Laboratorio física

Contenido

1. INTRODUCCIÓN 2

2. MARCO TEÓRICO 3

3. OBJETIVOS 9

4. MATERIALES 10

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 11

6. CÁLCULOS Y RESULTADOS 12

8. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES 20

9. CONCLUSIONES 21

10. BIBLIOGRAFIA 22

1. INTRODUCCIÓN

En el laboratorio podemos demostrar la validez de cualquier fenómeno, en esta ocasión buscamos analizar el comportamiento de la corriente y el voltaje en diferentes circuitos, demostrando así las distintas leyes que existen a partir de ello.

A partir de las mediciones realizadas del voltaje y corriente se deducen gráficas características de cada elemento electrónico como el condensador, la resistencia, el diodo.

La correcta interpretación de estas gráficas es esencial para comprender mejor los fenómenos eléctricos que se encuentran, tanto en medios habituales, como en medios profesionales.

Los autores. 

2. MARCO TEÓRICO

MARCO TEORICO

- VOLTAJE

La tensión eléctrica o diferencia de potencial, también denominada voltaje; es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. También se puede definir como el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula cargada para moverla entre dos posiciones determinadas. Se puede medir con un voltímetro.

La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

Si dos puntos que tienen una diferencia de potencial se unen mediante un conductor, se producirá un flujo de electrones. Parte de la carga que crea el punto de mayor potencial se trasladará a través del conductor al punto de menor potencial y, en ausencia de una fuente externa (generador), esta corriente cesará cuando ambos puntos igualen su potencial eléctrico. Este traslado de cargas es lo que se conoce como corriente eléctrica.

- CORRIENTE ELÉCTRICA

La corriente eléctrica está definida por convenio en dirección contraria al desplazamiento de los electrones.

La corriente o intensidad eléctrica es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de los electrones en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

- CONDUCCIÓN ELÉCTRICA

Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado.

Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es:

Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es:

Una característica de los electrones libres es que, incluso sin aplicarles un campo eléctrico desde afuera, se mueven a través del objeto de forma aleatoria debido a la energía calórica. En el caso de que no hayan aplicado ningún campo eléctrico, cumplen con la regla de que la media de estos movimientos aleatorios dentro del objeto es igual a cero. Esto es: dado un plano irreal trazado a través del objeto, si sumamos las cargas (electrones) que atraviesan dicho plano en un sentido, y sustraemos las cargas que lo recorren en sentido inverso, estas cantidades se anulan.

Cuando se aplica una fuente de tensión externa (como, por ejemplo, una batería) a los extremos de un material conductor, se está aplicando un campo eléctrico sobre los electrones libres. Este campo provoca el movimiento de los mismos en dirección al terminal positivo del material (los electrones son atraídos por el terminal positivo y rechazados por el negativo). Es decir, los electrones libres son los portadores de la corriente eléctrica en los materiales conductores.

Si la intensidad es constante en el tiempo, se dice que la corriente es continua; en caso contrario, se llama variable. Si no se produce almacenamiento ni disminución de carga en ningún punto del conductor, la corriente es estacionaria.

Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor.

El valor I de la intensidad instantánea será:

Si la intensidad permanece constante, en cuyo caso se denota Im, utilizando incrementos finitos de tiempo se puede definir como:

Si la intensidad es variable la fórmula anterior da el valor medio de la intensidad en el intervalo de tiempo considerado.

Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente es igual a la tensión (o voltaje) dividido por la resistencia que oponen los cuerpos:

- LEY DE OHM

La ley de Ohm dice que la intensidad que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la conductancia eléctrica, que es lo contrario a la resistencia eléctrica.

La intensidad de corriente que circula por un circuito dado, es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo.

La ecuación matemática que describe esta relación es:

Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.

Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm.

Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente . También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura.

- EL DIODO

Los diodos se caracterizan por tener una relación no lineal entre la corriente y la diferencia de potencial entre sus extremos. Tienen amplia aplicación en los circuitos electrónicos prácticos.

El término diodo proviene del hecho de que los rectificadores tienen dos terminales activos, o electrodos. El rectificador es no lineal por dejar pasar una corriente más intensa para una polaridad de la tensión aplicada que para la polaridad opuesta. En efecto, un rectificador ideal tiene una resistencia nula en un sentido y resistencia infinita en el opuesto, según indica la Figura 1.

Si se intercala un rectificador con un circuito de C.A., la intensidad de la corriente será nula mientras la polaridad de la tensión aplicada al rectificador tenga el sentido opuesto al favorable. Por tanto, sólo circulará corriente en un sentido y se dice que se ha rectificado la corriente alterna.

