3º informe

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3er informe fisica 2

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CURVAS CARACTERSTICAS VOLTAJE-CORRIENTE

CURVAS CARACTERSTICAS VOLTAJE-CORRIENTE

1.-OBJETIVO

Conocer y llevar a la prctica los conceptos bsicos basados en corriente elctrica, y este como se relaciona con la resistencia y los comportamientos que esta pueda tener.

Obtener a partir de los instrumentos empleados las grficas de voltaje-corriente de elementos resistivos y estudiar sus caractersticas.

2.-EQUIPO

Una fuente de corriente continua (6v)

Un restato para utilizarlo como potencimetro

Un ampermetro de 0-1 A

Un voltmetro de 0-10 V

Tres elementos para obtener caractersticas

Ocho cables

Dos hojas de papel milimetrado

FUNDAMENTO TERICO

Corriente Elcrica

La corriente elctrica es un flujo ordenado de electrones que atraviesa un material. Algunos materiales como los "conductores" tienen electrones libres que pasan con facilidad de un tomo a otro.

Estos electrones libres, si se mueven en una misma direccin conforme saltan de un tomo a tomo, se vuelven en su conjunto, una corriente elctrica.

Para lograr que este movimiento de electrones se de en un sentido o direccin, es necesario una fuente de energa externa.

Cuando se coloca un material elctricamente neutro entre dos cuerpos cargados con diferente potencial (tienen diferente carga), los electrones se movern desde el cuerpo con potencial ms negativo hacia el cuerpo con potencia ms positivo. Ver la figura

Cuerpo negativo (-) Cuerpo positivo (+) ---> Flujo de lo electrones va de izquierda a derecha ---->El flujo de electrones va del potencial negativo al potencial positivo. Sin embargo se toma por convencin que el sentido de la corriente elctrica va desde el potencial positivo al potencial negativo.

Esto se puede visualizar como el espacio (hueco) que deja el electrn al moverse de un potencial negativo a un positivo. Este hueco es positivo (ausencia de un electrn) y circula en sentido opuesto al electrn.

La corriente elctrica se mide en Amperios (A) y se simboliza como I.La mayor parte de las aplicaciones prcticas de la electricidad tienen que ver con corrientes elctricas. Por ejemplo, la batera de una luz de destellos suministra corriente al filamento de la bombilla cuando el interruptor se conecta. Una gran variedad de aparatos domsticos funcionan con corriente alterna. En estas situaciones comunes, el flujo de carga fluye por un conductor, por ejemplo, un alambre de cobre. Es posible tambin que existan corrientes fuera de un conductor. Por ejemplo, una haz de electrones en el tubo de imagen de una TV constituye una corriente.

Siempre que se mueven cargas elctricas de igual signo se establece una corriente elctrica. Para definir la corriente de manera ms precisa, suponga que las cargas se mueven perpendiculares a una superficie de rea A, como en la figura (Esta sera el rea de la seccin transversal de un alambre, por ejemplo.) La corriente es la tasa a la cual fluye la carga por esta superficie. Si Q es la cantidad de carga que pasa por esta rea en un intervalo de tiempo t, la corriente promedio, Ipro, es igual a la carga que pasa por A por unidad de tiempo:

Cargas en movimiento a travs de un rea A. La tasa de flujo de carga en el tiempo a travs del rea se define como la corriente I. la direccin de a la cual la carga positiva fluira si tuviera libertad de hacerlo.

Si la tasa a la cual fluye la carga vara en el tiempo, la corriente tambin vara en el tiempo, y definimos a la corriente instantnea I como el lmite diferencial de la ecuacin:

La unidad de corriente del Sistema Internacional es el ampere (A).

Esto significa que 1 de corriente es equivalente a 1C de carga que pasa por el rea de la superficie en 1s.

