Guía 01. La ley de Ohm

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1 Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Física Laboratorio de Física II FI-5 A Guía 0 La ley de Ohm Objetivos Conocer la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchoff - Estudiar las características de las resistencias, que sigue la ley de Ohm - Analizar circuitos eléctricos en un nivel introductorio - Familiarizarse con el manejo de un multímetro digital y de una fuente de voltaje Introducción Conductores y ley de Ohm: Se inicia el estudio de dispositivos eléctricos considerando el efecto de campos eléctricos en conductores Un metal u otro material conductor eléctrico contiene electrones libres, es decir, no enlazados a ningún átomo en particular Si se aplica un voltaje (una diferencia de potencial) entre los dos extremos de un trozo de metal, los electrones libres se moverán bajo la influencia del campo eléctrico El flujo de electrones es obstaculizado por colisiones entre los electrones en movimiento y los átomos del material Estas colisiones producen calor (efecto de Joule), o sea, la energía eléctrica se disipa en energía térmica La oposición a la movilidad de los electrones o resistencia, es la constante de proporcionalidad entre el voltaje y la corriente Cuando la magnitud de esta corriente de electrones, aumenta linealmente al incrementar el voltaje, se dice que el material sigue la ley de Ohm Entonces, matemáticamente la ley de Ohm se escribe: V = I R [] donde V es el voltaje aplicado a través del material (que se mide en volts (V)), I es la magnitud de la corriente eléctrica (que se mide en amperes (A)), y R es la resistencia eléctrica (que se mide en ohms (Ω)) Asociación de componentes R R 2 Cuando tenemos dos o más elementos formando un circuito, podemos conectarlos de dos maneras: en serie y en paralelo Conexión en serie quiere decir que entre cada par de elementos existe un sólo punto común, y sin conexión al resto Un ejemplo de esta conexión, está dado en la figura con dos resistencias Una conexión en paralelo quiere decir que a ambos lados de cada elemento, existe un punto común, a todo el resto En la figura 2, se muestra una conexión en paralelo de dos resistencias Fig : Resistencias en serie R R 2 Fig 2: Resistencias en paralelo

2 Las leyes de Kirchoff Estas leyes tratan sobre el comportamiento de circuitos eléctricos con asociaciones de componentes La base para una deducción rigurosa de estas leyes, está en la conservación de la carga eléctrica y la energía La primera ley, se conoce también como la ley de las corrientes Ésta dice que la suma de intensidades de corriente que llegan a un punto común es igual a la suma de intensidades que salen de él Si consideramos positivas las corrientes que llegan y negativas las que salen, esta ley establece que la suma algebraica de las intensidades de todas las corrientes sobre un punto común es cero Por ejemplo, en la figura, sobre el punto común A, se tiene: I i i = 0 [2] Fig : Ley de las Corrientes I I 2 I = 0 I = I 2 + I La segunda ley, se conoce también como la ley de los voltajes Ésta dice que en un circuito cerrado, la suma algebraica de las fuerzas electromotrices aplicadas, o subidas de tensión, es igual a la suma algebraica de las caídas de tensión en todos los elementos pasivos Por ejemplo, en la figura 4, V es generado por una fuente de voltaje, V y V2 son las caídas de voltaje de las resistencias ( elementos pasivos ), entonces: ΣSubidas de voltaje = ΣCaídas de voltaje [] obteniendo así: Fig 4: Ley de los Voltajes V + = V V2 Aplicaciones de las leyes de Kirchoff y de Ohm -Mediciones de corriente: El aparato que mide corriente se llama amperímetro Para medir la corriente que pasa por alguna componente, basta conectar en serie el amperímetro con la componente Un amperímetro ideal, tiene resistencia cero para no afectar el circuito 2-Mediciones de voltaje: El aparato que mide voltaje se llama voltímetro Para medir la caída de voltaje que produce alguna componente, basta conectar en paralelo el voltímetro a la componente Un voltímetro ideal, tiene resistencia infinita para no afectar al circuito 2

