Trabajo practico- potencial de intensidad (página 2)

Realizadas estas aclaraciones, se prosiguió a medir la diferencia de potencial (ddp) aplicada y la consecuente intensidad del circuito(I) con la llave abierta y la llave cerrada. Los resultados obtenidos fueron volcados en la TABLA I. 

A continuación se trabajó con el dispositivo señalado en el Figura II.

Se midió la diferencia de potencial entre los puntos C y D (es decir, a los dos extremos de la resistencia) y la intensidad de la corriente en esos puntos. De esta manera, el amperímetro seguirá conectado en serie de la misma manera que en la experiencia anterior, pero se deberá cambiar la conexión del voltímetro y se conectarán sus terminales en los puntos C y D, porque se quiere medir la diferencia de potencial entre esos dos puntos (el voltímetro se conecta nuevamente en paralelo, pero esta vez a la resistencia). Luego, invertimos la conexión del resistor y mediante el mismo procedimiento, volvimos a hacer las mismas mediciones. Los resultados se volcaron en la TABLA I.

Después de realizadas estas experiencias, se procedió a estudiar la relación funcional entre la intensidad de la corriente y la diferencia de potencial en la resistencia.  Para ello, con la llave cerrada se fue moviendo la perilla del potenciómetro (lo que modifica la corriente que pasa por el circuito) y se midió la ddp en el resistor para cada valor que marcaba el amperímetro. Cabe aclarar que se tomaron diez puntos cubriendo todo el rango de corriente que nos permitió el potenciómetro (y para determinar este rango se tomó la ddp correspondiente a la máxima intensidad que permite cuando la perilla esta completamente hacia uno de los lados y la ddp correspondiente a la mínima I, con la perilla vuelta hacia el otro lado). Los resultados obtenidos se volcaron en la TABLA II. A partir de esta tabla, se realizó el Gráfico I en el que se graficó V = f (i), es decir, la diferencia de potencial en función de la Intensidad, teniendo en cuenta las incertezas propias de cada medición, para ver qué relación existe entre dichos factores en un circuito. Entonces mediante el gráfico se obtuvo una forma de calcular la resistencia del resistor.

Para calcular la resistencia de otra manera, se realizó un nuevo cambio en el circuito. Se desconectó la fuente y se utilizó un multímetro como óhmetro para medir dicha resistencia. La medida que proporciona el óhmetro resultó

R = (39,0 + 0,1) W.

Cabe aclarar que se utilizó una escala de 2000 W en el aparato. Este nuevo circuito se observa en la Figura III.

Figura III

Otra forma de calcular la resistencia fue a partir de la interpretación de la escala de colores. Esta última fue facilitada por el ayudante del TP. El resistor tiene 3 rayas en un extremo y una en el otro. Las tres primeras rayas determinan las unidades, las decenas y el exponente del multiplicador (potencia de base 10) por el cual va a tener que ser multiplicado el número de dos cifras formado por los otros dos colores. Por último, el color apartado en el otro extremo (el que puede ser plateado o dorado) indica la tolerancia del resistor siendo de 5% con el dorado y del 10% con el plateado. Así vemos que:

     Esquema de un resistor

     El dígito que representa cada color de detalla en el siguiente cuadro:

Vale aclarar que no se realizó una medición, sino que simplemente se leyeron las características de fabricación de la resistencia, es decir, su valor nominal y la precisión con que fue construida. De la escala y el cuadro podemos deducir que el valor de la resistencia proporcionada por el fabricante es de 39 W, con una tolerancia del 5 %, teniendo como colores el naranja en el primer dígito, el blanco como segundo, el negro como exponente del multiplicador y el dorado como número de tolerancia. De esta forma puede observarse que el valor obtenido anteriormente con la resistencia vinculada al ómhetro y el valor determinado por la tabla es el mismo, y se verá en el análisis de la TABLA II y del Gráfico I que también coinciden con el valor hallado de la resistencia a partir de los mismos.

