Actividad III.29 â Variación de la resistencia con la temperatura
Actividad III.29 â Variación de la resistencia con la temperatura
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<strong>Actividad</strong> <strong>III.29</strong> – Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong><br />
<strong>la</strong> <strong>temperatura</strong><br />
Objetivo<br />
Estudio <strong>de</strong>l efecto <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> sobre <strong>la</strong> <strong>con</strong>ducción eléctrica <strong>de</strong> medios<br />
materiales (<strong>con</strong>ductor puro, aleación, semi<strong>con</strong>ductor) y en algunos dispositivos<br />
electrónicos comunes (<strong>resistencia</strong>s <strong>de</strong> carbón, termistores). Interpretación <strong>de</strong> los<br />
resultados sobre <strong>la</strong> base <strong>de</strong> mo<strong>de</strong>los microscópicos <strong>de</strong> los mecanismos <strong>de</strong> <strong>con</strong>ducción en<br />
cada caso.<br />
Introducción<br />
Para que un medio material pueda <strong>con</strong>ducir <strong>la</strong> corriente eléctrica <strong>de</strong>be <strong>de</strong> existir<br />
en su interior cargas móviles (portadores) capaces <strong>de</strong> <strong>con</strong>ducir <strong>la</strong> electricidad. En los<br />
metales, <strong>la</strong>s cargas móviles son los electrones; en <strong>la</strong>s soluciones electrolíticas, <strong>la</strong>s cargas<br />
móviles son los iones, etc.<br />
Consi<strong>de</strong>remos una muestra cilíndrica <strong>de</strong> sección transversal A y longitud l <strong>de</strong> un<br />
material cualquiera por el que se hace circu<strong>la</strong>r una corriente eléctrica i. Es posible<br />
re<strong>la</strong>cionar esta corriente <strong>de</strong> modo muy general <strong>con</strong> <strong>la</strong> carga ν.e que transporta cada<br />
portador móvil (e es <strong>la</strong> carga elemental y ν el número <strong>de</strong> cargas elementales por cada<br />
portador <strong>de</strong> carga), <strong>la</strong> velocidad media <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cargas móviles, v m , y el número <strong>de</strong> cargas<br />
libres por unidad <strong>de</strong> volumen, n: [1,2]<br />
i = n ⋅ A ⋅ vm ⋅ e ⋅ν<br />
(29.1)<br />
Si el material en cuestión obe<strong>de</strong>ce <strong>la</strong> ley <strong>de</strong> Ohm, <strong>la</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>de</strong>l voltaje V<br />
<strong>con</strong> <strong>la</strong> corriente i es lineal (i = V / R). La <strong>resistencia</strong> eléctrica R <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra cilíndrica<br />
en <strong>con</strong>si<strong>de</strong>ración está dada por:<br />
l<br />
R = ⋅<br />
A<br />
ρ (29.2)<br />
don<strong>de</strong> ρ es <strong>la</strong> resistividad <strong>de</strong>l material. Si suponemos que el campo eléctrico E = V / l a<br />
lo <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong>l cilindro es uniforme, entonces <strong>de</strong> (29.1) y (29.2) tenemos:<br />
ρ =<br />
R ⋅<br />
A<br />
l<br />
=<br />
V<br />
i<br />
⋅<br />
A<br />
l<br />
=<br />
E ⎛<br />
=<br />
ν<br />
⎜<br />
n ⋅ vm<br />
⋅ e ⋅ ⎝<br />
E<br />
v<br />
m<br />
⎞<br />
⎟ ⋅<br />
⎠<br />
1<br />
n ⋅ e ⋅ν<br />
(29.3)<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 1
Para que el material obe<strong>de</strong>zca ley <strong>de</strong> Ohm, ρ <strong>de</strong>be ser in<strong>de</strong>pendiente <strong>de</strong>l campo<br />
(o voltaje) aplicado y <strong>de</strong> <strong>la</strong> velocidad <strong>de</strong> los iones v m . Esto significa que para que se<br />
cump<strong>la</strong> <strong>la</strong> ley <strong>de</strong> Ohm, <strong>de</strong>ntro <strong>de</strong>l material <strong>de</strong>be existir algún mecanismo <strong>de</strong> fricción o<br />
choques <strong>de</strong> modo que v m sea proporcional a E. Esto pue<strong>de</strong> lograrse, por ejemplo, si <strong>la</strong>s<br />
cargas se mueven en un medio que les oponga una “fuerza viscosa”. En un sólido esto<br />
podría lograrse si los electrones (o portadores <strong>de</strong> carga) chocaran <strong>con</strong>stantemente <strong>con</strong>tra<br />
los iones <strong>de</strong> <strong>la</strong> red cristalina que lo forman. En cierto sentido, podríamos comparar el<br />
movimiento <strong>de</strong> los electrones en un sólido <strong>con</strong> el <strong>de</strong> una canica que cae por una<br />