En la figura una seccin de una conductor uniforme de rea de seccin transversal A. los portadores de carga se mueven con una velocidad vd y la distancia que recorren en un tiempo t esta dada por x = vdt. El nmero de portadores de cargas mviles en la seccin de longitud x est dado por nAvdt , donde n es el nmero de portadores de carga mviles por unidad de volumen.Las cargas que pasan por la superficie en la figura pueden ser positivas negativas o de ambos signos. Es una convencin dar a la corriente la misma direccin que la del flujo de carga positiva. En un conductor como el cobre la corriente se debe al movimiento de electrones cargados negativamente. Por lo tanto, cuando hablamos de corriente en un conductor ordinario, como un alambre de cobre, la direccin de la corriente es opuesta a la direccin del flujo de los electrones. Por otra parte, si se considera un haz de protones cargados positivamente en un acelerador, la corriente est en la direccin del movimiento de los protones. En algunos casos gases y electrolitos, por ejemplo la corriente es el resultado del flujo tanto de cargas positivas como negativas. Es comn referirse a una carga en movimiento (ya sea positiva o negativa) como un portador de carga mvil. Por ejemplo, los portadores de carga en un metal son los electrones.Es til relacionar la corriente con el movimiento de partculas cargadas. Pan ilustrar este punto, considere la corriente en un conductor de rea de seccin transversal A (figura 27.2). El volumen de un elemento del conductor de longitud x (la regin sombreada en la figura 27.2) es A x. Si n representa el nmero de portadores de carga mvil por unidad de volumen, entonces el nmero de portadores de carga mvil en el elemento de volumen es nA Por lo tanto, la carga Q en este elemento esQ= Nmero de cargas x carga por partcula = (nA x)qDonde q es la carga en cada partcula. Si los portadores de cargas se mueven con una velocidad vd la distancia que se mueven en un tiempo t es x = vdt. En consecuencia, podemos escribir q en la formaQ = (nAvdt)qSi dividimos ambos lados de la ecuacin por t, vemos que la corriente en el conductor est dada por

Ley de Ohm

La ley de ohm es la ley bsica para el flujo de corriente. La corriente fluye por un circuito elctrico siguiendo varias leyes definidas. George Simn Ohm (1787-1854), fue el creador de esta ley. Ohm fue un fsico alemn conocido por sus investigaciones de las corrientes elctricas. Su formulacin de la relacin entre intensidad de corriente, diferencia de potencial y resistencia contribuye a la Ley de Ohm. La unidad de resistencia elctrica se denomin ohmio en su honor y fue definida en 1893 como la resistencia estndar de una columna de mercurio.

Ohm establece en su ley que la cantidad de corriente que fluye por un

circuito formado por resistencias puras es directamente proporcional a la fuerza electromotriz aplicada a un circuito, e inversamente proporcional a la resistencia total de circuito. Esta ley suele expresarse mediante la formula I = V/R, donde I representa la intensidad de la corriente medida en amperios, V la fuerza electromotriz en voltios y R la resistencia en voltios.

El circuito bsico est constituido por:

Un generador

Un receptor o carga

Un conductor

Un interruptor

Un fusible

Resistencias

Desde el punto de vista de la resistividad , podemos encontrar materiales conductores (no presentan ninguna oposicin al paso de la corriente elctrica), aislantes (no permiten el flujo de corriente), y resistivos (que presentan cierta resistencia). Dentro de este ltimo grupo se sitan las resistencias. Es por esto que se fabrican un tipo de componentes llamados resistores cuyo nico objeto es proporcionar en un pequeo tamao una determinada resistencia, especificada por el fabricante.Las resistencias son componentes elctricos pasivos en los que la tensin instantnea aplicada es proporcional a la intensidad de corriente que circula por ellos. Su unidad de medida es el ohmio ().

