DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE EN MATERIALES ÓHMICOS Y NO-ÓHMICOS PDF

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DETERMINACIÓN DE LA RELACIÓN ENTRE VOLTAJE Y CORRIENTE
EN MATERIALES ÓHMICOS Y NO-ÓHMICOS
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Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

I2.DETERMINACIÓNDELARELACIÓNE  NTREV  OLTAJEYCORRIENTE ENMATERIALESÓ  HMICOSYNO-ÓHMICOS

RESUMEN Nuestra vida cotidiana está rodeada por una gran cantidad de aparatos electrónicos, todos ellos formados por circuitos electrónicos que funcionan debido a la correlación entre voltaje, corriente y resistencia. El funcionamiento de estos dispositivos electrónicos se atribuye a la Ley de Ohm formulada en el siglo XIX, por Georg Simon Ohm (Wikipedia). En este proyecto de investigación, se espera que el estudiante corrobore experimentalmente la Ley de Ohm, a través de las relaciones que se establecen entre potencial eléctrico (voltaje), corriente eléctrica y la resistencia, en diferentes materiales.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA La Ley de Ohm explica la relación que guardan entre sí el potencial eléctrico (voltaje), la corriente eléctrica y la resistencia. Es posible predecir el comportamiento eléctrico de un circuito si se conocen dos de las tres variables mencionadas. Para que circule una corriente eléctrica por un material, es necesario que se aplique un campo eléctrico o una diferencia de potencial entre dos puntos de este y que el material contenga cargas capaces de moverse (electrones o iones). Sin embargo, en la naturaleza existen materiales que no guardan esta relación, como los materiales óhmicos (relación lineal) – materiales no óhmicos (relación no lineal). Adicionalmente, todos los materiales presentan una resistencia eléctrica interna que variará en función de la longitud del conductor. Entonces, se plantean las preguntas de investigación: ¿Cuáles materiales son óhmicos y cuáles no? ¿Cómo se cuantifica la relación entre el potencial y corriente en los materiales óhmicos y no óhmicos? Para 1

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responder a estas preguntas, en esta investigación se estudiará la correlación del potencial, la corriente y la resistencia de distintos tipos de material.

OBJETIVO GENERAL Determinar experimentalmente las relaciones entre voltaje y corriente en materiales óhmicos y noóhmicos

OBJETIVOS ESPECÍFICOS ●

Determinar experimentalmente la relación entre el voltaje y corriente.

●

Hallar experimentalmente la relación entre resistencia y corriente de un circuito.

●

Caracterizar experimentalmente el comportamiento eléctrico de un material óhmico y no óhmico.

MARCO TEÓRICO Corriente eléctrica o intensidad eléctrica: es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro (o multímetro en la escala de Amperios (figura 1) y es colocado en serie con el conductor por el que circula la corriente que se desea medir. (Wikipedia)

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Figura 1 medición de corriente con un multímetro

Resistencia eléctrica: oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor..Para su medición, en la práctica existen diversos métodos, entre los que se encuentra el uso de un óhmetro (o multímetro en la escala de ohmios, figura 2). Se conecta en paralelo, teniendo la precaución de desenergizar la fuente de poder del circuito. Según sea la magnitud de esta medida, los materiales se pueden clasificar en conductores, aislantes y semiconductor. (Wikipedia).

Figura 2 medición de Resistencia con un multímetro

LEY DE OHM Por medio de la Ley de Ohm se determina la relación matemática entre la tensión o voltaje V, la corriente eléctrica I y la resistencia R. I= I = Corriente eléctrica. Unidad: Amperio (A) 3

V R

(1)

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V = Voltaje o tensión eléctrica. Unidad: Voltio (v) R = Resistencia eléctrica. Unidad: Ohmio (Ω = Voltio/Amperio)

Si en un circuito cerrado se varía la tensión aplicada, por lo general la corriente también variará, dependiendo del tipo de material o dispositivo que se esté usando. Si la relación entre V e I es lineal, (figura 1 A), se dice que es un material o componente óhmico y la ecuación 1 se puede expresar de la siguiente forma: V = R ·I con R = constante. (Gil, 2014). Esta ecuación es válida para cierto tipo de materiales: metales, semiconductores y algunos electrolitos bajo condiciones especiales (por ejemplo temperatura constante, etc.). Si la dependencia entre V

e I no es lineal, siempre se puede definir un valor R = V /·I , pero en este

casoR variaría conV

y el dispositivo en estudio será no-óhmico (figura 3 B),

óI

Figura 3.A comportamiento de un sistema óhmico; B) sistema no óhmico.