escalera: si bien el movimiento entre dos escalones es acelerado, <strong>la</strong> canica cae <strong>con</strong> una<br />
velocidad promedio <strong>con</strong>stante igual a <strong>la</strong> mitad <strong>de</strong> <strong>la</strong> velocidad final al llegar al escalón<br />
siguiente. Si l<strong>la</strong>mamos τ el tiempo medio entre choque y choque, po<strong>de</strong>mos escribir:<br />
v<br />
m<br />
=<br />
1<br />
⋅V<br />
f<br />
2<br />
=<br />
1<br />
2<br />
ν ⋅ e ⋅ E<br />
⋅<br />
m<br />
⋅τ<br />
(29.4)<br />
don<strong>de</strong> m es <strong>la</strong> masa <strong>de</strong> los portadores <strong>de</strong> carga. También es razonable suponer que τ<br />
será inversamente proporcional al tamaño <strong>de</strong> estos iones. Se <strong>de</strong>fine <strong>la</strong> sección eficaz<br />
σ ef <strong>de</strong> choque <strong>de</strong> los electrones <strong>con</strong>tra los iones, que es una medida <strong>de</strong> <strong>la</strong> probabilidad<br />
que tienen los portadores <strong>de</strong> carga <strong>de</strong> chocar <strong>con</strong>tra dichos iones. Combinando (29.3) y<br />
(29.4) po<strong>de</strong>mos escribir:<br />
2 ⋅ m 1 σ<br />
ef<br />
ρ = ⋅ ∝ , (29.5)<br />
2<br />
( ν ⋅ e)<br />
τ ⋅ n n<br />
que indica que <strong>la</strong> resistividad es proporcional a <strong>la</strong> sección eficaz <strong>de</strong> choque <strong>de</strong> los<br />
portadores <strong>de</strong> carga e inversamente proporcional al número <strong>de</strong> portadores por unidad <strong>de</strong><br />
volumen. Así se compren<strong>de</strong> que, en un material metálico (n = <strong>con</strong>stante), al aumentar <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong>, los iones que forman el cristal vibran más alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong> sus posiciones <strong>de</strong><br />
equilibrio (pareciendo más “gordos”), lo que trae como <strong>con</strong>secuencia un incremento <strong>de</strong><br />
σ y un <strong>con</strong>secuente cambio (aumento) <strong>de</strong> <strong>la</strong> resistividad <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>. Por otro<br />
<strong>la</strong>do, en el caso <strong>de</strong> los semi<strong>con</strong>ductores, un aumento <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> tiene como efecto<br />
un aumento <strong>de</strong>l número <strong>de</strong> portadores <strong>de</strong> carga n capaces <strong>de</strong> <strong>con</strong>ducir. Por lo tanto,<br />
vemos que es <strong>de</strong> esperar efectos interesantes en <strong>la</strong> resistividad <strong>de</strong> un material cuando se<br />
varía <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>. Esto es precisamente lo que queremos estudiar en este<br />
experimento.<br />
Proyecto 1− Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong><br />
Equipamiento básico recomendado: A<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> cobre, y manganina <strong>de</strong> diámetro<br />
≈0.05 a 0.1 mm. Un termistor <strong>de</strong> < 1 kΩ a <strong>temperatura</strong> ambiente. Un multímetro que<br />
pueda medir <strong>resistencia</strong> eléctrica en el rango 1−10 4 Ω. Un termómetro.<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 2
Una posible disposición experimental para estudiar <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong><br />
eléctrica, R, <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>, T, se muestra esquemáticamente en <strong>la</strong> Fig. 29.1.<br />
Consiste en colocar <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> en un medio líquido poco o no <strong>con</strong>ductor (por ejemplo<br />
aceite <strong>de</strong> transformador o agua <strong>de</strong>sti<strong>la</strong>da, <strong>la</strong> i<strong>de</strong>a es que <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> a medir sea<br />
mucho menor que <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong>l medio líquido) que pue<strong>de</strong> calentarse usando un<br />
calefactor y disponer <strong>de</strong> algún dispositivo para medir <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> (un termómetro,<br />
termocup<strong>la</strong>, etc.). El baño líquido sirve para uniformizar <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> y dar más<br />
inercia térmica al sistema. Un modo simple <strong>de</strong> medir R <strong>con</strong>siste en usar un óhmetro.<br />
Figura 29.1 Dispositivo experimental para medir <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
<strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>. El baño térmico <strong>con</strong>siste en un recipiente<br />
<strong>con</strong> un líquido <strong>de</strong> poca <strong>con</strong>ductividad eléctrica. Se requiere <strong>de</strong> un<br />
termómetro y un multímetro (en modo óhmetro) para medir <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong><br />
R como función <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>.<br />
Estudie experimentalmente <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> R <strong>con</strong> T para uno <strong>de</strong> los dos elementos<br />
siguientes:<br />
a) Metal puro: Realice este estudio para algún metal puro, por ejemplo: cobre.<br />
Para ello <strong>con</strong>struya un arrol<strong>la</strong>miento <strong>de</strong> unos 5 a 10 m <strong>de</strong> a<strong>la</strong>mbre esmaltado<br />
<strong>de</strong> diámetro entre 0.05 mm y 0.1 mm. Si usa otro metal estime <strong>la</strong> longitud<br />
<strong>de</strong>l a<strong>la</strong>mbre para tener <strong>resistencia</strong>s entre 10 Ω y 100 Ω a <strong>temperatura</strong><br />
ambiente. La razón <strong>de</strong> usar a<strong>la</strong>mbra fino y <strong>la</strong>rgo <strong>de</strong> cobre, es lograr que <strong>la</strong><br />
muestra tenga una <strong>resistencia</strong> tal, que pueda ser medida <strong>con</strong> multimotros<br />
comerciales. Estos, típicamente pue<strong>de</strong>n medir <strong>con</strong> un error aceptable (≈1%)<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 3
esistencias mayores que 10 Ω. Si lo prefiere pue<strong>de</strong> usar un RTD<br />
(Resistance Temperature Detector), que son <strong>resistencia</strong>s encapsu<strong>la</strong>das <strong>de</strong> Pt<br />
y cuyo coeficiente <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> está muy<br />
bien <strong>de</strong>finido y está dado por el fabricante. Para rangos no muy gran<strong>de</strong> <strong>de</strong><br />
<strong>temperatura</strong> <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> R <strong>con</strong> T es lineal:<br />
R T ) = R ⋅ (1 −α ⋅ ( T − ))<br />
(29.5)<br />
( 0 T0<br />
Para este experimento se pue<strong>de</strong> usar un óhmetro para medir <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> y<br />
un termómetro <strong>con</strong>vencional, bien calibrado, para medir <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>.<br />
‣ Represente gráficamente <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong>l a<strong>la</strong>mbre (o RDT) como<br />
función <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>.<br />
‣ Obtenga el coeficiente <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> R <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>, α, y<br />
compare su valor <strong>con</strong> los <strong>de</strong> tab<strong>la</strong>.<br />
a) Aleación: Un a<strong>la</strong>mbre que suele usarse como a<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> <strong>con</strong>exión es <strong>la</strong><br />
manganina, que es una aleación especial <strong>de</strong> Cu y Ni. Por <strong>la</strong>s mismas razones<br />
que comentamos más arriba, es <strong>con</strong>veniente que <strong>la</strong> resistecia <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra<br />
sea mayor que unos 10 Ω. Descubra sus propieda<strong>de</strong>s eléctricas midiendo<br />
R(T), tratando <strong>de</strong> variar <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> entre 0 ºC y 100 ºC. ¿Qué encuentra?<br />
De ser posible sumerja <strong>la</strong> muestra <strong>de</strong> a<strong>la</strong>mbre en un baño <strong>de</strong> Nitrógeno<br />
líquido para ampliar el margen <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong> y compare el<br />
valor <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> a esa <strong>temperatura</strong> (punto <strong>de</strong> ebullición <strong>de</strong>l Nitrógeno<br />
líquido, T N2 ≈ 77 K) y compare <strong>con</strong> los valores a <strong>temperatura</strong>s cercanas a <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong> ambiente (T amb ≈ 300 K). ¿Qué pue<strong>de</strong> <strong>de</strong>cir <strong>de</strong> <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
<strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> esta aleación <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>?<br />
b) Termistor: Estos dispositivos semi<strong>con</strong>ductores son muy usados para medir<br />
<strong>temperatura</strong> por su bajo costo y sensibilidad. La propiedad termométrica <strong>de</strong><br />
