LABORATORIO DE FÍSICA II Y ELECTRICIDAD MAGNETISMO

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1 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO ACADÉMICO EL SABINO ÁREA DE TECNOLOGÍA DEPARTAMENTO DE FÍSICA Y MATEMÁTICA COORDINACIÓN DE LABORATORIOS DE FÍSICA LABORATORIO DE FÍSICA II Y ELECTRICIDAD MAGNETISMO PRÁCTICA Nº 4 MEDICIONES ELÉCTRICAS Y LEY DE OHM EN CIRCUITOS DC Punto Fijo; Enero de 2009

2 MEDICIONES ELÉCTRICAS Y LEY DE OHM EN CIRCUITOS DC OBJETIVOS:. Usar adecuadamente cada uno de los elementos que intervienen en un circuito eléctrico sencillo de corriente continua. 2. Estudiar el comportamiento de I y V en un circuito en Serie. 3. Estudiar el comportamiento de I y V en un circuito en Paralelo. 4. Estudiar el comportamiento de I y V en un circuito en SerieParalelo. 5. Demostrar experimentalmente las leyes que rigen la asociación de resistencias en serie y paralelo. MARCO TEÓRICO: Según Degem Systems (976), la Ley de Ohm es una de las leyes básicas más importante de la teoría eléctrica. Describe la relación entre tensión, corriente y resistencia en el circuito eléctrico. La ecuación expresa esta relación en forma matemática. E I = () R I = (en Amperios) E = (en Voltios) R = Resistencia (en Ohm) Para estos autores, el significado práctico de la relación descrita en la ecuación () es que la corriente en un circuito eléctrico es directamente proporcional a la tensión e inversamente proporcional a la resistencia del circuito. La Ley de Ohm puede ser expresada de dos maneras, derivadas de la ecuación (): E = IxR (2) El significado práctico de la ecuación (2) es que la tensión (o diferencia de potencial) entre dos puntos en un circuito eléctrico es igual al producto de la corriente entre dos puntos por la resistencia entre ellos. Se puede obtener otras conclusiones de esta ecuación si diferenciamos entre fuerza electromotriz y caída de tensión. Esto está considerado en futuros ensayos. La ecuación (3) se indica la tercera expresión de la Ley de Ohm, también derivada de la ecuación (): E R = (3) I La definición de resistencia se deriva de esta expresión de la Ley de Ohm: la resistencia R de un circuito eléctrico es la relación entre la tensión y la corriente de dicho circuito. Cada una de las tres formas de la Ley de Ohm es útil; la elección de una de las tres depende de cuales son las dos magnitudes conocidas y cual es la que se desea determinar. 2

3 RESISTOR: El resistor es uno de los componentes de mayor uso en los circuitos eléctricos. La unidad de resistencia es el ohm. El símbolo normalizado para la unidad de resistencia es la letra griega omega (Ω). En los circuitos eléctricos, convencionalmente, el resistor es designado con la letra R. un circuito de 00 ohm de resistencia es designado (R = 00 Ω). Como en general existen varios resistores en un circuito eléctrico dado, se agregan números con subíndices para identificarlos. Por ejemplo: Si se tienen 3 resistencias sería; R, R 2 y R 3. Debido a que a menudo son utilizados resistores de alta resistencia (miles y aun millones de ohmios) se utiliza para simplificar y abreviar, unidades mayores de resistencia como lo son: EL KILOHMIO y EL MEGAOHMIO. El Kilohmio se designa kω o k, y es igual a mil ohmios. El megaohmio se designa MΩ o M y es equivalente a un millón de ohmios. Por ejemplo: Si tiene: R = 5000Ω, se puede escribir R = 5kΩ o R = 5k R = Ω se puede escribir R = 5.6 MΩ o R = 5 M Símbolo Eléctrico de un Resistor Resistor PROPIEDADES BASICAS DE LOS RESISTORES Por lo general el fabricante de los resistores suministra tres parámetros que caracterizan al resistor, ellos son:. El valor de la resistencia 2. La exactitud porcentual 3. La Disipación de potencia El valor de la resistencia se indica numéricamente o por un código de colores; ambos métodos están descritos explícitamente en la sección Identificación de los valores de resistencia. La exactitud porcentual indica hasta cuando el valor real de la resistencia puede variar de su valor nominal (valor indicado en el cuerpo del resistor). Por ejemplo: Si la exactitud porcentual de una resistencia nominal de KΩ es de ± 0%, el valor real esta entre 900Ω y. kω. La disipación de potencia del resistor indica la capacidad del resistor de soportar calor sin dañarse y sin que su valor se altere. El calor se produce por una combinación de dos efectos: La potencia desarrollada en el resistor y la capacidad del mismo de transferir esa potencia a los alrededores. La unidad de potencia de disipación es el vatio (watt), el cual se indica con la letra W. 3

