Instrumentación y Ley de OHM

Transcripción

1 Instrumentación y Ley de OHM Experiencia N 3 A) INSTRUMENTACIÓN 1. OBJETIVOS. 1. Conocer el manejo de instrumentos y materiales de uso corriente en los experimentos de electricidad y magnetismo. 2. Conocer el área de operación de los instrumentos y determinar sus lecturas. 3. Aprender a montar circuito sencillo y medición de tensión y corriente eléctrica. 4. Identificación de los valores de resistencia. 2. MATERIALES. SISTEMA UNITR@IN.- En el cual podemos tener los Instrumentos Virtuales como una fuente de corriente continua, voltímetro, amperímetro, osciloscopio. 3,. FUNDAMENTO TEORICO CORRIENTE ELÉCTRICA Los electrones se pueden mover con mayor velocidad mientras mayor sea la intensidad de la tensión aplicada y menor sea la resistencia que la red de átomos oponga a su paso. La intensidad de corriente I se define como la carga Q que fluye por unidad de tiempo a través de una sección transversal del conductor, esto es: La unidad con la que se designa la intensidad de la corriente es el amperio (que se abrevia con A). 4.- PROCEDIMENTO Experimento 1a Circuito sencillo de corriente En el siguiente experimento se debe mostrar, en primer lugar, que una corriente puede circular cuando el circuito de corriente se encuentra cerrado. Para ello se empleará el circuito que se encuentra en la parte superior de la tarjeta de Circuito de resistencias SO4203-6A, cuya fuente de tensión continua de 15 V se activa automáticamente una vez que la tarjeta se ha insertado 12 ava edición 19

2 en el experimentador. Una lámpara incandescente servirá como carga de este circuito. El circuito de corriente se puede abrir o cerrar por medio de la inserción de diferentes conectores. MEDICIÓN DE TENSIÓN La tensión eléctrica se mide con el voltímetro. La siguiente representación muestra el símbolo gráfico de un voltímetro. El diagrama de la izquierda representa, en este caso, la conexión del voltímetro para la medición de la tensión de la fuente; el del centro, la conexión para la medición de la tensión a través del interruptor y, finalmente, el de la derecha, la conexión para la medición de la tensión de carga. EJECUCIÓN DEL EXPERIMENTO Monte el circuito experimental representado a continuación: Las Figuras siguientes ilustran la estructura de la conexión. Experimento 1b Medición directa de la corriente eléctrica Rango de medición: Ajustes del voltímetro A Modo de operación: 20 V DC AV La corriente eléctrica se mide con un amperímetro. El diagrama siguiente presenta diferentes posibilidades de integrar el amperímetro al circuito mostrado Medición indirecta de corriente Si no se tiene a disposición un amperímetro, sino únicamente un voltímetro, se puede determinar también de manera indirecta la intensidad de la corriente por medio de una medición de tensión. Para ello se aprovecha la relación que existe entre la corriente y la tensión en una carga, esto es, la ley de Ohm. La intensidad de corriente I que nos interesa se obtiene entonces a partir de la 12 ava edición 20

3 ecuación: La imagen de la izquierda muestra la medición directa de corriente por medio de un amperímetro, la de la derecha, la medición indirecta por medio de una resistencia R M y un voltímetro. Experimento 1c Ejecución del experimento con la resistencia de medición y el instrumento virtual Monte el circuito experimental representado a continuación. La animación siguiente ilustra la estructura de la conexión: Ajustes del Amperímetro A Rango de medición: Modo de operación: Shunt: 200 ma DC AV 10 ohmios Resistencia eléctrica Si una corriente eléctrica circula a través de un conductor, los portadores de carga libres (electrones libres) se mueven entre los átomos de la red. En este caso siempre se producen colisiones entre los átomos, por lo cual, los electrones libres se ven rechazados y, de esta 12 ava edición 21

4 manera, se frena su movimiento. El conductor opone una resistencia a la corriente eléctrica que debe ser vencida por la tensión: La constante de material ρ indica la resistencia específica del material conductor en la unidad Ώ mm 2 /m, l es la longitud del conductor, en m, y A la sección transversal del conductor en mm 2. Diseños de las resistencias Las imágenes siguientes muestran los símbolos gráficos de diferentes tipos de resistencias. Resistencia común Resistencia variable Resistencia con contacto deslizante Codificación por colores de las resistencias El siguiente gráfico ilustra la codificación. Para la resistencia representada en la parte superior, a partir de los dos primeros aros (marrón y negro), se obtiene un valor decimal de 10 y, a partir del tercer aro (naranja) un factor de 10 3, con lo que se obtiene un valor total de resistencia de: R = Ώ = Ώ = 10 k Ώ. En la resistencia representada al 1a cifra 2da cifra Factor Tolerancia inicio de la página, el aro derecho es de color dorado; la resistencia posee, por tanto, una tolerancia de ±5%. PROCEDIMIENTO Llenar la tabla 1 con los valores de las resistencias del tablero de resistencias con sus respectivas tolerancias TABLA 1 1 BANDA 2 BANDA 3 BANDA 4 BANDA VALOR DE R 12 ava edición 22

