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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERÍA FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELETRÓNICA

FÍSICA III INFORME DE LABORATORIO N°3

Curvas Características voltaje-corriente INTEGRANTES Cama Raymundo, Jesús Josemaría Medina Roldán, Néstor Alonso Espinoza Cordero, Pedro Romero Lima, Johan Vidal Cabanillas, Jhan Piers Alexis SECCIÓN N

DOCENTES LLAMOJA CURI JOHNNY ALANYA PACHECO SIMON

LIMA – PERÚ

2017 0

Índice  Objetivos………………………………………………..………………..…Pág.2  Fundamento Teórico…………………………………………………..….Pág.2  Materiales……………………………………………………………….…..Pág.6  Procedimiento Experimental………………………………………….....Pág.11  Cálculo y Resultados…………………………………………………..….Pág.14  Conclusiones…………………………………………………………..…...Pág.20  Observaciones…………………………………………………..………….Pág.20  Recomendaciones…………………………………………..……………..Pág.20  Bibliografía…………………………………………………….……………Pág.22

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1. Objetivos: 

Obtener las gráficas corriente voltaje de elementos resistivos y estudiar sus características.

2. Fundamento Teórico: 2.1. Potencial eléctrico: También llamado simplemente potencial se define como una cantidad escalar que me indica la cantidad de energía potencial por unidad de carga. El potencial en un punto cualquiera de un campo eléctrico se puede hallar como la energía potencial asociada a una carga de prueba en ese punto. El SI indica que la unidad del potencial eléctrico es el volt (V). 1V = 1J / C = joule/coulomb V=

𝑈 𝑞

Ecuación 1.Potencial eléctrico

2.2. Diferencia de potencial o voltaje: Es una cantidad escalar que indica la cantidad de trabajo por unidad de carga que se requiere para desplazar una carga entre dos posiciones determinadas en el campo eléctrico. 𝑉𝐴𝐵 = 𝑉𝐴 - 𝑉𝐵

Ilustración 1. Diferencia de Potencial entre A y B

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2.3. Corriente Eléctrica: Simplemente se define como cualquier forma de movimiento de cargas de una región a otra.

Ilustración 2. Representación ideal del movimiento de los portadores de carga en un cable conductor.

2.4. Intensidad de Corriente Eléctrica Para poder ver el efecto de la corriente eléctrica es necesario cuantificarlo mediante la intensidad de corriente eléctrica. Así que podríamos definir la intensidad de corriente eléctrica que atraviesa un área transversal A como la carga neta a través del área por unidad de tiempo.

Ilustración 3. Número de portadores de carga que pasan por una sección transversal en una unidad de tiempo es igual a la Intensidad de corriente eléctrica.

Para un pequeño intervalo de tiempo (dt) fluirá una pequeña cantidad de carga neta (dQ).La intensidad de corriente se expresara como: I=

𝑑𝑄 𝑑𝑡

Ecuación 2.Intensidad de corriente

La unidad en el SI de la intensidad de corriente es el Ampere. 1 A = 1Coulomb/segundo. 2.5. Resistencia eléctrica: Es aquella resistencia que ofrecen todos los conductores al paso de la corriente a través de él. De manera general (cumpla o no la ley de Ohm) para cualquier conductor se puede definir la resistencia como:

3

R=

𝑉 𝐼

Ecuación 3.Resistencia eléctrica.

Ilustración 4. Representación de la oposición al paso de los portadores de carga.

Una vez definidos resistencia eléctrica, intensidad de corriente eléctrica, diferencia de potencial o voltaje podremos hablar de la ley de Ohm. 2.6. Ley de Ohm: Para el caso del laboratorio se trabajara con la ley de Ohm macroscópica. Cabe aclarar que la ley de Ohm no es simplemente V = I.R Experimentalmente si aplicamos una diferencia de potencial variable y para cada diferencia de potencial medimos la intensidad de corriente. Obtendremos la siguiente gráfica:

Ilustración 5. Gráfica I vs V para materiales óhmicos

Como vemos en el grafico la resistencia va a ser constante, eso quiere decir que para cada diferencia de potencial va a existir una intensidad de corriente de manera que la resistencia siempre sea la misma. Eso vendría a ser la ley de Ohm.

