¿Por qué la curva característica (V frente a I) de una bombilla se dobla hacia atrás?

Cuando enseño la Ley de Ohm, hago que los estudiantes exploren una pequeña bombilla incandescente con una onda sinusoidal de baja frecuencia (1-2 Hz). Es un circuito en serie simple de fuente y bombilla, que controla la corriente y el voltaje. Los resultados son definitivamente no lineales debido a la resistencia del filamento dependiente de la temperatura. Sorprendentemente, sin embargo, la curvatura no es uniformemente positiva o negativa. Como se ve en la imagen, hay una "flexión hacia atrás" en la curva cerca del extremo del voltaje. Si uno interpreta esto "óhmicamente", podría decir que la resistencia se vuelve infinita, luego negativa, antes de volver a pasar por el infinito antes de volverse positiva nuevamente.

Curva característica de la bombilla a baja frecuencia

Entiendo la dependencia básica de la temperatura de un filamento de calentamiento que tiene una resistencia creciente (y, por lo tanto, una pendiente creciente), pero estoy desconcertado por la poción de curvatura hacia atrás de la curva. ¿Existe una explicación física (¿materia condensada? ¿termodinámica?) para esto?

Editar: para aclarar, los backbends ocurren en el camino hacia cuando el voltaje se acerca a las amplitudes + y -. La suave curvatura ocurre cuando el filamento se enfría a medida que el voltaje se aleja de las amplitudes hacia cero.

Edición 2: en el primer cuadrante, por ejemplo, la ruta es en sentido contrario a las agujas del reloj a medida que aumenta el tiempo. Lo mismo en el tercer cuadrante, por lo que las rutas de datos se cruzan en V=0. El trazo de luz en el tercer cuadrante es el trazo inicial cuando el filamento estaba inicialmente a temperatura ambiente y comenzó a calentarse.

Edición 3: a continuación se muestra una traza que utiliza una entrada de voltaje triangular de amplitud 2 V a una frecuencia de 0,01 Hz que se recopila a una velocidad de 20 Hz. Parece haber un cambio repentino en la resistividad de este filamento una vez que alcanza cierta temperatura.