Una de las principales aplicaciones de los rectificadores la constituyen los circuitos de alimentación de potencia que convierten las tensiones alternas de línea en continua, adecuada para el funcionamiento de los dispositivos eléctricos y electrónicos. En la alimentación de potencia se emplean corrientemente dos tipos de rectificadores: el de diodo de vacío y el de diodo de unión semiconductor. A causa de sus muchas ventajas, el diodo de unión es el más utilizado en la mayoría de los dispositivos en la actualidad.

Figura 1: Gráfica de intensidad-tensión característica.

3. OBJETIVOS

 Aprender a manejar correctamente el voltímetro y amperímetro para obtener valores cada vez más exactos.

 Aprender a armar circuitos en forma real.

 Interpretar los fenómenos eléctricos a través de las gráficas mostradas por los instrumentos.

 Observar las características de los elementos al pasar por ellos una determinada cantidad de corriente.

 Manejar voltímetros y reóstatos para analizar el comportamiento de la corriente.

4. MATERIALES

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Primera parte:

Determinación de las curvas usando voltímetro y amperímetro.

• Identifique en la caja de cinco elementos, los elementos incógnita cuyas características nos proponemos investigar: E1, E2 y E3. Observe también que hay una resistencia de 1 Ω y una de 100 Ω. En esta primera parte se usarán solo E1, E2 y E3.

• Arme el circuito como se muestra en la figura y regulando la fuente para que entregue 6V.

• Gire el cursor del potenciómetro a fin de que la tensión de salida sea nula.

• Conecte los puntos “a” y “b” a la lámpara (E1) a fin de averiguar el comportamiento de la resistencia de su filamento.

• Varíe el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circula por el filamento del foquito cuando la diferencia de potencial es de 1 voltio. Sugerencia: Emplear una escala de 5 o 6V. (EN EL VOLTIMETRO)

• Repita el paso anterior para 2, 3, 4, 5 y 6V.

• Repita los pasos 4y 5 para la resistencia de carbón (E2).

• Repita los pasos 4 y 5 para el diodo (E3) pero teniendo cuidado de no pasar de 0,9 A (SE QUEMA). Obtenga los datos de voltaje para corrientes de 0,0 ; 0,1 ; 0,2 ; ….; 0,9 A.

6. CÁLCULOS Y RESULTADOS

CALCULOS Y RESULTADOS:

Resistencia:

• Foco 1.8

• Carbón 47.1

• Diodo 0.504

• Cerámica 100.5

• Tubo 51.1

Voltaje:

Voltímetro En la fuente

En fuente 5.11 V 5 V

Tomando el esquema:

 Foco:

Voltaje Corriente Observación

1 V 0.16 A Si prende: casi nada

2 V 0.22 A Si prende: poco

3 V 0.27 A Si prende: intenso

4 V 0.31 A Si prende: muy intenso

 Resistencia 1:

Voltaje Corriente

1 V 0.02 A

2 V 0.04 A

3 V 0.06 A

4 V 0.08 A

 Diodo:

Voltaje Corriente

0.5 V 0.01 A

0.6 V 0.05 A

0.7 V 0.27 A

0.8 V 0.90 A

 Cerámica :

Voltaje Corriente

1 V 0.01 A

2 V 0.02 A

3 V 0.03 A

4 V 0.04 A

 Resistencia 2:

Voltaje Corriente

1 V 0.01 A

2 V 0.03 A

3 V 0.05 A

4 V 0.07 A

CUESTIONARIO

1. ¿En cuál de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuáles no? Explique su respuesta.

El material que cumple con la “Ley de Ohm” es la cerámica por que es la única donde se cumple que su grafica V vs. I es lineal, es decir que su resistencia es independiente del voltaje aplicado

2. Para una diferencia de 0.8 voltios, halle las resistencias de los tres elementos.

• A continuación se presentan las ecuaciones características obtenidas para cada resistencia:

Resistencia: FOCO I = 1.8458V0.5131 (No cumple La ley de Ohm)

Resistencia: RESISTENCIA 1 I = 2.6464V + 0.3632 (Cumple La ley de Ohm)

Resistencia: DIODO I = 0.00006e15.611V (No cumple La ley de Ohm)

Resistencia: CERÁMICA = 0.0697V + 0.0347 (Cumple La ley de Ohm)

Resistencia: RESISTENCIA2 I = 0.2216V – 0.0275 (Cumple La ley de Ohm)

Nota: El que estas curvas no sean iguales a las estudiadas en libros, esto es comprensible, ya que un experimento siempre esta expuesto a errores que los estudiantes puedan cometer o por los mismos instrumentos que también introducen errores.

