UNMSM

Curso: Laboratorio de Electricidad y Magnetismo

Tema: Instrumentación y Ley de OHM

Alumnos: Avila Chávez, Jorge Orlando14160002

Miranda Salazar, Henry14190129

Nieto Cerna, Aníbal Jaime12130175

Ramos Cruz, Briggith Arasely14160127

Rayme Fernández, Elvis Rodder12160019

Fecha de entrega: 21 de septiembre de 2015

Índice

I) Resumen …………………………………………………………………………….… 2

II) Introducción …………………………………………………………………………... 2

III) Fundamento teórico .………………………………………………………………... 3

IV) Objetivos ……………………………………………………………………………... 6

V) Materiales …………...………………………………………………………………... 6

VI) Procedimiento ……………………………………………………………………..… 8

VII) Cuestionario ………………………………………………………………………...10

VIII) Conclusiones ……………………………………………………………………... 20

IX) Sugerencias ..………………………………………………………………….….... 20

X) Bibliografía …………………………………………………………………….…….. 21

XI) Apéndice ……………………………………………………………………………. 22

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Resumen

En el presente informe que tiene por título “Curvas características Voltaje-

Corriente” tiene por objetivos: Realizar mediciones de voltaje y corriente a través

de distintos tipos de materiales y obtener curvas características I vs. V. De aquí,

estudiar el tipo de relación entre I y V luego mediante estos datos comprobaremos

la Ley de Ohm. El diseño experimental es el siguiente: se armaron circuitos

eléctricos mediante en los cuales se medía la intensidad de corriente variando el

voltaje y el tipo de material por el cual circulaba la corriente es decir diferentes

tipos de resistencias. Los equipos utilizados fueron la fuente de corriente continua,

el reóstato, el voltímetro, el amperímetro, la caja de cinco elementos y por último el

osciloscopio. Los resultados obtenidos se ajustan casi a los resultados teóricos

pero no son iguales esto se debe a las fallas en el equipo de medición así como el

estado delos resistores y de las conexiones en los cables que a veces fallaban.

Las unidades de medición de la intensidad de corriente es el Amperio(A). Las

conclusiones más importantes son: el diodo no es un material óhmico ya que las

graficas muestran curvas no lineales, el carbón y el foco es un material óhmico y la

curva que muestra es lineal tal como se había visto en la teoría, el diodo rectificala

corriente y solo permite su paso en un solo sentido.

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Introducción

A medida que asimilamos los conceptos de electricidad nos planteamos la

pregunta acerca de cómo podríamos manejarlo a nuestra conveniencia, es a

partir de esto que se estudia los circuitos eléctricos. El estudio de la ley de

Ohm y los circuitos de corriente continua es un excelente método para

aprender a manejar conexiones e instrumentos de medida como el voltímetro,

amperímetro y fuente de alimentación y darse cuenta de que es fácil confundir

una conexión, con lo que la experiencia no funciona. Esto pone de manifiesto

la necesidad de tener un esquema del montaje antes de iniciar cualquier

manipulación.

En este informe nos enfocaremos en la ley de ohm. Por medio del análisis y

preparación de esta práctica los estudiantes deben hacer muchas medidas de

voltaje, intensidad y resistencia, por lo que van a adquirir cierta soltura en el

manejo del polímetro. Así mismo les va a permitir darse cuenta de la

necesidad de tabular todas las medidas realizadas para después hacer su

representación gráfica y la ecuación correspondiente.

Cabe decir también que es de severa importancia realizar este tipo de

experiencias dentro del laboratorio, para así poder poner en práctica aquellos

conceptos teóricos, los cuales nos permiten sacar nuestras propias

conclusiones y repercusiones al respecto. Debido a la existencia de materiales

que dificultan más el paso de la corriente eléctrica que otros, cuando el valor

de la resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere

también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, si la resistencia

aumenta, la corriente disminuye y viceversa, si la resistencia disminuye la

corriente aumenta, siempre y cuando, en ambos casos, el valor de la tensión o

voltaje se mantenga constante. Por otro lado, de acuerdo con la propia Ley, el

valor de la tensión es directamente proporcional a la intensidad de la corriente;

por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye el amperaje de la corriente que

circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre

y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga

constante.