METODOLOGÍA Este proyecto de investigación se llevará a cabo en cuatro fases metodológicas. En la primera fase determinará de forma experimental la relación entre la corriente y potencial, por lo que se deberá 4

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establecer una resistencia constante. En la segunda fase metodológica, se medirá experimentalmente la relación entre la corriente y la resistencia, dejando el potencial constante. En la tercera fase se determinará experimentalmente la relación entre la corriente y potencial de un material no óhmico. En la última fase, se analizarán los resultados obtenidos y se presentará un informe con los resultados de la investigación. Recuerde que el profesor debe revisar todos los montajes antes de aplicar la diferencia de potencial, es decir antes de energizar cualquier circuito.

Figura 4. Circuito 1

Fase uno: se determinará la relación entre voltaje y corriente manteniendo la resistencia constante, por lo que es necesario realizar el montaje indicado en la figura 4. Para realizar las mediciones de corriente se debe tener en cuenta: que el amperímetro debe ir conectado en serie con la resistencia, las puntas del amperímetro deben ir en los terminales COM (negro) y mA. Para determinar los potenciales, se empleará un voltímetro que debe ir en paralelo (la punta roja debe ir conectada en el conector +VΩ y la negra al COM). El valor de la resistencia, será establecido por el docente, y se empleará un reóstato y/o óhmetro (o un multímetro en la escala de ohmios) con el fin de corroborar este valor. Con el fin de determinar la relación entre voltaje y corriente se variarán los valores de potencial, incrementándolos gradualmente (entre 2- 8 V), y las corrientes se calcularán con la ecuación (1), luego se graficará la relación ΔV vs I, con los datos tabulados. Se tomarán diez mediciones como mínimo.

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Figura 5. Circuito 2

Fase dos: para medir la relación existente entre la corriente y la resistencia con un voltaje constante, se utilizará un experimento similar al de la fase anterior. Debe realizarse el montaje de la figura 5 y medir diferentes valores de resistencias, haciendo varias marcas en el reóstato (entre 8-10 mediciones), y se deberá corroborar los valores con ayuda de un multímetro. Recuerde que antes de energizar el sistema, se debe verificar la condición de corriente máxima del reóstato, dada por el fabricante.

Luego, se deberá fijar un valor potencial (constante, ejemplo 40 V), el cual debe ser

consultado al docente. Por último, se realizará una gráfica con cada valor de la corriente medida en cada resistencia.

Figura 6. Circuito 3

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Fase tres: en esta fase se analizará el comportamiento eléctrico de un material no óhmico, para esto se utilizará un experimento similar al de la fase uno, con una pequeña modificación: en lugar de una resistencia nominal se utilizará un bombillo de luz, tal como lo indica el montaje de la figura 6. Fase cuatro: se sintetizarán los resultados a través de un informe donde se establecerán las relaciones obtenidas entre las variables involucradas en todos los experimentos, a través de análisis gráfico (ajuste lineal), y los respectivos cálculos estadísticos entre otros.

PREGUNTAS ADICIONALES ¿Qué factores influyen en los resultados? ¿Por qué los materiales se calientan al circular una corriente eléctrica? ¿Por qué los buenos conductores eléctricos también son buenos conductores térmicos?

RESULTADOS ESPERADOS Con la ejecución de este proyecto de investigación, se espera que los estudiantes aprendan a realizar montajes eléctricos que permitan la aplicación de la ley de Ohm y aclaren los conceptos entre materiales Óhmicos y no-Óhmicos.

Además, se espera despertar en los estudiantes el espíritu

investigador.

BIBLIOGRAFÍA Gil Salvador Ley de Ohm [Sección de libro] // Experimentos de fisica:usando las TIC y elementos de bajo costo. - Buenos Aires : Afaomega, 2014. Sears F et al Fisica Universitaria [Libro] = Mecanica. - Texas : Pearson Education, 2004. - 1 : Vol. vol I : II. 7

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Wikipedia Wikipedia [En línea]. - 6 de Abril de 2016. - https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm. Wikipedia

Wikipedia

[En

línea]. -

2016

de

Abril

de

2016. -

https://es.wikipedia.org/wiki/Corriente_el%C3%A9ctrica.

Este m aterial fue des arrollado por Melba Johanna Sánchez Soledad, B.Sc, Oscar forero y Rogelio Ospina Ph.D, en el marco del proyecto titulado “Fortalecimiento de las capacidades científicas y tecnológicas para lograr una m ejor form ación para la inves tigación por medio de m ejores laboratorios de fís ica para ciencia e ingeniería”, fas e 1: re-enfoque metodológico. Para el des arrollo de es ta actividad s e contó con el apoyo de Dr. Jorge Humberto Martínez Téllez, Director de la Es cuela de Fís ica, David Alejandro Miranda Mercado, Ph.D, Decano de la Facultad de Ciencias , Vicerrectora Académ ica de la Universidad Industrial de Santander. Bucaram anga, 25 de Abril de 2016

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