Se pueden dividir en tres grupos: Resistencias lineales fijas: su valor de resistencia es constante y est predeterminado por el fabricante.Resistencias variables: su valor de resistencia puede variar dentro de unos lmites.Resistencias no lineales: su valor de resistencia varia de forma no lineal dependiendo de distintas magnitudes fsicas (temperatura, luminosidad, etc.). El smbolo de una resistencia es:

Hay resistores de varios tipos los ms comunes son:

Tensin Continua

Cuando nos referimos a Tensin continua queremos decir que el valor de tensin no vara a medida que va pasando el tiempo, en otras palabras si en un momento dado medimos el valor que tiene y despus de un tiempo volvemos a medirlo obtendremos el mismo valor. Ejemplo de esto son las pilas y bateras.

Tensin AlternaAhora bien, cuando nos referimos a una Tensin Altemna queremos expresar que el valor de la tensin cambia de un instante de tiempo a otro.Veremos dos tipos de tensin alterna:

- Tensin triangular

- Tensin senoidal

Analicemos el comportamiento de un caso particular de tensin alterna (senoidal).

En un momento dado la tensin tiene un valor cero, luego comienza a crecer hasta llegar a un mximo, en ese momento comienza a decrecer hasta llegar a cero. Cuando llega a cero vemos que la tensin se hace negativa. Pero:

Qu significa una tensin negativa?.

Que la tensin sea negativa, implica un cambio de polaridad de la tensin, es decir el polo positivo pasa ser negativo y viceversa.

En la figura siguiente podemos observar que el cambio de polaridad, trae como consecuencia un cambio es el sentido de la circulacin de la corriente.

El ejemplo ms cercano de tensin alterna es la del tomacorriente de nuestros hogares. Hablando de la tensin que proporcionan los tomacorriente, la gran mayora de las personas han escuchado que sta es de 220V(voltios). Pero: qu valor es este?. Ser el valor mximo?. Los 220V se denomina valor eficaz, ste es el valor mximo dividido 2. El valor eficaz, aunque a simple vista parezca lo contrario, es mucho ms prctico de utilizar que el valor mximo.

Circuitos serie: Se define un circuito serie como aquel circuito en el que la corriente elctrica solo tiene un solo camino para llegar al punto de partida, sin importar los elementos intermedios. En el caso concreto de solo arreglos de resistencias la corriente elctrica es la misma en todos los puntos del circuito.

Donde Ii es la corriente en la resistencia Ri , V el voltaje de la fuente. Aqu observamos que en general:

Circuitos Paralelo: Se define un circuito paralelo como aquel circuito en el que la corriente elctrica se bifurca en cada nodo. Su caracterstica mas importante es el hecho de que el potencial en cada elemento del circuito tienen la misma diferencia de potencial.

Medicin de resistencias

Para medir la resistencia de un elemento dado, debemos colocar las puntas en los extremos del elemento.

Potencia

Al circular a travs de la materia, la corriente elctrica produce una gran variedad de efectos tiles interesantes, incluyendo luz, calor, sonido, magnetismo, etc. Al trabajo realizado por una corriente se le denomina potencia. La potencia se representa con el smbolo P y su unidad de medida es el watt o vatio (W).

Analticamente, la potencia elctrica es el producto del voltaje (V) por la corriente (1). Esto es: P=I x V

En el caso de una resistencia, toda la energa elctrica suministrada a la misma se convierte en calor. Analticamente se puede demostrar que, para el caso de una resistencia pura, la potencia est dada por:

P = I2 x R

Por ejemplo, si se aplican 120 y a una resistencia de 10 Q,la misma produce 1440 W de energa calrica.Lnea de 220 V

Como hemos visto en cl toma-corriente dc nuestros hogares tenemos una tensin alterna de 220 V. Uno de los cables recibe el nombre dc "neutro" ste no tiene tensin y posibilita cl retorno de corriente hacia nuestro proveedor de energa elctrica.

El otro cable recibe el nombre de "vivo", ya que es el proveedor de tensin. Hay que tener sumo cuidado con este terminal, pues silo tocamos corremos el riesgo de quedar electrocutado.CALCULOS Y RESULTADOS I. DATOS:

Primera parte:

Determinacin de las curvas usando voltmetro y el ampermetro.

a) Para el caso de un filamento de tungsteno ( foco):

-Grafiquemos el circuito:

Tabla de valores:

V (voltios)I (Ampereos)

10,31

20,39

30,47

40,53

50,59

60,65

Nota: Se utiliz una fuente de 10 V.D.CLos valores en la tabla son reales, luego de aplicar la escala.

