Ley de Ohm y Resistencias Equivalentes

Ley de Ohm, Resistencias Equivalentes y
el Puente de Wheatstone
Laboratorio 3
Objetivos
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Obtener la relación entre voltaje y la corriente eléctrica en materiales
conductores lineales y no lineales.
Distinguir entre materiales óhmicos y no óhmicos.
Aplicar la ley de Ohm para obtener valores de corrientes, resistencias o voltajes.
Discutir las dos maneras de medir resistencias con el voltímetro y el
amperímetro y explicar como ellas difieren.
Describir el principio de operación del puente de Wheatstone.
Discutir la exactitud en la medida de resistencias utilizando el voltímetro y el
amperímetro comparado con la medida de resistencias utilizando el puente de
Wheatstone.
Materiales
1 Mili-amperímetro
1 Multímetro
1 Reostato
1 Fuente de voltaje (“power suply”)
6 Cables para conexión tipo “banana”
1 Panel de conexión y cables
6 Cocodrilos (“alligator clipper”)
1 caja de resistores
1 interruptor
1 bombilla (6-12 volts)
2 Páginas de papel de gráficas
Nota: Cuando utilicemos el puente de Wheatstone, en lugar del cero en el galvanómetro
utilizaremos el cero en el voltímetro
Teoría
En este experimento estudiaremos las corrientes eléctricas y las diferencias
de potencial a través de un resistor en un circuito eléctrico básico. Las mediciones se
realizaran con el multímetro digital. La corriente eléctrica es el flujo de cargas eléctricas
en un medio conductor y se mide en amperes: A (coulombs/segundo). El voltaje o
diferencia de potencial se mide en voltios: V (Joules/coulomb) y es gracias a ésta que
la corriente eléctrica puede ser mantenida en un conductor. En particular, se estudiara
la relación que existe entre la corriente eléctrica: I y el voltaje o diferencia de potencial:
V.
Un circuito simple en el cual pueden medirse estas cantidades físicas, consiste
en una fuente de voltaje como una batería y resistores conectados entre sus terminales
como se muestra en la Figura 1. La fuente de voltaje es también denominada fuente de
fuerza electromotriz (fem) por ser capaz de llevar o mover carga eléctrica (negativa)
desde un lugar de menor potencial eléctrico (-) hacia un lugar con un potencial eléctrico
mayor (+).
Figura 1.
El término corriente eléctrica, denotado por I, se utiliza para describir la rapidez
con la cual las cargas fluyen en un conductor. Una batería establece una diferencia de
potencial entre sus terminales, la cual al ser conectada a un conductor, crea un campo
eléctrico dentro de él y que produce el movimiento de cargas (de los electrones
principalmente) estableciéndose una corriente eléctrica. Si en un material conductor se
establece una corriente eléctrica: I, que es proporcional al voltaje o diferencia de
potencial en el conductor: V, se dice que el material conductor obedece a la Ley de
Ohm: V  I  R , donde la constante de proporcionalidad “R” denota la resistencia del
conductor, cuya unidad en el Sistema Internacional de medidas (SI) es el ohm (  ).
Esto es, la Ley de Ohm establece una relación lineal y proporcional entre la corriente y
el voltaje. Para algunos materiales (los llamados no óhmicos) la relación entre voltaje y
resistencia puede ser más complicada. En la Figura 2 se presenta una gráfica del
comportamiento entre la corriente y el voltaje en dos elementos conductores.
Fig. 2.
Procedimiento
Parte A: Conductor Ohmico
1. Asegúrese de utilizar escalas apropiadas en el multímetro cuando mida voltaje y
corriente para mantener la seguridad del equipo. Asegúrese que las puntas
están correctamente en sus correspondientes enchufes.
2. Monte el circuito de la Fig. 3 usando los mismos valores indicados tanto en la
fuente de voltaje como en resistencias. Asegúrese de que el interruptor esté
abierto.
Fig. 3
3. Cierre el interruptor y mida para RDR 600  los valores de corriente y voltaje y
anote estos valores en la Tabla 1.
4. Disminuya el valor de la resistencia RDR en 100  . Mida los valores de
corriente y voltaje y anote estos valores en la Tabla 1.
5. Repita el paso 5 hasta que complete la tabla 1.
Tabla 1.
RDR (  )
600
500
400
300
200
100
0
VR (V)
R( )
IR (A)
Rave=
6. Utilice los valores de la primera y segunda columna para calcular el valor de R y
complete la cuarta columna de la tabla 1.
7. Haga una gráfica de voltaje vs. corriente. Encuentre el valor de R según la
grafica y compárelo con el valor Rave. Comente sobre la comparación.
Rave=_______________
Rgraf=____________
8. Mida el valor de la resistencia utilizando el multímetro, y utilice este valor como
el valor aceptado y encuentre el error experimental.
%Error de Rave=____________
%Error de Rgraf=___________
Parte B: Conductor No-Ohmico
1. Asegúrese de utilizar escalas apropiadas en el multímetro cuando mida voltaje y
corriente para mantener la seguridad del equipo. Asegúrese que las puntas
están correctamente en sus correspondientes enchufes.
2. Monte el circuito de la Fig. 4 usando los mismos valores indicados tanto en la
fuente de voltaje como en el resistor. Asegúrese de que el interruptor esté
abierto.
Fig 4
3. Cierre el interruptor y mida los valores de corriente y voltaje y anote estos
valores en la tabla 2.
4. Disminuya el valor de la resistencia RDR en 5  . Mida los valores de corriente y
voltaje y anote estos valores en la tabla 2.
5. Repita el paso 5 hasta que complete la tabla 2.
Tabla 2
RDR (  )
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
VR (V)
IR (A)
R( )
6. Utilice los valores de la primera y segunda columna para calcular el valor de R y
complete la cuarta columna de la tabla 2.
7. Haga un grafico de voltaje vs. Corriente e indique si el filamento de una bombilla
es óhmico. Explique.
Parte C: Medida de resistencias utilizando el puente de WHEATSTONE
Para determinar resistencias utilizando el puente de Wheatstone (ver figura 5)
usaremos la condición de balance del puente: la diferencia de potencial medida por el
voltímetro entre los puntos A y B debe ser igual a cero. Cuando esta condición se
cumple, se satisface que:
I1  R1  I 2  R3
I1  R2  I 2  RX
De donde se obtiene que la resistencia desconocida es:
RX 
R2  R3
R1
1. Ensamble el circuito como se muestra en la fig. 5
Fig. 5
2. Escoja los valores de R1 y R2. Recuerde, como mínimo R2 DEBE ser una
resistencia variable.
3. Utilizando la condición de balance, encuentre el valor de dos resistencias
suministradas por el instructor. La condición de balance se obtiene modificando
el valor de R2 hasta lograr que el voltímetro indique cero.
4. Para poder medir el valor de R1 y R2, se debe desconectar el reóstato del
circuito.
5. Compare los valores experimentales con el valor extraído utilizando el código de
colores
6. Compare los valores obtenidos con los valores obtenidos utilizando directamente
el Ohmiómetro.
Rx (experimental)=____________
Rx(nominal)=_____________
Rx(medido)=____________
Referencias:
Physics Laboratory Experiments, The Ohms’ Law p.307-315,p.337-349, Jerry D. Wilson
Physics Labs with computers, Vol. 2, Ohm’s Law, Experiment P40