informe 12 (transductores)

7/26/2019 informe 12 (Transductores)

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Universidad Central de Venezuela

Facultad de Ciencias; Escuela de Fsica

Laboratorio de Fsica I

Br. Richert J. M. Bompart R. ;C.I.:24.462.443

Marzo de 2015

Informe de Laboratorio: Practica #12 (Transductores).

Resumen

Esta prctica est dedicada a la utilizacin de transductores para observar los efectos

de dichos dispositivos. Primero se utiliz el transductor temperatura-voltaje o termopar para

medir la diferencia de potencial en funcin de la temperatura manteniendo un rango entre

una temperatura ambiente 221 y una mxima de 350 y as poder observar como

convierte caloren diferencia de potencial.

Tambin se observ este efecto en un termistor, para ello se conect un hmetro a un

termistor y se midi el valor de la resistencia del termistor a la temperatura del laboratorio, y

al aplicarle calor (tocando el termistor con los dedos) la resistencia disminua. Con lo que se

pudo determinar que era del tipo NTCya que este disminua su resistencia al aumentar latemperatura.

Por ltimo se utiliz el transductor de Efecto Hall, que permite la medicin de campos

magnticos. Primero se instal un circuito con un electroimn que tiene dos bobinas

conectadas en serie, para tener un campo homogneo en el que se coloc una lmina

semiconductora y a partir de ello se midi el voltaje Hall, en funcin de la corriente en la

lmina para un valor fijo del campo magntico B, luego se fij una corriente de 100mA en la

lmina para determinar el campo magntico existente entre los dos polos del imn

permanente. En el experimento se utiliza un semiconductor lnAs el cual existe un solo tipo de

portadores y se determin el signo de los portadores analizando la direccin del campo, elsentido de la corriente y la polaridad del voltaje de Hall, siendo los portadores de carga

electrones.


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Introduccin

Existen dispositivos los cuales son capaces de transformar o convertir un determinado

tipo de energa de entrada, en otra diferente de salida, estos son los transductores, y seutilizan para obtener la informacin de entornos fsicos y qumicos y as conseguir seales o

impulsos elctricos o viceversa. En esta prctica se estudi tres tipos de transductores y los

efectos que producen.

El termopar se origina del efecto Termoelctrico; este dispositivo est formado por

dos metales distintos unidos por dos juntas que produce un voltaje, este efecto es conocido

como efecto Seebeck. El voltaje se produce a partir de una diferencia de temperatura entre

unos de los extremos de la junta fra y la junta caliente. Tambin existe otro dispositivo

llamado termistor, el cual se basa en la variacin de la resistividad que presenta un

semiconductor con la temperatura, en general son resistores trmicos sensibles.

Estos transductores permiten medir la temperatura, pero tambin existe un dispositivo

que permite medir campos magnticos, como es el transductor de Efecto Hall, el cual consiste

en la aparicin de un campo elctrico en un semi conductor cuando es atravesado por un

campo magntico, establecindose una diferencia de potencial denominada voltaje de Hall.

Es importante destacar que los transductores se caracterizan por tener una seal de

salida muy pequea, en el orden de los milivoltios.

Marco terico

Termopar:

Es un transductor formado por la unin de dos metales distintos que produce un

voltaje, que es funcin de la diferencia de temperatura entre uno de los extremos denominado

punto caliente y punto fro; es decir convierte calor en diferencia de potencial. Para entender

lo que ocurre en un termopar debemos estudiar primero el Efecto termoelctricoy el Efecto

Seebeck.

Efecto termoelctrico

Existen elementos de circuitos donde ocurren procesos reversibles en los cuales el

calor se obtiene a expensas de la corriente elctrica cuando esta circula en un sentido,

mientras que cuando circula en el sentido contrario, se obtiene energa elctrica a

expensas del calor. Esta conversin reversible de calor en energa elctrica se conoce

como Efecto Termoelctrico y puede ocurrir de tres formas diferentes, una de las

cuales es el Efecto Seebeck.

El efecto Seebeck es un fenmeno en el cual un sistema constituido por dos metales

diferentes unidos en dos juntas, cada una de las cuales se mantienen a temperatura


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diferente, acta como una fuente de fuerza electromotriz . Pero primero tenemos

que explicar el efecto Thomson y el efecto Peltier.

Efecto Thomson: calentamos una varilla metlica en uno de sus extremos, como la

temperatura ser diferente a lo largo de la varilla, se produce un gradiente de

temperatura que se dirige de la zona fra a la zona caliente.

