Ley de Ohm by Omar Reales

Marzo 26, 2010 Código: 1676 Laboratorio de Física Electricidad

Paula Cuecha Fernández Email: pcuecha@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

Wilmer García Pérez Email: wilmerg@uninorte.edu.co Ingeniería Electrónica

Carlos Otero Palencia Email: cjotero@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

Omar Reales Arrieta Email: oreales@uninorte.edu.co Ingeniería Industrial

ABSTRACT

Electric circuits are the functional unit of many of the devices that currently exist for the improvement of human conditions and research, are an essential tool for the development of technology, which is why it is necessary to study the properties and laws that govern them, and later analyze your performance, so we can come to have the ability to create a copy, that's why on this occasion to explore Ohm's law, one of the fundamental laws of electrodynamics, will examine the general approach that makes this law, have been proven to validate and visualize what is entailed in implementing this, we will see how effective it is on some components of a circuit, diode and resistance to determine the relationship between current and voltage for ohmic materials and non-ohmic.

RESUMEN

Los circuitos eléctricos son la unidad funcional de muchos de los aparatos que en la actualidad existen para la mejora de las condiciones humanas y la investigación, son una herramienta fundamental para el desarrollo de la tecnología, es por ello que se hace necesario estudiar las propiedades y leyes que los gobiernan, para posteriormente analizar su funcionamiento, y así poder llegar a tener la capacidad de crear un ejemplar, es por eso que en esta ocasión se estudiara la ley de Ohm; una de las leyes fundamentales en la electrodinámica, se estudiará el planteamiento general que hace esta ley, se comprobara su valides y se visualizara lo que conlleva la aplicación de esta, veremos cómo se hace efectiva sobre algunos componentes de un circuito; Diodo y resistencia para determinar la relación entre la corriente y el voltaje para materiales óhmicos y no óhmicos.

1. INTRODUCCIÓN Y OBJETIVOS El hombre en su lucha por optimizar procesos y estar siempre un paso adelante en los terrenos de la innovación y la investigación, ha estudiado fuertemente las propiedades de la electricidad, ya que esta gobierna muchas de las cosas que se encuentran en nuestro entorno, el estudio de su comportamiento ha generado múltiples preguntas y problemas, pero en la búsqueda del conocimiento para dominar este “arte” se ha llegado a grandes avances y descubrimientos, como el hecho de que un material pueda almacenar energía eléctrica o impida el paso de esta, es decir de los componentes eléctricos, uno de los descubrimientos más importantes en este campo fue la ley de Ohm, una ley que explicada como varia la intensidad de un fluido eléctrico a través de un conductor o semiconductor, esta ley fue fundamental para el estudio de ordenaciones o arreglos entre componentes eléctricos, como diodos o resistencias, debido a que es ella quien predice cómo se comporta la corriente al pasar a través de ellos, se debe estudiar minuciosamente esta ley para poder generar arreglos eléctricos en circuitos electrónicos, ya que sin ella no sería posibles lograr todos los avances en aparatos electrónicos que hoy podemos disfrutar. Alguna vez se han preguntado: ¿qué es lo que permite que muchos de los aparatos e instrumentos eléctricos que utilizamos diariamente, como los computadores, grabadoras, radio o televisión, puedan funcionar?, pues funcionan gracias a los circuitos eléctricos que hay en su interior, ¿qué es un circuito eléctrico?, básicamente, son un medio de transportar energía de un lugar a otro, antes estudiaremos las propiedades de la corriente eléctrica a partir de la experiencia en el laboratorio. 1.1 OBJETIVOS General Determinar la relación entre la corriente y el voltaje para materiales óhmicos y no óhmicos. Específicos  Determinar la razón del voltaje - corriente en una resistencia de carbón.  Determinar la razón del voltaje - corriente en un diodo rectificador  Comparar el comportamiento de la corriente en el diodo y en la resistencia de carbón

2. MARCO TEÓRICO  Ley de Ohm: La Ley de Ohm, postulada por el físico y matemático alemán Georg Simon Ohm, es una de las leyes fundamentales de la electrodinámica, estrechamente vinculada a los valores de las unidades básicas presentes en cualquier circuito eléctrico como son: 1. Tensión o voltaje "E", en volt (V). 2. Intensidad de la corriente " I ", en ampere (A). 3. Resistencia "R" en ohm ( conectado al circuito.

