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Informe de laboratorio

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  • 1. INFORME DE LABORATORIO RIVEROS GUERRERO JHOJAN ARJEY TRUJILLO VANEGAS MAIRA YESENIA GRUPO 14 BOGOTA D.C. IED OEA 2014
  • 2. INTRODUCCION En nuestro entorno reconocemos múltiples y diferentes fenómenos que se desarrollan naturalmente y son analizados por el ser humano, para lograr comprender las características del universo que habitamos. El ser humano tiene una característica de querer conocer cada vez más como lo es la curiosidad, capacidad que debe ser alimentada de manera constante por el humano y que de algún modo brindara profundidad en el conocimiento de cada uno. Recopilando el tema tratado anteriormente el universo tiene muchos detalles que han de ser analizados e incluso descubiertos por el ser humano entre estos se encuentra la electricidad, propiedad natural del universo pero que tuvo que ser descubierta por algún humano. Este campo que nombramos electricidad es bastante amplio y habla de muchos aspectos a la vez, para introducirnos y comprender este mundo debemos poseer conocimientos básicos acerca de esta perspectiva para analizar algún fenómeno físico; para poder entender todo esta largo y extenso mundo de saber y conocimiento es necesario tener unas bases en los conocimientos es decir, poseer un básico conocimiento de las cosas más sencillas tratadas en este mundo de la electricidad, es aquí donde este trabajo toma importancia, ya que se habla de conocimientos en dicha ciencia. En conclusión, este trabajo presenta un breve análisis de una práctica de laboratorio que nos permitirá comprender el comportamiento de la intensidad de corriente y el voltaje en un circuito serie que tiene resistencias. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Comprender el comportamiento de las distintas variables en un circuito específicamente la intensidad de corriente y el voltaje, teniendo en cuente la importante presencia de las resistencias. OBJETIVOS ESPECIFICOS  Indagar acerca de los conceptos de voltaje e intensidad para entender en qué consisten ambos.  Analizar matemáticamente a través de la aplicación de las leyes de ohm y de Kirchhoff el circuito.  Ejecutar la medición de las magnitudes de circuito con el multímetro.  Interpretar las múltiples variables del circuito de forma profunda.  Reconoces la importancia de las resistencias en la formación de un circuito.
  • 3. MARCO TEORICO RESISTENCIA La resistencia eléctrica de un componente o aparato del circuito se define como la proporción entre el voltaje aplicado y la intensidad de corriente eléctrica que fluye a su través: Si la resistencia es constante sobre un considerable rango de voltajes, entonces se puede usar la ley de Ohm, I = V/R, para predecir el comportamiento del material. Aunque la definición de arriba se aplica para voltajes e intensidades de corriente continua (DC), se mantiene la misma definición para aplicaciones AC sobre resistores. Ya sea que un material obedezca o no la ley de Ohm, su resistencia se puede describir en términos de la resistividad de la materia constituyente. La resistividad y por tanto la resistencia es dependiente de la temperatura. Sobre rangos medibles de temperatura, esta dependencia, se puede predecir a partir del coeficiente de resistividad de temperatura. La resistencia eléctrica es una propiedad que tienen los materiales de oponerse al paso de la corriente. Los conductores tienen baja resistencia eléctrica, mientras que en los aisladores este valor es alto. La resistencia eléctrica se mide en Ohm (Ω). El elemento circuital llamado resistencia se utiliza para ofrecer un determinado valor de resistencia dentro de un circuito. Resistencia de un conductor La resistencia de un material es directamente proporcional a su longitud e inversamente proporcional a su sección. Se calcula multiplicando un valor llamado coeficiente de resistividad (diferente en cada tipo de material) por la longitud del mismo y dividiéndolo por su sección (área).
