Curvas Caracteristicas- Voltaje - Corriente

FISICA II – LABORATORIO Voltaje-Corriente

“CURVAS CARACTERISTICAS: VOLTAJE-CORRIENTE” I.

OBJETIVO:



Obtener la representación gráfica de la corriente I, en función del voltaje

V

de

los

materiales

resistivos,

para

conocer

su

comportamiento.

II.

FUNDAMENTO TEÓRICO: a) MATERIALES ÓHMICOS: Son sustancias que se conocen con el nombre de resistencias lineales; para estas resistencias se cumple que, la diferencia de potencial entre sus extremos es proporcional a la corriente que circula por ella: esto quiere decir que l resistencia es independiente del voltaje y de la corriente, cumpliendo de esta manera con la ley fe Ohm: V = I*R. Dentro de los materiales óhmicos tenemos: los conductores metálicos: Se aumenta el valor de la resistencia, reduciendo el área de la sección del conductor y aumentando su longitud, obteniéndose las denominadas “Resistencias Bobinadas”, sobre su soporte cilíndrico aislante. Dentro de los materiales no metálicos, el carbono tiene de por sí una resistencia elevada, por lo que es utilizado en la fabricación de resistencias de película delgada.

b) MATERIALES NO ÓHMICOS: Sustancias que se conocen como resistencia no lineal. Estas resistencias no obedecen a la ley de ohm, por lo tanto son dependientes del voltaje y de la corriente. El diodo, el filamento incandescente de una lámpara, son materiales no óhmicos, cuya relación entre la tensión y la corriente es de carácter más complejo. En la Figura se muestran representaciones de V en función de I, para sustancias óhmicas y no óhmicas.

III.

PARTE EXPERIMENTAL:

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

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2.1. EQUIPO:     

Dos multímetros (para ser usados, uno como Amperímetro y el otro como voltímetro). Un reóstato, para ser usado como potenciómetro. Fuente de tensión continua. Elementos resistivos: resistencia e carbón, lámpara incandescente, y diodo. Cables de conexión, dos hojas de papel milimetrado.

CABLES DE

ELEMENTOS

MULTÍMETR

VOLTÍMETR

AMPERÍMETRO

REÓSTATO

FUENTE DE

2.2. PROCEDIMIENTO:


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1. Armar el circuito mostrado en la figura. Antes de encender la fuente, deberá revisarlo el profesor. 2. Desplazar el cursor del potenciómetro (P), hasta que el amperímetro A no señale el paso de corriente, el voltímetro V señale cero de voltaje. 3. Conecte la resistencia de carbón en los puntos M y N. 4. Desplazar el cursor del potenciómetro hasta que el voltímetro señale una tensión de salida de 1 voltio. Anotar esta media y también la de la corriente señalada por el amperímetro. 5. Repetir el paso 4 para los valores de 2; 3; 4; 5 y 6 voltios. 6. Repetir los pasos 3; 4 y 5, utilizando la lámpara incandescente, en lugar de la resistencia de carbón. 7. Repetir el paso 2; luego conectar en el circuito el diodo, en lugar de la lámpara de incandescencia. 8. Desplazar el cursor del potenciómetro hasta que el amperímetro indique 0,1; 0,2; 0,3;……; 0.9 Amp., y anotar los volares del voltaje para estas corrientes.

IV.

PREGUNTAS:

1. Hacer una representación gráfica de la intensidad de corriente I, en función de la UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

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tensión o voltaje V, para los tres elementos resistivos.

Resistencia

Foco Incandescente


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Diodo

2. Explicar cuáles de los elementos resistivos cumplen con la ley de Ohm.  La gráfica de I en función de V resultó ser una recta que pasa por el origen, con lo cual se puede comprobar que la diferencia de potencial y la intensidad de corriente son magnitudes directamente proporcionales. La pendiente representa la resistencia, es decir la constante entre V e i. A partir de la observación del gráfico y del cálculo anterior, podemos UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

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concluir que la resistencia cumple con la Ley de Ohm , es decir es óhmico.

Luego se hizo la prueba con un diodo. Analizando el gráfico de la intensidad de corriente en función de la diferencia de potencial, encontramos que las magnitudes no son directamente proporcionales dado que el gráfico no corresponde a una función lineal sino que se trata de una curva. Es por esto que no es posible calcular un único valor de resistencia eléctrica del diodo como se hizo anteriormente para el resistor. Lo mismo pasa con la lámpara incandescente; de esto podemos concluir que el diodo y la lámpara no cumplen con la Ley de Ohm o, lo que es lo mismo, no son óhmicos. En conclusión, la Ley de Ohm no es válida para todos los elementos eléctricos que dificulten el paso de la corriente.

