Informe - Lab. Nro. 3 - Fisica Ii w6i5u

Física II Laboratorio Nro. 3 Curvas Caracteristicas V-I, Ley de Ohm, Resistencia y Resistividad

Contenido Objetivos: ......................................................................................................................................... 2 Materiales: ....................................................................................................................................... 2 Fundamento Teórico: ....................................................................................................................... 2 Procedimiento: ................................................................................................................................. 4 Resultados Obtenidos: ..................................................................................................................... 6 Cuestionario: .................................................................................................................................... 7 Observaciones: ............................................................................................................................... 11 Conclusiones:.................................................................................................................................. 11 Recomendaciones: ......................................................................................................................... 12 Bibliografía: .................................................................................................................................... 12

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Objetivos: 1. 2. 3. 4.

Obtención y análisis de curvas voltaje-corriente (V-I) de elementos metálicos. Verificar la validez y el campo de aplicación de la Ley de Ohm. Determinar la Resistividad en diferentes materiales. Determinar los parámetros de los cuales depende la resistencia de un alambre.

Materiales:          

01 Fuente de alimentación regulable DC “BK PRECISION” 1670A 01 Multímetro analógico “SIMPSON” 260 01 Multímetro digital “TECH” TM - 107 (amperímetro) 01 Alambre de Constantán de 0.35 mm. de diámetro y 1.10 m. de longitud. 01 Alambre de Hierro de 0.20 mm. de diámetro y 1.10 m. de longitud. 01 Alambre de Nicrom de 0.50 mm. de diámetro y 1.10 m. de longitud. 01 Carril metálico LEYBOLD. 02 Zócalos aislantes LEYBOLD. 02 Clavijas tipo “Jack” de LEYBOLD. 02 Cables banana - cocodrilo.

Fundamento Teórico: Ley de Ohm: La ley de Ohm establece que la intensidad eléctrica que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos, existiendo una constante de proporcionalidad entre estas dos magnitudes. Dicha constante de proporcionalidad es la conductancia eléctrica, que es inversa a la resistencia eléctrica. 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 la 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. Pág. 2

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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 (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura. Resistencia: La resistencia eléctrica de un objeto es una medida de su oposición al paso de corriente. Descubierta por Georg Ohm en 1827, la resistencia eléctrica tiene un parecido conceptual a la fricción en la física mecánica. La unidad de la resistencia en el Sistema Internacional de Unidades es el ohmio (Ω). Para su medición en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un ohmnímetro. Además, su cantidad recíproca es la conductancia, medida en Siemens. La resistencia de cualquier objeto depende únicamente de su geometría y de su resistividad, por geometría se entiende a la longitud y el área del objeto mientras que la resistividad es un parámetro que depende del material del objeto y de la temperatura a la cual se encuentra sometido. Esto significa que, dada una temperatura y un material, la resistencia es un valor que se mantendrá constante. Además, de acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un material puede definirse como la razón entre la caída de tensión y la corriente en dicha resistencia, así:

donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la intensidad de corriente en amperios. Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. Existen además ciertos materiales en los que, en determinadas condiciones de temperatura, aparece un fenómeno denominado superconductividad, en el que el valor de la resistencia es prácticamente nulo. Resistividad: La resistividad es la resistencia eléctrica específica de un material. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohmios por metro (Ω•m). Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura. Pág. 3

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Conductividad Eléctrica: La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitos. Intensidad de Corriente: Es la magnitud fundamental del sistema internacional de unidades que representa la carga que circula por unidad de tiempo a raves de una sección determinada de un conductor. Su símbolo es “I”, y se mide en amperios (A). Si la corriente es continua, la intensidad es la mima en cualquier instante y en todos los puntos del circuito (supuesto sin derivaciones). Si la corriente es variable, como en la corriente alterna o en una oscilación eléctrica, la intensidad varia simultáneamente con el tiempo y posición. Procedimiento: ¡Cuidado! : Antes de encender la fuente de alimentación regulable de DC, para energizar los diferentes circuitos, verifique que el regulador (perilla izquierda) se encuentre en cero (completamente girado en sentido antihorario) LEY DE OHM 1.1 Coloque en ambos extremos del carril metálico, los zócalos aislantes con las clavijas tipo “Jack”. Verifique que la distancia entre los terminales sea de 1.0 m. Conecte entre las clavijas, el hilo de Constantán. ASEGÚRESE QUE TODOS LOS OS ESTÉN CONECTADOS FIRMEMENTE. 1.2 Complete la instalación según la FIG. 1. Fuente Amperímetro Digital