3 -Resistencias equivalentes: Llamamos resistencia equivalente a una resistencia imaginaria, que puede reemplazar a una serie de otras interconectadas Por ejemplo, al conectar en serie "n" resistencias R,R 2,R n, su resistencia equivalente vale: Si en vez de conectarlas en serie, lo hacemos en paralelo, entonces, obtenemos: R equivalent = R e n i= i = n Requivalent e i= R i Parte Experimental PARTE A : Mediciones eléctricas con el multímetro Familiarización con el multímetro en mediciones simples MONTAJE A: Medición de resistencia Instale la resistencia de 000Ω nominal entre dos terminales del tablero MEDIDA A Mida su valor real con el siguiente procedimiento: ) Conecte un cable de prueba al terminal COM Conecte el otro cable al terminal VΩ 2) Ponga el selector rotatorio en la posición Ω ) Ahora, conecte el otro extremo de los cables de prueba a la resistencia 4) Después de leer el valor de la resistencia, desconecte el multímetro de la resistencia ANÁLISIS A Compare y estime error del valor nominal MONTAJE A2: Medición de voltaje Asegúrese que el multímetro está desconectado del circuito Conecte la fuente de voltaje a la resistencia mediante dos cables con enchufe banana Utilice la salida variable de 0 a 5V de la fuente No encienda la fuente todavía! La fuente de voltaje tiene dos perillas de ajuste: una para determinar el voltaje de salida y la otra para fijar la corriente máxima Comience con el control de voltaje en cero y con el control de corriente al máximo La fuente entrega la cantidad de corriente eléctrica requerida por el circuito y no el máximo Encienda la fuente Ajuste el control de voltaje de manera que el voltímetro que tiene la fuente marque unos 2 V (El medidor de corriente de la fuente debería marcar alrededor de I = V/R = 0002A =2 ma, lo cual no se podrá apreciar ya que la escala de la fuente no es tan fina ni precisa como la del multímetro, la mediremos después) MEDIDA A2 Mida el voltaje a través de la resistencia con el procedimiento siguiente: ) Conecte un cable de prueba al terminal COM Conecte otro cable al terminal VΩ 2) Ponga el conmutador selector en V ) Ahora, conecte los cables de prueba al resistencia 4) Lea el voltaje 5) Desconecte el multímetro del circuito Repita el procedimiento y ajuste el voltaje a otro valor, digamos 2, 4, 6, 8, 0 y 2 volts ANÁLISIS A2 Compare lo que mide el multímetro con lo indicado por el medidor de voltaje de la fuente Como antes, note que la corriente leída por el amperímetro de la fuente es muy pequeña

4 MONTAJE A: Medición de corriente Apague la fuente Para medir la corriente por la resistencia, hay que interrumpir el circuito e insertar ahí el amperímetro MEDIDA A Desconecte uno de los cables que va de la fuente a la resistencia Siga el siguiente procedimiento: ) Cuando no se conocen ni siquiera aproximadamente los valores a medir, se comienza con el rango más alto (0 A) En nuestro caso sabemos que la corriente es de al menos 2 ma y no mayor a unos 2 ma NUNCA SOBREPASE los valores nominales de cada rango de corriente En este caso entonces, podemos usar la escala de 200 ma, del instrumento 2) Conecte un cable de prueba al terminal COM Conecte otro cable al terminal ma (notese que en el caso de un corriente de más de 200 ma, se debe usar el terminal "A") Si la corriente fuese inferior a 2mA, se podría usar la escala de 2mA Entonces, ) Ponga el selector de funciones en el rango apropiado: 200 ma 4) Conecte los cables de prueba en serie con la resistencia 5) Encienda la fuente y lea la corriente por el multímetro Vea también el medidor de corriente de la fuente 6) Una vez hecha las mediciones, apague la fuente ANÁLISIS A Compare lo que mide el multímetro con lo indicado por el medidor de corriente de la fuente cómo es la precisión? Anote sus resultados en una tabla adecuada MONTAJE A4:Medición de continuidad eléctrica Desconecte el multímetro MEDIDA A4 )Conecte los cables a los terminales COM y VΩ 2)Ponga el selector de funciones en )Junte las dos puntas de los cables para comprobar el funcionamiento Debería escuchar un sonido ANÁLISIS A4 Compruebe si hay continuidad eléctrica en distintos materiales (mesa, carcaza fuente de voltaje, metales, lápices,papel,etc) Por qué la carcaza de la fuente de voltaje, al parecer metálica, no presenta continuidad? Recuerde que con el sonido está midiendo, si hay menos de 50 Ω de resistencia qué ocurre si chequeo los extremos de un cable que en su interior estuviera cortado? PARTE B : Medida de la característica voltaje-corriente de una resistencia Las resistencias que se emplean en circuitos eléctricos se fabrican en valores que cubren un amplio rango Para caracterizarlas, además de ohm se usan las unidades kω (kilo ohm, 0 Ω) y MΩ ( mega ohm, 0 6 Ω) Bandas de color en la superficie indican el valor de la resistencia, según un código En esta parte se usa resistencias de kω y 2,2 kω Para la primera, el código es café-negro-rojo La cuarta franja indica la tolerancia, el dorado indica un 0% Necesitará papel milimetrado o una hoja de papel cuadriculado y una regla Es rcomndable elaborar el gráfico mientras se toman los datos Los gráficos siempre llevan un título descriptivo, los ejes coordenados deben ir rotulados con un nombre y las unidades correspondientes y si se grafican resultados distintos es bueno usar colores y símbolos distintivos En este caso el tratamiento de errores no es prioritario, pero se espera que como mínimo se han de indicar errores porcentuales y comparaciones en términos de los errores de los instrumentos MONTAJE B- Monte el circuito de la figura 5, con un multímetro midiendo la corriente y el otro, la caída de voltaje Verifique que todo está bien conectado y proceda Regule las perillas de la fuente de poder de manera que queden ambas en cero Encienda la fuente de poder y verifique que la corriente es cero o casi cero 4