Segn la ley de Ohm:

Se puede notar de los datos que obtuvimos, que en el caso de un filamento de tungsteno no cumple la ley de Ohm. Ya que la resistencia depende de la intensidad de corriente; en este caso la resistencia aumenta con el aumento de la intensidad de corriente.

b) Para el caso de una resistencia de carbn:

Tabla de valores:V (voltios)I (Ampereos)

10

20,01

30,02

40,02

50,03

60,03

Nota: Se utiliz una fuente de 12 VDC.

Los valores en la tabla son reales, luego de aplicar la escala.

c) Para el caso de un diodo:

Tabla de valores:V(voltios)A(ampereos)

0.480.0

0.70.1

0.750.2

0.780.3

0.790.4

0.80.5

0.810.6

0.820.7

0.850.8

0.890.9

Nota: Se utiliz una fuente de 6VDC.

Los valores en la tabla son reales, luego de aplicar la escala.

II. RESULTADOS:

1. Grafique I = f(V), para cada elemento.

Ver las grficas en papel milimetrado.

2. En cul de los elementos se cumple la ley de Ohm y en cules no? Explique su respuesta.

La ley de Ohm se cumple en la resistencia de carbn, ya que la diferencia de potencial aplicada vara linealmente con la intensidad de corriente, es decir:

Segn la ley de Ohm, la diferencia de potencial a travs de una porcin de conductor es proporcional a la corriente elctrica:

V = IR, R constante

donde R es la resistencia que no depende de la diferencia de potencial ni de la intensidad de corriente.

Para el caso de la resistencia de carbn, el cociente V / I es constante para cualquier valor de V por lo que se comporta como un material hmico (cumple la ley de Ohm).

En el caso de un filamento de tungsteno no se cumple la ley de Ohm. Ya que la resistencia depende de la intensidad de corriente; en este caso la resistencia aumenta con el aumento de la intensidad de corriente.

En el caso del diodo tampoco se cumple la ley de Ohm para cualquier valor de voltaje; porque la intensidad de corriente no vara directamente proporcional al voltaje. Esto lo demuestra el comportamiento por tramos que presenta la curva intensidad voltaje para el diodo.

3. Para una diferencia de 0,8 voltios, halle las resistencias de los tres elementos.

Para la resistencia de carbn, para una diferencia de potencial de 0,8 voltios, la curva I vs V proporciona una corriente de 0,08 amperios.

Por la definicin de resistencia:

Este valor de resistencia (10 ohmios) es el mismo para cualquier valor de diferencia de potencial.

Para el caso del diodo y de acuerdo a la grfica, a una diferencia de voltaje de 0,8 voltios la intensidad de corriente es 0,85 amperios. Entonces aplicando la ley de Ohm en este punto tenemos:

R = V/ I = 0.8/ 0.85 = 0.941 ohmios.

Para el caso del filamento y de acuerdo a la grfica, a una diferencia de voltaje de 0,8 voltios la intensidad de corriente es aproximadamente 0,34 amperios. Entonces aplicando la ley de Ohm en este punto tenemos:

R = V/ I = 0, 8/ 0, 34 = 2.35 ohmios.4. En el caso del diodo se puede decir que hay un voltaje crtico a partir del cual comienza a conducir Cul es ese valor?

El valor obtenido experimentalmente es 0.5 voltios aproximadamente.

III. OBSERVACIONES Y CONCLUSIONESa) Para el caso de un filamento de tungsteno (foco):

En la grfica siguiente se muestra la corriente que pasa por un filamento de tungsteno en funcin de la diferencia de potencial entre sus extremos I = f (V).Fig. 1 Fig.2

Cuando la temperatura se mantiene constante la grfica es una recta cuya pendiente 1/R mide su resistencia constante.

