| 1.1. Introducció En aquesta pràctica s’efectuaran mesures de tensió i d’intensitat de corrent en circuits senzills de corrent continu. Es comprovarà la llei d’Ohm en materials òhmics i la llei d’associació de resistències en sèrie i en paral·lel. Finalment es realitzarà la característica intensitat-tensió de dos components electrònics. 1.1.1. Llei d’Ohm La llei d’Ohm estableix que hi ha una relació de proporcionalitat entre la diferència de potencial, V, als extrems d’un conductor i la intensitat, I, que hi circula, i la resistència, R, és el factor de proporcionalitat:
| (1)
La llei d’Ohm així formulada no és una llei general que es verifiqui per a qualsevol conductor, i per a qualsevol rang de valors de la diferència de potencial o de la intensitat, sinó que només la compleixen els materials anomenats conductors òhmics. Així doncs, de l’equació (1) podem definir la resistència R com el quocient entre el voltatge i la intensitat. Si la resistència del material és constant dins del rang de tensions aplicades, el material compleix la llei d’Ohm (la representació I(V) és una recta), i llavors direm que és un conductor òhmic. Però això és, només, un cas ideal, i a la pràctica ens trobarem amb materials en què la resistència no és constant, sinó que depèn del voltatge aplicat (o, alternativament, de la intensitat que hi circula). 1.1.2. Connexió en sèrie i en paral·lel Dos o més dispositius connectats de tal manera que flueix la mateixa càrrega a través de cada un d’ells estan connectats en sèrie. Les resistències R1 i R2 de la figura 1 són exemples de dispositius en sèrie. Quan dos dispositius estan connectats com es veu en la figura 2, de tal manera que en cadascun hi ha la mateixa diferència de potencial, diem que estan connectats en paral·lel. Observeu que, en aquest cas, els extrems dels dispositius estan connectats als mateixos cables.
Figura 1 | Figura 2
Les resistències equivalents a l’associació de resistències en sèrie i en paral·lel són donades per les expressions:
| (2)
1.1.3. Connexió d’aparells de mesura Els dispositius que mesuren la intensitat del corrent, la diferència de potencial i la resistència s’anomenen amperímetres, voltímetres i ohmímetres, respectivament. Sovint, els tres dispositius estan incorporats en un únic multímetre o polímetre, que es connecta de manera diferent segons l’ús concret. Per mesurar el corrent a través d’una resistència s’ha de connectar un amperímetre en sèrie amb la resistència, tal com es veu en la figura 3. Així, l’amperímetre és travessat pel mateix corrent que la resistència. La diferència de potencial a través d’una resistència es mesura connectant un voltímetre en paral·lel amb la resistència tal com es veu en la figura 4. La caiguda de potencial en el voltímetre (Va − Vb) és la mateixa que la que hi ha entre els extrems de la resistència.
Figura 3 A: amperímetre; R: resistència; E: pila. | Figura 4 V: voltímetre; R: resistència; E: pila.
1.2. Material Font d’alimentació 3 resistències (R1, R2 i R3) placa de connexions 2 multímetres 1 díode 1N4007 i 1 díode LED 1.3. Realització experimental 1.3.1. Llei d’Ohm. Resistència Connecteu en sèrie la font d’alimentació i la resistència R1 segons indica la figura 5. Connecteu dos multímetres de manera que l’un mesuri la intensitat que circula per la resistència i l’altre la diferència de potencial entre els seus extrems. Obtingueu unes deu parelles de mesures tensió-intensitat entre −5 i +5 V.
Figura 5 F: font d’alimentació; A: amperímetre; R1: resistència; V: voltímetre.
1.3.2. Associació en sèrie Connecteu en sèrie la font d’alimentació i les tres resistències R1, R2, i R3. Ajusteu la font a +5 V. Mesureu la intensitat que circula per les resistències, la caiguda de potencial en cada resistència, V(Ri), i la diferència de potencial en el conjunt de les tres resistències, Vtotal. Comproveu la llei d’associació de resistències en sèrie. Verifiqueu que V total = V(R1) + V(R2) + V(R3). 1.3.3. Associació en paral·lel Connecteu la font d’alimentació (+5 V) amb les tres resistències de l’apartat anterior connectades en paral·lel. Mesureu la intensitat subministrada pel generador, Itotal, i la diferència de potencial de les resistències, Vtotal. Comproveu la llei d’associació de resistències en paral·lel utilitzant els valors de R1, R2, i R3 que hagueu trobat a l’apartat anterior. A partir del valor de Vtotal mesurat i dels valors de R1, R2 i R3 calculeu la intensitat que passa per cada resistència i comproveu que Itotal = I(R1) + I(R2) + I(R3). 1.3.4. Conductors no òhmics Connecteu la font d'alimentació, la resistència R 1 i el díode D (1N4007) segons indica la figura 6. Connecteu els multímetres de manera que l'un mesuri la intensitat que travessa el díode i l'altre la diferència de potencial entre els seus extrems. Aneu augmentant la tensió subministrada vigilant que el corrent que circula pel díode no superi els 10 mA, i anoteu els parells de valors tensió-intensitat obtinguts. Observeu el comportament del corrent mesurat i preneu més mesures en la zona en què la variació és més important. Invertiu la polaritat de la font, mantenint les connexions del voltímetre i l’amperímetre i la posició del dispositiu, i obtingueu parells de mesures tensió-intensitat amb intervals de tensió de 0,5 V fins a arribar a −5 V. Substituïu el díode semiconductor 1N4007 per un díode LED. Repetiu les mesures anteriors, també amb la precaució de no sobrepassar els 10 mA.
Figura 6 F: font d’alimentació; A: amperímetre; R1: resistència; V: voltímetre; D: díode.
1.4. Elaboració de l’informe Presenteu la característica V(I) de la resistència R1. Deduïu el valor de la resistència mitjançant una regressió lineal. Forceu que la recta passi per l’origen. Presenteu la comprovació experimental de l’equació corresponent a l’associació de resistències en sèrie (apartat 1.3.2). Presenteu l’esquema del circuit emprat. Presenteu la comprovació experimental de l’equació corresponent a l’associació de resistències en paral·lel (apartat 1.3.3). Presenteu l’esquema del circuit emprat. Presenteu la característica I(V) del díode 1N4007 juntament amb la del díode LED. Indiqueu algunes aplicacions d'aquests dos dispositius. 1.5. Qüestions Q1.1. Per què els voltímetres han de tenir resistència elevada’ Què passaria si un voltímetre tingués resistència infinita? Q1.2. Quin efecte no desitjat provoca la resistència d’un amperímetre? Què passaria si la resistència d’un amperímetre es fes zero? Q1.3. La llei d’Ohm és sempre vàlida? Raoneu la resposta amb exemples. Q1.4. Dibuixeu, en una mateixa gràfica, les característiques I-V del elements següents: a) una resistència R, b) dues resistències R en sèrie, c) dues resistències R en paral·lel, i d) un díode d’unió pn. Q1.5. Dibuixeu un esquema que mostri la connexió dels voltímetres i amperímetres necessaris per mesurar simultàniament la intensitat i la tensió en cada una de les tres resistències d’un circuit quan estan connectades a) en sèrie i b) en paral·lel. BIBLIOGRAFIA TIPLER, P. A. Física para la ciencia y la tecnología. Barcelona: Reverté, 1999, vol. II, cap. 26. SEARS, F. W.; ZEMANSKY, M. W.; YOUNG, H. D.; FREEDMAN R. A. Física Universitaria. México: Addison Wesley Longman, 1999, cap. 27. |

<>