5 MEDIDA B V Voltímetro A Amperímetro Ajuste la fuente de voltaje para entregar 6 valores diferentes de voltaje, por ejemplo: 2, 4, 6, 8, 0 y 2V Anote la corriente para cada valor del voltaje v ANÁLISIS B I V Si la Ley de Ohm es aplicable al material, la razón de voltaje a la corriente (la resistencia) debería ser constante Calcule esta razón Fig 5: Montaje B para cada una de sus medidas Además, grafique V versus I en papel milimetrado (Nota: A pesar de ser V la variable independiente, para tener una más rápida comprensión del gráfico, hemos invertido la convención) Dibuje una línea recta por los puntos de los datos Compare la pendiente de la recta con la resistencia medida con el multímetro en parte A Concluya la resistencia sigue la ley de ohm? Si suponemos que la resistencia de 2,2 kω es de igual material que la de kω, sobre el mismo gráfico anterior bosqueje estimatívamente la línea que representa su comportamiento PARTE C : Asociación de resistencias En esta parte estudiaremos resistencias en serie y en paralelo MONTAJE C Previamente mida los valores reales de las resistencias de kω y 22 kω Luego monte las resistencias en serie MEDIDA C Mida la resistencia de la combinación ANÁLISIS C Está de acuerdo el resultado con lo que Ud espera? MONTAJE C2 Desconecte el multímetro del circuito Conecte la fuente de voltaje a la combinación de las dos resistencias en serie y ajuste el voltaje a un valor de 0 V MEDIDA C2 Ajuste el multímetro para medir voltaje y mida el voltaje sobre cada una de las resistencias ANÁLISIS C2 Cuál es la magnitud relativa de los voltajes en relación con los valores de las resistencias? Como debería ser esa relación, por ejemplo el voltaje sobre R2 en función del voltaje total aplicado, en virtud de las leyes de Kirchoff? Un par de resistencias en serie forma un divisor de voltaje Ud verá otros ejemplos de divisores de voltaje en los siguientes experimentos MONTAJE C Desconecte el multímetro, y conéctelo de manera de medir corriente MEDIDA C Mida la corriente que fluye antes de las resistencias, entre ellas, y después de ellas ANÁLISIS C La corriente depende del lugar en el circuito en el que se mide? Esto se debe a la ley de Kirchoff o de Ohm MONTAJE C4 Apague la fuente y desconéctela del circuito Conecte las dos resistencias en paralelo MEDIDA C4 Mida la resistencia de la combinación ANÁLISIS C4 Note la diferencia entre esta medida y los valores de las resistencias solas Concluya qué ocurre cuando mide la resistencia de alguna componente sin aislarla del circuito 5