Cuando la temperatura del filamento aumenta, como en el caso del filamento de un bombillo (Fig. 1), su resistencia aumenta con la temperatura, y la grfica correspondiente se curva hacia abajo. Este contraste ilustra que la ley de Ohm es una relacin prctica ms que fundamental, y que funciona con algunos sistemas en condiciones especficas.

Un filamento de un foco elctrico no obedece la ley de Ohm, la grfica Caracterstica de Voltaje y Corriente es no lineal.b) Para el caso de una resistencia de carbn:

La ley de Ohm no es una relacin fundamental de la naturaleza, pues no se cumple para todos los materiales; es una descripcin emprica de una propiedad compartida por una gran cantidad de materiales.

Para materiales hmicos, la curva I vs V es una recta de pendiente 1 / R (como en el caso de la resistencia de carbn).

Como puede observarse en la grfica I vs V de la resistencia de carbn, conforme la diferencia de potencial aumenta, la relacin deja de ser lineal. Esto es debido a que la corriente elctrica que fluye en el conductor incrementa su energa interna, lo cual da lugar a un aumento de su temperatura (Efecto Joule). Este incremento de temperatura influye en la resistividad del conductor, cantidad directamente proporcional a la resistencia R.

La resistividad se define por:

Donde 20 es la resistividad a 20 C y , el coeficiente de temperatura de la resistividad a 20 C.

Para el carbn, = -0,5 x 10-3 / C, por lo que el aumento de temperatura disminuye su resistividad y consecuentemente, su resistencia, lo que puede observarse a partir una diferencia entre 2,5 y 3 voltios, donde la resistencia es menor a 10 (la pendiente de la curva I vs V aumenta).

c) Para el caso de un diodo:

Fue necesario calibrar el valor del voltaje necesario para poder observar el comportamiento de la intensidad de corriente en relacin con el incremento de la fuente.

Con un voltaje menor se obtena una mayor claridad del comportamiento.

Se requiri mucha precisin para determinar los mnimos y mximos del comportamiento.

El comportamiento de la intensidad respecto al voltaje se puede analizar entres tramos:

El primer tramo comprende del voltaje 0 hasta aproximadamente el voltaje 0.5. En este tramo la intensidad de corriente es no depende del voltaje, por ello la intensidad de corriente es cero.

I = 0 para V [0, 0.5]

El segundo tramo va desde 0.5 voltios hasta 0.8 voltios aproximadamente. Aqu la intensidad de corriente depende del voltaje, incrementndose al incrementar el voltaje. Se observa un incremento exponencial de la intensidad, hasta un a intensidad mxima de 0.75 amperios aproximadamente.

I = f(V) para V [0.5 , 0.75]

El tercer tramo va de 0.5 voltios en adelante. Aqu la intensidad de corriente asume un valor constante de 0.75 amperios.

I = 0.75 para V > 0.75

El diodo es un material que tiene un comportamiento como elemento de resistencia muy particular. Ofrece resistencia variable dado que no es posible determinar una pendiente uniforme para la curva intensidad voltaje.

Si aplicsemos la ley de Ohm por tramos tendramos que, para el primer tramo la resistencia es infinita. Para el segundo tramo la resistencia es decreciente, decrece en mayor pero decrece en mayor proporcin al crecimiento del voltaje. Y en el tercer tramo la resistencia crece en la misma proporcin en que crece el voltaje. Bibliografa La Corriente Elctrica, flujo de electrones/Electrnica Unicro, encontrado en la pagina web:www.unicrom.com/Tut_corriente_elctrica.asp. Resistencia Elctrica-Wikipedia,la encipclopedia libre, encontrado en la pagina web:www.eswikipedia,org/wiki/resistencia_elctrica. La Electricidad en el PC: Tensin Continua y alterna, encontrado en la pagina web: www.mailxmail.com/curso/informatica/electricidadpc/capitulo.

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