los mismos es <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> eléctrica, por lo que es importante <strong>con</strong>ocer <strong>con</strong><br />
precisión <strong>la</strong> variación <strong>de</strong> R <strong>con</strong> T. Sin embargo, <strong>la</strong> <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia <strong>con</strong> <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong> no es simple. Una expresión que <strong>de</strong>scribe bien a alguno <strong>de</strong><br />
estos componentes es:<br />
R(<br />
T ) = R(<br />
T<br />
0<br />
⎛ ⎡ 1 1 ⎤⎞<br />
⎛ Eg<br />
⎞<br />
⎜<br />
⎡ 1 1 ⎤<br />
) ⋅ exp⎜<br />
β ⋅<br />
⎢<br />
−<br />
⎥⎟<br />
= R0<br />
⋅ exp ⋅<br />
⎢<br />
−<br />
⎥<br />
⎟ (29.6)<br />
⎝ ⎣T<br />
T 0 ⎦⎠<br />
⎝ k ⎣T<br />
T 0 ⎦⎠<br />
don<strong>de</strong> T y T 0 son <strong>la</strong>s <strong>temperatura</strong>s absolutas, R(T 0 )=R 0 <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> a T 0 , β<br />
y E g son <strong>con</strong>stantes a <strong>de</strong>terminar y k <strong>la</strong> <strong>con</strong>stante <strong>de</strong> Boltzmann.<br />
Elija un termistor <strong>de</strong> baja <strong>resistencia</strong> (R(T 0 ) < 1 kΩ), <strong>de</strong> modo que al<br />
sumergirlo en agua su medición no esté afectada por <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>la</strong> misma.<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 4
Si pue<strong>de</strong>, adopte como medida <strong>de</strong> precaución ais<strong>la</strong>r <strong>la</strong>s terminales <strong>de</strong>l<br />
termistor que estarán sumergidas en el agua. Un pegamento <strong>con</strong>vencional<br />
que resista unos 100 ºC pue<strong>de</strong> ser a<strong>de</strong>cuado para esto.<br />
‣ Represente gráficamente <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong>l termistor como función <strong>de</strong><br />
<strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> y el cociente R(T)/R 0 en función <strong>de</strong> 1/T en esca<strong>la</strong><br />
semilogarítmica.<br />
‣ Obtenga el coeficiente <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> R <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>, β, e<br />
indique si <strong>la</strong> expresión (29.6) da cuenta a<strong>de</strong>cuadamente <strong>de</strong> sus<br />
resultados experimentales.<br />
‣ (Opcional) Un resultado importante <strong>de</strong> <strong>la</strong> mecánica estadística, 6 es que<br />
si tenemos un <strong>con</strong>junto <strong>de</strong> N partícu<strong>la</strong>s a una <strong>temperatura</strong> T, que<br />
pue<strong>de</strong>n estar en dos niveles <strong>de</strong> energía, uno inferior E 1 y otro superior<br />
E 2 (<strong>con</strong> ∆E=E 2 -E 1 ), <strong>la</strong> distribución <strong>de</strong> <strong>la</strong>s mimas entre estos dos<br />
niveles viene dado por <strong>la</strong> estadística <strong>de</strong> Boltzmann:<br />
Número <strong>de</strong> particu<strong>la</strong>s en E<br />
Número <strong>de</strong> páticu<strong>la</strong>s en E<br />
1<br />
2<br />
n2<br />
= = Exp(<br />
−∆E<br />
/ kT ) , (29.7)<br />
n<br />
1<br />
<strong>con</strong> n 1 +n 2 =N. Combinado este resultado, <strong>con</strong> el mo<strong>de</strong>lo <strong>de</strong><br />
<strong>con</strong>ducción discutido más arriba, Ec(29.5), e<strong>la</strong>bore una discusión que<br />
le permita justificar <strong>la</strong> expresión (29-6). ¿Qué pue<strong>de</strong> <strong>con</strong>cluir<br />
respecto a <strong>la</strong> naturaleza cuántica <strong>de</strong>l comportamiento <strong>de</strong> los electrones<br />
en un sólido a partir <strong>de</strong> este estudio?<br />
Proyecto 2 − Medición <strong>de</strong> <strong>la</strong> resistividad <strong>de</strong> una a<strong>la</strong>mbre por el método<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas<br />
Equipamiento básico recomendado: A<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> cobre, aluminio, hierro Dos<br />
multímetros para medir corrientes y tensión (milivoltios). Una fuente <strong>de</strong> tensión DC o<br />
AC <strong>de</strong> unos 12V@2 A.<br />
Para este proyecto se requieren muestras <strong>de</strong> algunos metales puros (≈ 99% <strong>de</strong> pureza)<br />
<strong>de</strong> modo <strong>de</strong> comparar fácilmente los valores medidos <strong>con</strong> los tabu<strong>la</strong>dos para el mismo<br />
material. Construya un circuito simi<strong>la</strong>r al indicado en <strong>la</strong> figura 29.2, para utilizar el<br />
