lab 3.ley de ohm 2015-3

UNIVERSIDAD AUTONOMA DE OCCIDENTE

Facultad de Ciencias Básicas

Laboratorio de Física III Segundo Periodo 2015

INFORME VERIFICACIÓN EXPERIMENTAL DE LA LEY DE OHM

José L. Quitiaquez M. 21170091, Karol Bobadilla 2141793, 2, Paula A. González M 21111753, Alejandra A Rodríguez 21063544,1Ingenieria Industrial Facultad Ingeniería, Departamento Operación y sistemas, Universidad Autónoma de Occidente, dirección de la

facultad, Cali Colombia..

RESUMEN.

En el siguiente informe se presentan los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio realizada para verificar, analizar y estudiar experimentalmente la ley de ohm, la cual como se verá más adelante en el desarrollo del presente informe, mostró una relación entre la diferencia de potencial y la corriente, lo cual permitió demostrar que el material de las resistencias empleadas es óhmico a diferencia del bombillo y el LED. Además, dicha ley permitió determinar los valores de las resistencias equivalentes en configuraciones individuales en serie, se utilizaron dos resistencias con valores rotulados de 100 y 200 ohmios. Para cada configuración en la parte 1, se realizó su correspondiente gráfica de voltaje vs corriente, las cuales se pudieron obtener gracias al sensor de voltaje y a la herramienta Capstone, como dato importante, el voltaje se midió desde -5 V hasta 5 V con un intervalo de 0.5 V y una fuente de voltaje entregando 10 V; con base a dichas graficas se pudo obtener las resistencias equivalentes en cada caso como el inverso de la pendiente de la recta obtenida, además se muestran las incertidumbres (absoluta y relativa) correspondientes. Como parte final del informe de la práctica, se realizó una comparación entre las resistencias obtenidas en serie y en paralelo con las obtenidas individualmente.

Palabras claves: Resistencia, LED, ley de Ohm.

INTRODUCCIÓN.

La corriente eléctrica es un movimiento de electrones, cuando los electrones circulan por un conductor, se encuentran con una cierta dificultad al trasportarse, a esta dificultad se le conoce como resistencia eléctrica.

La ley de Ohm relaciona el valor de la resistencia de un conductor con la intensidad de corriente que lo atraviesa y con la diferencia de potencial entre sus extremos.

En esta práctica de laboratorio se estudia la ley de ohm que establece que a una temperatura dad, existe una proporcionalidad directa entre la diferencia de potencial aplicado a los extremos de un conductor y la intensidad de corriente que circula por el mismo, además se introduce al manejo casi total del multímetro y el uso del código de colores de las resistencias.

La experiencia de la ley de Ohm llevada en la práctica de laboratorio, está basada en materiales óhmicos y no óhmicos, y busca que los estudiantes estemos en capacidad de identificar por medio de gráficas, cálculos y análisis, cuando un material se comporta óhmico y no óhmico. El objetivo principal de esta experiencia y de la cual nos guiaremos para llevar a cabo nuestro análisis es establecer la relación entre materiales óhmicos y no óhmicos, tal y como se dice anteriormente. Así mismo, los estudiantes deben entender la relación que deben tener la corriente, el voltaje y la resistencia con el tipo de material por el cual circulan.

Es por esto que a lo largo de la experiencia, se valuaron tres materiales una resistencia que es un material óhmico, un LED que no es un material óhmico y una bombilla que se comporta como un

1







material óhmico después de haber alcanzado cierta temperatura.

MARCO TEÓRICO.

Ley de Ohm:

La Ley de Ohm establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor eléctrico es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo", se puede expresar matemáticamente en la siguiente ecuación:

Donde, empleando unidades del Sistema internacional, tenemos que:

I = Intensidad en amperios (A) V = Diferencia de potencial

en voltios (V)

R = Resistencia en ohmios (Ω).

Esta ley no se cumple, por ejemplo, cuando la resistencia del conductor varía con la temperatura, y la temperatura del conductor depende de la intensidad de corriente y el tiempo que esté circulando.