  • 4. ρ = Coeficiente de resistividad del material l = Longitud del conductor s = Sección del conductor Además de los conductores y los aisladores encontramos otros dos tipos de elementos: los semiconductores y los superconductores. En los semiconductores el valor de la resistencia es alto o bajo dependiendo de las condiciones en las que se encuentre el material, mientras que los superconductores no tienen resistencia. Voltaje: Voltaje y voltio son términos en homenaje a Alessandro Volta, que en 1800 inventara la pila voltaica y la primera batería química. El voltaje es un sinónimo de tensión y de diferencia de potencial. En otras palabras, el voltaje es el trabajo por unidad de carga ejercido por el campo eléctrico sobre una partícula para que ésta se mueva de un lugar a otro. En el Sistema Internacional de Unidades, dicha diferencia de potencial se mide en voltios (V), y esto determina la categorización en “bajo” o “alto voltaje”. Un voltio es la unidad de potencial eléctrico, fuerza electromotriz y voltaje. Algunos voltajes comunes son el de una neurona (75 mV), una batería o pila no recargable alcalina (1,5 V), una recargable de litio (3,75 V), un sistema eléctrico de automóvil (12 V), la electricidad en una vivienda (230 en Europa, Asia y África, 120 en Norteamérica y 220 algunos países de Sudamérica), el riel de un tren (600 a 700 V), una red de transporte de electricidad de alto voltaje (110 kV) y un relámpago (100 MV). El término “alto voltaje” caracteriza circuitos eléctricos en los cuales el nivel de voltaje usado requiere medidas de aislamiento y seguridad. Esto ocurre, por ejemplo, en sistemas eléctricos de alto nivel, en salas de rayos X, y en otros ámbitos de la ciencia y la investigación física. La definición de “alto voltaje” depende de las circunstancias, pero se consideran para determinarlo la posibilidad de que el circuito produzca un “chispazo” eléctrico en el aire, o bien, que el contacto o proximidad al circuito provoque un shock eléctrico. Un shock eléctrico de magnitud aplicado a un ser humano u otros seres vivos puede producir una fibrilación cardíaca letal. Por ejemplo, el golpe de un relámpago en caso de tormenta sobre una persona a menudo es causa de muerte. Potencia: La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt). Cuando una corriente eléctrica fluye en cualquier circuito, puede transferir energía al hacer un trabajo mecánico o termodinámico. Los dispositivos convierten la energía eléctrica de muchas maneras útiles, como calor, luz (lámpara incandescente), movimiento (motor eléctrico), sonido (altavoz) o procesos químicos. La electricidad se puede producir mecánica o químicamente por la generación de energía eléctrica, o también por la
  • 5. transformación de la luz en las células fotoeléctricas. Por último, se puede almacenar químicamente en baterías. La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en kilovatios-hora (kWh). Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y los hogares, en lugar de facturar el consumo en vatios-hora, lo hacen en kilovatios-hora (kWh). La potencia en vatios (W) o kilovatios (kW) de todos los aparatos eléctricos debe figurar junto con la tensión de alimentación en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores, esa placa se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base. Potencia en corriente continua: Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencialentre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo. Por esta razón la potencia es proporcional a la corriente y a la tensión. Esto es, (1) Donde I es el valor instantáneo de la intensidad de corriente y V es el valor instantáneo del voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estará expresada en watts (vatios). Igual definición se aplica cuando se consideran valores promedio para I, V y P. Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la resistencia equivalente del dispositivo, la potencia también puede calcularse como, (2) Recordando que a mayor corriente, menor voltaje. Intensidad o corriente: La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo que recorre un material. 1 Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en C/s (culombios sobre segundo), unidad que se denomina amperio. Una corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electro imán.
  • 6. El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el galvanómetro que, calibrado en amperios, se llama amperímetro, colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir. Historia: Históricamente, la corriente eléctrica se definió como un flujo de cargas positivas y se fijó el sentido convencional de circulación de la corriente, como un flujo de cargas desde el polo positivo al negativo. Sin embargo posteriormente se observó, gracias al efecto Hall, que en los metales los portadores de carga son negativos, electrones, los cuales fluyen en sentido contrario al convencional. En conclusión, el sentido convencional y el real son ciertos en tanto que los electrones como protones fluyen desde el polo negativo hasta llegar al positivo (sentido real), cosa que no contradice que dicho movimiento se inicia al lado del polo positivo donde el primer electrón se ve atraído por dicho polo creando un hueco para ser cubierto por otro electrón del siguiente átomo y así sucesivamente hasta llegar al polo negativo (sentido convencional) es decir la corriente eléctrica es el paso de electrones desde el polo negativo al positivo comenzando dicha progresión en el polo positivo. En el siglo XVIII cuando se hicieron los primeros experimentos con electricidad, sólo se disponía de carga eléctrica generada por frotamiento (Electricidad Estática) o por inducción. Se logró (por primera vez, en 1800) tener un movimiento constante de carga cuando el físico italiano Alessandro Volta inventó la primera pila eléctrica. Conducción eléctrica Un material conductor posee gran cantidad de electrones libres, por lo que es posible el paso de la electricidad a través del mismo. Los electrones libres, aunque existen en el material, no se puede decir que pertenezcan a algún átomo determinado. Una corriente de electricidad existe en un lugar cuando una carga neta se transporta desde ese lugar a otro en dicha región. Supongamos que la carga se mueve a través de un alambre. Si la carga q se transporta a través de una sección transversal dada del alambre, en un tiempo t, entonces la intensidad de corriente I, a través del alambre es: Aquí q está dada en culombios, t en segundos, e I en amperios. Por lo cual, la equivalencia es: Una característica de los electrones libres es que, incluso sin aplicarles un campo eléctrico desde afuera, se mueven a través del objeto de forma aleatoria debido a la energía calórica. En el caso de que no hayan aplicado ningún campo eléctrico, cumplen con la regla de que la media de estos movimientos aleatorios dentro del objeto es igual a cero. Esto es: dado un plano irreal trazado a través del objeto, si sumamos las cargas (electrones) que atraviesan dicho plano en un sentido, y sustraemos las cargas que lo recorren en sentido inverso, estas cantidades se anulan.
