RESISTENCIA Y LEY DE OHM

Transcripción

1 RESISTENCIA Y LEY DE OHM Objetivos: - Aprender a utilizar el código de colores de la E.I.A. (Electronics Industries Association ) - Aprender a armar algunos circuitos simples en el tablero de pruebas (Protoboard). - Practicar el manejo del multímetro en la medida de resistencias, voltajes y corrientes. - Verificar la ley de Ohm y comparar resultados prácticos con teóricos. - Analizar la limitación de corriente y voltaje en una fuente de alimentación. Equipo: - Tablero de conexiones (Protoboard) 1 - Cables de conexión (15 puentes, 4 banana-banana, 4 banana-lagarto) - Fuente de corriente directa variable (entre 0 V y 10 V) - Resistencias (5 del orden de Ω(200Ω, 400 Ω y 600Ω, 2 cementadas de 5 W menor de 20 Ω, 2 bobinadas) - Multímetro (que permita medir voltaje, resistencia, corriente) Nota teórica: Al igual que la capacitancia es independiente del voltaje y de la cantidad de carga, la resistencia de un conductor es independiente de la corriente y del voltaje. Tanto la capacitancia como la resistencia son propiedades inherentes a un conductor. La resistencia de un alambre de área de sección transversal uniforme, se determina por los cuatro factores siguientes: 1. Tipo de material 2. Longitud 1 Está dividido en dos, la fila de puntos de 5x2 están conectados horizontales con un mismo potencial, y los cuadros de 5x5 puntos que están conectados verticalmente con el mismo potencial. 98

2 3. Área de la sección transversal 4. Temperatura Ohm, el físico alemán que descubrió la ley que ahora lleva su nombre, informó también que la resistencia de un conductor a una temperatura dada es directamente proporcional a su longitud, inversamente proporcional al área de su sección transversal y depende del material del cual está construido. Para un conductor dado, a una temperatura determinada, la resistencia se puede calcular a por medio de: R ρ L = (1) A donde R es la resistencia en ohmios (Ω), ρ es la resistividad en Ω m, L la longitud del conductor en m, y A el área de sección transversal en m 2. La resistividad varía considerablemente de acuerdo al tipo de material y también se ve afectada por cambios de temperatura. Desde el punto de vista de la resistividad, podemos encontrar materiales conductores (no presentan ninguna oposición al paso de la corriente eléctrica), aislantes (no permiten el flujo de corriente), y resistivos (que presentan cierta resistencia). Dentro de este último grupo se sitúan las resistencias. Por esto se fabrican un tipo de componentes llamados resistores cuyo único objeto es proporcionar en un pequeño tamaño una determinada resistencia, especificada por el fabricante. Las resistencias son componentes eléctricos pasivos en los que la diferencia de potencial (tensión) instantánea aplicada es proporcional a la intensidad de corriente que circula por ellos. Las resistencias se pueden dividir en tres grupos: Resistencias lineales fijas: su valor de resistencia es constante y está predeterminado por el fabricante. 99

3 Resistencias variables: su valor de resistencia puede variar dentro de unos límites. Resistencias no lineales: su valor de resistencia varia de forma no lineal dependiendo de distintas magnitudes físicas (temperatura, luminosidad, etc.). En la figura 1 se muestra los símbolos empleados para representar las resistencia en los circuitos eléctricos: Figura 1: Símbolos de las resistencias lineales fijas La clasificación de las resistencias lineales fijas se puede hacer basándose en los materiales utilizados para su construcción, básicamente mezclas de carbón o grafitos y materiales o aleaciones metálicas. Otras clasificaciones son: Resistencias Metálicas Bobinadas: en este tipo se emplean como soportes núcleos cerámicos y vítreos, y como materiales resistivos metales o aleaciones en forma de hilos o cintas de una determinada resistividad, que son bobinados sobre los núcleos soporte. Generalmente se suele hacer una subdivisión de este tipo en bobinadas de potencia y bobinadas de precisión, según la aplicación a la que se destinan. Como características generales se pueden destacar las siguientes: - Gran disipación de potencias y elevadas temperaturas de trabajo. - Elevada precisión, variación con la temperatura y baja tensión de ruido. - Considerables efectos inductivos. - Construcción robusta. 100

4 En la figura 2 se muestra algunas de las resistencias comerciales que se ofrecen en el mercado. Como se indico anteriormente, las resistencias o resistores son dispositivos que se usan en los circuitos eléctricos para limitar el paso de la corriente, las resistencias de uso en electrónica son llamadas "resistencias de carbón" y usan un código de colores como se ve a continuación para identificar el valor en ohmios de la resistencia en cuestión. El sistema para usar este código de colores es el siguiente: La primera banda de la resistencia indica el primer dígito significativo, la segunda banda indica el segundo dígito significativo, la tercera banda indica el número de ceros que se deben añadir a los dos dígitos anteriores para saber el valor de la resistencia, en la cuarta banda se indica el rango de tolerancia entre el cual puede oscilar el valor real de la resistencia. Figura 2: Lectura del código de colores 101

5 Figura 3: Resistencias comerciales 102

6 Figura 4: Resistencias comerciales En la Tabla 1 se muestra el código de colores de la Electronics Industries Association (E.I.A.) Tabla 1: Código de colores COLOR NUMERO CAFÉ (MARRÓN) 1 ROJO 2 NARANJA 3 AMARILLO 4 VERDE 5 AZUL 6 MORADO (VIOLETA) 7 GRIS 8 BLANCO 9 NEGRO 0 DORADO 05 % TOLERANCIA PLATEADO 10 % SIN COLOR 20 % 103