La ley define una propiedad específica de ciertos materiales por la que se cumple la relación:

Un conductor cumple la Ley de Ohm sólo si su curva V-I es lineal, esto es si R es independiente de V y de I.

LED: El LED (Light-Emitting Diode: Diodo Emisor de Luz), es un dispositivo semiconductor que emite luz incoherente de espectro reducido cuando se polariza de forma directa la unión PN en la cual circula por él una corriente eléctrica

Este fenómeno es una forma de electroluminiscencia, el LED es un tipo especial de diodo que trabaja como un diodo común, pero que al ser atravesado por la corriente eléctrica, emite luz.

Este dispositivo semiconductor está comúnmente encapsulado en una cubierta de plástico de mayor resistencia que las de vidrio que usualmente se emplean en las lámparas incandescentes. Aunque el plástico puede estar coloreado, es sólo por razones estéticas, ya que ello no influye en el color de la luz emitida. Usualmente un LED es una fuente de luz compuesta con diferentes partes, razón por la cual el patrón de intensidad de la luz emitida puede ser bastante complejo.

Para obtener una buena intensidad luminosa debe escogerse bien la corriente que atraviesa el LED y evitar que este se pueda dañar; para ello, hay que tener en cuenta que el voltaje de operación va desde 1,8 hasta 3,8 voltios aproximadamente (lo que está relacionado con el material de fabricación y el color de la luz que emite) y la gama de intensidades que debe circular por él varía según su aplicación. Los Valores típicos de corriente directa de polarización de un LED están comprendidos entre los 10 y 20 miliamperios (mA) en los diodos de color rojo y de entre los 20 y 40 miliamperios (mA) para los otros LED. Los diodos LED tienen enormes ventajas sobre las

2

http://es.wikipedia.org/wiki/Intensidad_de_corriente_el%C3%A9ctrica

http://www.monografias.com/trabajos12/label/label.shtml#dio

http://www.monografias.com/trabajos14/nuevmicro/nuevmicro.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/colarq/colarq.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/vidrio/vidrio.shtml

http://www.monografias.com/trabajos10/restat/restat.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/plasti/plasti.shtml

http://www.monografias.com/trabajos11/coele/coele.shtml

http://www.monografias.com/trabajos5/natlu/natlu.shtml

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

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

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

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

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico

http://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica







lámparas indicadoras comunes, como su bajo consumo de energía, su mantenimiento casi nulo y con una vida aproximada de 100,000 horas. Para la protección del LED en caso haya picos inesperados que puedan dañarlo. Se coloca en paralelo y en sentido opuesto un diodo de silicio común

En general, los LED suelen tener mejor eficiencia cuanto menor es la corriente que circula por ellos, con lo cual, en su operación de forma optimizada, se suele buscar un compromiso entre la intensidad luminosa que producen (mayor cuanto más grande es la intensidad que circula por ellos) y la eficiencia (mayor cuanto menor es la intensidad que circula por ellos).

Resistencias:

Se le denomina resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al desplazarse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio, que se representa con la letra griega omega (Ω), en honor al físico alemán George Ohm, quien descubrió el principio que ahora lleva su nombre. La resistencia está dada por la siguiente fórmula:

En donde ρ es el coeficiente de proporcionalidad o la resistividad del material.

La resistencia de un material depende directamente de dicho coeficiente, además es directamente proporcional a su longitud (aumenta conforme es mayor su longitud) y es inversamente proporcional a su sección transversal (disminuye conforme aumenta su grosor o sección

transversal) Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición, en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens

PROCESO EXPERIMENTAL.

La práctica de laboratorio se llevó a cabo con el montaje de los equipos como se muestra en las figuras 1, la figura 2 y la figura 3 (ver anexo) lo que corresponden a los circuitos de los diagramas 1, diagrama 2 y diagramas 3, en ese mismo orden. Para la configuración de la interfaz y de los sensores, se elige la interfaz universal 850 y se conectan a ella los sensores de voltaje y corriente, se conecta la interfaz al computador y se configuran los sensores desde el software Capstone.