As, un material sometido a un gradiente trmico y recorrido por una corriente

elctrica intercambia calor con el medio exterior. Si suponemos que los electrones libres de la

varilla metlica se comportan como las molculas de un gas, podemos esperar que en el

extremo caliente la presin del gas aumente, lo cual provoca una difusin de electrones

desde la regin caliente hacia la regin fra. La acumulacin de electrones en el extremo frio

establece un campo elctrico creciente dentro de la varilla el cual contrarresta la

acumulacin adicional. Si ahora establecemos una corriente elctrica en la misma direccin

del gradiente de temperatura se observa que hay una absorcin de calor por el conductor,mientras que al invertir la corriente se observa emisin de calor por el conductor.

Efecto Peltier: hace referencia a la creacin de una diferencia de temperatura deba a un

voltaje elctrico. Sucede cuando una corriente se hace pasar por dos metales o semi

conductores conectados por dos junturas peltier. La corriente propicia una transferencia de

calor de una juntura a la otra: una se enfra en tanto que otra se calienta.


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Efecto Seebeck: se puede entender entonces como una combinacin de los dos efectos

descritos anteriormente, y por lo tanto puede deducirse que la fuerza electromotriz existente

en el sistema, debe depender de la diferencia de temperatura ( )asi como la naturaleza

de los metales.

Este fenmeno recibe el nombre termopar y normalmente una de las juntas se encuentra auna temperatura de referencia contante , de manera que para un termopar dado la fuerza

electromotriz de Seebeck solo depende de la temperatura T de la otra junta. Se procede

entonces a calibrar el termopar de manera de observar la relacin entre ( ):

= ( ) +

b( )

a y b son constantes caractersticas de cada par de metales.

El Termisor:es un material semiconductor cuya resistencia es fuertemente dependiente con el

inverso de la temperatura T, debido fundamentalmente a que el nmero de portadores de

carga en un semiconductor puro aumenta con T. Esta propiedad permite medir temperaturas

con una alta precisin a travs de un cambio relativamente grande de la resistencia.

Efecto Hall: ocurre con mayor notoriedad en materiales que son semiconductores, es decir,

con menor capacidad de conduccin que un buen conductor, pero sin llegar a ser un aislante.

Supongamos entonces que tenemos una lmina de ancho a y espesor d, a lo largo, de la cual

circula una corriente i, y que perpendicular a la superficie de la lmina existe un campo

magntico uniforme . Asumamos tambin que los portadores de carga son huecos. Al circular

la corriente i, los portadores de carga son desviados hacia la izquierda por una fuerza de

magnitud = , teniendo lugar una acumulacin de cargas en ese borde. Como todo el

conjunto es elctricamente neutro, en la parte derecha habr un dficit de cargas positivas, en

consecuencia aparecer un campo elctrico que se opone a que las cargas positivas se siganacumulando a la izquierda.

Grafico #1 (Montaje experimental del termopar).


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En el momento en que la fuerza debida al campo elctrico sea igual en magnitud y sentido

opuesto a la fuerza magntica, cesar la acumulacin. En este caso se cumple:

=

Si a es la distancia entre las dos caras en que se acumulan las cargas, al aparecer el campo

elctrico, se establece una diferencia de potencial denominada voltaje de Hall dado por:

= =

Por lo tanto =

, donde

, recibe el nombre de constante de Hall, y es una

caracterstica del material semiconductor.

Electroimn:el funcionamiento de un electroimn se basa en un fenmeno de la naturaleza

llamado ferromagnetismo: en los elementos de transicin los electrones externos de cada

tomo tienen un momento dipolar magntico el cual tiende a alinearse con los momentos

dipolares magnticos de los electrones de tomos vecinos. En un imn permanente, esta

alineacin de los dipolos ocurre sobre todo en el volumen del material, originado as el campo

natural de imn.

El electroimn est compuesto entonces por un solenoide, dentro del cual hay un

ncleo de hierro cuyos dos extremos constituyen los polos del electroimn. El pequeo campo

generado por la corriente produce un gran campo dentro del ncleo, el cual se extiende a

travs de todo el material, saliendo por el polo norte y cerrando las correspondientes lneas

por el polo sur.


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Marco Metodolgico y Resultados

: Termopar

Experiencia #1:Se mont el circuito de la Grafico#1 y se ajust el variac de manera de tenerunos 70V en su salida.

Se midi la diferencia de potencial en funcin de la temperatura para un rango

comprendido entre temperatura ambiente del laboratorio 22 y una mxima de

350y se apag el variac al terminar a fin de que el horno se enfre lentamente.

Se grafic en funcin de , tomando como temperatura de referencia la

temperatura ambiente del laboratorio. Luego se hizo medidas con intervalos de 10.

Tabla #1 (Diferencia de potencial sen funcin de la temperatura).