método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas o método <strong>de</strong> Kelvin para medir <strong>resistencia</strong>s, ver apéndice 1.<br />
‣ Seleccione un <strong>con</strong>junto <strong>de</strong> muestras puras <strong>de</strong> materiales <strong>con</strong>ocidos, por<br />
ejemplo Cu, Al, etc. Es importante <strong>de</strong> que <strong>la</strong> geometría <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra se pueda<br />
caracterizar bien, por ello se pue<strong>de</strong> usar a<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> más <strong>de</strong> 2 mm <strong>de</strong> diámetro y<br />
una longitud <strong>de</strong> aproximadamente 1 m, <strong>de</strong> modos <strong>de</strong> posibilitar realizar<br />
mediciones <strong>de</strong> su diámetro (φ) y su longitud (L) <strong>con</strong> precisiones mejores que el<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 5
1%. Es importante recordar que <strong>la</strong> distancia entre los <strong>con</strong>ectores <strong>de</strong>l voltímetro<br />
<strong>de</strong>terminan el valor <strong>de</strong> L. Los <strong>con</strong>ectores <strong>de</strong> corriente <strong>de</strong>ben unirse (soldarse) a<br />
estos mismos punto o también pue<strong>de</strong> <strong>con</strong>ectarse a puntos más afuera <strong>de</strong>l<br />
intervalo que <strong>de</strong>termina L: Discuta y justifique este procedimiento <strong>de</strong> <strong>con</strong>exión<br />
<strong>de</strong> los <strong>con</strong>ectores <strong>de</strong> tensión y corriente.<br />
‣ En cada extremo <strong>de</strong>l cable (muestra) <strong>con</strong>ecte dos a<strong>la</strong>mbres <strong>de</strong> cobre, uno <strong>de</strong><br />
ellos, por el que circu<strong>la</strong>rá <strong>la</strong> mayor corriente, <strong>de</strong>be tener un espesor tal que<br />
pueda soportar <strong>la</strong> maxima corriente ( unos pocos amperes) sin calentarse<br />
excesivamente. El a<strong>la</strong>mbre que se <strong>con</strong>ecta al voltímetro pue<strong>de</strong> ser más <strong>de</strong>lgado<br />
ya que por él prácticamente no circu<strong>la</strong>rá corriente.<br />
‣ Use una fuente <strong>de</strong> DC <strong>con</strong> una <strong>resistencia</strong> limitadora <strong>de</strong> corriente (R ext ) en<br />
serie, <strong>de</strong> unos 10 a 50 W y capaz <strong>de</strong> soportar algunos amperes <strong>de</strong> corriente. Si<br />
<strong>la</strong> corriente que pasa por el circuito es <strong>de</strong> 1 A, para una <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> <strong>la</strong><br />
muestra <strong>de</strong> algunos mΩ, esperamos medir tensiones <strong>de</strong>l or<strong>de</strong>n <strong>de</strong> los mV. Para<br />
su caso particu<strong>la</strong>r, estime el valor esperado <strong>de</strong> tensiones y elija el rango<br />
apropiado en su multímetro para medir estas tensiones.<br />
‣ Varíe el sentido <strong>de</strong> <strong>la</strong> corriente e investigue si <strong>la</strong> tensión medida cambie<br />
significativamente.<br />
‣ Realice varias mediciones <strong>de</strong> tensiones, para diferentes valores <strong>de</strong> corriente.<br />
Usando <strong>la</strong> expresión (26.13). Obtenga el mejor valor <strong>de</strong> R y su correspondiente<br />
error.<br />
‣ Conociendo el valor <strong>de</strong>l diámetro y <strong>la</strong> longitud <strong>de</strong>l a<strong>la</strong>mbre L (distancia entre<br />
los puntos <strong>de</strong> <strong>con</strong>tacto <strong>con</strong> los <strong>con</strong>ectores <strong>de</strong>l (mili) voltímetro, <strong>de</strong>termine el<br />
valor <strong>de</strong> <strong>la</strong> resistividad <strong>de</strong>l material y estime sus errores.<br />
‣ Discuta el grado <strong>de</strong> acuerdo en<strong>con</strong>trado <strong>con</strong> los valores <strong>de</strong> tab<strong>la</strong>s<br />
correspondientes.<br />
Amperímetro<br />
A<br />
I<br />
I<br />
V Voltímetro R<br />
R ext<br />
Figura 29.2 Determinación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> una muestra (R ) usando el método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s<br />
cuatro puntas. Nótese que como los voltímetros en general tiene alta <strong>resistencia</strong> (R voltímetro >10<br />
MΩ) prácticamente toda <strong>la</strong> corriente circu<strong>la</strong> por el circuito exterior (pasa solo por R) y no hay<br />