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A continuación algunos instrumentos que fundamentales que se usan para la obtención de datos y facilitar el trabajo en el laboratorio. Voltímetro: Es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre 2 puntos de un circuito eléctrico, estos puntos son el positivo y el negativo. En términos simples el voltímetro puede medir el voltaje que proporciona una fuente de poder.

Ilustración 6. Pantalla del Voltímetro Analógico

Multímetro: El multímetro o polímetro es un instrumento que permite diferentes magnitudes eléctricas. Pueden medir: -Tensiones eficaces alternas y continuas. -Corrientes alternas y continuas. Resistencias.

-

Ilustración 7. Multímetro o Polímetro

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Reóstato: Es un elemento de un circuito eléctrico que permite variar el valor de la resistencia mediante el giro de un eje o el deslizamiento de un cursor. Por lo tanto el reóstato funciona como un resistor de resistencia variable que permite variar la intensidad de corriente eléctrica en un circuito eléctrico.

Ilustración 8. Reóstato

3. Materiales: 

Fuente de Corriente Continua (6V)

Ilustración 9. Fuente

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

Reóstato: Se uso como potenciómetro

Ilustración 10. Reóstato



Amperímetro (0-1A): E l multitester en modo amperímetro

Ilustración 11. Multitester

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

Voltímetro (0-10V)

Ilustración 12. Voltímetro analógico



Osciloscopio de dos canales de 25 MHz

Ilustración 13. Osciloscopio

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

Caja con tres elementos y dos resistencias

Ilustración 14. Elementos resistivos y resistencias



8 Cables

Ilustración 15. Cables

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

Transformador 220/6 V, 60Hz

Ilustración 16. Transformador

 Papel milimetrado

Ilustración 17. Papel milimetrado

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4. Procedimiento experimental:  Primera parte: Determinación de las curvas usando voltímetro y amperímetro. 1.- Se identificó en la caja de 5 elementos los elementos incógnita cuyas curvas características nos proponemos investigar: E1, E2, E3. También se observó que había una resistencia de 1 Ω y una de 100 Ω. 2.- Se armó el circuito tal y como se muestra en la siguiente figura y luego se regulo la fuente para que entregue 6 V.

Ilustración 18. Circuito formado con el voltímetro y el Amperímetro

3.- Se giró el cursor del reóstato al fin de que el voltaje medido sea nulo. 4.- Se conectó los puntos “a” y “b” a la lámpara (foco: E1) a fin de averiguar el comportamiento de la resistencia de su filamento. 5.- Se varió el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circulaba por el filamento del foco cuando la diferencia de potencial es de 1 V. 6.- Se repitió el paso anterior para 2, 3, 4, 5 y 6 V. 7.- Se repitió los pasos 4 y 5 para la resistencia de carbón (E2).

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8.- Se repitió los pasos 4 y 5 para el diodo (E3) pero teniendo cuidado de no pasar de 0,9 A (se puede quemar). Así se obtuvo los datos de voltaje para corrientes de 0,0; 0,1; 0,2; 0,3; …; 0,9 A.

 Segunda parte: Observación de las curvas características usando el osciloscopio. 9.- Se usó el transformador 220/6 V y se ensamblo el siguiente circuito.

Ilustración 19. Circuito montado con la lámpara

En este caso R es la resistencia conocida de 1 w. Primero se colocó el control 21 del osciloscopio en CHA para poder observar la dependencia respecto del tiempo del voltaje a través de filamento del foco y luego se colocó el control 21 en CHB para observar la dependencia respecto del tiempo de la corriente a través del filamento del foco, claro está que el control 30 estuvo en la posición “hacia afuera”. 10.- Se usó el osciloscopio en el modo XY, es decir, el control 30 en la posición “hacia adentro”, 24 en CHA y 21 en CHB; y el control 16 estuvo en la posición “hacia afuera”. Luego se observó la dependencia I vs V para el filamento del foco.

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11.- Se montó el siguiente circuito para estudiar las curvas características de la resistencia de carbón. En este circuito R es el elemento E2.

Ilustración 20. Circuito montado con la resistencia de carbón.

12.- Se estableció el siguiente circuito para estudiar la curva característica de un diodo de unión (E3).