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Objetivos1. Verificar experimentalmente la ley de Ohm

2. Obtener los datos de voltaje y corriente eléctrica en elementos resistivos con el fin de iniciar el estudio de circuitos eléctricos simples.

3. Diseñar y montar circuitos eléctricos con resistencias en Serie, Paralelo.

MaterialesReóstato

Fuente de voltaje de corriente directa

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Voltímetro

Amperimetro

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8. Cables de conexión

Fundamento teóricoCuando se establece un campo eléctrico E en un conductor, las cargas

Q que en un principio se movían aleatoriamente realizan un movimiento neto en una dirección debido a la acción de la fuerza Fe, dada por:

Esto produce un flujo de cargas conocido como corriente eléctrica I, la fuerza Fe hace que las cargas se muevan en la dirección de E si q es positiva y de -E si q es negativa, con una velocidad Vd, llamada velocidad de desplazamiento(alrededor de 10-4m/s).

Entonces vemos que el campo E realiza trabajo al trasladar cargas dentro del conductor. La magnitud de este trabajo es distinta para cada tipo de material y depende de su estructura cristalográfica. En un conductor, estas cargas

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son electrones que en su desplazamiento chocan con los iones del material donde se libera energía. Esto produce el calentamiento del conductor, lo que se denomina Efecto Joule. Para distintos tipos de materiales los portadores de cargas son:

- En conductores: electrones.

- En gases y soluciones iónicas: electrones e iones positivos.

-En semiconductores: espacios libres en la estructura atómica, “vacantes”.

La corriente en un material se puede expresar como:

Donde:

n: Números de portadores de carga por unidad de volumen.

q: Carga unitaria.

Vd : Modulo de la velocidad de desplazamiento.

A: Sección transversal del conductor.Luego se define la densidad de corriente J , como el vector:

Vemos que Vd de pende del valor del campo E , la relación entre J y E

Se expresa como:

Donde p se define como la resistividad del material, En general la resistividad es función de la temperatura y de la geometría del material. La ley de Ohm establece la proporcionalidad directa entre las magnitudes de E y J (Ley de Ohm microscópica) solo para ciertos materiales. Si tomamos la

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sección transversal A de un conductor de longitud L al establecer una diferencia de potencial entre los puntos a y b, entonces

Producto de esto se crea una corriente dada por:

Al reemplazar :

Para todo material se define la resistencia Rcomo la relación:

En la que las cantidades que intervienen se toman expresadas por las unidades practicas respectivas que son la tensión o diferencia de potencial V , en voltios; la intensidad de corriente I en amperios y la resistencia eléctrica Ren ohm uohmios. Se abrevian V ,A,Ω, respectivamente.

Por lo tanto para un material óhmico:

Ya que p, L, A siempre son constantes para este tipo de material, entonces la resistencia siempre es la misma para un material óhmico, de (1.6) este tipo si

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se graficara I .vs V se obtendría una recta de pendiente m=R -1 que pasa por el origen. A la grafica de una función:

Para un cierto material, se le denomina curva característica del material, en general puede haber relaciones más complejas entre I y V como en diodo semiconductor.

Resistores

Son dispositivos electrónicos que poseen un valor específico de resistencia. Según el material del cual están hechos se clasifican en:

a) Resistores de alambre: Reconstruyen enrollando alambre de nicromo alrededor de un núcleo aislante.

b) Resistores de carbón: Se construyen de carbón o de grafito granulado que se encierra en un tubo de plástico endurecido. Además existen resistores que pueden variar el valor de su resistencia, estos se denominan resistencia variable. Según su aplicación en un circuito se denominan:

i) Potenciómetro.- Cuando se conectan en serie en un circuito de tal manera que regule su voltaje.

ii) Reóstato.- Cuando está conectado en paralelo en un circuito de tal manera que regule la corriente que pasa por él. A las sustancias que cumplen con lo dicho anteriormente se les conoce como materiales Óhmicos. A los materiales que no cumplen con la ley de Ohm, se les llama “Conductores no Óhmicos”.

ProcedimientoPara la primera experiencia montar el siguiente circuito.

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En el circuito montado gire el cursor del reóstato afín de que la tensión sea nula.

Varíe el cursor del reóstato para medir la intensidad de corriente que circula por el filamento del foco cuando la diferencia de potencial es de un voltios. Repetir los paso 3, 4 y 5 para la resistencia.