) de la carga o consumidor

Debido a la existencia de materiales que dificultan más que otros el paso de la corriente eléctrica a través de los mismos, cuando el valor de su resistencia varía, el valor de la intensidad de corriente en ampere también varía de forma inversamente proporcional. Es decir, a medida que la resistencia aumenta la corriente disminuye y, viceversa, cuando la resistencia al paso de la corriente disminuye la corriente aumenta, siempre que para ambos casos el valor de la tensión o voltaje se mantenga constante. Por otro lado y de acuerdo con la propia Ley, el valor de la tensión o voltaje es directamente proporcional a la intensidad de la corriente; por tanto, si el voltaje aumenta o disminuye, el amperaje de la corriente que circula por el circuito aumentará o disminuirá en la misma proporción, siempre y cuando el valor de la resistencia conectada al circuito se mantenga constante. Postulado general de la Ley de Ohm El flujo de corriente en ampere que circula por un circuito eléctrico cerrado, es directamente proporcional a la tensión o voltaje aplicado, e inversamente proporcional a la resistencia en ohm de la carga que tiene conectada.

 Circuitos Eléctricos Resistivos: En general se denomina circuito eléctrico a una serie de elementos o componentes eléctricos o electrónicos, tales como resistencias, inductancias, condensadores, fuentes, y/o dispositivos electrónicos semiconductores, conectados eléctricamente entre sí con el propósito

de generar, transportar o modificar señales electrónicas o eléctricas. Estos tienen múltiples clasificaciones, como por tipo de señal, tipo de régimen, y por componentes, en la cual se encuentran los circuitos electrónicos resistivos; que son aquellos que posen elementos que oponen resistencia al flujo de la energía eléctrica, llegando a simplificarla, estos son estudiados mediante la ley de Ohm.  Modelo De Conducción Eléctrica: Este modelo proporciona una descripción adecuada, desde el punto de vista físico, del fenómeno de conducción eléctrica, basado en un modelo muy sencillo, a partir de los estudios de Drug. El modelo consiste en considerar a un conjunto de portadores de carga (electrones, de carga q = -e y masa m), con densidad n por unidad de volumen. Por ejemplo, en un conductor metálico, existe un conjunto de iones, que se encuentran dispuestos formando un enrejado periódico, y tienen una movilidad mucho menor que los electrones. En presencia de un campo eléctrico, sólo los electrones se pueden mover, y lo hacen de acuerdo a las leyes de Newton, es decir, si es la velocidad de un electrón, entonces:

Por lo tanto, la velocidad de los electrones es de la forma

Al modelo no le interesa el comportamiento de los electrones individuales, sino sólo el promedio sobre un número muy grande de electrones, por este motivo, la cantidad de interés es el promedio de la velocidad. Se hace entonces las siguientes hipótesis sobre el movimiento del conjunto de electrones: Los electrones se mueven libremente entre colisiones, las que son principalmente con los iones. Luego de cada colisión, los electrones ceden toda su energía a los iones. El tiempo promedio entre colisiones es La velocidad media de un conjunto de electrones es aleatoria.

3. EXPERIENCIAS Y DISCUCIÒN DE DATOS Primer Caso

Resistor Óhmico (33Ω)

Resistor no Óhmico (Diodo)

Figura 1. Gráfica V vs. I para un Resistor Óhmico (33Ω) y uno No Óhmico

Segundo Caso

Resistor Óhmico (10Ω) Resistor no Óhmico (Diodo)

Figura 2. Gráfica V vs. I para un Resistor Óhmico (10Ω) y uno No Óhmico

Para ambos casos realizamos el mismo procedimiento: Resistor de 33 Ω y 10 Ω: utilizamos la fuente de poder, (power amplifier), luego utilizamos los sensores de voltaje y de corriente en DataStudio para medir el voltaje registrado en los terminales de la resistencia y la corriente que pasa por ella. Obtuvimos las gráficas Voltaje contra Corriente (Figura 1 y Figura 2). Diodo rectificador: utilizamos la fuente de poder (power amplifier), también, los sensores de voltaje y de corriente en DataStudio para medir el voltaje y la intensidad de corriente que pasa por el diodo. Obtuvimos las gráficas Voltaje contra Corriente (Figura 1 y Figura 2).

Para el primer caso donde el resistor Óhmico era de 33Ω, vemos una relación lineal entre el voltaje y la corriente, esto es el voltaje y la corriente son proporcionales, por lo tanto podemos decir que el factor de proporcionalidad viene dado con la pendiente de la curva, si tenemos en cuenta que: Entonces, para casos donde el resistor es Óhmico, la pendiente de la curva es el valor de la resistencia, lo comprobamos tanto para el primer caso como para el segundo donde el resistor era de 10Ω. Ahora, para cada caso, en la curva del resistor no Óhmico tomamos las coordenadas de puntos, antes de la curvatura, en la curvatura y después de la curvatura: Primer Caso Resistor no Óhmico: Antes de la curvatura: Punto 1: (1.25x10-4, 0.200) Punto 2: (4.94x10-4, 0.296)

En la curvatura: Punto 1: (1.23x10-3, 0.545) Punto 2: (5.11x10-3, 0.650)

Después de la curvatura: Punto 1: (0.05, 0.770) Punto 2: (0.07, 0.785)

Los valores para la resistencia, no son los mismos.