Contamos con el dato de la potencia máxima de disipación de la resistencia utilizada. Este valor es el siguiente:

P max (R) = 1 Watt

La potencia nos dice que podemos trabajar hasta un valor máximo de intensidad. Es útil averiguar ese valor para saber hasta donde podemos medir sin dañar el resistor. Calculamos la intensidad máxima, y obtuvimos el siguiente resultado:

I max = 0,1601 A

(Para ver el procedimiento de cálculo, ver Apéndice I)

Si la intensidad supera este valor, entonces el resistor se dañaría. Para lograr que una resistencia tolere mayores intensidades, habría que lograr que no aumentara tanto su temperatura, es decir, que pudiera ceder más eficientemente al calor generado al medio. Esto se consigue aumentando la superficie expuesta al aire

La resistencia "a" tiene mayor longitud y mayor A, entonces el valor de R no cambia pero disipa calor más eficientemente, por lo que no se calienta tanto y no se funde.

Parte II

En esta parte del trabajo se estudiará el comportamiento de un diodo. Se arma un dispositivo como el de la Figura IV.

La figura muestra que el diodo se colocó en serie con el resistor, y que el voltímetro se colocó en paralelo con el diodo.

Lo primero que se realizó fue medir la intensidad y la ddp aplicadas entre los puntos C y D, con la llave abierta y cerrada, como se hizo en la primera parte con la resistencia. Los resultados se detallan en la TABLA I 

Luego, se invirtió la conexión del diodo. Esto puede verse si se observa el esquema de la Figura V.

Los resultados para esta experiencia también se detallan en la Tabla I. Por ende, puede decirse que en el primer caso el diodo se encontraba conectado en forma directa y en el segundo en inversa. Además, es necesario aclarar que la resistencia obtenida para el diodo es muy baja, por lo que fue necesario mantener la presencia del resistor en el circuito, para que la intensidad circulante no sea tan alta. De lo contrario, podrían dañarse tanto el diodo como cualquiera de los elementos, ya que la corriente es la misma en todo el circuito.

A continuación,con la llave cerrada y el diodo conectado en directa se midieron  los diferentes valores de ddp entre los extremos del diodo, variándolos alrededor de diez veces con la perilla del potenciómetro, como así también la intensidad para cada caso. Estos valores se observan en la Tabla I y en el gráfico V=f(i) (Gráfico II).

Parte III

Para finalizar el TP se armó un circuito parecido a los anteriores utilizando también un capacitor, colocando el capacitor en lugar del diodo y el voltímetro en paralelo al mismo. Este circuito se esquematiza en la Figura VI.

En primera lugar se midió la diferencia de potencial y la intensidad entre los puntos C y D con la llave cerrada.. Luego, se midió con el mismo dispositivo la ddp y la intensidad con la llave abierta. Los resultados se plasmaron en la Tabla I y a partir de ellos se obtuvieron las distintas conclusiones. Por último se repitieron las mediciones para el capacitor invertido. Estos datos también se plasmaron en la misma Tabla.

De esta manera concluyó el procedimiento realizado en el trabajo práctico, cabe aclarar que para cada experiencia se fueron plasmando los resultados en las Tablas I y II y a partir de esta última se realizaron los gráficos I y II (respectivamente). También hay que destacar que para cada medición se obtuvieron distintas observaciones, las cuales son plasmadas en la sección Análisis de Tablas y Gráficos, y por último, tomando un concepto general y una visión abarcativa de este TP, se realizaron las conclusiones.

Tablas

Tabla I. Mediciones registradas en los distintos elementos estudiados

             Tabla II. Mediciones registradas en los distintos elementos estudiados.

La incerteza utilizada fue asignada según el criterio de la mínima división del instrumento de medición, la cual fue mínimamente aumentada debido a las fluctuaciones que no nos permitían realizar una lectura estable.

Análisis de tablas

Aca va lo que les marque en el tp de ale palma de an. De tablas

Análisis de gráficos

Aca va lo del tp de ale palma de análisis de graficos

Conclusiones

En este trabajo práctico hemos analizado los circuitos eléctricos en corriente continua. Para ello nos propusimos dos metas: medir la diferencia de potencial que aplicaba una fuente, y la intensidad que en consecuencia se producía, en circuitos con diferentes elementos, y también verificar la validez de la Ley de Ohm con diferentes elementos. Para ello tuvimos que en primer lugar aprender a familiarizamos con dichos elementos, saber como conectarlos y como trabajar con ellos. Sin esta primera parte de utilización no hubiera sido posible la realización de esta experiencia, por lo que la consideramos una parte importante del resultado global: esto es, el aprender a trabajar con elementos tales como el voltímetro, amperímetro, resistor, etc.