Ilustración 21. Circuito montado con el diodo

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5. Cálculos y resultados: 5.1. Grafique 𝑰 = 𝒇(𝑻) con los valores obtenidos en los pasos 4, 5,6 y 7. En el procedimiento experimental, se tomaron los datos de la intensidad de corriente eléctrica para diferentes tensiones en diferente elementos resistivos (E1, E2, E3) a temperatura ambiente 5.1.1. A. Datos del filamento del foco (E1). Tensión (V)±𝟎. 𝟎𝟓

Filamento del foco Intensidad de corriente eléctrica (A)±𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟓

0.5 1 1.5 2 2.5 3

0.058 0.082 0.106 0.121 0.140 0.155

Tabla 1.Datos obtenidos en el laboratorio que relaciona la variación de intensidad de corriente eléctrica que se origina al variar la tensión en el filamento del foco.

5.1.2. A. Datos del carbón (E2) Tensión (V)±𝟎. 𝟎𝟓 0.5 1 1.5 2 2.5 3

Carbón Intensidad de corriente eléctrica (A)±𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟓 0.005 0.011 0.016 0.021 0.027 0.032

Tabla 2. Datos obtenidos en el laboratorio que relaciona la variación de intensidad de corriente eléctrica que se origina al variar la tensión en la resistencia de carbón.

5.1.3. A. Datos del diodo (E3) Diodo Tensión (V)±𝟎. 𝟎𝟓

Intensidad de corriente eléctrica (A)±𝟎. 𝟎𝟎𝟎𝟓 0.001 0.022 0.05 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

0.4 0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.7 0.7

Tabla 3. Datos obtenidos en el laboratorio que relaciona la variación de la intensidad de corriente eléctrica que se origina al variar la tensión en la resistencia de carbón.

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5.1.1. B. Gráfica del filamento del foco:

Ilustración 22. Gráfica Intensidad vs Voltaje obtenida del filamento del foco.

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5.1.2. B. Gráfica de la resistencia de carbón:la resistencia de carbón.

Ilustración 23. Gráfica Intensidad vs Tensión obtenida de la resistencia de carbón.

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5.1.3. B. Gráfica del Diodo:

Ilustración 24. Gráfica Intensidad vs Tensión obtenida del diodo.

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5.2. ¿En cuál de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuales no? Explique su respuesta. La ley de Ohm establece que la corriente eléctrica varía directamente proporcional a la variación de la tensión en el elemento resistivo. La gráfica que relaciona la intensidad con la tensión es una recta. En la gráficas 5.1.1. B, 5.1.2.B, 5.1.3.C se observa que solo los elementos E 1 y E2 tienen un comportamiento lineal. En el caso de E3, la relación es una exponencial. En conclusión, los elementos que cumplen la ley de Ohm son el filamento del foco y la resistencia de carbón. 5.3. Para una diferencia de 0.8 voltio. Halle las resistencias de los tres elementos. Se nota que en el caso del filamento del foco y del carbón la resistencia obtenida será constante para cualquier diferencia de potencial ya que la gráfica I vs V es una recta, pero en el caso del diodo si se tendrá una resistencia dependiente del voltaje. 5.3.1 Resistencia del filamento del foco 𝐼 = 𝑓(𝑉) = 0.0385𝑇 + 0.0429

Despejando T, se obtiene 25.97𝐼 − 1.114 = 𝑇 Derivando T respecto a I para obtener la pendiente (Resistencia) 𝑑𝑇 𝑑𝐼

= 𝑅 = 25.97 Ω

5.3.2 Resistencia del carbón 𝐼 = 𝑓(𝑉)=0.0107𝑇 + 0.0429

Despejando T, se obtiene 93.45𝐼 + 0.0093 = 𝑇 Derivando T respecto a I para obtener la pendiente (Resistencia) 𝑑𝑇 = 93.45𝛺 𝑑𝐼 5.3.3 Resistencia del diodo 𝐼 = 𝑓(𝑉) = 16.627𝑇 10.176 1

Derivando I respecto a T para obtener la inversa de la resistencia (𝑅).