3. Hallar la resistencia de cada uno de los tres elementos resistivos utilizados, para una tensión de 0.6, voltios. R=V/I

 Para la resistencia de carbón: V=21 I= 0.0988 R= 212.550607

 Para la resistencia de lámpara incandescente: V= 40.13 I= 2.76 R= 14.5398551

 Para la resistencia de diodo: V= 9.47 I= 0.0432 R= 219.212963


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4. Definir: diodo, clases de diodos y corriente de saturación. a) EL DIODO El Diodo es un componente eléctrico que se desarrolló como solución al problema de transformación de cualquier tipo de corriente alterna en corriente continua. Este permite el paso de la corriente en un solo sentido, a este proceso se le llama rectificación. Para esto se inserta en el circuito un dispositivo conocido como rectificador, el cual es el que permite que solo pase la corriente en un sentido, bloqueando la corriente en el otro. 

Lado P y lado N del diodo Los diodos están compuestos por dos zonas de material semiconductor (silicio, germanio) formando lo que se denominada unión P-N.

La zona P se caracteriza por poseer una escasez de electrones y corresponde a la parte del ánodo (positivo). La zona N presenta un exceso de electrones y corresponde a la parte del cátodo (negativo). En el lugar de contacto de las zonas P y N en el diodo, se crea una región denominada “de transición” en donde se genera una diferencia potencial y se crean iones positivo e iones negativos en cada uno de los lados. Para que los electrones se puedan mover se necesita superar esta diferencia potencial, si esto es logrado se producirá la corriente eléctrica, circulando los electrones de la zona N a la P y la corriente de la P a la N. 

El diodo posee dos tipos de polarización: 

Directa: Cuando se le aplica una diferencia potencial proveniente de una batería o una fuente de alimentación, el polo negativo de esta debe estar conectado en el lado N y el positivo en el lado P.



Inversa: El lado negativo de la fuente alimentadora o batería debe estar en contacto con el lado P y el positivo con el lado N.

El primer diodo, denominado “de vacío”, consistía en un receptáculo de vidrio o de acero que contenía un cátodo y un UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

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ánodo y estaba exento de aire, ya que este producía una oxidación del filamento (cátodo), y este filamento estaba rodeado de una placa llamada ánodo.

b) CLASES DE DIODOS Pondremos las diferentes clases de diodos que son más comunes dentro de los circuitos electrónicos que podamos usar. -

Diodos de unión. Diodos de punta de contacto. Diodo emisores de luz. Diodo capacitivo (varicap). Diodo Zener. Diodo túnel. Diodo Gunn.

 Diodos de unión: Los diodos de unión son los que hemos venido describiendo en esta sección de diodos, es decir, el que consta de un cristal de germanio o de silicio, debidamente dopado, y tiene una forma cilíndrica. Son diodos para baja potencia que se usan mucho como rectificadores de pequeños aparatos. A esta clase de diodo también se le conoce con el nombre de diodos de juntura. Es muy conveniente aprenderse de memoria cada uno de los símbolos electrónicos de los diodos, ello nos facilitará la comprensión de los esquemas, no sólo los de de Areaelectronica.com, sino también cualquier esquema que necesiten entender.

 Diodos de punta de contacto: Poseen unas propiedades similiares a los diodos de unión y la única diferencia es, en todo caso, el sistema de construcción que se ha aplicado. En la imagen se muestra un esquema de uno de estos elementos que consta de una punta de contacto en forma de muelle (1) que se hay conectada con un cristal de tipo P (2), el cual se haya a su vez en contacto con un cristal de tipo N (3). En la parte baja, una base metálica hace de soporte y asegura la rigidez del conjunto. Exactamente igual que ocurre con los diodos de unión, el diodo de punta de contacto se comporta dejando pasar la corriente en un solo sentido.  Diodos emisores de luz: Los diodos emisores también son conocidos con el nombre de LED (iniciales de su denominación inglesa Light Emitter Diode) que tienen la particularidad de emitir luz cuando son atravesados por la corriente eléctrica. Como quiera que consiguen una luz bastante viva y, además, con una mínima cantidad de corriente (del orden a algunas decenas de miliamperios). UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA

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Los diodos emisores de luz funcionan por un complicado proceso físico en el que desprenden fotones al volver a su órbita de valencia. La energía luminosa radiada puede ser de color verde si el elemento a sido tratado con galiofósforo, o roja si lo sido con galio-arsenio. De hecho los galios son muy conocidos por la gran variedad de aplicaciones que se les a encontrado en todo orden de aparatos electrónicos.

 Diodo capacitivo (varicap): Este diodo, también llamado diodo de capacidad variable, es, en esencia, un diodo semiconductor cuya característica principal es la de obtener una capacidad que depende de la tensión inversa a él aplicada. Se usa especialmente en los circuitos sintonizadores de televisión y los de receptores de radio en FM.

