Laboratorio No.4

Septiembre 14, 2009 Código: FIS-1033-03 Laboratorio de Física Electricidad

Corriente Eléctrica, Resistencia y Fuerza Electromotriz Michel De La Rosa Porras Email: [email protected] Ingeniería Industrial

Andrea Donado Olmos Email: [email protected] Ingeniería Industrial

Abstract In this work we intend to establish the empirical relationship between voltage, current and resistance. And identify when a material obeys the law of ohm (ohmic material) or when it isn’t satisfied (no ohmic material).

Resumen En el presente trabajo pretendemos establecer la relación empírica entre el voltaje, corriente y resistencia. Así como identificar cuando un material cumple la ley de ohm (material óhmico) o cuando no la cumple (material no óhmico).

1 INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS La resistencia es la oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica a través de él. Su descubrimiento data desde el sigo XIX, cuando el físico Georg Simon Ohm, publica los resultados de sus experimentos con materiales conductores, estableciendo que la relación entre el voltaje y la corriente era constante, llamando a esta constante, resistencia. La Ley de Ohm, fue publicada en 1827 y desde entonces tiene validez hasta nuestros días. Es por eso que en este laboratorio a través del montaje de un circuito queremos verificar como es el comportamiento del voltaje con relación a la corriente dentro de un diodo o una resistencia eléctrica, con el fin de verificar para cual de los materiales se cumple la Ley de Ohm. Así mismo pretendemos analizar el comportamiento del voltaje, la corriente y la resistencia cuando éstas se conectan de forma paralela o en serie.

2 MARCO TEORICO Para el siguiente informe se necesitará tener claro los siguientes conceptos:

a) Resistor:

se conoce como resistor al componente electrónico diseñado para introducir una resistencia eléctrica determinada entre dos puntos de un circuito. En otros casos, como en las planchas, calentadores, etc., las resistencias se emplean para producir calor aprovechando el efecto Joule. Es un material formado por carbón y otros elementos resistivos para disminuir la corriente que pasa, se opone al paso de la corriente, la corriente máxima en un resistor viene condicionado por la máxima potencia que puede disipar su cuerpo. Esta potencia se puede identificar visualmente a partir del diámetro sin que sea necesaria otra indicación. Los valores más comunes son 0,25 W, 0,5 W y 1 W. Símbolos:

b) Código de Colores Para el Resistor: Para caracterizar un resistor hacen falta tres valores: resistencia eléctrica, disipación máxima y precisión o tolerancia. Estos valores se indican normalmente en el encapsulado dependiendo del tipo de éste; para el tipo de encapsulado axial, el que se observa en las fotografías, dichos valores van rotulados con un código de franjas de colores. Estos valores se indican con un conjunto de rayas de colores sobre el cuerpo del elemento. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia (precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras indican las cifras significativas del valor de la resistencia. El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohmios (Ω). El coeficiente de temperatura únicamente se aplica en resistencias de alta precisión o tolerancia menor del 1%).

Valor de la 1°cifra significativa

Valor de la 2°cifra significativa

Multiplica Toleran dor cia

Negro

-

0

1

Marrón

1

1

10

±1%

Rojo

2

2

100

±2%

Naranja

3

3

1 000

Amarillo

4

4

10 000

Verde

5

5

100 000

Azul

6

6

Violeta

7

7

-

±0,1%

Gris

8

8

-

-

Blanco

9

9

-

-

Dorado

-

-

0,1

±5%

Plateado

-

-

0,01

±10%

Ninguno

-

-

-

±20%

Color de la banda

-

4% ±0,5%

1 000 000 ±0,25%

c) Resistencia eléctrica: simbolizada habitualmente como R, a la dificultad u oposición que presenta un cuerpo al paso de una corriente eléctrica para circular a través de él. En el Sistema Internacional de Unidades, su valor se expresa en ohmios, que se designa con la letra griega omega mayúscula, Ω. Para su medida existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmímetro. Esta definición es válida para la corriente continua y para la corriente alterna cuando se trate de elementos resistivos puros, esto es, sin componente inductiva ni capacitiva. De existir estos componentes reactivos, la oposición presentada a la circulación de corriente recibe el nombre de impedancia. d) Factores de los cuales depende la resistencia: En los materiales conductores metálicos, que son los utilizados habitualmente, la resistencia es lineal y depende de varios factores. Uno son las dimensiones: La resistencia aumenta con la longitud del conductor y disminuye al aumentar su grosor. Otro factor es la resistencia específica, a la que llamaremos resistividad, del material y que depende de la estructura más o menos metálica del conductor. El tercer y último factor es la temperatura. En este tipo de conductores la resistencia aumenta con la temperatura.

e) Diodo: Un diodo (del griego: dos caminos) es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección con características similares a un interruptor. De forma simplificada, la curva característica de un diodo (I-V) consta de dos regiones: por debajo de cierta diferencia de potencial, se comporta como un circuito abierto (no conduce), y por encima de ella como un circuito cerrado con una resistencia eléctrica muy pequeña. Debido a este comportamiento, se les suele denominar rectificadores, ya que son dispositivos capaces de suprimir la parte negativa de cualquier señal, como paso inicial para convertir una corriente alterna en corriente continua. Su principio de funcionamiento está basado en los experimentos de Lee De Forest.