caída <strong>de</strong> tensión en los cables. Aquí R ext es una <strong>resistencia</strong> limitadora, <strong>de</strong> unos 10 a 50 Ω y capaz<br />
<strong>de</strong> soportar algunos amperes <strong>de</strong> corriente.<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 6
Proyecto 3 − Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> <strong>de</strong> un<br />
a<strong>la</strong>mbre metálico por el método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas<br />
Equipamiento básico recomendado: A<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> cobre, aluminio, hierro Dos<br />
multímetros para medir corrientes y tensión (milivoltios). Una fuente <strong>de</strong> tensión DC o<br />
AC <strong>de</strong> unos 12V@2 A. Un termómetro.<br />
Para este proyecto se requieren muestras <strong>de</strong> algunos metales puros (≈ 99% <strong>de</strong> pureza)<br />
<strong>de</strong> modo <strong>de</strong> comparar fácilmente los valores medidos <strong>con</strong> los tabu<strong>la</strong>dos para el mismo<br />
material. Construya un circuito simi<strong>la</strong>r al indicado en <strong>la</strong> figura 29.2, para utilizar el<br />
método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas o método <strong>de</strong> Kelvin para medir <strong>resistencia</strong>s, ver apéndice 1.<br />
‣ Seleccione <strong>la</strong> <strong>de</strong> muestras <strong>de</strong> materiales <strong>con</strong>ocidos, por ejemplo Cu, Al, etc.<br />
En este caso <strong>la</strong> geometría <strong>de</strong> <strong>la</strong> muestra no es importante. Por lo tanto pue<strong>de</strong><br />
usarse una pequeña bobina <strong>de</strong> a<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> uno .2 a .4 mm <strong>de</strong> diámetro y <strong>de</strong><br />
unos 10 o más m <strong>de</strong> longitud. Los <strong>con</strong>ectores <strong>de</strong> corriente y tensión se pue<strong>de</strong>n<br />
unir a los extremos <strong>de</strong> <strong>la</strong> bobina. El material <strong>de</strong>l carretel, <strong>de</strong>be resistir un ciclo<br />
térmico <strong>de</strong> 0º a 100ºC sin <strong>de</strong>teriorarse.<br />
‣ Use una fuente <strong>de</strong> DC (o AC) <strong>con</strong> una <strong>resistencia</strong> limitadora <strong>de</strong> corriente (R ext )<br />
en serie, <strong>de</strong> unos 10 a 50 W y capaz <strong>de</strong> soportar algunos amperes <strong>de</strong> corriente.<br />
‣ Varíe el sentido <strong>de</strong> <strong>la</strong> corriente si usa una fuente DC.<br />
‣ Sumerja <strong>la</strong> muestra (bobina) en un recipiente <strong>de</strong> agua <strong>con</strong> un termómetro, <strong>de</strong><br />
modo simi<strong>la</strong>r a como se indica en <strong>la</strong> Fig.29.1. Usando <strong>la</strong>s Ecs. (29.13) o<br />
(29.14) <strong>de</strong>termine el valor <strong>de</strong> R pata cada <strong>temperatura</strong> T. Variando esta última<br />
entre 0º y 100ºC aproximadamente.<br />
‣ Grafique R en función <strong>de</strong> T e investigue sus <strong>de</strong>pen<strong>de</strong>ncia.<br />
‣ Si <strong>la</strong> re<strong>la</strong>ción entre R y T es lineal, <strong>de</strong>termine su pendiente y error. A partir <strong>de</strong><br />
este dato, <strong>de</strong>termine el coeficiente <strong>de</strong> variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong> y su correspondiente error.<br />
‣ Compare sus resultados <strong>con</strong> los valores <strong>de</strong> tab<strong>la</strong> para el coeficiente <strong>de</strong><br />
variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong>. Discútale grado <strong>de</strong> acuerdo o<br />
<strong>de</strong>sacuerdo <strong>con</strong> los valores <strong>de</strong> tab<strong>la</strong>.<br />
Ejercicios complementarios<br />
Discuta alguna <strong>de</strong> <strong>la</strong>s posibles aplicaciones e implicancias <strong>de</strong> los experimentos<br />
anteriores. Por ejemplo:<br />
a) Si <strong>de</strong>sea fabricar una “<strong>resistencia</strong> patrón” <strong>con</strong> <strong>la</strong> cual comparar otras<br />
<strong>resistencia</strong>s, ¿qué parámetros son importantes <strong>de</strong> <strong>con</strong>si<strong>de</strong>rar para una buena<br />
elección <strong>de</strong>l material a usar?<br />
b) Si <strong>de</strong>sea usar una resistor como sensor <strong>de</strong> <strong>temperatura</strong>, ¿qué criterios usa para<br />
<strong>la</strong> elección <strong>de</strong>l material?<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 7