  • 7. Cuando se aplica una fuente de tensión externa (como, por ejemplo, una batería) a los extremos de un material conductor, se está aplicando un campo eléctrico sobre los electrones libres. Este campo provoca el movimiento de los mismos en dirección al terminal positivo del material (los electrones son atraídos [tomados] por el terminal positivo y rechazados [inyectados] por el negativo). Es decir, los electrones libres son los portadores de la corriente eléctrica en los materiales conductores. Si la intensidad es constante en el tiempo, se dice que la corriente es continua; en caso contrario, se llama variable. Si no se produce almacenamiento ni disminución de carga en ningún punto del conductor, la corriente es estacionaria. Para obtener una corriente de 1 amperio, es necesario que 1 culombio de carga eléctrica por segundo esté atravesando un plano imaginario trazado en el material conductor. El valor I de la intensidad instantánea será: Si la intensidad permanece constante, en cuyo caso se denota Im, utilizando incrementos finitos de tiempo se puede definir como: Si la intensidad es variable la fórmula anterior da el valor medio de la intensidad en el intervalo de tiempo considerado. Según la ley de Ohm, la intensidad de la corriente es igual a la tensión (o voltaje) dividido por la resistencia que oponen los cuerpos: Haciendo referencia a la potencia, la intensidad equivale a la raíz cuadrada de la potencia dividida por la resistencia. En un circuito que contenga varios generadores y receptores, la intensidad es igual a: Donde es el sumatorio de las fuerzas electromotrices del circuito, es la suma de todas las fuerzas contra electromotrices, es la resistencia equivalente del circuito, es la suma de las resistencias internas de los generadores y es el sumatorio de las resistencias internas de los receptores. Intensidad de corriente en un elemento de volumen: , donde encontramos n como el número de cargas portadoras por unidad de volumen dV; q refiriéndose a la carga del portador; v la velocidad del portador y finalmente de como el área de la sección del elemento de volumen de conductor
  • 8. Ley de ohm: La ley de Ohm establece que la intensidad de la corriente que circula entre dos puntos de un circuito eléctrico es proporcional a la tensión eléctrica entre dichos puntos. Esta constante es la conductancia eléctrica, que es el inverso de la resistencia eléctrica. La intensidad de corriente que circula por un circuito dado es directamente proporcional a la tensión aplicada e inversamente proporcional a la resistencia del mismo. Cabe recordar que esta ley es una propiedad específica de ciertos materiales y no es una ley general del electromagnetismo como la ley de Gauss, La ecuación matemática que describe esta relación es: Donde, I es la corriente que pasa a través del objeto en amperios, V es la diferencia de potencial de las terminales del objeto en voltios, G es la conductancia en siemens y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm dice que R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.1 Esta ley tiene el nombre del físico alemán Georg Ohm, que en un tratado publicado en 1827, halló valores de tensión y corriente que pasaba a través de unos circuitos eléctricos simples que contenían una gran cantidad de cables. Él presentó una ecuación un poco más compleja que la mencionada anteriormente para explicar sus resultados experimentales. La ecuación de arriba es la forma moderna de la ley de Ohm. Esta ley se cumple para circuitos y tramos de circuitos pasivos que, o bien no tienen cargas inductivas ni capacitivas (únicamente tiene cargas resistivas), o bien han alcanzado un régimen permanente (véase también «Circuito RLC» y «Régimen transitorio (electrónica)»). También debe tenerse en cuenta que el valor de la resistencia de un conductor puede ser influido por la temperatura. Ley de Kirchhoff: Las leyes de Kirchhoff son dos igualdades que se basan en la conservación de la energía y la carga en los circuitos eléctricos. Fueron descritas por primera vez en 1845 por Gustav Kirchhoff. Son ampliamente usadas en ingeniería eléctrica. Ambas leyes de circuitos pueden derivarse directamente de las ecuaciones de Maxwell, pero Kirchhoff precedió a Maxwell y gracias a Georg Ohm su trabajo fue generalizado. Estas leyes son muy utilizadas en ingeniería eléctrica e ingeniería electrónica para hallar corrientes y tensiones en cualquier punto de un circuito eléctrico. Esta ley también es llamada ley de nodos o primera ley de Kirchhoff y es común que se use la sigla LCK para referirse a esta ley. La ley de corrientes de Kirchhoff nos dice que:
  • 9. En cualquier nodo, la suma de las corrientes que entran en ese nodo es igual a la suma de las corrientes que salen. De forma equivalente, la suma de todas las corrientes que pasan por el nodo es igual a cero Esta fórmula es válida también para circuitos complejos: La ley se basa en el principio de la conservación de la carga donde la carga en couloumbs es el producto de la corriente en amperios y el tiempo en segundos. CALCULOS Y RESULTADOS INTENSIDAD I = Ve / (R1 + R2 + R3 + R4 + R5) I = 19 / (4700Ω + 220Ω + 330Ω + 1600Ω + 1200000Ω) I = 19 / 1,200850 = 0,000015 A VOLTAJE Ve = I (R1 + R2 + R3 + R4 + R5) VR1 = 0,000015 A * 4700Ω = 0,073 V VR2 = 0,000015 A * 220Ω = 0,0033 V VR3 = 0,000015 A * 330Ω = 0.0049 V VR4 = 0.000015 A * 1600Ω = 0.024 V VR5 = 0.000015 A * 1200000 Ω = 18 V POTENCIA PcR = I * R PcR1 = 0,000000000225 * 4700 Ω = 2,5 dw = 0,25 W PcR2 = 0,000000000225 * 220 Ω = 7,2 dw = 0,72 W
  • 10. PcR3 = 0,000000000225 * 330 Ω = 7,9 mw = 0,0079 W PcR4 = 0,000000000225 * 1600 Ω = 6,4 dw = 0,64 W PcR5 = 0,000000000225 * 1200000 Ω = 0,038 µW = 000000,032 W DATOS DE LA MEDICION I=17µ A Vr1=0,07 V Vr2=0,34 mV Vr3=0,51 mV Vr4=0,02 V Vr5=18,9 V ANALISIS En esta práctica de laboratorio logramos evidenciar que los cálculos ejecutados matemáticamente son muy similares a los resultados de las medidas ofrecidas por el multímetro, lo que nos permite verificar que la ley de ohm y la ley de Kirchhoff son totalmente correctas y su fundamento está muy bien posicionado. Otro aspecto importante a evaluar son los resultados que obtuvimos en nuestras respectivas medidas analizando nuestras variables como lo son el voltaje y la intensidad de corriente; al medir estas dos magnitudes nos damos cuenta de que la corriente será la misma para todo el circuito debido a que este es un circuito en serie y del mismo circuito la intensidad de corriente no cambia de resultado en ningún elemento del circuito. Observando la otra magnitud correspondiente como lo es el voltaje nos damos cuenta que este es diferente en cada una de las resistencias y que su cambio está directamente relacionado con el valor de las resistencias, logrando concluir que entre más valga una resistencia más voltaje se encontrara en cada una de estas. Al analizar matemáticamente nuestra practica de laboratorio con relación de la ley de ohm y ley de Kirchhoff se nota que dichas leyes al ser aplicadas nos brindan un dato aproximado al dato real que nos ofrece el objeto. CONCLUSIONES  La intensidad de corriente en dicho circuito siempre va a ser igual en todos los elementos del circuito.  El voltaje en este circuito cambia de valor en cada elemento presente en el mismo.  Para lograr resolver de forma correcta los cálculos matemáticos se deben aplicar las leyes de ohm y de Kirchhoff.  Los resultados de los cálculos matemáticos ejecutados que se logran realizar a través de la aplicación de la ley de ohm y de Kirchhoff son muy similares a los de la medición con el multímetro.  Para poner en práctica la realización y medición de circuitos es necesario entender la teoría claramente.
  • 11.  La resistencia es un elemento fundamental para la formación de circuitos. WEBGRAFIA http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/resis.html http://www.fisicapractica.com/resistencia.php http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elevol.html http://es.wikipedia.org/wiki/Potencia_el%C3%A9ctrica http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001601/cap02/Cap2tem1.html http://www.virtual.unal.edu.co/cursos/ingenieria/2001601/cap02/Cap2tem2.html

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