Símbolo

f) Ley De Ohm: Esta ley establece que "La intensidad de la corriente eléctrica que circula por un conductor 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: a. I = Intensidad en amperios (A) b. V = Diferencia de potencial en voltios (V) c. 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. g) Circuitos eléctricos resistivos: Se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos, tales como resistores, inductancias, condensadores, fuentes y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente entre sí con el propósito de generar, transportar o modificar señales eléctricas. Por lo tanto un circuito eléctrico resistivo sólo contiene una o varias fuentes y resistores. 1

Circuito eléctrico resistivo con una fuente (E) y varios resistores (R).

3 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL •

Parte A: Resistor de 33 ohmios.

Utilice la fuente de poder (power amplifier) para proporcionar diferentes voltajes a una resistencia de 33 ohmnios. Utilice los sensores de voltaje y de corriente en DataStudio para medir el voltaje registrado en los terminales de la resistencia y la corriente que pasa por ella. Utilice el software para mostrar los datos de voltaje y corriente. Utilice una gráfica de voltaje frente a corriente para determinar el valor de la resistencia. •

Parte B: Diodo rectificador Utilice la fuente de poder (power amplifier) para proporcionar diferentes voltajes a un diodo rectificador. Utilice los sensores de voltaje y de corriente en DataStudio para medir el voltaje y la intensidad de corriente que pasa por el diodo. Utilice el software para mostrar los valores de voltaje intensidad de corriente. Utilice una gráfica de voltaje frente a intensidad de corriente para determinar la relación que existe entre estas dos variables en el diodo.

Resistencia: 1. Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador. 2. Conecte los conectores tipo clavijas en los terminales de salida de la fuente de poder (power amplifier). 3. Arme un circuito eléctrico con la resistencia de 33 ohmios conectada a la fuente de poder, y conecte adecuadamente los sensores de voltaje y corriente. 4. Configure la fuente de poder para una salida de voltaje DC e inicialmente con un valor de 0.0 Voltios. 5. Configure el sensor de voltaje para una toma de muestras lenta (slow >1s). 6. Configure la pantalla adecuadamente para poder observar simultáneamente la gráfica voltaje – corriente (voltaje en el eje y) y al mismo tiempo la ventana “Signal Generator” de manejo de la fuente de poder. 7. Presione “Start” para iniciar la toma de medidas y aumente el voltaje aplicado a la resistencia a una rata de 1 voltio hasta llegar a un máximo de 8 voltios. (No sobrepasar este valor, ya que la fuente de sobre carga en corriente)

Diodo Rectificador

1. Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador. 2. Conecte los conectores tipo clavijas en los terminales de salida de la fuente de poder (power amplifier). 3. Arme un circuito eléctrico con el diodo 1N4001 conectada a la fuente de poder, y conecte adecuadamente los sensores de voltaje y corriente. 4. Configure la fuente de poder para una salida de voltaje DC e inicialmente con un valor de 0.0 Voltios. 5. Configure el sensor de voltaje para una toma de muestras lenta (slow >1s). 6. Configure la pantalla adecuadamente para poder observar simultáneamente la gráfica voltaje – corriente y la ventana “Signal Generator” de manejo de la fuente de poder. 7. Presione “Start” para iniciar la toma de medidas y aumente el voltaje aplicado a la resistencia a una rata de 0.1 voltio hasta llegar a un máximo de 3 voltios.

Esquema eléctrico

Esquema de montaje

4.2. Calibración del sensor y montaje del equipo • Montaje del equipo Resistencia

1.

Monte la resistencia de 33ohmios en los conectores resortados junto a los terminales en la esquina inferior derecha de la placa electrónica de laboratorio AC/DC (EM8656).

2.

Conecte los conectores tipo clavijas a la salida de la fuente de poder a los conectores para voltaje correspondientes de la placa electrónica de laboratorio AC/DC.

• Montaje del equipo – Diodo

1. Arme el montaje mostrado en la figura. El circuito está compuesto por una resistencia de 33 Ω en serie con el diodo 1N4001 (observe la polaridad del diodo). Conecte el sensor de corriente en serie con el diodo y el sensor de voltaje en paralelo con el diodo.