En segundo lugar, dividimos el trabajo en tres partes, donde en cada una se trató de verificar la Ley de Ohm tratando un instrumento en especial: en la primera parte, el resistor, en la segunda, el diodo, y la tercera, el capacitor. Mediante medidas y gráficos determinamos cómo se verificaba la relación entre diferencia de potencial e intensidad. A continuación describiremos brevemente lo realizado con cada elemento.

Con el resistor verificamos varias cosas. En primer lugar, que muestra una cierta resistencia (aunque no total como en el caso del diodo en posición inversa) frente al paso de la corriente. En segundo lugar, que de los tres materiales, es el único que verdaderamente cumple con la Ley de Ohm, aunque hasta cierto punto, porque con el dato de la potencia del resistor sabemos que se puede trabajar hasta una cierta intensidad, pues de lo contrario, el resistor se dañará y se verá afectada la relación de proporcionalidad directa entre voltaje e intensidad.

En segundo lugar, trabajamos con el diodo. Probamos que no siempre conduce la corriente. Esto es fundamental. Con la resistencia, al invertir la conexión, se registraban los mismos valores. Con el diodo esto no sucede. La corriente directamente no circula cuando se coloca al diodo en posición inversa.

En tercer lugar, utilizamos el capacitor. Observamos, como ya habíamos visto en el trabajo práctico anterior, que el capacitor almacena la carga cuando se cierra la llave, y cuando se la abre, éste se descarga. Si bien no había resistencia en el circuito cuando utilizamos el capacitor, observamos que cuando la llave se abría, el capacitor se descargaba, y esto se debe a que se descargaba en un elemento cuya resistencia es muy grande: el voltímetro. Ahora bien, si no hubiéramos dejado conectado el voltímetro al capacitor, éste hubiera quedado sin descargar. También verificamos que el capacitor no cumple con la Ley de Ohm, puesto que no es un material conductor: almacena la carga y no conduce la corriente.

Apéndice

Para calcular la Intensidad Máxima del Circuito:

    Pmax = R. (Imax)2

1 Watt = 39 W. (Imax)2     

 √1 Watt/ 39W = Imax

 Imax= 0,1601 A

Análisis y Conclusiones

Luego de analizar los diferentes resultados y los gráficos, se pudo redescubrir la ley de Ohm para el caso del resistor. R=V/i. Es decir que la resistencia es proporcionalmente directa a la diferencia de potencial y a la intensidad de corriente tal como lo muestra el gráfico correspondiente cuya pendiente es la denominada resistencia. Esta ley no es de validez universal ya que no pudo ser corroborada para elementos como el diodo o el capacitor. Otro instrumento ya mencionado es el potenciómetro que es una resistencia graduada, para variar la intensidad de corriente que pasa lo que se hace es cambiar la perilla alargando o disminuyendo el largo del mismo. Además se realizó una medición extra calculando la ddp conectando el voltímetro en paralelo con el potenciómetro y también en la resistencia logrando corroborar que en serie la diferencia de potencial total es igual a la suma de la diferencia de potencial de los elementos involucrados.

Al cumplir la relación de Ohm podemos afirmar que el resistor es un conductor ohmíco, es decir que en este caso tiene validez el enunciado antes dicho. Igualmente, tampoco en el caso del resistor tiene validez universal ya que al aumentar V y por lo tanto lo mismo ocurre a I, va a llegar un momento que la resistencia se sobrecalienta y se rompe. Para la resistencia utilizada, de 1 watt de potencia disipada, solo podré administrar hasta (6.856 ± 0.15)V de diferencia de potencial ya que P=V2/R. Conociendo P y R calculamos la diferencia de potencial máxima a la cual podemos poner la resistencia. Debido a este valor, durante el Tp se utilizó como potencia máxima 6V. La resistencia del resistor se obtuvo utilizando 3 métodos: La pendiente de la recta del gráfico (46,35 ± 0,52)W, mediante la escala de colores propuesta por el fabricante  47W, utilizando el multímetro en función de ohmnímetro directamente sobre la resistencia (46,7 ± 0,1)W como se puede observar todos los resultados se encuentra dentro de los mismo intervalos de error por lo que se afirma que corresponden a la misma variable y que los tres métodos son válidos para el cálculo. Asimismo, se puede concluir que la resistencia no tiene polaridad ya que es indiferente para que lado se conecte, dando los mismos resultados de intensidad para cada uno de los valores de diferencia de potencial.