Se configura en la interfaz universal 850 una onda de salida con forma de rampa positiva y se establece una frecuencia de 0.1 Hz y 10V.

Por defectos la señal rampa positiva inicia con medio periodo positivo y luego toma valores de -10V hasta 10V, por esta razón se debe usar una condición de detención basados en nuestra frecuencia y amplitud se coloca un poco menos de medio periodo que en nuestro caso corresponde a 4.9 s.

Por ultimo en esta primera parte se crea una gráfica de voltaje vs corriente para comprobar si cada material corresponde o no a material óhmico

3

http://es.wikipedia.org/wiki/Siemens_(unidad)

http://es.wikipedia.org/wiki/%CE%A9

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

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

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

http://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n

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

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

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

http://www.monografias.com/trabajos11/veref/veref.shtml

http://www.monografias.com/trabajos15/mantenimiento-industrial/mantenimiento-industrial.shtml

http://www.monografias.com/trabajos35/consumo-inversion/consumo-inversion.shtml







y ver su relación de voltaje y corriente dentro de cada tipo de componente electrónico.

Ya con todos los equipos calibrados y conectados se procede a hacer el montaje de la figura 1 que corresponde al diagrama 1, que es una fuente de voltaje en serie con una resistencia, para poder medir el voltaje en la resistencia se debe elegir dos puntos en el circuito el cual uno debe corresponder a tierra y el otro al punto donde se va a medir el cual debe ser al inicio de la resistencia dicho en otras palabras al ser nuestro circuito tan sencillo, solo una serie para medir el voltaje se monta nuestro sensor en paralelo con la resistencia. Para medir la corriente en un circuito se debe de conecta en serie con el componente que se desea medir.

Esta medición se repite pero cambiando el valor de la resistencia y se completa la tabla 1, para ver los valores de cada resistencia.

Para la tercera parte se reemplaza la resistencia por una bombilla lo que corresponde a la figura 2 y al diagrama 2 como ya se tienen los equipos calibrados no es necesario hacer cambios en este montaje, simplemente solo el cambio de componente.

Para la cuarta parte de este laboratorio se reemplazan todos los componentes y se conectan en serie a la fuente de poder una resistencia de 1K Ω y un LED ahora se prosigue a medir el voltaje en el LED que para ellos se conecta en voltímetro en paralelo al LED y se conecta el amperímetro en serie al LED y se procede a la toma de datos, el circuito que se debe montar para esta práctica corresponde al diagrama 3.

Figura 1a: Montaje para la toma de datos de la Esquema para la toma de datos de la

curva

Figura 1b: Montaje para la toma de datos de la Esquema para la toma de datos de la

curva

Figura 1c: Esquema para la toma de datos de la curva característica de un circuito serie

1. Amplificador de potencia2. Sensor de corriente3. Resistencia4. Sensor de voltaje

La tercera parte de la práctica consistió en la Toma de datos para la curva característica de un bombillo, la cual se realizó de la siguiente manera: Primero se realizó el montaje del circuito de la Figura 2a donde el resistor fue cambiado por un bombillo y cuyo esquema se muestra en la Figura 2b. Para registrar el ensayo, se creó una nueva gráfica Corriente vs. Voltaje. Después se repitió el paso 3 del procedimiento anterior iniciando la toma de datos en 0V, cambiando el valor del voltaje en pasos de 0.1V. Se detuvo la medición hasta alcanzar una corriente de 0.2ª

4







Figura 2a: Montaje para la toma de datos de la curva característica de un bombillo.

Figura 2b: Esquema para la toma de datos de la curva característica de un bombillo

1. Amplificador de potencia

2. Sensor de corriente

3. Resistencia

4. Sensor de voltaje

Finalmente, la cuarta parte del laboratorio consistió en la Toma de datos de la curva característica de un diodo emisor de luz (LED) para lo cual se procedió como sigue:

Primero se montó el circuito de la Figura 3a usando uno de los resistores de 100 de la caja de resistencias y un LED. El circuito se encuentra esquematizado en la Figura 3b. Luego se creó un gráfico Corriente vs. Voltaje para registrar el ensayo. Se repitió el paso 3 del procedimiento para la toma de datos de la curva característica de una resistencia, iniciando las medidas en -1.0V, cambiando el valor del voltaje en pasos de 0.1V. Se detuvo la medida al alcanzar una corriente de 0.8A.