 Diodo Zener: El diodo Zener, también llamado diodo regulador de tensión, podemos definirlo como un elemento semiconductor de silicio que tiene la característica de un diodo normal cuando trabaja en sentido directo, es decir, en sentido de paso; pero en sentido inverso, y para una corriente inversa superior a un determinado valor, presenta una tensión de valor constante. Este fenómeno de tensión constante en el sentido inverso convierte a los diodos de Zener en dipositivos excepcionalmente útiles para obtener una tensión relativamente invisible a las variaciones de la tensión de alimentación, es decir, como dispositivos reguladores de tensión.

 Diodo Tunel: Este diodo presenta una cualidad curiosa que se pone de manifiesto rápidamente al observar su curva característica, la cual se ve en el gráfico. En lo que respecta a la corriente en sentido de bloqueo se comporta como un diodo corriente, pero en el sentido de paso ofrece unas variantes según la tensión que se le somete. La intensidad de la corriente crece con rapidez al principio con muy poco valor de tensión hasta llegar a la cresta (C) desde donde, al recibir mayor tensión, se produce una pérdida de intensidad hasta D que vuelve a elevarse cuado se sobrepasa toda esta zona del valor de la tensión.


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 Diodo Gunn: Este diodo tiene características muy diferentes a los anteriores, ya que no es rectificador. Se trata de un generador de microondas, formado por un semiconductor de dos terminales que utiliza el llamado efecto Gunn. Cuando se aplica entre ánodo y cátodo una tensión continua de 7 V, de modo que el ánodo sea positivo con respecto al cátodo, la corriente que circula por el diodo es continua pero con unos impulsos superpuestos de hiperfrecuencia que pueden ser utilizados para inducir oscilaciones en una cavidad resonante. De hecho, la emisión de microondas se produce cuando las zonas de campo eléctrico elevado se desplazan del ánodo al cátodo y del cátodo al ánodo en un constante viaje rapidísimo entre ambas zonas, lo que determina la frecuencia en los impulsos.

c) CORRIENTE DE SATURACIÓN POLARIZACIÓN INVERSA Si la tensión aplicada externamente al diodo es del mismo signo que la barrera de potencial interna se dice que el diodo está polarizado inversamente. El terminal positivo de la pila atrae a los electrones del material N apartándolos de la unión, mientras que el negativo a trae a las cargas positivas del material P, apartándolos también de la unión. Se crea, por tanto, en la unión, una ausencia de carga, formándose una corriente que recibe el nombre de " corriente inversa de saturación " o " corriente de fuga". Su valor es prácticamente despreciable, pues es del orden de nA (nanoampaerios).



El ancho de la capa agotada aumenta al polarizar la unión en sentido inverso.

Región Iones negativos que han Iones positivos que han agotada "recuperado" sus huecos "recuperado" sus electrones <--->

o--


--o

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zona P



barrera interna de potencial <---->

zona N

Sin polarización inversa

Región Iones aceptores Iones donadores agotad negativos que han positivos que han <-----> a <-----> "perdido" su hueco "perdido" sus electrones inicial asociado asociados <--->

<------------------------------->

-

o--

--o

zona P

+

zona N barrera interna de potencial


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<------------------------------>



Al aplicar una polarización inversa, el ancho de la capa agotada aumenta

Al ir aumentando esta tensión inversa llega un momento en que el diodo pierde su capacidad de bloqueo y fluye entonces una gran corriente inversa. Esta tensión recibe el nombre de "tensión de ruptura". Normalmente en esta situación el diodo se destruye.

5. Enumere algunas aplicaciones de la ley de Ohm.  La ley de Ohm es muy básica para la utilización de las leyes de electricidad.  Podemos encontrar el valor de la resistencia en un circuito para prevenir altas corrientes  Podemos encontrar el voltaje que consume cada componente resistivo.  Se puede hacer un análisis matemático del circuito, encontrando voltajes y corrientes.  En la industria automotriz es necesario aplicar este principio.  En los automóviles se usa este principio en las baterías, circuitos paralelo, mixto, serie, etc.  En la instalaciones eléctricas de los hogares, edificios, ciudades, etc.  En las centrales eléctricas.  En cada aparato eléctrico se aplica la ley de ohm.

Bibliografía  ELECTRICIDAD I – Cap. 1 Raymond A. Serway – John W. Jewett Jr.  CURSO DE ELECTRICIDAD GENERAL R. Augé.


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 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Milton Gussow.  MANUAL DE ELECTRICIDAD BÁSICA PARA INGENIEROS. Lincoln BetalleluzPallardel.

 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD. Howard H. Gerrish.


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