𝑑𝐼 1 = 169.12512. 𝑇 9.176 = 𝑑𝑇 𝑅

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Entonces para un voltaje de 0.8V la resistencia será: 𝑅 = 0.0458𝛺

5.4. 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 obtenido ¨manualmente¨ usando el voltímetro y amperímetro. En el osciloscopio, las curvas lineales se mostraban para los elementos resistivos E1 y E2. Se sabe que estos elementos cumplen la ley de Ohm. Por lo tanto, la resistencia será constante. Se halla la resistencia de E1 y E2 como la pendiente de la función 𝑇 = 𝑓(𝐼). Se ha obtenido mediante ajuste de curva la función 𝐼 = 𝑓(𝑇) en el apartado 5.1. Por lo cual podemos hallar su función inversa y derivarla para obtener la resistencia del material óhmico. 5.4.1. Resistencia del filamento del foco: 𝐼 = 𝑓(𝑉) = 0.0385𝑇 + 0.0429 Despejando T, se obtiene 25.97𝐼 − 1.114 = 𝑇 Derivando T respecto a I para obtener la pendiente (Resistencia) 𝑑𝑇 𝑑𝐼

= 𝑅 = 25.97 Ω

5.4.2. Resistencia de la resistencia de carbono: 𝐼 = 𝑓(𝑉)=0.0107𝑇 + 0.0429

Despejando T, se obtiene 93.45𝐼 + 0.0093 = 𝑇 Derivando T respecto a I para obtener la pendiente (Resistencia) 𝑑𝑇 = 93.45𝛺 𝑑𝐼 5.4. En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crítico a partir del cual comienza a conducir. ¿Cuál es ese valor? Según los datos obtenidos para el diodo se nota que si presenta un voltaje crítico, el cual es 0.4V, ya que desde ahí empieza a conducir una corriente de aproximadamente 0.001A.

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6. Conclusiones: 

Las gráficas Intensidad vs Tensión se encuentran en el apartado 5.1 y las curvas características del osciloscopio en el aparatado 8



Se puede concluir que el diodo no es un material óhmico ya que su curva I vs T no es lineal, por lo tanto su resistencia varia conforme varía su voltaje(o intensidad de corriente).



El carbón y el foco son materiales óhmicos por lo tanto su resistencia es constante.



Se concluye que el diodo tiene un voltaje mínimo requerido para dejar pasar la corriente eléctrica y este llega hasta un máximo en el cual la intensidad varía inversamente proporcional a la resistencia.

7. Sugerencias:  Se recomienda no usar el reóstato por mucho tiempo, ya que esta resistencia puede efectuar el efecto joule y esto haría que se emita calor (perdida de energía).

 Armar correctamente el circuito y tener cuidado de no trabajar con valores de intensidad y voltaje no permitido (Por ejemplo el diodo se quema si es que la intensidad es mayor a 0.9A).

 Se recomienda usar un voltímetro digital ya que no pierde tanto su calibración de fábrica por el constante uso a comparación del voltímetro analógico.

8. Observaciones: 

Se observa que no es posible hallar la resistencia con la gráfica que se muestra en el osciloscopio. Ya que no se cuenta con el rango de amperios por división en el eje Y. Solo es posible conocer la curva características de los diferentes dispositivos electrónicos. Se mostraran las curvas características de los elementos resistivos:

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E1

Ilustración 25. Curva característica del filamento del foco.

E2

Ilustración 26. Curva característica de la resistencia de carbón.

E3

Ilustración 27. Curva características del diodo.

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9. Bibliografía: Searz Zemansky. (2009). Física Universitaria Vol2. (2017). Reóstato. 08/06/2017, de EcuRed Sitio web: https://www.ecured.cu/ (2016). Voltímetro analógico y digital, características y definición. 08/06/2017, de electrónica.org Sitio web: https://ingenieriaelectronica.org -Experimento 30.En Manual de Laboratorio de Física General (116-119).

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LABORATORIO N°3 VOLTAJE-CORRIENTE

CURSO: FÍSICA III SECCIÓN: N APELLIDOS Y NOMBRES: ----------------------------------------- Cama Raymundo, Jesús Josemaría ----------------------------------------- Medina Roldán, Néstor Alonso ----------------------------------------- Espinoza Cordero, Pedro ----------------------------------------- Vidal Cabanillas, Jhan Piers Alexis ----------------------------------------- Romero Lima, Johan