Finalizada la práctica, se desconectaron todos los elementos y se apagaron los instrumentos de medición.

Figura 3a: Montaje para la toma de datos de la curva característica de un LED

Figura 3b: Esquema para la toma de datos de la curva característica de un LED

1. Amplificador de potencia

2. Sensor de corriente

3. Resistencia

4. Sensor de voltaje

RESULTADOS.

A continuación se muestran las tablas y gráficas obtenidas a partir de los datos recopilados durante la práctica. Los resultados obtenidos a través de estos gráficos, permiten observar el comportamiento de un dispositivo óhmico y de uno No óhmico, a través de las curvas características de cada elemento de carga (Resistencias o Bombillo). De igual forma permiten determinar y comparar el valor teórico de las resistencias con el valor medido.

5







Tabla 1: Medición de las resistencias

En la Tabla 1 están consignados los valores e incertidumbres absolutas de las dos resistencias que se emplearon en los montajes de las Figuras 1b y 1c. La incertidumbre absoluta se pudo determinar a partir del hecho de que la tolerancia

está definida por:

(1)

De (1) se infiere que la Incertidumbre absoluta

está dada por: (2)

De igual forma, el error relativo de exactitud está

dado por: (3)

Por otro lado, en la Gráfica 1 de Corriente vs. Voltaje para una resistencia conectada como se muestra en la Figura 1b la linealidad en el comportamiento de la indica que la resistencia es un dispositivo que sigue la Ley de Ohm.

De igual forma en la Gráfica 2 se aprecia la curva característica para un arreglo de 2 resistencias en serie como el esquematizado en la Figura 1c, el cual presenta un comportamiento lineal, como era de esperarse por tratarse de resistencias como en el caso anterior.

El caso contrario se puede apreciar en la Gráfica 3, en la cual se aprecia la curva característica para un bombillo que es sometido a una tensión variable, donde el comportamiento no es lineal lo cual indica que el bombillo es un dispositivo que no obedece a la Ley de Ohm.

En el caso de las resistencias las cuales obedecen a Ley de Ohm, debido a la linealidad en la curva característica I-V, la pendiente de la gráfica coincide con la aptitud para la conducción eléctrica que posee un cuerpo. Por lo tanto, cuanto mayor es la inclinación de la característica I-V mayor será el grado de conductividad y mayor será la intensidad que circulará por el dispositivo para una misma diferencia de potencial.

Los materiales que obedecen a la Ley de Ohm describen como se correlacionan el voltaje, la corriente y la resistencia en un nivel macroscópico, es decir como elementos de circuito en un circuito eléctrico.

6







Gráfica 1: Curva característica de un resistor

Gráfica 2: Curva característica de dos resistencias en serie

Gráfica 3: Curva característica de un bombillo

Grafica 4. Gráfica de voltaje vs corriente de circuito LED.

Dado que la resistencia se define como ;

donde V está dado en Voltios e I está dada en Amperios, El hecho de que la función sea lineal implica que la resistencia es independiente de la corriente, además permite expresar esta relación de manera análoga en términos de la ecuación de la recta: Siendo la ecuación de cualquier recta

De la misma forma , donde es la pendiente de la ecuación. Por tanto, de la Gráfica 1 se tiene que la pendiente de recta es

(4),

Siendo la incertidumbre absoluta de la medición. A partir de este valor se calculó la incertidumbre relativa de la siguiente manera:

, y el porcentaje de error

Comparando el valor obtenido en la Ecuación (4), con el dado según el código de colores se puede apreciar que los valores son muy aproximados.

