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"Fundamentos de Electricidad y Magnetismo" Laboratorio 2. Caracterización de los Elementos de un Circuito. Norida Joya Ramírez Cód. 273438 Nataly Cubides Zúñiga Cód. 273431 Andrés Antonio Barrera Cód. 273459 Israel Ricardo Bernal Cód. 261613 Resumen. El voltaje, la corriente y la resistencia eléctrica son los parámetros básicos de todo circuito eléctrico y electrónico. La manipulación de estos parámetros de manera controlada nos permite utilizar dichos circuitos para la caracterización experimental de los diferentes elementos que usamos en el laboratorio, (resistencias y bombillo) para el entendimiento optimo de su comportamiento. Para ello utilizamos diferentes circuitos dispuestos de tal manera que se viera su comportamiento al introducir elementos de medición y variar la carga entregada por la fuente. 1 Marco Teórico 1.1 Corriente La corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas. En un conductor sólido son los electrones los que transportan la carga. En los fluidos, el flujo de carga eléctrica puede deberse tanto a los electrones como a los iones positivos y negativos. La cantidad de corriente que fluye por un circuito depende del voltaje suministrado por la fuente, pero además depende de la resistencia que opone el conductor al flujo de carga, es decir, la resistencia eléctrica1. 1.2 Resistencia La resistencia R de un conductor y es proporcional a su longitud l e inversamente proporcional al área de su sección transversal S: La constante de proporcionalidad se denomina resistividad del material, que depende del material con que está fabricado el conductor y de la temperatura (de aquí se deduce que R también depende de la temperatura). Separar la dependencia de la resistencia en las dimensiones y en el tipo de material de un conductor es útil para el cálculo de resistencias. A la inversa de la resistividad se denomina conductividad : 1.3 Ley de Ohm Ohm realizó experiencias sobre la capacidad de los metales para conducir electricidad. En 1826 presentó sus resultados resumidos en una ley, la Ley de Ohm, que expresa que la corriente que 1 P. G. Hewitt, Física conceptual, Addison Wesley– Longman, segunda edición, 1998. fluye a través de un conductor metálico a temperatura constante es proporcional a la diferencia de potencial que hay entre los extremos del conductor. A la relación entre la diferencia de potencial aplicada en los extremos de un conductor y la corriente que atraviesa ese conductor suele denominarse característica voltaje-corriente (V-I) del material. Ohm encontró experimentalmente que para un dado conductor metálico esta relación es proporcional, es decir, cuando, se duplica o se triplica la diferencia de potencial, se duplica o se triplica la corriente, respectivamente. La constante de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente es la resistencia eléctrica R. La mayor o menor resistencia de un conductor es la mayor o menor dificultad que opone al paso de la corriente. Y así tendremos buenos y malos conductores de la corriente en función de que tengan baja o alta resistencia, respectivamente. Obviamente, los aislantes (no conducen la corriente) tendrán una resistencia altísima.2 Si se representa la resistencia del conductor con el símbolo R, la diferencia de potencial en los extremos del conductor con V, y la corriente que circula por él con I, la ley de Ohm puede formularse como: La unidad de resistencia eléctrica es el Ohm, simbolizado por la letra griega Ω (omega). El Ohm es una resistencia tal del conductor que cuando se aplica una diferencia de potencial de 1 Volt a sus extremos, hay un flujo de una corriente de 1 Amper. La diferencia de potencial que existe entre los extremos del conductor surge de la fuerza electromotriz de la fuente de electricidad, que puede ser una pila o una batería. Si una corriente pequeña fluye en el conductor, entonces éste debe oponer una 2 L. E. Folivi y A. Godman, Física, Voluntad–Logman, segunda edición, 1977. gran resistencia al paso de la corriente. Y análogamente, una resistencia pequeña produce una corriente grande para una misma diferencia de potencial. 2.3 Caracterización de una Resistencia Óhmica. Los materiales que verifican la ley de Ohm, es decir, aquellos en donde la intensidad es proporcional a la diferencia de potencial entre sus extremos, se denominan materiales óhmicos. Aquellos en los que la intensidad no depende linealmente de la diferencia de potencial entre los extremos se llaman materiales no óhmicos. ri R V ε fem A Fig. 3. Montaje del circuito para la caracterización de una resistencia óhmica. Caracterización de la resistencia de 10kΩ 2 Datos Experimentales 2.1 Medición de Voltajes. ri R V ε fem Fig. 1. Montaje del circuito para la medición de voltaje. No 1 2 3 4 5 V. fuente 2.03 5.03 8.02 10 15 V. voltímetro* 2±0.005 5±0.005 8±0.005 10±0.005 15±0.005 Tabla. 