Ley de Ohm: Curva I - V

Objetivos

  • Verificar experimentalmente la ley de Ohm.
  • Obtener curvas características corriente-voltaje de diferentes dispositivos electrónicos.
  • Emplear la ley de Ohm para determinar valores de resistencias.

Motivación

Su sistema nervioso depende de corrientes eléctricas, y todos los días Ud. usa muchos dispositivos que funcionan gracias a corrientes eléctricas, es decir, cargas en movimiento a través de un circuito.

Un circuito eléctrico es un trayecto continuo que permite el movimiento de los portadores de carga, que generalmente son los electrones, los cuales viajan desde la parte negativa de una fuente de voltaje hasta el terminal positivo de la fuente.

La corriente que fluye a través del circuito puede usarse para realizar un trabajo, como por ejemplo para obtener luz, calor, movimiento y muchas otras cosas.

Cuando se trabaja con circuitos eléctricos es necesario conocer con gran precisión la relación entre la corriente y el voltaje al usar un determinado dispositivo. Esta relación puede encontrarse obteniendo experimentalmente la curva característica corriente – voltaje del dispositivo. A partir de ella puede establecerse la fórmula matemática que nos permitirá posteriormente predecir el funcionamiento del circuito.
Para algunos dispositivos, esta relación entre la corriente y el voltaje está dada por la ley de Ohm. Otros, en cambio, no se comportan según este modelo.

En esta práctica se obtendrán las curvas características de resistores, bombillos y diodos emisores de luz.

Equipo requerido

  • Interfaz Science Workshop
  • Sensor de voltaje
  • Bombillo
  • Caja de resistencias
  • Multímetro digital (Pre-informe)
  • Amplificador de potencia
  • Sensor de corriente
  • LED
  • Cables de conexión

Procedimiento

Parte I. Configuración de la interfaz y el sensor

1. Conecte la interfaz ScienceWorkshop al computador y enciéndala.

2. Conecte el sensor de voltaje, el sensor de corriente y el amplificador de potencia a los canales analógicos de la interfaz.

3. Ejecute el programa DataStudio e instale virtualmente los sensores y el amplificador de potencia en los mismos canales donde fueron conectados físicamente. Desactive la medición de corriente de éste último.

4. Con el amplificador de potencia aparecerá también la ventana del Generador de señal. Desde ella se controlará el voltaje de alimentación de los circuitos que se realizarán en esta práctica, por lo que no debe cerrar esta ventana (puede minimizarse).

Configure el generador para que produzca voltaje de corriente continua. Ponga en cero el valor inicial de voltaje. Deje habilitada la opción Auto, de manera que el generador sólo funcione mientras se están tomando las medidas. Desactive las opciones de Medición de voltaje y corriente de salida.

CurvaIV1.JPG

5. Cada dato tomado dependerá del valor de voltaje variado manualmente por el usuario. Para este tipo de registro, en la ventana de Configuración haga clic en el botón Opciones de muestreo. Seleccione la pestaña Muestreo manual, marque la opción Conservar valores de datos sólo si se solicita y deshabilite los demás cuadros que se hacen disponibles.

CurvaIV2.JPG

6. Cree un gráfico corriente vs. voltaje. Recuerde que es conveniente reemplazar los nombres de las gráficas y ensayos por unos que hagan referencia a los datos registrados.

Parte II. Toma de datos de la curva característica de un resistor

1. De la caja de resistencias seleccione dos resistores de valores distintos. Determine su resistencia y tolerancia usando el código de colores. Registre las bandas de color, el valor de la resistencia, la tolerancia y su incertidumbre absoluta en la Tabla 1.

2. Monte el circuito como se observa en la figura 1a usando uno de los resistores seleccionados. El mismo circuito se encuentra esquematizado en la figura 1b.

CurvaIV3.JPG

3. Tenga en su pantalla simultáneamente la gráfica corriente vs. voltaje y la ventana de control del generador de señal.

4. Lleve el valor de voltaje a -8,0 V. Haga clic en el botón Inicio. El generador de señal comenzará a funcionar, si está en la opción Auto. Registre el primer dato presionando el botón Conservar.

5. Cambie el valor de voltaje (en pasos de 0,5 ó 1 V, según como lo haya determinado el instructor) y registre los valores correspondientes hasta llegar a un voltaje de +8,0 V.

6. Tras el registro del último punto, haga clic en Detener y ponga en cero el generador de señal.

7. Repita este procedimiento para el segundo resistor seleccionado. Registre los resultados en el mismo gráfico.

Parte III. Toma de datos de la curva característica de un bombillo

1. Realice el montaje del circuito de la figura 2a donde el resistor ha sido reemplazado por un bombillo. El esquema de este circuito se muestra en la figura 2b.

CurvaIV4.JPG

2. Cree una nueva gráfica corriente vs. voltaje para registrar este ensayo.

3. Repita los pasos 3 a 6 de la parte anterior iniciando la toma de medidas en 0 V, cambiando el valor de voltaje en pasos de 0,05 V. Detenga la medida al alcanzar una corriente de 0,8 A.

Parte IV. Toma de datos de la curva característica de un diodo emisor de luz (LED)

1. Monte el circuito de la figura 3a usando uno de los resistores de 1 kohm de la caja de resistencias y un LED. El circuito se encuentra esquematizado en la figura 3b.

CurvaIV5.JPG

2. Cree una nueva gráfica corriente vs. voltaje para registrar este ensayo.

3. Repita los pasos 3 a 6 de la Parte III iniciando la toma de medidas en -1,0 V, cambiando el valor de voltaje en pasos de 0,1 V. Detenga la medida al alcanzar una corriente de 0,8 A.

4. Al finalizar, desconecte todos los elementos, apague los instrumentos de medición, dejando todo en orden sobre la mesa de trabajo.

Análisis

No responda las preguntas que se dan a continuación como un cuestionario Pregunta/Respuesta. Empléelas como una guía para desarrollar su análisis de una manera fluida, apoyándose en las gráficas y en sus observaciones durante las mediciones realizadas.

1. ¿Siguen los dispositivos utilizados la ley de Ohm? ¿Puede determinarlo a partir de sus gráficas?

2. ¿Qué consecuencias tiene la forma de esta gráfica en la conducción eléctrica en el circuito?

3. ¿Qué aplicación sugiere para dispositivos que tengan las curvas características encontradas en esta práctica?

4. De modo gráfico y con ayuda del programa DataStudio determine experimentalmente el valor de las resistencias Explique cómo obtuvo este resultado. Reporte las incertidumbres absoluta y relativa.
Compare la resistencia obtenida por este método con el valor dado según el código de colores.

5. En la gráfica obtenida para la curva característica del LED:

  • a) ¿A partir de qué valor de voltaje permite el LED empleado el paso de corriente? Este valor se conoce como voltaje umbral (V) del LED.
  • b) En algunas aplicaciones de Ingeniería se considera al LED como un resistor que trabaja como tal a partir del voltaje umbral determinado en el literal anterior. En su caso, ¿cuál sería el valor de resistencia que podría asociársele al LED empleado?
  • c) En el circuito realizado para estudiar el LED, ¿cuál es la función de la resistencia R?

Tabla de Datos

CurvaIV6.JPG

Para obtener la incertidumbre absoluta de la resistencia, use el hecho de que la tolerancia se define por:

T=(∆R/R)*100 (1)
El error relativo de exactitud está dado por:
$Ee=(|R-R'|/R)*100$ (2)

Bibliografía

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