Temperatura (Horno) Diferencia de potencial (,mV)

22 0

30 0,6

40 1,2

50 1,8

60 2,3

70 2,9

80 3,4

90 3,9

100 4,4

110 5

120 5,5

130 6

140 6,6

150 7,1

160 7,7

170 8,2

180 8,8

190 9,3

200 9,9

210 10,4

220 10,9230 11,5

240 12

250 12,6

260 13,1

270 13,7

280 14,3

290 14,8

300 15,3

310 15,9

320 16,5


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Tabla #2 (Valores de s para la diferencia de temperatura

).

Diferencia de potencial (,mV) Diferencia de temperatura ()

0 0

0,6 8

1,2 18

1,8 28

2,3 38

2,9 48

3,4 58

3,9 68

4,4 78

5 88

5,5 986 108

6,6 118

7,1 128

7,7 138

8,2 148

8,8 158

9,3 168

9,9 178

10,4 188

10,9 198

11,5 208

12 218

12,6 228

13,1 238

13,7 248

14,3 258

14,8 268

15,3 278

15,9 28816,5 298


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:Termistor

Experiencia#2:

Sin tocar el termistor con los dedos, se midi su resistencia (muy rpidamente para no

afectarla por el efecto joule) a la temperatura ambiente del laboratorio ().

Se procedi a tocar el termistor con los dedos y se midi el cambi de su resistencia.

Con los datos anteriores, y en base a la apreciacin del hmetro, se estim el menor

cambio de temperatura que se podra detectar con el termistor.

y = 2E-06x2+ 0,054x + 0,1968

R = 0,9999

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 50 100 150 200 250 300

(,

)mV

(T

0,2) C

= 2 + 0,054 + 0,1968

= ( ) +

b( )

Es la expresin analtica para calibrar

el termopar; pero tambin obtuvimos la

ecuacin de la lnea de tendencia de grafica #1

que son en funcin de T.

Donde x es T y y es . Por lo

tanto podremos deducir que.

= 0,054.

=.

= 0,1968.

Grafico #2 (en funcin de ).

Grafico #3 (Expresin y valores para los coeficientes de la expresin analtica para calibrar

el termopar).


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Tabla #3 (Mediciones hechas para el termistor).

Temperatura del Laboratorio (1 C) Resistencia (0,1 )

21 256,3

Temperatura de los dedos (1 C) Resistencia (0,1 )

30 177,4

Graficando estos puntos obtendremos una ecuacin de lnea de tendencia para los cuales

lo valores entre (30 y 21)C se comportaran de manera lineal.

Usando la ecuacin obtenida en el grafico #4 y colocando como x la mnima lectura delhmetro (0,1) podremos obtener la mnima lectura para un cambio de temperatura. La

ecuacin de la propagacin del error se ilustra en el grafico #5 y los resultados a estas

ecuaciones se ilustran en la tabla #4.

Tabla #4 (Mnimo cambio medible de la temperatura con el termistor).

[ ] C Incertidumbre de la medida

0,01141 2(0,01141)

y = -0,1141x + 50,236

R = 1

0

5

10

15

20

25

30

35

0 50 100 150 200 250 300

C

(0,1)

Grafico #5 (Expresin para el mnimo valor medible con el termistor).

= 0,1141 + 50,236 = +

Donde

To: temperatura mnima (C).

T: Temperatura (C).

R: Resistencia (). R= 0 para la mnima

temperatura.

A: -0,1141.

: 50,236. =

] = + = 2

: Temperatura con valor R =

0,1.

=Mnimo cambio detemperatura.

Grafico #4 C en funcin de .


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:Efecto Hall.

Experiencia #3:Se procedi a instalar el circuito para el campo magntico, el cual se obtiene

mediante un electroimn. Al conectar las bobinas en serie se tom cuidado para que loscampos producidos por estas, se refuercen en el entrehierro, a fin de conseguir un campo

homogneo, en donde los polos de electroimn deben encontrarse enfrentados y tan cercanos

como fuera posible. En la regin de campo homogneo se coloc una lmina semiconductora:

La lmina del material semiconductor se encuentra montada sobre un soporte de bakelita y a

sus lados estn conectados cuatro cables de diferentes colores; dos para la corriente (rojo y

negro) y dos para medir el voltaje de Hall (verde y blanco).

Se procedi a conectar los cables de la lmina al circuito:

Se procedi a medir el voltaje de Hall , realizando la conexin del cable verde con el

comn del multmetro y el cable blanco con la entrada de tensin. esto en funcin de

la corriente en la lmina para un valor fijo del campo magntico. Luego se hizo una

representacin grfica del voltaje en funcin de la corriente, determinado la constante

de hall.

Se fij una corriente de 100mA y se determin el voltaje de Hall en funcin del campo.

Tabla #5 (Medidas para el Voltaje hall, con Campo magntico constante).