3. Datos del montaje de la fig. 3, tomados en el laboratorio.* Amperímetro en la escala de 50mA y el Voltímetro en la escala de 15V. Tabla. 1. Datos del montaje de la fig. 1, tomados en el laboratorio.*Voltímetro en la escala de 15V. Caracterización de la resistencia de 5kΩ 2.2 Medición de Corrientes. I ri ε fem R A Fig. 2. Montaje del circuito para la medición de corriente. No 1 2 3 4 5 V. fuente 3 4 5.07 6.04 7 Tabla. 4. Datos del montaje de la fig. 3, tomados en el laboratorio.* Amperímetro en la escala de 50mA y el Voltímetro en la escala de 15V. I. amperímetro* 0.5 0.7 0.9 1 1.2 Caracterización de la resistencia de 690Ω Tabla. 2. Datos del montaje de la fig. 2, tomados en el laboratorio.* Amperímetro en la escala de 50mA. 2 Tabla. 5. Datos del montaje de la fig. 3, tomados en el laboratorio.* Amperímetro en la escala de 50mA y el Voltímetro en la escala de 15V. 2.3 Caracterización del Bombillo. R ri V ε fem A Fig. 4. Montaje del circuito para la caracterización de un bombillo. Tabla. 6. Datos del montaje de la fig. 3, tomados en el laboratorio.* Amperímetro en la escala de 50mA y el Voltímetro en la escala de 15V. 3 Análisis En la primera parte de la practica se usaron los montajes de las figuras 1 y 2 para la medición de corrientes y voltajes tabla 1 y 2 con las diferentes escalas que nos proporcionan el voltímetro y el amperímetro estos muestra que las mediciones hechas en la escala mas baja de los componentes de medición los datos registrados son mas exactos que cuando se encontraban en una escala mayor. Para la caracterización de las resistencias óhmicas se implemento el circuito de la figura 3, con tres diferentes resistencias (10kΩ, 5kΩ y 690Ω) esto con el fin de ver su comportamiento I vs V (grafica 1, 2 y 3) Para la medición de Corriente se usaron dos configuraciones diferentes una con el voltímetro puesto en el circuito y la otra sin el (tablas 3, 4 y 5), al hacer las mediciones se ve claramente un cambio en los datos que se registran, esto se debe a que el voltímetro tiene una resistencia interna que en su forma de medir queda en paralelo con la resistencia que se busca caracterizar causando una división de corriente, por esto al graficar I vs V con los datos de corriente con y sin voltímetro varían en su pendiente.(ver graficas 1, 2 y 3) esta pendiente de las rectas de corriente vs tensión indican el valor óhmico de la resistencia las cuales a cualquier temperatura dentro de un rango bastante limitado de operación mantienen una resistencia constante por ello su grafica corriente vs tensión es una recta. Para la ultima parte de la practica se busca ver el comportamiento no Óhmico de una resistencia para lo cual se uso el montaje de la figura 4. Se tomaron los datos al igual que las resistencias óhmicas y se registro en la tabla 6. El filamento del bombillo contrario al comportamiento de las resistencias óhmicas su temperatura de operación es extremadamente alta, debido a esto el incremento en su resistencia es muy marcado, la grafica de Corriente vs voltaje (grafica 4 )tiene una curvatura bastante pronunciada lo que la hace comportarse en una forma no-óhmica 3 Conclusiones Por medio de un circuito sencillo y sus componentes se aprende a medir la Corriente eléctrica que fluye sobre este y la diferencia de potencial gracias al amperímetro y voltímetro respectivamente, podemos ver el comportamiento y la relación de la intensidad de corriente y del voltaje con diferentes mediciones atreves de diversas cargas proporcionadas por la fuente. En esta práctica hemos visto que se cumple la ley de Ohm, ya que la cantidad de corriente que fluía por el circuito es directamente proporcional a la intensidad de corriente que pasa e inversamente proporcional a la resistencia total del circuito. Por esto en la gráfica nos sale una línea recta. También hemos visto que a mayor voltaje más se ilumina la bombilla, y más se calentaría la resistencia, ya que la intensidad es mayor. Referencias [1] P. G. Hewitt, Física conceptual, Addison Wesley–Longman, segunda edición, 1998. [2] L. E. Folivi y A. Godman, Física, Voluntad– Logman, segunda edición, 1977. Grafica. 1. Grafica característica de una resistencia óhmica de 10kΩ Grafica. 2. Grafica característica de una resistencia óhmica de 5kΩ 4 Grafica. 3. Grafica característica de una resistencia óhmica de 690Ω Grafica. 4. Grafica característica de una resistencia no óhmica