Voltímetro Analógico

Hilo metálico

Clavija

Carril Metálico

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1.3 Coloque el Selector del Voltímetro (analógico) en el rango de 10 V y el Selector del Amperímetro (digital) en la función para medir corriente directa. La punta de prueba color rojo del multímetro digital, debe ser colocada en el JACK marcado con “A”. (Respetar la polaridad del circuito). 1.4 Tome lecturas de corriente ( I ), variando el voltaje aplicado en escalones de 0.5 Voltios. Complete la Tabla I. (Coloque a cero la salida de la fuente cuando termine las medidas). 1.5 Trazar la Curva característica V-I para la tabla I, luego diga si este material cumple o no con la Ley de Ohm. 1.6 Retire el hilo de Constantán e instale en su lugar el hilo de Hierro. 1.7 Tome lecturas de corriente como en el caso anterior. Complete la Tabla II ¡Precaución! El hilo se calienta. 1.8 Trazar la Curva característica V-I para la tabla II, luego diga si este material cumple o no con la Ley de Ohm. 1.9 Según sus resultados obtenidos, ¿Cuál de los dos materiales (hierro o constantán) es más óhmico? RESISTENCIA Y RESISTIVIDAD (  ) 1.10Instale el hilo de Nicrom en las clavijas montadas sobre el carril metálico. Verifique la longitud del hilo entre las clavijas (aproximadamente 1 m). Mida la resistencia del hilo con el multímetro digital y anote en la tabla III. Ohmímetro Digital

Clavija

Hilo metálico

Carril Metálico

1.11Repita el procedimiento anterior para una longitud menor de hilo entre las clavijas (aproximadamente 0,5 m). En este paso utilice en una de las puntas de prueba del Ohmímetro, un cable con mordaza (cocodrilo) para ser usado como o deslizante sobre el hilo de Nicrom conectado entre las clavijas.

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Física II Laboratorio Nro. 3 Curvas Caracteristicas V-I, Ley de Ohm, Resistencia y Resistividad Ohmímetro

L

Hilo metálico

Clavija Carril Metálico

1.12Complete la tabla III 1.13Verifique el cumplimiento de la fórmula de la Resistividad comprobando el valor calculado experimentalmente con el valor teórico de los libros. Mencione sus resultados y explique. 1.14Deslice la pinza de cocodrilo, cuyo dentado metálico toca el hilo, en dirección de la flecha de modo que L sea sucesivamente las longitudes indicadas en la Tabla. Determine y anote cada vez el valor de la resistencia medida con el Ohmímetro digital. Anote sus resultados en la Tabla IV. 1.15Observar que sucede con el valor de la resistencia al disminuir la longitud del hilo. Explicar teóricamente. Resultados Obtenidos: En la Tabla I, obtuvimos los siguientes resultados:

MATERIAL: Constantán V (voltios) 0.5 1.0 I (Amperios) 0.07 0.12

TABLA I LONGITUD: 1m 1.5 2.0 2.5 0.18 0.24 0.29

3.0 0.34

DIÁMETRO: 0.35mm 3.5 4.0 4.5 5.0 0.40 0.45 0.50 0.55

R = V/I

8.33

8.80

8.75

7.10 8.33

8.33

8.62

8.80

9.00

9.09

En la tabla II, obtuvimos los siguientes resultados: TABLA II MATERIAL: Hierro

LONGITUD: 1m

DIÁMETRO: 0.20mm

V (voltios) 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 I 4.75mA 89.2mA 133.5mA 190mA 249mA 304mA 0.85A 0.95 1.05 1.12 (Amperios) R = V/I 1.05 1.12 1.12 1.05 9.86 9.86 4.10 4.21 4.20 4.46

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En la tabla III, obtuvimos los siguientes resultados:

TABLA III

Fórmula para hallar la Resistividad

MATERIAL

Nicrom

LONGITUD (m) DIÁMETRO (mm) SECCIÓN (m2) Rmedida ()