Con el voltímetro, medir la diferencia de potencial entre un punto del electrodo y el punto extremo inferior del electrodo de prueba.

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Comprobación analógica de la ley de OHM

VARIACION DE VOLTAJE Y CORRIENTE MANTENIENDO LA RESISTENCIA CONSTANTE

Tabla 1

R=600Ω

VOLTAJE

(V) 15 14 13 12 11 10 9

INTENSIDAD

(mA) 0.025 0.023 0.021 0.0185 0.0175 0.0165 0.0155

Variación de la corriente y la resistencia manteniendo constante el voltaje

Usando el mismo cursor de la figura 1, observe y anote en la tabla 2 los valores

de corriente cuando cambian los valores de R en la caja de resistencia

conservando constante la diferencia de potencial entre los terminales de la

misma. Para conseguir esto varíe la posición de cursor de reóstato para cada

lectura.

Tabla 2

V=10v

Resistencia

(Ω) 950 900 800 700 600 500 400

Intensidad

(mA) 0.0105 0.0115 0.0125 0.0145 0.0165 0.0195 0.0245

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Variación de la diferencia de potencial y la resistencia mantenimiento

constante la corriente

Arme el circuito de la figura 2 varíe los valores de las resistencias en la caja y

para cada valor observado anote en la tabla 3 los valores del voltaje, conserve

constante un determinado valor de corriente para las distintas lecturas de V y

R, variando la posición del cursor de reóstato.

Tabla 3

I=0.02A

Resistencia

(Ω) 700 600 500 400 300 200 100

Voltaje (V) 18 14.5 11 8.5 6.5 4.4 2.25

Cuestionario1. ¿Cuantas escalas poseen los instrumentos?

o El amperímetro posee 3 escalas (1,5; 3,0 y 15 A)

o El voltímetro posee 3 escalas (1,5; 3,0 y 3,0 V)

Se determinó la mínima y máxima lectura del voltímetro y del

Amperímetro en c/u de sus escalas.

o Amperímetro:

Escala 1,5 A: Lectura mínima 0,001 A, lectura

máxima 1,5 A

Escala 3,0 A: Lectura mínima 0,02 A, lectura

máxima 3,0 A

Escala 15 A: Lectura Mínima 0,1 A, lectura máxima 15

a

o Voltímetro:

Escala 1,5 V: Lectura Mínima 0,025 V, Lectura Máxima

1,5 V

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Escala 3,0 V: Lectura Mínima 0,05 V, lectura Máxima

3,0 V

Escala 30 V. Lectura Mínima 0,5 V, Lectura máxima 30

V

2. Investigue de qué otra manera se determina el valor de una

resistencia. (Sin código de colores).

Método del voltímetro – amperímetro:

Cuando una corriente I circula a través de un conductor cuyos

extremos tienen una diferencia de potencial V, la experiencia

demuestra que

I = V/R

Donde R es la resistencia del conductor. Esta relación es conocida

como Ley de Ohm, y puede ser usada para calcular la resistencia de

un conductor si se conocen sus diferencia de potencial y la corriente.

Puente de Wheatstone:

El esquema del puente de Wheatstone se presenta en la siguiente

figura:

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Donde Rx es la resistencia desconocida y las demás resistencias son

variables y de valor conocido.

Se dice que el puente está equilibrado cuando no pasa corriente por

el galvanómetro. Se comprueba fácilmente que cuando esto ocurre

se tienen la siguiente relación entre las cuatro resistencias del

puente:

Rx = (R3 * R1)/R2

Puente de hilo:

El fundamento del puente de hilo es el mismo que el de puente de

Wheatstone. Para conseguir un ajuse mas fino, se sustituyen las

resistencias R1 y R2 por un hilo resistivo sobre el que podemos

deslizar un cursor conectado al galvanometro. La resistencia del hilo

vienen dada por:

R = ρ (l/s)

Donde ρ es la resistividad del hilo, l la longitud y s la seccion

transversal. Expresando las resistencias de R1 y R2 de esta forma

en la relacion obtenida para el puente de Wheatstone, podemos

obtener:

Rx = R3 (L1/L2)

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Es decir, una vez conseguido el equilibrio del puente, mediante el

cursor movil y, en su caso, la resistencia variable R3, la relacion

anterior nos daria el valor de la resistencia incognita Rx.

