wiki/Osciloscopio Física general III. Humberto Asmat, sexta edición, Lima- Perú, 2007

http://es.wikipedia.org/wiki/Osciloscopio

http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Uso-del-osciloscopio.php

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