Tensión triangular 2V a 0,01 Hz

¿Puedes volver a aclarar? :) En el primer cuadrante, ¿el trazo va en sentido horario o antihorario? ¿Tercer cuadrante (línea gruesa)? ¿Qué es la línea tenue en el tercer cuadrante?
@garyp Ver edición 2
No lo sé, pero ejecutaría esto a frecuencias más bajas y más altas para ver qué sucede. Podría obtener una pista. ¿Podría una inductancia parásita causar esto?
No he hecho un perfil de frecuencia detallado, pero a 60 Hz, la pendiente es constante (¿óhmica?). La inductancia parásita podría ser un buen punto de partida. ¡Cualquiera que quiera enviar ese análisis es bienvenido!
Está trazando la curva demasiado rápido y está viendo el tiempo que transcurre entre el cambio de voltaje y el cambio real de temperatura. Realice un seguimiento a 0,1 Hz o más lento y el problema desaparecerá.
@CuriousOne Incluso a 0,07 Hz, se produce la curvatura hacia atrás. Eventualmente dejó de doblarse hacia atrás cuando reduje la frecuencia a 0.01 Hz, pero todavía hay un cambio repentino y agudo en la resistencia que indica un cambio repentino en la resistividad. También hay una pequeña histéresis en la curva VI, incluso con un cambio tan lento. Agregaré la curva a la pregunta.
¡Muy interesante! Gracias por compartir los nuevos resultados. Esperando la nueva curva. Tengo una corazonada de qué más puede estar pasando, pero quiero ver el resultado primero.
Bueno, en realidad, esto me parece bastante razonable. Esperaba una inestabilidad con un inicio muy repentino del consumo de energía (junto con un aumento brusco de la temperatura y la resistividad) para el caso en que el filamento esté siendo impulsado por una corriente controlada, en lugar de una fuente de voltaje. Esto también podría suceder si la resistencia de derivación de medición actual tiene una resistencia mucho más alta que el filamento frío, pero no estoy seguro de que estés viendo eso.
@CuriousOne La pendiente de baja corriente es de aproximadamente 1 Ω y la pendiente de alta corriente es de aproximadamente 13 Ω . La resistencia de derivación es 1 Ω . No he hecho una medición cuantitativa del brillo, pero hay una diferencia definida en el brillo de 1 V y el brillo de 2 V que indicaría un cambio de temperatura. Sin embargo, no parece haber un cambio en la resistividad entre 1 y 2 V. ¿Por qué el cambio repentino en la resistividad entre 0,1 y 0,5 V?
La potencia de calentamiento es PAG = R I 2 = tu 2 / R , es decir, cuando cambia el voltaje por un factor de 5 (suponiendo que la resistencia se mantiene aproximadamente igual), entonces la potencia cambiará por un factor de 25. La dependencia de potencia y temperatura del filamento es una función complicada, porque tiene que tenga en cuenta tanto el enfriamiento por conducción (a través de los cables y el cuerpo de vidrio) como el enfriamiento por radiación. Este último tiene una dependencia muy pronunciada de la temperatura debido a Stefan-Boltzman: en.wikipedia.org/wiki/Stefan%E2%80%93Boltzmann_law , que tiene un PAG T 4 forma.
Supongo que, a baja potencia/temperatura, el enfriamiento es básicamente a través de los cables y es más o menos proporcional a la diferencia de temperatura con el ambiente, pero en algún momento el enfriamiento radiativo se hace cargo y existe una fuerte dependencia de la temperatura, lo que significa que uno tiene que poner mucha más potencia para que el filamento se caliente un poco, lo que significa que la resistencia tampoco cambiará muy rápido a partir de ese momento.
@CuriousOne Debe redactar una respuesta a partir de los comentarios y publicarla. Todavía me pregunto si el coeficiente de resistividad de la temperatura está jugando un factor: ¿es constante o cambia drásticamente? Como dijiste, la temperatura es complicada. No había pensado en el enfriamiento ambiental debido a las conexiones externas del portalámparas. Definitivamente algo de física del mundo real.
He respondido este tipo de preguntas antes, pero para ser honesto contigo, por un lado, soy demasiado perezoso para analizar esto en detalle, por otro, no creo que haya una solución de forma cerrada simple y elegante para este sistema, así que uno probablemente terminará empantanado teniendo que resolver ecuaciones de cuarto orden, o peor (hay, al menos, potencias primera, segunda y cuarta involucradas en las ecuaciones entre voltaje/corriente/temperatura y resistencia). Es un experimento agradable y simple para la física experimental de nivel secundario y de primer año, pero en realidad no es tan interesante en términos de fundamentos.
@CuriousOne: su comentario que comienza "La potencia de calentamiento es P = RI 2 = U 2 / R" es solo parcialmente cierto, ya que supone que R es constante. De hecho, R cambia en más de un orden de magnitud en el rango de cero a brillo total.
@WhatRoughBeast: Es por eso que existe el descargo de responsabilidad "(suponiendo que la resistencia se mantenga aproximadamente igual)" ... y el comentario solo era relevante para el régimen de baja temperatura del filamento antes de que se caliente mucho. La dependencia de la temperatura de la resistividad de los metales es un asunto difícil y, técnicamente, generalmente se mide y se ajusta con algunos polinomios de orden superior... así que esa es otra razón por la que no me gustaría entrar en un análisis detallado. Hay demasiadas dependencias funcionales no triviales aquí para hacer de este un análisis feliz.
¿Es esta bombilla de vacío, gas inerte o halógena? Puede ser de importancia. Una vez vi una característica muy similar para el viejo diodo de contacto de punto de cristal.
@Niuthon Es una pequeña bombilla de "linterna" de filamento nominal de 3,5 V. No sé cuál es el gas de apoyo. Los compro de PASCO.
Acabo de replicar el experimento, mismos resultados. Para frecuencias más altas obtengo una elipse, ¿probablemente debido a la inducción en el filamento? Es una bobina después de todo. Aunque no tengo idea de la curva...

Respuestas (1)

La histéresis observada es el resultado de la 'inercia térmica' del filamento. Desaparece si el voltaje varía lo suficientemente lento como para que la entrada de energía eléctrica sea la misma que la pérdida de energía hacia el entorno. Para ver un experimento que hace esto y un modelo matemático del problema, consulte 'Registro de datos y modelado de curvas IV' en mis recursos para maestros https://sites.google.com/view/sgt-physics/home