Sabemos que: V = I.R entonces:

Entonces tenemos:

FOCO:

I = 1.8458V0.5131 ; Si V = 0.8 volt. ; I = 1.6461 A. => R = 0.4860Ω

RESISTENCIA 1:

I = 2.6464V + 0.3632 ; Si V = 0.8 volt. ; I = 2.4803 A. => R = 0.3225Ω

DIODO:

I = 0.00006e15.611V ; Si V = 0.8 volt. ; I = 15.9209 A => R = 0.0502Ω

CERÁMICA:

I = 0.0697V + 0.0347 ; Si V = 0.8 volt. ; I = 0.0899 A. => R = 8.8988Ω

RESISTENCIA 2:

I = 0.2216V – 0.0275 ; Si V = 0.8 volt. ; I = 0.1498 A. => R = 5.3405Ω

2.- ¿En cuál de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cuáles no? Explique su respuesta.

De acuerdo con los datos obtenidos en el laboratorio y realizando las gráficas respectivas intensidad-voltaje podemos notar que solo la curva de resistencia se aproxima a la de una recta; por lo tanto es la única que cumple con la ley de OHM según la relación V = I x R, mientras que la curva del diodo presenta una tendencia no lineal.

5.- En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crítico a partir del cual comienza a conducir. ¿Cuál es ese valor?

Un diodo es un dispositivo que permite el paso de la corriente eléctrica en una única dirección. 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 muy pequeña resistencia eléctrica Debido a este comportamiento, se les suele denominarrectificadores, ya que son dispositivos capaces de convertir una corriente alterna en corriente continua

Viendo la figura donde muestra la curva para un diodo de silicio con polarización directa. La gráfica nos indica, en primer lugar, que la corriente es pequeña para las primeras décimas de voltio. A medida que nos acercamos a 0,7 V, los electrones libres comienzan a cruzar la unión en grandes cantidades. Para tensiones mayores de 0,7 V, el menor incremento en la tensión del diodo produce un gran aumento en la corriente. La tensión para la que la corriente empieza a aumentar rápidamente se llama tensión umbral del diodo. Para un diodo de silicio, la tensión umbral puede aproximarse a la barrera de potencial, aproximadamente 0,7 V. Un diodo de germanio, por otra parte, tiene una tensión umbral de aproximadamente 0,3 V.

Un diodo es un dispositivo no lineal. Por debajo de 0,7 V, por el diodo circula muy poca corriente. Por encima de los 0,7 V, la corriente aumenta rápidamente. Este efecto es muy diferente al que se da en una resistencia en la que la corriente aumenta en proporción directa a la tensión

8. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

 Se recomienda comprobar el correcto funcionamiento de los cables de conexión antes de comenzar a trabajar.

 En caso de la cerámica y el foco estos pueden variar la resistencia del reóstato y se puede encontrar la corriente para cada voltaje mientras que para el diodo hay que tener mucho cuidado de que la corriente no sea mayor a la indicada en el laboratorio ya que si no esta se puede quemar.

 Podemos observar que la corriente es prácticamente DP al voltaje en las gráficas de resistencias.

 El reóstato como una resistencia variable (es por ello que controla la diferencia de potencial de salida) se calienta y emite calor al exterior debido al efecto joule es por ello que se recomienda no utilizar este circuito por largos periodos.

 Se observa que a medida que el voltaje de la fuente aumenta, la gráfica parece ser más precisa que cuando se disminuye.

 Se recomienda confirmar las medidas de resistencia y capacitancia de los instrumentos, siempre hay un índice de error.

9. CONCLUSIONES

 Las resistencias y el foco son materiales óhmicos debido a que la curva voltaje- corriente eléctrica es una recta en todos estos lo que significa que cumplen la ley de Ohm.

 El diodo es un material no óhmico, ya que su grafica característica de voltaje – corriente es una curva exponencial, es decir, no cumple con la ley de Ohm.

 El diodo rectifica la corriente y solo permite su paso en un solo sentido.

 La variación de la temperatura puede variar la resistencia de cualquier conductor.

10. BIBLIOGRAFIA

• Sears Zemansky -Young Freedman – Física Universitaria Vol. 2 – Pág. 942, 958 – undécima edición – Pearson educación, Inc. 2004.

• Searway capítulo 27: Model for Electrical Conductor.

• Sears Zemansky 12va edición. Capítulo 25: corriente, resistencia y fuerza electromotriz.

• Física 6ta edición Capítulo 27: Current and resistance.

• Naveros Leyva-Electrostatica y Electromagnetismo Pag.-260-261 editorial Moshera

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