c) Usando <strong>la</strong>s i<strong>de</strong>as discutidas en esta actividad, tenga en cuenta el coeficiente <strong>de</strong><br />
variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> <strong>de</strong>l tungsteno y estime <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong> <strong>de</strong> una <strong>la</strong>mparita incan<strong>de</strong>scente. Dé un esquema <strong>de</strong> un diseño<br />
experimental para realizar este experimento.<br />
Apéndice 1. Método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas o método <strong>de</strong> Kelvin –<br />
Determinación <strong>de</strong> <strong>resistencia</strong>s <strong>de</strong> baja <strong>resistencia</strong><br />
La <strong>de</strong>terminación <strong>de</strong> <strong>la</strong> resistividad o <strong>con</strong>ductividad <strong>de</strong> una muestra es <strong>de</strong><br />
gran utilidad en muchos experimentos. Generalmente estamos interesados en investigar<br />
como varía <strong>la</strong> <strong>con</strong>ductividad en función <strong>de</strong> algún otro parámetro, por ejemplo <strong>la</strong><br />
<strong>temperatura</strong>, <strong>la</strong> frecuencia, etc. Para medir una <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> valores intermedio (entre<br />
unas <strong>de</strong>cenas <strong>de</strong> Ohms (Ω) a unos pocos MΩ, tal vez lo más simple es usar un<br />
multímetro (Ohmetro) y <strong>con</strong>ectar como se indica en <strong>la</strong> figura 29.3.<br />
La <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> interés es R, pero lo que mi<strong>de</strong> el Ohmetro es <strong>la</strong> suma <strong>de</strong>:<br />
R+R´cable +R cable ≈R solo si R>> R´cable +R cable . Para <strong>resistencia</strong>s <strong>de</strong> pequeña magnitud,<br />
R
Método e medición a dos<br />
puntas<br />
Método e medición a cuatro<br />
puntas<br />
Figura 29.4 Ilustración <strong>de</strong> los métodos <strong>de</strong> medición <strong>de</strong> <strong>resistencia</strong> a dos y cuatro puntas<br />
respectivamente. Nótese que sólo algunos instrumentos especiales poseen un arreglo para medir<br />
a cuatro puntas directamente (cuadro <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>de</strong>recha). Sin embargo, siempre es posible diseñar un<br />
arreglo <strong>con</strong> instrumentos <strong>con</strong>vencionales, como se ilustra en <strong>la</strong> figura 29.2, para realizar <strong>la</strong><br />
medición a cuatro puntas.<br />
Método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas o método <strong>de</strong> Kelvin<br />
Este método, ilustrado esquemáticamente en <strong>la</strong> figura 29.5, hace uso <strong>de</strong> dos<br />
circuitos vincu<strong>la</strong>dos. Por un circuito se hace circu<strong>la</strong>r <strong>la</strong> corriente (circuito exterior en <strong>la</strong><br />
figura). Como los voltímetros mo<strong>de</strong>rnos tienen altas <strong>resistencia</strong>s internas, por el circuito<br />
<strong>de</strong> medición <strong>de</strong> <strong>la</strong> tensión (circuito interior <strong>de</strong> <strong>la</strong> figura) prácticamente no circu<strong>la</strong><br />
corriente. La tensión medida será en este caso:<br />
V<br />
+<br />
= ε + I<br />
A<br />
+<br />
⋅ R − ε<br />
B<br />
(29.10)<br />
El superíndice (+) indica que <strong>la</strong> corriente circu<strong>la</strong> como se indica en <strong>la</strong> figura (29.4).<br />
Usamos el superíndice (-) cuando <strong>la</strong> dirección <strong>de</strong> <strong>la</strong> corriente se invierte, invirtiendo <strong>la</strong><br />
fuente, pero sin alterar el resto <strong>de</strong>l circuito. En este caso <strong>la</strong> tensión medida por el<br />
voltímetro será:<br />
−<br />
−<br />
V = ε<br />
A<br />
− I ⋅ R − ε<br />
B<br />
(29.11)<br />
Restando <strong>la</strong>s ecuaciones (29.1) y (29.2) tenemos:<br />
+ −<br />
[ I + I ] ⋅ R<br />
+ −<br />
V −V<br />
= . (29.12)<br />
Por lo tanto, invirtiendo el sentido <strong>de</strong> circu<strong>la</strong>ción <strong>de</strong> <strong>la</strong> corriente y tomando <strong>la</strong> diferencia<br />
<strong>de</strong> los potenciales medidos, po<strong>de</strong>mos anu<strong>la</strong>r el efecto <strong>de</strong> los potenciales <strong>de</strong> <strong>con</strong>tacto.<br />
Más específicamente tenemos:<br />
+ −<br />
V −V<br />
R = . (29. 13)<br />
+ −<br />
I + I<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 9
Vemos así que el método <strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas nos permite eliminar simultáneamente el<br />