Esquema eléctrico

Esquema de montaje

4 DATOS OBTENIDOS En cada prueba se obtuvieron diferentes datos, los cuales se registran a continuación:

Material Óhmico (Resistencia) – Material No Óhmico (Diodo) Podemos ver en esta gráfica que la relación entre el voltaje y la corriente es lineal para el caso de la resistencia (línea morada). Por lo tanto partiendo de la Ley de Ohm, el voltaje es directamente proporcional a la corriente. La Pendiente de la gráfica nos representa el valor de la resistencia que para este caso fue de 10Ω. La línea naranja nos representa la relación entre de voltaje y corriente a través del diodo. Podemos ver que en este caso la relación no es lineal y por lo tanto el material no es óhmico. Ahora bien partiendo de la toma de datos del cálculo de la resistencia entre 2 puntos antes de la curva, durante la curva y después de la curva, procedemos a calcular el valor aproximado para la resistencia del diodo. Antes

Durante

de

la

la

curva:

curva:

A

A

(0A,

(0A,

0.381V),

B

(0A,

0.478V).

0.631V),

B(0.02A,

0.707V)

Después

de

la

curva:

A(0.05A,

0.759V),

B(0.06A,

0.767V)

Así que podríamos decir que la resistencia del diodo aproximadamente es:

Material No Óhmico (Bombillo) En este caso vemos que la gráfica no es una línea recta, por lo tanto podemos afirmar que este material no responde a la Ley de Ohm.

Parte 3: Para este caso nos tocó armar un circuito en paralelo con las resistencias, para analizar el comportamiento del voltaje y la corriente en este tipo de cirucuito. El valor de la fuente es de 10V. 100Ω

330Ω

+

-

El valor de las resistencias va de acuerdo al código de colores que tenía cada una de ellas. Como el circuito está en paralelo, entonces el valor de la resistencia equivalente es igual a:

= 76.74

Con el voltímetro medimos el voltaje que pasaba a través de cada una de las resistencias y descubrimos que por cada una, el voltaje que pasaba era de 10V, el cual es el mismo de la fuente. Por lo tanto podemos afirmar que el voltaje cuando el circuito es en paralelo se distribuye uniformemente dentro del circuito. El valor de la corriente dentro de cada una de las resistencias son los siguientes: Podemos afirmar entonces, que la corriente cuando el circuito se encuentra en paralelo se distribuye a medida que pasa por cada resistencia.

5 ANALISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS Pregunta 1: ¿Tienen las resistencias halladas un valor constante? ¿Qué significado físico tiene la pendiente de la recta de linealización? Respuesta 1: Para el caso de la resistencia, los valores hallados tienen un valor constante. Puesto que la gráfica fue una línea recta, cuya pendiente representa el valor de la resistencia del material. Al ser la gráfica una línea recta podemos decir entones que el material es óhmico. Pregunta 2: ¿En qué forma varía la corriente en el diodo cuando el voltaje aplicado aumenta? Respuesta 2: La corriente en el diodo no aumenta de forma lineal, como el diodo es de 7 voltios, la corriente es cero hasta que el voltaje aplicado al diodo llega a 7 voltios, después la corriente empieza a aumentar rápidamente mientras se le suministra voltaje.

Pregunta 3: ¿Qué conclusión puede sacar de estos resultados? ¿Para que elemento se cumple la ley de ohm? Respuesta 3: De lo anterior concluimos que la ley de ohm se cumple para materiales conductores que son de poca complejidad, en los cuales la resistencia no varia con la temperatura. Por el contrario para materiales semiconductores como el diodo, la ley de ohm no se cumple puesto que a determinado voltaje es que se comporta como conductor.

6 CONCLUSION Para concluir, cabe mencionar que, además de poner en practica la ley de Ohm, aprendimos a armar circuitos eléctricos resistivos en serie y en paralelo, en los cuales se midió el voltaje y la corriente, y se identifico que en el circuito en serie el voltaje varia en cada resistencia pero al final la suma de estas caídas de voltaje ocasionadas por las resistencias es igual al voltaje original, y en el circuito en paralelo es la corriente la que varia de igual forma que el voltaje en los circuitos en serie.

7 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Mario Guerra, Juan Correa, Ismael Núñez, Juan Miguel Scaron - Física, Elementos Fundamentales, Campo electromagnético, Campo Gravitatorio; Editorial Reverté, S.A. Castro Castro, Darío A. Física electricidad para estudiantes de ingeniería: notas de clase / Barranquilla: Ediciones Uninorte, 2008. Tipler, Paul A., Física Vol.II, Edición en español, Editorial Reverté S.A. (1984) http://es.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Portada