5 La codificación de colores para la tolerancia está indicada en la siguiente tabla: Color 1a cifra 2da cifra Factor plata dorado negro marrón rojo naranja amarillo verde azul violeta gris blanco Color Tolerancia incoloro ±20% plateado ±10% dorado ±5% marrón ±1% rojo ±2% verde ±0.5% azul ±0.25% violeta ±0.1% b) LEY DE OHM 1.- OBJETIVOS - Verificar experimentalmente la ley de o - Ohm. - Obtener los datos de voltaje y corriente eléctrica en elementos resistivos con el fin de iniciar el estudio de circuitos eléctricos simples. - Diseñar y Montar circuitos eléctricos con resistencias en Serie, Paralelo. 2.-MATERIALES Módulo de enseñanza SISTEMA UNITR@IN con resistencia (shunt), y el amperímetro virtual 3.- FUNDAMENTO TEÓRICO Si se quiere resumir por medio del cálculo los procesos electrónicos que ocurren en un circuito sencillo de corriente, o en circuitos más complejos, es necesario conocer, por una parte, la dependencia que existe entre la intensidad de corriente I y la tensión U y, por otra parte, entre la corriente I y la resistencia R. Esta dependencia está descrita por la ley de Ohm, que debe su nombre al famoso físico alemán. Para ello se observará, en primer lugar, el circuito sencillo de corriente representado anteriormente. Ley de Ohm: 12 ava edición 23

6 La intensidad de corriente I aumenta si aumenta la tensión U y disminuye si aumenta la resistencia R. Aquí, la intensidad de corriente varía proporcionalmente a la tensión y de manera inversamente proporcional a la resistencia. La ley de Ohm se puede entonces expresar por medio de la siguiente fórmula: o y Nota: Las resistencias para las que es válida la ley de Ohm (esto es, la proporcionalidad entre la corriente y la tensión) se denominan resistencias óhmicas. Los conductores metálicos son, por lo general, resistencias óhmicas, mientras que, por ejemplo, las resistencias de fluidos conductores no cumplen con la ley de Ohm. 4.- PROCEDIMIENTO E Los siguientes componentes son necesarios, para la ejecución de los experimentos expuestos dentro del marco de este curso: La tarjeta insertable "Circuitos de resistencias" La tarjeta insertable UniTrain-I de Circuitos de resistencias SO4203-6A permite el análisis de circuitos de corriente sencillos. Para ello, la tarjeta se ha dividido en seis sectores. 1. Circuito sencillo de corriente con tensión continua y lámpara incandescente con carga resistiva. 2. Circuito en serie compuesto por un máximo de tres resistencias. 3. Circuito en paralelo compuesto por un máximo de tres resistencias. 4. Un máximo de seis resistencias conectadas en grupo. 5. Condensador con resistencia de carga. 6. Bobina de resistencia a carga. En el siguiente experimento se debe comprobar la relación entre la corriente y la tensión de acuerdo con la ley de Ohm. Para ello, se aplicarán diferentes tensiones a la resistencia R1 de la tarjeta de Circuitos de resistencias y se medirá cada valor resultante de intensidad de corriente. La intensidad de la corriente se representará a continuación, gráficamente, en función de la tensión. Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER. 12 ava edición 24

7 Ajustes de la fuente de tensión continua Rango: Tensión de salida: 10 V 0 V Abra el instrumento virtual Voltímetro A y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Ajustes del voltímetro A Rango de medición: Modo de operación: 10 V DC AV En el caso de que realice la medición de corriente empleando el amperímetro virtual, abra el instrumento Amperímetro B y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Ajustes del Amperímetro B Rango de medición: Modo de operación: Shunt: 10 ma DC AV 10 ohmios Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión de 1 V. Mida el valor de la corriente resultante en miliamperios y anote el valor obtenido en la correspondiente fila de la tabla siguiente. Ahora, eleve la tensión en pasos de 1 V y anote de la misma manera el resultado de la intensidad de corriente medida en la tabla. Si pulsa la pestaña "Diagrama" de la tabla, podrá visualizar gráficamente la característica I/U resultante. 12 ava edición 25

8 COMPROBACIÓN ANALÓGICA DE LA LEY DE OHM VARIACIÓN DE VOLTAJE Y CORRIENTE MANTENIENDO LA RESISTENCIA CONSTANTE + - r V R A Figura 1 TABLA 1 VOLTAJE(V) INTENCIDAD (A) 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 R de la caja de resistencia conservando constante la diferencia de potencial entre los terminales de la misma. Para conseguir esto varié la posición del cursor del reóstato para cada lectura. TABLA 2 RESISTENCIA ( ) INTENCIDAD (A) VARIACIÓN DE LA DIFERENCIA DE POTENCIAL Y LA RESISTENCIA MANTENIENDO CONSTANTE LA CORRIENTE Arme el circuito de la figura 2 varié 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 la corriente para las distintas lecturas de V y R, variando la posición del cursor de reóstato. + - r V R A 12 ava edición 26

9 Figura 2 TABLA 3 RESISTENCI A ( ) VOLTAJE(V) 5 CUESTIONARIO. 1.- Cuántas escalas poseen los instrumentos? (describa cada uno de ellos), indique su mínima y máxima lectura en cada escala. 2.- Investigue de qué otra manera se determina el valor de una resistencia. (Sin código de colores). 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. 4.- Grafique e intérprete 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 de R, I y V de las tablas 1, 2 y Considere una lámpara que tiene aproximadamente 50.5 y por la cual pasa una corriente de 25 m A Cuál es el voltaje aplicado? Se cumplirá la ley de ohm? 6.- Con respecto a la ley de Ohm podemos decir: i) Se cumple en materiales conductores y semiconductores ii) La pendiente de la gráfica voltaje vs. Intensidad da como resultado el valor de la resistencia iii) Que la ley de matemática que la gobierna es I = V / R y sirve tanto para corriente continua como alterna A) VVV B) VVF C) FVF D) VVV E) VFF 6.- SUGERENCIAS Y CONCLUSIONES 12 ava edición 27