Por otra parte luego se analizó el comportamiento de un diodo conectado primero en directa y luego en inversa. Para el primer experimento luego de confeccionar los gráficos correspondientes se infiere que el mismo no es un conductor óhmico ya que no verifica la relación planteada. Para pequeñas diferencia de potencial se comporta con una resistencia muy grande, sin embargo para grandes ddp la resistencia tiende a 0. Causalmente, se tiene que dejar conectada la resistencia ya que de lo contrario no existiría casi oposición al paso de corriente y esto dañaría los equipos enchufados en el circuito. Al conectarlo de la otra manera funciona a modo de llave abierta ya que no permite el paso de la corriente. De este modo, el diodo puede cumplir perfectamente la función de interruptor ya que conectado en directa casi no opone resistencia y conectado en inversa no permite el paso de corriente. Por últimos se analizo el caso del capacitor, que tampoco se comporta como conductor óhmico ya que al cerrarse la llave se carga el capacitor sin permitir el paso de corriente, almacenando energía y al abrirse se descarga. En conjunto se puede decir que los tres conductores son necesarios para las distintas acciones que podamos hacer ya que cada uno tiene un comportamiento distinto y en muchos casos complementario.

Conclusiones

            En la primera parte del práctico, se pudo comprobar que es indiferente el sentido (directo o invertido) en el que esté ubicado el resistor; ya que no se advierte ningún cambio en los valores de la Tabla I, se puede decir que el resistor ofrece la misma resistencia a la corriente, en cualquier sentido. En ambos casos se puede ver que la ddp y la intensidad son nulas cuando el circuito se encuentra abierto (no hay paso de corriente).

            En cuanto a la posición del amperímetro, podemos decir que el cambio de la misma no hace variar la intensidad de la corriente que circula; esto se ve al cambiar la ubicación del amperímetro dentro del circuito. Esto  ocurre ya que no hay variación de intensidad en todo el circuito, porque es un circuito de una sola rama por lo que la intensidad no cambia en cada tramo.

            A partir del Gráfico I y la Tabla III pudimos ver que se comprueba la Ley de Ohm para el resistor, ya que en el gráfico obtuvimos una recta que pasa por el origen, pudiendo concluir que la intensidad varía en forma directamente proporcional con respecto a la ddp. La pendiente de esta recta representa la resistencia (R) que ofrece el resistor. El valor de R calculado a través de la pendiente del gráfico es similar al dado por el fabricante: 47 W con 5% de tolerancia; y similar al indicado por el óhmetro: (46,7 + 0,1)W.

            Rango de validez de la ley de ohm

            En la segunda parte, a través de los datos de la tabla IV podemos ver que no es lo mismo si el diodo se encuentra colocado en directa o en inversa, ya que, en esta última posición, la resistencia que ofrece es muy grande. En ambos casos, si el circuito se encuentra abierto la ddp y la intensidad son nulas, ya que no circula corriente.

            Podemos distinguir cuando el diodo está invertido ya que en este caso, los valores de ddp e intensidad para el circuito cerrado son de cero. En cambio, en directa, y con el circuito cerrado, los valores de las anteriores magnitudes no son nulos. El resistor debe quedar conectado ya que, en caso contrario, el diodo se quemaría.

            A partir de la tabla V y el gráfico II se puede advertir que el diodo no es un dispositivo óhmico (no cumple con la Ley de Ohm), ya que la intensidad no varía en forma directamente proporcional a la ddp, en el gráfico no se ve una recta que pase por el origen, sino que en los primeros valores de i,  la ddp varía abruptamente, para luego "estabilizarse". A mayores valores de intensidad la variación de la ddp es muy pequeña.

             En este caso el valor de la resistencia no es único, ya que R es la recta tangente a cada punto de la curva; así R=DV/ Di, y tiende a cero.

Autor:

Agustín Garrido