1.0m 0.50 0.196 21.20

0.5m 0.50 0.196 10.90

calculada ( - m)

4.15

8.30

2

R () x S (m )

 = -----------------L (m)

S=πr

2

En la tabla IV, obtuvimos los siguientes resultados: TABLA IV

LONGITUD (L)

L – 10cm. =90cm

L – 20cm. =80cm

LONGITUD TOTAL: L =1m L – 30cm. L – 40cm. =70cm =60cm

Rmedida ()

19.6

17.4

15.2

MATERIAL: Nicrom

DIÁMETRO:0.50mm

13.1

Cuestionario: 1.- Expresar la ley de OHM en sus diferentes formas. Ponga tres ejemplos de aplicación para cada forma de expresión algebraica de la Ley de OHM.

R5

R6

R7 PS_1

Ω R8

I= V R

R= V I

V=IR

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2.- Graficar sus resultados experimentales Datos V–I, para los alambres de Constatan y de Hierro. ¿Cuál de estos alambres cumple la ley de OHM? TABLA I Muestra Diámetro

: :

Hilo de Constantán 0.25 mm.

MATERIAL : Constatan 0.50 1.50 V(voltios) I (Amperios) 0.07 0.12 R=V/I 7.10 8.33

TABLA I LONGITUD : 1 m 2.00 2.50 0.18 0.24 8.33 8.33

3.00 0.34 8.62

DIÁMETRO : 0.25 mm 3.50 4.00 4.50 0.40 0.45 0.50 8.80 8.80 9.00

5.00 0.55 9.09

Valores Y 10 9 8 7 6 5

Valores Y

4 3 2 1 0 0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Por los resultados obtenidos en el laboratorio concluimos que dicho material no cumple con la Ley de Ohm, por ende no es un material óhmico. TABLA II Muestra Diámetro:

: :

Hilo de Hierro 0.20 mm.

MATERIAL : Hierro 0.5 V(voltios) I (mA) 4.75

1.5 8.20

R=V/I

1.12

1.05

TABLA II LONGITUD : 1 m 2. 0 2.5 733.50 190.00 1.12

1.05

DIÁMETRO : 0.20 mm 3. 0 3.5 4. 0 4.5 304.00 0.85 0.95 1.05 9.86

4.10

4.21

4.20

5. 0 1.12 4.46

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Valores Y 6 5 4 3

Valores Y

2 1 0 0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Con los datos de la tabla II se realizo el gráfico y se puede concluir que el hilo de hierro si cumple a cabalidad la ley de Ohm ,debido a que su gráfica debe ser una linea recta y como mostramos en nuestra gráfica el hilo de hierro es un material Óhmico. 3.- ¿Qué son materiales óhmicos y cuando se dice que un material es no Óhmico? Clasifique los tipos de materiales por el comportamiento de su Resistencia y resistividad en relación a la Ley de OHM. Un material recibe la denominación de "óhmico" o lineal si la diferencia de potencial V ab entre sus extremos es directamente proporcional a la intensidad de la corriente I que circula por él. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de resistencia R del conductor. Por lo tanto: Vab = I * R Expresión conocida como la Ley de Ohm. Y el material no Óhmico es aquel que no cumple con la Ley de Ohm.

Material Constantan Hierro Nicrom

Resistencia (Ω) 8.51 4.103 21.2

Resistividad (Ω-m) 4.9 x 10-7 9,71 x 10-8 150

4.- Completar los datos del cuadro adjunto asumiendo que los datos corresponden a un material Óhmico. V I

1 0.1

5 0.5

4 0.4

7 0.7

R= V/I

10

10

10

10

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5.- Hallar la resistividad promedio del alambre de nicrom, empleado en su experimento. Compare este resultado con los datos existentes en la bibliografía y qué opina sobre sus resultados. TABLA III MATERIAL LONGITUD(m) DIÁMETRO(mm) SECCIÓN(m)

Nicrom 1m 0.5 0.50 0.50 0.196 0.196

Rmedida (Ω)

21.2

10.9

ρcalculada(Ω - m)