Debido a que la resistencia es un dispositivo que se opone al paso de corriente, en el circuito de la Figura 3b se emplea una resistencia para limitar el paso de corriente hacia e diodo Led, logrando que éste se mantenga dentro de los rangos de operación de corriente y voltaje permisibles para su óptimo funcionamiento.

7







Posibles causas de error.

Para esta práctica se debía medir el voltaje y la corriente en cada circuito, en el circuito 1 se debía conectar resistencias las cuales no tiene polaridad al igual que la bombilla, pero al conectar el LED este si tiene una polaridad, que si se conecta mal no producirá un corto ni quemaremos los implementos pero el circuito no funcionara por que el diodo en polarización inversa se comporta como un interruptor abierto.

Otro error que lleva a una mala realización de la práctica es la mala elección de una resistencia para la serie con el LED, ya que al elegir una resistencia demasiado pequeña en comparación con el consumo del LED y el voltaje de la fuente este puede ocasionar que el LED quede inservible.

Un error también muy común en la práctica fue la mala conexión entre implementos, ya que al tener muchos cables entre instrumentos se hace una difícil conexión, se visualiza una práctica más sencilla en protoboard ya que solo es un montaje en serie o paralelo dependiendo de la configuración

ANÁLISIS.

a partir de las gráficas se observa que solo las resistencias cumple la ley de Ohm ya que tiene un comportamiento lineal, por consecuencia se puede dar a entender que la ley de Ohm cumple con la forma de la ecuación lineal y no relaciona la

corriente con el voltaje donde la pendiente es su resistencia o el inverso de la pendiente es su resistencia, esto depende de en qué eje se ponga el voltaje y la corriente, al cumplir con la ecuación lineal se observa que la corriente es proporcional al voltaje por ende las resistencia son materiales óhmicos y la bombilla y el LED no son materiales óhmicos.

En algunas aplicaciones de electrónica se considera al LED una resistencia esto se debe a que hay una caída de potencial en él y que el mismo consume una corriente determinada esta resistividad se puede calcular a partir de:

R= [V (fuente) - V (LED)] / I (max_led) R = (10v-2v)/15mAR = 533.3Ω

Para el circuito del diodo LED se utiliza una resistencia que se conecta en serie con el diodo LED, esto se debe a que el diodo LED consume una corriente y un voltaje especificados en su hoja de datos y al sobrepasar esta corriente o el voltaje limites el LED empieza a atenuarse o en el peor de los casos se queme y no pueda iluminar más, para evitar este tipo de situaciones se conecta una resistencia en serie que consuma o haga una caída del potencial y la intensidad del circuito para que el LED tenga su correcto funcionamiento.

CONCLUSIONES.

Se pudo obtener la representación gráfica de la tensión en función de la corriente de materiales resistivos como la bombilla o la resistencia y de semiconductores como el LED.

8







Se logra determinar por inspección física y también grafica que materiales son de tipo óhmicos y cuales son no óhmicos.

Se logra obtener una idea muy general del funcionamiento de un circuito con una función básica y de su propio montaje, pero con amplia dificultad por su propio montaje como se dijo en el resto del informe se denota que es más sencillo realizar la practica en protoboard.

En este laboratorio se dio a conocer la forma física de una resistencia y su función en un circuito, al igual que la forma de conexión de una fuente de voltaje y algunos tipos de componentes electrónicos.

BIBLIOGRAFÍA.

[1] F. W. Sears, M. W. Zemansky, H. D. Young, R. A. Freedman. Física Universitaria, volumen 2. Décimo primera edición, Pearson Educación, México, 2004.

[2] Universidad autónoma de occidente, guía de laboratorio 2014, Ley de Ohm. Periodo intermedio 2014;

[3] Ley de ohm.http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/3esofisicaquimica/3quincena11/3q11_contenidos_5d.htm

[4] Ley de Ohm. http://es.wikipedia.org/wiki

/ Ley_de_Ohm

[4] Circuito LED. http://es.wikipedia.org/wiki

/ Circuito_de_LED

9

lab 3.ley de ohm 2015-3

Documents