Segundo Caso Resistor no Óhmico: Antes de la curvatura: Punto 1: (6.71x10-4, 0.181) Punto 2: (6.71x10-4, 0.357) Aquí hubo un error en la toma de datos pues que los valores para la corriente son iguales, habría una división entre 0. En la curvatura: Punto 1: (1.71x10-3, 0.561) Punto 2: (4.33x10-3, 0.647)

Después de la curvatura: Punto 1: (0.02, 0.728) Punto 2: (0.03, 0.775)

Los valores para la resistencia, no son los mismos. Preguntas: 1. Según los resultados, para el caso de los resistores Óhmicos tanto de 33Ω como el de 10Ω, ¿Tienen las resistencias halladas un valor constante? ¿Qué significado físico tiene la pendiente de la recta de linealización? R/ Todas las resistencias tienen un valor constante puesto, de acuerdo al fabricante; que el material es la relación entre el voltaje y la corriente siempre es la misma. Formula: V=I·R → R= V/R El significado físico que presenta la pendiente de la gráfica es que el material es óhmico como es mencionado previamente. 2. Según los resultados, para el caso de los resistores no Óhmicos, ¿Tienen la resistencias halladas un valor constante? ¿En qué forma varía la corriente en el diodo cuando el voltaje aplicado aumenta? R/ En los puntos arbitrarios de las graficas mostradas, se demuestra que las resistencias halladas no presentan un valor contante. Como es una función exponencial inversa la resistencia disminuye cuando aumenta la corriente.

¿Qué conclusión puede sacar de estos resultados? ¿Para que elemento se cumple la ley de ohm? R/ Se puede concluir que, no en todos los elementos se cumple la ley de ohm, no todos los materiales son óhmicos puesto que, en su mayoría, no presentan una relación directa en el voltaje y la corriente; para que un elemento cualquiera sea óhmico debe cumplir con que el voltaje y la corriente tengan una relación siempre igual en cualquier punto que se le evalúe. La ley de ohm se cumple para los resistores.

Preguntas Problematológicas: 1. Según la gráfica ¿Qué relación existe entre la intensidad de corriente y el voltaje en la resistencia de 33 Ohmios? ¿De cuál o cuales variables en el experimento depende la corriente en la resistencia? R/ La relación que se encuentra es que son proporcionales, si uno aumenta el otro también, y viceversa, la corriente depende del voltaje, mientras mas voltaje haya en el circuito, mas corriente habrá. 2. Después del análisis de la gráfica ¿Como fue el comportamiento de la corriente en función del voltaje para el diodo? ¿De cuál o cuales variables, además del voltaje cree usted, depende entonces la corriente en el diodo? R/ El comportamiento de la corriente (como ya se había planteado) fue de una función exponencial inversa, presento una curvatura inusual que solo la función previamente dicha la justificaba, la corriente, además, dependía de la resistencia. 3. A la luz de los resultados del experimento. ¿Todos los elementos obedecen siempre a la ley de Ohm? R/ No, solo aquellos que tengan una relación entre el voltaje y la corriente en cualquier punto la obedecen como los metales para otros casos la ley dice lo contrario; el material no es óhmico semiconductores.

4. CONCLUSIONES Para tales casos podemos concluir que el comportamiento de los materiales depende mucho de su composición, es por esto que un diodo ó resistor no óhmico, puede ser utilizado como un interruptor, dejando pasar o no corriente en función del sentido en que esta circule, mientras que los resistores óhmicos, pueden ser utilizados para transferir calor, también se utilizan como divisores de corriente o divisores de tensión, también se usan para polarizar circuitos. Comprobamos la Ley de Ohm, identificando el comportamiento de los resistores, ayudándonos a comprender cómo y porqué funcionan muchos de los utensilios electrónicos que usamos a diario.

5. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

SEARS, Francis W., ZEMANSKY, Mark W., YOUNG, Hugh D., FREEDMAN, Roger A., Física Universitaria Con Física Moderna. Vol. 2. Duodécima edición. México: Pearson Educación, 2005 CASTRO, Castro Darío. OLIVO, Burgos Antalcides. Física Electricidad para Estudiantes de Ingeniería. Ediciones Uninorte www.unicrom.com/Tut_leyohm.asp www.electronicafacil.net/ es.wikipedia.org/wiki/Circuito_eléctrico http://iesodrapisuerga.centros.educa.jcyl.es/sitio/upload/diodos.swf