4.15

8.3

Resistividad Promedio: 6.225 Ω - m Opiniones: Según la teoría, la resistividad depende del material, pero en el experimento, se pudo observar que a menor longitud, la resistividad aumenta y que a menor longitud disminuye la resistencia. 6.- Como influye la temperatura sobre el comportamiento de la resistividad eléctrica de los materiales. ¿Cuando se dice que un material se halla en un estado superconductor?, en qué condiciones físicas se obtiene una material superconductor? Influye de manera positiva, debido a que: a mayor temperatura la resistividad se incrementa, mientras que a menor temperatura disminuye, siempre y cuando sea un material conductor, en el caso que sea un materia semi-conductor, esta regla se invierte, es decir, si aumenta la temperatura, la resistividad disminuye y viceversa. Se dice que un material se halla en estado superconductor cuando: la resistencia eléctrica de ciertos materiales de forma repentina hasta llegar a cero. La temperatura por debajo de la cual la resistencia eléctrica de un material se aproxima a cero absoluto se denomina temperatura crítica (Tc). Por encima de esta temperatura, al material se le conoce como normal, y por debajo de Tc, se dice que es superconductor. De este modo, para que en material sea superconductor, la temperatura critica del material, su campo magnético y su densidad de corriente no deben ser superadas de unos valores específicos para cada caso, ya que para cada material, superconductor existe una superficie crítica en el espacio de T.B. y J.

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7.- Ponga tres ejemplos de aplicación en la industria y en la nanoindustria de la ley de OHM. Ejemplos en la industria:   

En la industria automotriz (batería, circuitos paralelos, serie, mixto). En la electrónica (circuitos electrónicos, sensores). Cálculos referentes a la energía eléctrica.

Ejemplos en la nanoindustria:   

En la Nanotecnología. Las Vitivinícolas. La investigación científica.

Observaciones: -

Se pudo observar que el alambre de Hierro es mas oscuro en comparación al de Constantán, asimismo es menos frágil que el mencionado anteriormente. Se observo que a pesar que la teoría indica que la Resistividad depende del tipo de material, en el experimento el resultado determino un valor distinto. Al realizar la medición del alambre de Hierro, la variación de la resistencia era mucho mayor en comparación con el alambre de Constantán. A medida que la longitud del hilo disminuye, la resistencia también disminuye; es decir, la longitud es directamente proporcional a la resistencia El Constantán es el que cumple la ley de Ohm, por lo tanto es un material ohmnico.

Conclusiones: -

-

Al momento de realizar el experimento, comprobamos que al desarrollar la tabla de V-I para la tabla I, la curva que se traza con las medidas, es una línea oblicua, indicando que cumple con la ley de Ohm. Por lo que también se deduce que si la curva no es oblicua, indica que no cumple con la ley de Ohm. Se verifico que el alambre de Constantán era óhmico, en cambio el alambre de hierro no era óhmico. Se determinó con el alambre de Nicrom, que a menor longitud, menor resistencia tendrá el alambre. Se determinó que el valor de la Resistividad esta dada por el tipo de material. Mediante la ley de Ohm, se concluye que la resistencia es directamente proporcional al voltaje, e inversamente proporcional a la intensidad de corriente. La resistividad es inversamente proporcional a la longitud, es decir a mayor longitud, menor resistividad. La resistividad es directamente proporcional a la temperatura.

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Recomendaciones: -

-

Se recomienda que en el experimento para verificar la Ley de Ohm, al realizar la instalación de los dispositivos, se este plenamente seguro de que este correctamente la polaridad, a fin de evitar malograr los equipos. Se recomienda no tocar el alambre mientras este encendida la Fuente de Alimentación, a fin de evitar daños colaterales. No encender la fuente de alimentación antes de percatarnos que las perillas del regulador (perilla izquierda) se encuentre completamente girado en sentido antihorario. Tener cuidado al momento de sacar el hilo de hierro del experimento de la tabla II, ya que el hilo se calienta. Tener cuidado al momento de hacer las mediciones con el multímetro, ya que se está trabajando con una fuente de alimentación.

Bibliografía: -

http://es.wikipedia.org/wiki/Resistencia_el%C3%A9ctrica http://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm http://es.wikipedia.org/wiki/Resistividad http://www.evek.es/constants.html http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Coeficiente-resistividad-materiales.php http://didactica.fisica.uson.mx/tablas/resistividad.htm http://www.alloywire.com/spanish/products_RW45_Constantan.html http://www.unicrom.com/Tut_resistividad.asp

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