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Transcript
Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
Ley de Ohm
Objetivo

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.
Preinforme
Para la realización de esta práctica es imprescindible que tenga un conocimiento básico sobre algunos aspectos. El
instructor evaluará este conocimiento solicitando un pre-informe (individual o grupal) o a través de una prueba corta
antes de iniciar la práctica.
1. ¿Qué dice la ley de Ohm? ¿Qué es un material óhmico? Dé ejemplos de materiales y dispositivos óhmicos
y no óhmicos.
2. ¿características de un led, porque no conduce en los valores negativos?
3. En esta práctica se usarán resistores para controlar la corriente en el circuito. Los valores de resistencia y su
tolerancia se indican con un código estándar de colores que han adoptado los fabricantes. Traiga una tabla
que contenga este código.1
Una referencia donde se puede encontrarse esta información es:
Enrique Sánchez y Aguilar, Rodolfo F. Estrada Guerrero. Física Universitaria 2. Código de Colores de las Resistencias.
Universidad Iberoamericana, Ciudad de México, Primavera 2005.
1
http://fismat.uia.mx/examen/servicios/laboratorios/fisica/pdf-practicas/FU2/Codigo%20de%20colores.%20TD.pdf
Práctica: Ley de Ohm
Profesores: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico
Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
4. Para realizar en el laboratorio de Física:
a)
Examine tres resistores y determine su resistencia y tolerancia según su código de color. Registre las
bandas de color, el valor de la resistencia, la tolerancia y su incertidumbre absoluta en una Tabla
semejante a la No. 1 de la práctica.
b)
Use un multímetro digital para medir la resistencia de los resistores del numeral anterior. Si es
necesario, con el valor codificado de la resistencia como guía, seleccione la escala adecuada y mida la
resistencia de los resistores suministrados. Registre sus lecturas en la fila Valor medido de la Tabla 1.
Anote la precisión del instrumento de medida.
c)
Para cada valor de resistencia medido en el paso anterior, calcule la incertidumbre absoluta y el error
relativo de exactitud con las ecuaciones (1) y (2) que aparecen al final de la guía.
Como puede observar, estamos tomando el valor dado medido con el multímetro como el valor
esperado de resistencia.
Equipo Requerido

Interfaz ScienceWorkshop

Amplificador de potencia

Sensor de voltaje

Sensor de corriente

Bombillo

LED

Caja de resistencias

Cables de conexión

Multímetro digital (Pre-informe)
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.
Práctica: Ley de Ohm
Profesores: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico
Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
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.
6. Cree un gráfico corriente vs. voltaje2. Recuerde que es conveniente reemplazar los nombres de las gráficas y
ensayos por unos que hagan referencia a los datos registrados.
Parte III. 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.
Verifique que las medidas que se grafican correspondan a las lecturas arrojadas por los sensores correspondientes y que
no provengan de otros elementos como el amplificador de potencia o el generador de señal.
2
Práctica: Ley de Ohm
Profesores: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico
Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
4
1
1
3
4
2
3
2
1.
2.
3.
4.
Amplificador de potencia
Sensor de corriente
Resistor de la caja de resistencias
Sensor de voltaje
Figura 1a
Figura 1b
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 IV. 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.
4
1
3
1
3
4
2
2
1.
2.
3.
4.
Figura 2a
Amplificador de potencia
Sensor de corriente
Bombillo
Sensor de voltaje
Figura 2b
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.
Práctica: Ley de Ohm
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Departamento de Física
Parte V. 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 k de la caja de resistencias y un LED. El
circuito se encuentra esquematizado en la figura 3b.
5
1
4
3
1
5
4
2
3
2
1.
2.
3.
4.
5.
Figura 3a
Amplificador de potencia
Sensor de corriente
Resistor
Sensor de voltaje
LED
Figura 3b
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?
Práctica: Ley de Ohm
Profesores: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico
Universidad Autónoma de Occidente
Facultad de Ciencias Básicas
Departamento de Física
Tabla 1. Medición de las resistencias
Resistor
Ejemplo
1
2
3
Bandas de color:
Primera
Rojo
Segunda
Rojo
Tercera
Amarillo
Cuarta
Plateado
Valor codificado, R ()
Tolerancia, T (%)
10
Incertidumbre absoluta de la resistencia, R ()
Valor medido,
R
220 k
()
Error relativo de exactitud, e (%)
0,22 k
215 k
2,3
Para obtener la incertidumbre absoluta de la resistencia, use el hecho de que la tolerancia se define por:
T
R
 100
R
(1)
El error relativo de exactitud está dado por:
e 
R  R
100
R
(2)
Bibliografía
PASCO. Activity P48: Ohm’s Law (Power Output).
P48 Ohm’s Law.doc
RADIO SHACK. Science Fair 60 Electronics Project Lab.
RESNICK, David; HALLIDAY, David; KRANE, Robert. Physics. 5th ed. John Wiley & Sons, 2001.
SEARS, Francis W.; ZEMANSKY, Mark W.; YOUNG, Hugh D.; FREEDMAN, Roger A. Física Universitaria con Física Moderna,
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http://www.brookscole.com/physics_d/
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http://cwx.prenhall.com/bookbind/pubbooks/walker2/
WESTPHAL, Wilhelm H. Prácticas de Física: colección de ejercicios de Física e introducción sobre los fundamentos de las mediciones físicas.
Labor, Barcelona, 1952.
ZBAR, Paul B.; ROCKMAKER, Gordon; BATES, David J. Prácticas de electricidad. 7ª edición. Alfaomega, México, 2002.
Práctica: Ley de Ohm
Profesores: Alexander Osorio Caicedo y Mónica María Rico