3. Grafique en un papel milimetrado e intérprete V versus I, usando

los valores de la tabla 1 determine el valor de la pendiente de la

misma.

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8 9 10 11 12 13 14 15 160

0.005

0.01

0.015

0.02

0.025

0.03

Voltaje(V)

Inte

nsid

ad (A

)

4. Grafique e interprete V versus I, I versus R y V versus R, en papel

milimetrado, y compare los valores encontrados a partir del

análisis del gráfico con los valores de R, I y V de las tablas 1,2 y 3.

Anexado al informe.

5. Considere una lampara que tiene aproximadamente 50.5 Ὠ y por la

cual pasa una corriente de 25 m A ¿Cuál es el voltaje aplicado? ¿Se

cumplira la ley de Ohm?

R. I = (50,5). 25. 10-3 = 1,26 V.

La resistencia de un circuito eléctrico determina la cantidad de

corriente que fluye en él cuando se aplica un determinado voltaje.

La resistencia de un conductor viene dada por una propiedad de la

sustancia que lo compone, conocida como conductividad, por la

longitud y por la superficie transversal del objeto, así como la

temperatura.

Concluyendo, sólo cumplen la Ley de Ohm aquellas resistencias de

materiales cuya resistencia es una constante de proporcionalidad

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entre la diferencia de potencial y la intensidad de la corriente.

Además, esta Ley de Ohm se aplica a todos los circuitos eléctricos,

tanto a los de Corriente Continua como los de Corriente Alterna.

No existe ningún cuerpo que sea conductor perfecto ( ρ = 0 ) ni

aislante perfecto ( ρ = ðð, por lo tanto, cualquier material puede

cumplir la Ley de Ohm, porque aunque la resistencia sea muy alta,

se le puede aplicar más voltaje.

6. Con respecto a la ley de Ohm podemos decir:

i) Se cumple en materiales conductores y semiconductores (V).

ii) La pendiente de la gráfica voltaje vs. Intensidad da como

resultado el valor de la resistencia (V).

iii) Que la ley de matemática que la gobierna es I = V / R y sirve

tanto para corriente continua como alterna (V).

Sugerencia Armar correctamente el circuito eléctrico, asegurándose primero que la fuente de

suministro de energía eléctrica este desconectada.

El amperímetro, el voltímetro, las resistencias y el reóstato son instrumentos muy

sensibles, así que se les debe de usar con sumo cuidado y sabiendo lo que se

hace.

Leer correctamente lo que indican los respectivos instrumentos de medida.

Conclusiones Concluimos que la corriente es inversamente proporcional a la

resistencia, por lo tanto cuando esta aumenta la corriente baja y

viceversa.

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También se pudo concluir que la resistividad eléctrica es

directamente proporcional a la densidad de corriente que fluye por un

cuerpo, debido a que cuanto mayor sea la resistividad, mayor deberá

ser la intensidad de campo eléctrico para tratar de establecer y

mantener una cantidad o flujo de corriente atravesando dicho cuerpo.

La relación dada R = V/I sigue siendo la definición general de la

resistencia de un conductor, independientemente de que si éste

cumple o no con la ley de Ohm.

Se ha demostrado experimentalmente que en todo circuito simple, la

diferencia de potencial V entre dos puntos cualesquiera de un

cuerpo, es proporcional a la corriente que pasa a través de este así

como a la resistencia ejercida por el mismo.

BibliografíaSerway, Raymond A.“Física”, Tomo II, cuarta edición, 1999. Paginas: 773-782.

Alonso, M. y E. Finn, Física, Vol. II, Barcelona: Fondo Educativo Interamericano,

1987.

Khaparde, R. y H.C. Pradhan, An Experiment on Equipotential Curves, en: Physics

Education – India, Vol. XXVII, Núm. 1 (2010).

Tarasov, L. y A. Tarasova, Preguntas y problemas de Física, Moscú: MIR, 1976.

Young H. y R. Freeman, Física universitaria – Sears y Zemansky, Vol. II, México

D.F.: Addison-Wesley, 2009.

Massachussetts Institute of Technology Department of Physics Spring 2006, Experiment 1: Equipotential Lines and Electric Fields.

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