Pràctica: La llei d'Ohm. L'efecte Joule.

• Objectius

• Treballar el concepte de resistència.

• Comprovar la llei d'Ohm.

• Comprovar l'efecte Joule.

• Aprendre a treballar amb els multímetres.

• Insistir en el concepte d'error en una mesura directa i en una indirecte.

• Fonaments

• Llei d'Ohm

• En un element de cirucit es compleix la llei d'Ohm si la relació entre la diferència de potencial (V) entre els extrems de l'element, i la intensitat (I) que hi circula és lineal. V=R*I (amb R constant).

• En un mateix circuit elèctric a més voltatge (V), més intensitat (I) i a més resistència (R) menys intensitat.

• Efecte Joule

• Quan un corrent circula per un conductor (o en general per una resistència R), aquest s'escalfa degut al xoc dels electrons lliures amb els ions que forman el conductor. L'energia dissipada per unitat de temps en forma de calor es pot calcular: P=R*I2 on I és la intensitat que hi circula. En un cert temps t, l'energia elèctrica transformada en energia calorífica serà: E=P*t=R*I2*t.

• Joule, James Prescott (1818-89) Físic britànic, discípul de Dalton. Va ser un dels científics que més va contribuir a l'estudi experimental i teòric de l'energia i les seves aplicacions tècniques. Estudià l'efecto calorífic del corrent elèctric i va trobar l'equivalència mecànica de la calor.

• Material

• Resistències, multímetres, cables, calorímetres, proveta, piles.

• Resistència: Component d'un circuit elèctric que s'oposa al pas del corrent. Els electrons que circulen per aquest xoque contra els àtoms que formen la resistència obligan així a que aquests electrons hagin de seguir una trajectòria de zig-zag i que redueixin la seva velocitat. Aquest conjunt de xocs produeix una força de fregament que escalfa la resistència. Matemàticament es representa així  i en els esquemes dels circuits elèctrics es representa amb aquest símbol:

• Procediment: Comprovació de la llei d'Ohm per una resistència.

• Mesurem el voltatge de les tres piles obtenim els resultats següents: 1ª Pila = 4,33 V, 2ª Pila = 4,72 V, 3ª Pila = 4,16 V. Muntem un circuit amb una pila i una resistència mesurant la intensitat que hi circula, el multímetre electrònic assenyala 0,11 A.

• Muntem el mateix circuit amb la mateixa resistència però emprant dos i tres piles succesivament. La intensitat que hi circula assenyalada pel multímetre electrònic en cadascun dels dos casos és 0,24 A i 0,35 A.

• Elaborem els càlculs a partir de la fórmula: R = V / I.

• Hem de tenir en compte la mesura de la resistència a l'hora d'utilitzar el número de xifres significatives. Hem d'emprar només dues ja que el denominador en té només dues encara que el numerador en tingui tres.

• La raó per la que no hem fet la pràctica utilitzant bombetes és simplement que emprant dades visibles, equiparables i comparabes podem observar d'una forma millor l'efecte Joule, ja que si haguessim utilitzat bombetes seria difícil percebre les variacions de calor despreses per la resistència d'aquestes amb els augments de voltatge.

• Contruim un gràfic V-I (voltatge-intensitat)

• Procediment 2: Comprovació del efecte Joule en una resistència.

• Hem efectuat el muntatge de tres piles en sèrie amb l'amperímetre, el calorímtre, el termòmetre i la resistència que podem observar a continuació. Tanquem el circuit i posem en marxa el cronòmetre que cada cop que assenyali una variació de temps d'un minut anotarem la temperatura a dins del calorímetre. Obtenint una taula de resultats.

• El calor absorvida per l'aire provè de l'energia dissipada per la resistència. El que implica que l'equació de l'efecte Joule i la de calor absorvida són igualables. Q=m*Ce*(Tf-Ti)=R*I2*t. Comprovem aquesta igualtat. Com a observació haig de dir que el nivell d'Intensitat que marcaven les tres piles al principi de la pràctica (en els primers exercicis) va minvar fins a la meitat quan vam haver de fer aquest. A més a més alguna cosa va fallar degut a que la diferència entre el calor absorvida i el calor cedida és molt i molt gran encara que els càlculs estiguin ben fets. El principal problema que trobo es que la massa en kg de l'aire és de 0,00047 kg i això requeix una diferència molt, però que molt gran, per a igualar les equacions.

• Procediment 2: Qüestions.

• Aplicacions de l'efecte Joule:

• Una de les aplicacions més importants per a la vida qüotidiana a on s'aplica l'efecte Joule és l'estufa elèctrica. Que es basa principalment en un fil conductor que ofereix una resistència al pas d'electrons en la circulació per la seva matèria, el que produeix una força de fregament que escalfa el conductor i cedeix una intensa calor a l'aire.

• Altre de les aplicacions són les cuïnes elèctriques que aprofitan el mateix principi que les estufes elèctriques escalfa els objectes de la seva superfície.

• Desavantatges de l'efecte Joule:

• La gran majoria dels circuits integrats, per no dir tots, perden part del seu nivell de rendiment quan s'escalfen degut a l'efecte Joule. Per això, hem de mantenir aquests circuits ben airejats, encara que per a que el seu rendiment disminuegi han de trobar-se en un nivell de temperatura molt alt. Per exemple el cas dels microprocessadors. Als micropocessadors s'encapsula una gran quantitat de connexions en un espai molt reduït a on els principals sistema de ventilació són el disipador de calor, el ventilador de la caixa (ordinador) i el ventilador del processador. El ventilador de la caixa remou l'aire de dins per refrescar tots els circuits. Al processador s'utilitza el disipador que és una placa de coure que absorveix el calor cedit pel processador i el ventilador que es troba situat just damunt refreda el disipador.

Voltatge

Intensitat =

Resistència

Procediments per als càlcus (exemple primer apartat)

Amperímetre

A

Calorímetre amb termòmetre i resistència