efecto <strong>de</strong> <strong>la</strong>s <strong>resistencia</strong>s <strong>de</strong> los cables y <strong>con</strong>tactos como así también los potenciales <strong>de</strong><br />
<strong>con</strong>tacto. Al aplicar <strong>la</strong> expresión (29.12) a un caso <strong>con</strong>creto, analice críticamente los<br />
signos que utiliza para I ± y V ± . En el caso <strong>de</strong> <strong>la</strong>s Ec.(29.10) y (29.11) hemos supuesto<br />
que el signo <strong>de</strong> I ± es siempre positivo, <strong>de</strong> allí el cambio <strong>de</strong> signo en los término que<br />
<strong>con</strong>tienen I ± , pero que el valor <strong>de</strong> V ± si cambia en <strong>la</strong>s Ec.(29.10) y (29.11).<br />
Amperímetro<br />
I r 1<br />
A<br />
ε Α<br />
R cable<br />
I<br />
V<br />
Voltímetro<br />
ε Β<br />
R<br />
R’ cable<br />
Figura 29.5 Determinación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>de</strong> una muestra usando el método<br />
<strong>de</strong> <strong>la</strong>s cuatro puntas. Nótese que como los voltímetros en general tiene alta<br />
<strong>resistencia</strong> (R voltímetro >10 MΩ) prácticamente toda <strong>la</strong> corriente circu<strong>la</strong> por el<br />
circuito exterior y no hay caída <strong>de</strong> tensión en R cable .<br />
En muchos casos <strong>de</strong> interés práctico, <strong>la</strong> fuente <strong>de</strong> alimentación <strong>de</strong>l circuito (externo) es<br />
alterna (AC). En este caso es <strong>con</strong>veniente realizar <strong>la</strong> medición <strong>de</strong> tensión usando un<br />
instrumento que filtre <strong>la</strong>s componentes <strong>de</strong> <strong>con</strong>tinua (DC). Muchos instrumentos poseen<br />
<strong>la</strong> opción <strong>de</strong> activar este modo <strong>de</strong> medición, por ejemplo los osciloscopios, multímetros,<br />
Lock-in Amplifiers, etc. Si se mi<strong>de</strong> <strong>la</strong> tensión en modo AC, <strong>la</strong> ecuación (29.10) se<br />
transforma en:<br />
AC AC<br />
V = I ⋅ R , (29.14)<br />
ya que en este modo los potenciales <strong>de</strong> <strong>con</strong>tacto (DC) son filtrados automáticamente por<br />
el instrumento medidor. Por lo tanto en este caso es posible simplificar el método <strong>de</strong><br />
medición a cuatro puntas.<br />
Muestra unidimensional<br />
En este caso imaginamos un a<strong>la</strong>mbre <strong>de</strong> diámetro φ y área <strong>de</strong> sección transversal<br />
A(=π.φ 2 /4). La diferencia <strong>de</strong> potencial entre dos puntos separados una distancia L será:<br />
L<br />
∆V<br />
= I ⋅ R = I ⋅ ρ ⋅ , (29.15)<br />
A<br />
r 2<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 10
empleando Ecs. (26.13) y (26.14) tenemos:<br />
+ −<br />
AC<br />
V −V<br />
V<br />
ρ = ( A/<br />
L)<br />
⋅ ( ∆V<br />
I) = ( A/<br />
L)<br />
⋅ = ( A/<br />
L)<br />
⋅ , (29.16)<br />
+ −<br />
AC<br />
I − I<br />
I<br />
según se use una fuente DC o AC respectivamente. En cualquier caso, es importante<br />
que <strong>la</strong> geometría <strong>de</strong>l a<strong>la</strong>mbre sea bien <strong>con</strong>ocida, es <strong>de</strong>cir que los valores <strong>de</strong> A y L se<br />
puedan medir <strong>con</strong> incertidumbres pequeñas.<br />
Bibliografía<br />
1. D. Halliday, R. Resnik y J. Walker, Física para estudiantes <strong>de</strong> ciencias e ingeniería,<br />
4ª ed. (Trad. <strong>de</strong> Fundamentals of Physics, John Wiley & Sons, Inc. New York,<br />
1993).<br />
2. M. Alonso y E. J. Finn, Física, vol.II, Campos y Ondas (Fondo Educativo<br />
Interamericano, ed. inglesa <strong>de</strong> Addison Wesley, Reading, Mass., 1967; Fondo<br />
Educativo Interamericano, 1970).<br />
3. E. M. Purcell, Berkeley physics course, vol. 2, Electricidad y Magnetismo (Reverté,<br />
Barcelona, 1969).<br />
4. “Resistance of a wire as a function of temperature,” Phys. Teach. 33, 96 (1995).<br />
5. J. E. Fernán<strong>de</strong>z y E. Galloni, Trabajos prácticos <strong>de</strong> fisica (Editorial Nigar, Buenos<br />
Aires, 1968).<br />
6. M. Alonso y E. J. Finn, Física, vol.III, Fundamentos Cuánticos y Estadísticos<br />
(Fondo Educativo Interamericano, ed. inglesa <strong>de</strong> Addison Wesley, Reading, Mass.,<br />
1967; Fondo Educativo Interamericano, 1970).<br />
Variación <strong>de</strong> <strong>la</strong> <strong>resistencia</strong> <strong>con</strong> <strong>la</strong> <strong>temperatura</strong> - S. Gil 2007 11