7 Ley de Ohm: La ley de Ohm relaciona el valor de la resistencia de un conductor con la intensidad de corriente que lo atraviesa y con la diferencia de potencial entre sus extremos. Cuando una corriente eléctrica atraviesa un circuito eléctrico aparece una relación entre la intensidad que circula a través de cada elemento del circuito (I) y la diferencia de potencial que cae en ese elemento (V). El factor que los relaciona se llama resistencia y se suele representar con la letra R, cumpliéndose la relación conocida como la ley de Ohm: V = I R (2) La ley de Ohm es una aproximación lineal, ya que en general, la resistencia de un elemento depende de la intensidad de corriente que circule a través suyo. El origen de la caída de potencial que tiene lugar en las resistencias está en que se disipa la energía potencial electrostática en forma de calor. Esto hace que aumente la temperatura de los distintos elementos y que se modifiquen las propiedades de conducción eléctricas. Además, la forma en que varía la resistencia depende de que se trate de un material conductor o de un semiconductor (el caso de los aislantes no se contempla debido a su baja conductividad). En los primeros la resistencia aumenta con la temperatura y en los segundos disminuye con ella. A pesar de todo, y dependiendo del elemento con que trabajemos, es muy razonable en muchos casos considerar el valor de la resistencia como constante, con lo que la relación entre voltaje e intensidad es lineal. En aquellas ocasiones en las que la relación no es lineal se emplea la ley de Ohm para determinar el valor de la resistencia para cada temperatura. Finalmente, la ley de Ohm se cumple también en circuitos de corriente alterna, pudiéndose aplicar a los valores de intensidad y voltaje eficaces, a los de pico o a los valores instantáneos. Los materiales que cumplen con la relación lineal de Ohm reciben el nombre de materiales ohmicos, mientras que a los materiales que no cumplen con la ley de Ohm se les llama materiales no ohmicos. 104

8 Tablero de pruebas (Protoboard) Este es una plantilla para hacer conexiones, el a nivel interno cuenta con algunas en la dirección indicada en la figura 5. Figura 5: Tablero de conexiones Procedimiento: 105

9 a. Arme el circuito de la figura 6 sobre el tablero de pruebas, utilice una fuente de corriente directa variable. Recuerde que el Protoboard esta dividido en dos tableros por así decirlo, en los puntos internos cada serie de cinco puntos verticales se encuentran comunicado por la parte interna, de forma tal que ellos estarán al mismo potencial, por otro lado las líneas horizontales (parte externa) forma un conjunto de puntos que están al mismo potencial. Conecte la fuente de energía entre los puntos e y f, el voltímetro entre los puntos a y b, ya que esta es la resistencia que evaluaremos, el amperímetro puede insertarse entre la fuente y el punto f, de esta forma él quedará conectado en serie. Emplee dos resistencias de tercera banda igual. 106

10 Figura 6: Ley de Ohm b. Determine el valor de cada una de las resistencias por medio del código de colores, mida también su valor con ayuda del multímetro, anote sus mediciones en la Tabla 5. c. Haga variar el voltaje de la fuente de 1 en 1 hasta 10 voltios y, en cada caso, mida la corriente y el voltaje, anote sus resultados en la Tabla 2. no se demore mucho en la recolección de los datos, esto para evitar calentamiento en las resistencias. Tabla 2: Evaluación de la Ley de Ohm para una resistencia de Ω Voltaje V (V) Corriente I (A) d. Repita los puntos anteriores para otro par de resistencias, anote sus resultados en la Tabla 3. Recuerde que solo es necesario que la tercera banda sea igual, no se demore mucho en la recolección de los datos, esto para evitar calentamiento en las resistencias. Tabla 3: Evaluación de la Ley de Ohm para una resistencia de Ω Voltaje V (V) Corriente I (A) 107

11 e. Repita nuevamente los puntos del a al c, pero en este caso emplee un par de resistencias bobinadas cementadas. Anote sus resultados en la tabla 4. Recuerde, no se demore mucho en la recolección de los datos, esto para evitar calentamiento en las resistencias. Resultados: 1. Para cada uno de los conjuntos de datos de las Tablas 2, 3 y 4 realice una gráfica en la que se muestre la diferencia de potencial como una función de la corriente. Tabla 4: Evaluación de la Ley de Ohm para una resistencia de Ω Voltaje V (V) Corriente I (A) Tabla 5: Comparación de los valores de las resistencias obtenidos Resistencia código de colores R (Ω) Resistencia Multímetro R multímetro (Ω) Resistencia Ley de Ohm R Ley de Ohm (Ω) % de error Valor Tolerancia Multímetro Ley de Ohm 108

12 2. Con ayuda de las gráficas anteriores y la ecuación (2) determine el valor de cada una de las resistencias evaluadas, anote sus resultados en la tabla Determine cada uno de los respectivos porcentajes de error, tome como valor teórico el determinado por medio del código de colores. % de error Valor teórico valor exp erimental = *100 (3) Valor teórico Cuestionario: 1. A partir de la Tabla 4, se puede decir que se satisface la Ley de Ohm. Explique. 2. Qué importancia tiene el uso de la resistencia R 2 en esta práctica? Cuál es su función? 3. Qué sucede con el voltaje en un circuito, si la corriente entregada por la fuente es muy baja? Dependerá uno del otro? Explique. 4. Indique la diferencia entre un material conductor de la electricidad y un aislante. 5. Para qué se usan las resistencias eléctricas en los circuitos eléctricos, por ejemplo una tarjeta madre de una computadora? 6. Cuál es una consideración que se debe tener a la hora de trabajar con resistencias? Recomendaciones Todo sobre circuitos 109

13 gura 6: Resumen de la práctica Fi 110