Resistencia ( ) Corriente () () () ()

5 98 5,9 97,9 9210 84 4,9 84,2 79,3


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15 72 4,2 72,8 68,6

20 60 3,4 60,8 57,4

25 56 3,2 56,8 53,6

30 45 2,7 49,8 47,1

35 44 2,5 44,8 42,3

40 38 2,2 37,9 35,745 36 1,9 37,1 35,2

50 32 1,8 35,8 34

55 30 1,8 34,4 32,6

60 26 1,5 28,5 27

65 26 1,5 28,4 26,9

70 26 1,4 28,3 26,9

75 26 1,4 27,3 25,9

80 22 1,3 23,7 22,4

85 22 1,3 23,6 22,3

90 22 1,1 22,9 21,895 20 1,1 22,1 21

100 20 1,0 21,4 20,4

Usando la expresin del Voltaje de Hall que depende solamente de lacorriente, elcampo magntico, el nmero de portadores de carga, carga y el espesor de la placa

obtenemos la ecuacin para la constante de Hall que aparece en el marco terico.

Usando la ecuacin de lnea de tendencia del grafico #6 y la ecuacin antes

mencionada se procedi a calcular la constante de hall. Esto se ilustra en el grafico #7

(Expresin para la constante de Hall).

y = 0,9123x + 2,9008

R = 0,9967

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20 30 40 50 60 70 80 90 100

VoltajeHall(mV)

Intensidad de Corriente (mA)

Grafico #6 (Voltaje Hall en funcin de la corriente).


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Tabla #6 (Constante de Hall e intensidad del Campo Magntico).

Constante de Hall (

) B(T)

0,36985 0,37

Constante de proporcionalidad

3,7 G/mA

Tabla #7 (Medidas para el voltaje Hall, con campo magntico variable).

() () () () ()

92 16,4 92,2 5,9 86,3

92 15,6 90,8 5,9 84,9

94 14,8 89,6 5,8 83,8

94 14 86,7 5,8 80,9

94 13,2 84,6 5,7 78,9

96 12,4 82,2 5,7 76,5

96 11,6 79 5,7 73,3

96 10,8 76,1 5,6 70,5

96 10 72,4 5,6 66,898 9,2 69,3 5,6 63,7

98 8,4 65,2 5,6 59,6

98 7,6 60,3 5,6 54,7

98 6,8 56,8 5,6 51,2

100 6 51,3 5,6 45,7

100 5,2 46,7 5,6 41,1

100 4,4 40,6 5,6 35

102 3,6 34,4 5,6 28,8

102 2,8 28,3 5,6 22,7

102 2 21,4 5,6 15,8

Grafico #7 (Expresin para la constante de Hall).

=1

=

1

=

;

Donde I: Intensidad de corriente.

B: Intensidad de Campo Magntico.

d: Espesor de la lmina de bakelita.

n: Numero de portadores de carga.

q: Carga elctrica.

R: Constante de Hall.

De la ecuacin de la lnea de tendencia del

grafico #6.

y = 0,9123x + 2,9008

Donde y -2,9008: Voltaje Hall.

x: Intensidad de corriente.

0,9123:

= 0,9123

= ; Dnde : constante de

ro orcionalidad de las bobinas.


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102 1,2 14 5,5 8,5

= 98en la lmina; Y " es el voltaje aplicado a las bobinas; la resistencia de la bobina es

de 16,4.

Tabla #8 (Intensidad del campo magntico y Voltaje Hall).

Intensidad de Campo Magntico (Gauss) Voltaje Hall (mV)

3700 86,3

3519,5 84,9

3339,0 83,8

3158,5 80,9

2978,0 78,9

2797,6 76,5

2617,1 73,3

2436,6 70,5

2256,1 66,8

2075,6 63,7

1895,1 59,6

1714,6 54,7

1534,1 51,2

1353,7 45,7

1173,2 41,1

992,7 35

812,2 28,8

631,7 22,7451,2 15,8

270,7 8,5

y = -5E-06x2+ 0,0413x - 1,658

R = 0,9997

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

VoltajeHall(mv)

Campo Magnetico (G)

Grafico #8 (Voltaje Hall en funcion del Campo magnetico).


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Conclusiones

En la prctica del efecto Hall, el signo de los portadores de carga es negativo, por lo

tanto son electrones. El termistor puede medir un mnimo cambio de temperatura de 0,01141 C.

Se determinaron los coeficientes para la curva de calibracin del termopar:

= 0,054

=

= 0,1968

El Voltaje Hall depende linealmente de la corriente y de la intensidad del campo

magntico, este se puede medir usando una curva de calibracin del voltaje hall en

funcin de la intensidad del campo.

Estudia mucho lo que sea de inters para ti y hazlo de la forma ms indisciplinada,irreverente y original posible... Richard Feynman

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