6 MONTAJE C5 Desconecte el multímetro Conecte la fuente al circuito Mueva las perillas para que queden en cero Encienda la fuente MEDIDA C5 Manteniendo la fuente de voltaje en 0V, mida las diferencias de potencial sobre cada resistencia Luego desconecte el circuito y conecte los multímetros de manera de medir la corriente (sea cuidadoso, si conecta mal, puede dañar gravemente los multímetros) por cada resistencia, y la corriente total del circuito completo ANÁLISIS C5 Como en C2 pero esta vez para las corrientes, cual es la magnitud relativa de las corrientes en relación a los valores de las resistencias? Esto se debe a la ley de Kirchoff o de Ohm? Concluya en términos tales como la corriente más grande (valor en ma) fluye a través de la resistencia más, etc Esta configuración se denomina divisor de corriente MONTAJE C6 Realice el montaje de la figura 6, con R= kω, R2 = 2,2 kω Y R=2,7 kω (Recuerde que estos son los valores nominales Mida los reales de manera previa) MEDIDA C6 Regule la fuente de poder para que entregue un voltaje de 0 volt al circuito Mida la caída de voltaje sobre cada una de las resistencias (sea cuidadoso para no dañar los multímetros) ANÂLISIS C6 Fig 6: Montaje C6 Cuáles resistencias están en paralelo y cuáles están en serie? Con la ley de Ohm, calcule la corriente circulando sobre cada resistencia Completando la tabla Tabla I: Experimento Resistencia Nominal [Ω] R real [Ω] V[V] I [A]= Observaciones k 2,2 k 2,7 k 6

7 ANEXO Nº El multímetro El multímetro es un instrumento compacto que nos permite medir voltaje, corriente, resistencia, capacidad, test de continuidad, etc Esencialmente está compuesto de cuatro partes La primera es una pantalla digital (), que entrega el valor que estamos midiendo, la unidad, y algunas opciones de la medida La segunda, cuatro botones (7-0), que nos dan algunas opciones para cada tipo de medida La tercera, un conmutador rotatorio o perilla (2), que al girarlo se elige lo que se quiere medir Y la cuarta, cuatro orificios o terminales, dos de los cuales deben ser ocupados para conectar los cables, que van al elemento que se desea medir Para comenzar a usarlo debemos tener las siguientes precauciones previas: -Luego de prender el aparato, esperar 0 segundos antes de realizar cualquier medida 2-El conmutador se debe poner en la función antes de conectar los cables -Desconectar los cables de prueba del componente que se está midiendo antes de cambiar el conmutador Ahora explicaremos de manera rápida, como se ocupa el multímetro para las funciones básicas -RESISTENCIA: Aisle la resistencia del circuito Nunca medir una resistencia conectada a un voltaje Conecte los cables a los terminales "COM" () y "VΩ" (4) Ponga el conmutador (2) en "Ω" o en "M Ω", dependiendo de la resistencia que quiero medir Conectar los cables a la resistencia 2-CORRIENTE: Conecte un cable en el terminal "COM" (), y el otro en "0A" (hasta 0A) o en "ma" (hasta 200mA), dependiendo del rango en el que queremos medir Si no está seguro, parta con "0A" Nunca exceda los rangos de corriente Ponga el conmutador (2) en "0A", "200mA" o "2mA", dependiendo el rango y la precisión que se quiera Con el botón "AC/DC" (7) seleccione corriente continua (DC) o alterna (AC) Para AC, aparece sobre la pantalla el símbolo "AC" Conéctese con los cables con el multímetro en serie con la componente por la cual va a medir la corriente Nunca aplique voltaje entre los terminales "COM" y "0A" o "ma" -VOLTAJE: Conecte los cables en "COM" y "VΩ" Ponga el conmutador (2) en "V" Con el botón "AC/DC" (7) seleccione voltaje continuo (DC) o alterno (AC) Para AC, aparece sobre la pantalla el símbolo "AC" Conecte los cables con el multímetro en paralelo con la componente en que vamos a medir la caída de voltaje Nunca sobrepase los 600 V, AC o DC, entre los terminales, o un terminal y tierra 4-Test de continuidad: Conecte los cables en los terminales "COM" y "VW" Ponga el conmutador en " " Conecte los cables al circuito El multímetro emitirá un sonido si la resistncia es inferior a 50 Ω 7

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