4 Los tres parámetros antes citados pueden variar dentro de rangos muy amplios. Se pueden obtener resistores desde fracciones de ohmios hasta centenas de megohmios. La exactitud porcentual puede ser mejor que 0.% o tan mala como 20%. La disipación de potencia puede ser tan baja como fracción de vatio o tan elevada como miles de vatios. TIPOS DE RESISTORES. Aunque hay varios tipos de resistores los más comunes son los de carbón o los de alambre arrollado.los resistores de carbón, también son llamados resistores de composición debido al proceso de su fabricación. Estos resistores están hechos de carbón o de grafito en polvo mezclado con otro polvo inactivo. La principal desventaja de los resistores de carbón es su baja exactitud porcentual. Por lo general, los resistores de carbón son de 5% y 0% de exactitud aunque existen también de %. La disipación de potencia de los resistores de carbón es baja, por lo general no más de 5 W. Otro tipo común de resistores es el de alambre arrollado. Esta fabricado con alambre de resistencia, enrollado sobre un aislante como la cerámica. Se obtienen exactitudes mayores, y disipación de potencia más grande que en los resistores de carbón. Existen otros tipos de resistores con una gran variedad de propiedades y aplicaciones. Mencionaremos solamente que en los últimos años, con el advenimiento de la microelectrónica, ha aumentado el uso de los microresistores, los cuales son fabricados por medio de tres métodos fundamentales, de acuerdo con las tres tecnologías más importantes utilizadas en microelectrónica; estos son: Resistores Impresos, utilizando la tecnología de película gruesa. Resistores evaporadores, utilizando la tecnología de película delgada. Resistores Difundidos, utilizando la tecnología de difusión en circuitos integrados monolíticos. Los circuitos comunes consistentes en componentes individuales están desapareciendo con el uso, en constante aumento, de circuitos microelectrónicos, y por la misma razón, el uso de los resistores convencionales a los cuales estamos acostumbrados, esta decreciendo. Esto nos da una base razonable para creer que no esta lejos el día en que el uso de los resistores de carbón y de alambre arrollado se limite solamente a circuitos de alta potencia. IDENTIFICACION DE LOS VALORES DE LOS RESISTORES. Existen dos maneras de identificar el valor de un resistor, imprimiendo el valor numérico o imprimiendo anillos de colores en el cuerpo del resistor de acuerdo a un código de colores descrito mas adelante. La impresión de un resistor especifica en general el valor de la resistencia, la exactitud porcentual y la disipación de potencia, y es común encontrarla en resistores de alambre arrollado. El código de colores se usa en general en resistores de carbón. Los anillos de colores impresos en el resistor indican el valor de la resistencia y la exactitud porcentual. La disipación de potencia está determinada por el tamaño del resistor. 4

5 CODIGO DE COLORES. Un resistor cuyos parámetros (valor y exactitud) están indicados según el código de colores, posee cuatro anillos además del color del cuerpo del resistor, como se muestra en la figura. Resistor A = Unidades B = Decenas A B C D C = Número de Ceros D = Exactitud Porcentual Los tres primeros anillos especifican el valor de la resistencia. El cuarto anillo especifica la exactitud porcentual del resistor. El primer anillo (A) es siempre el más cercano a un extremo del resistor. El cuarto anillo (D), está mas lejano del otro extremo del resistor, de lo que esta (A) de su extremo. El primer anillo indica el primer digito numérico de la resistencia, el segundo anillo indica el segundo digito y el tercer anillo indica el numero de ceros que se deben agregar a los dos primeros dígitos (o mas precisamente, indica la potencia de 0 por la cual hay que multiplicar los dos primeros dígitos) a fin de obtener el valor de la resistencia. TABLA DE CÓDIGO DE COLORES. EL CIRCUITO ELECTRICO. El circuito eléctrico es la combinación de componentes eléctricos conectados entre sí y a una fuente de tensión, la cual suministra energía eléctrica al circuito. El circuito eléctrico mas simple posee una fuente de tensión conectada a una carga. La carga puede ser un resistor, una lámpara eléctrica o cualquier otro componente eléctrico. La carga es 5

6 así llamada porque carga la fuente de tensión absorbiendo energía eléctrica. La representación de un circuito eléctrico por medio de un dibujo representativo, que lo muestra tal como es, es difícil y trabajosa. en lugar de ello, en la práctica se acepta asignar a cada componente del circuito eléctrico un símbolo convencional. La descripción del circuito eléctrico por medio de estos símbolos es un Diagrama esquemático del circuito eléctrico. La figura 4. Muestra un circuito eléctrico tal como aparece en la realidad y el diagrama esquemático. Fig. 4. Circuito Eléctrico. Dibujo Real y Diagrama Esquemático. TIPOS DE CIRCUITOS Circuito en Serie: Los elementos de un circuito están en serie si se conectan de modo que cada uno lleve la misma corriente I sucesivamente. Circuito en Paralelo: Elementos en un circuito eléctrico conectados de modo que la corriente se divide entre ellos y se reúne en el otro extremo. A veces en vez de conexión en paralelo se dice en derivación. Circuito en SerieParalelo: Circuito donde los elementos se encuentran tanto en serie como en paralelo MEDICIÓN DE RESISTENCIAS CON EL MULTIMETRO. La figura 4.2 Indica etapas en la medición de resistencias. En la primera etapa, el selector de escala de resistencias se ajusta a un rango en el cual se estima que está la resistencia a medir, y se cortocircuitan las puntas de prueba. El control de ajuste de cero (Zero Adjust) se utiliza para obtener una lectura cero. Esta etapa se denomina puesta a cero del instrumento. 6

7 Fig Medición de Resistencias mediante un Multímetro. MEDICIÓN DE CON EL MULTIMETRO. La figura 4.3. Indica la medición de tensión mediante un multímetro. En primer lugar se debe colocar el selector de rangos del multimetro, en un rango mayor que la tensión estimada. Rangos de medida mayores son menos sensibles que rangos de medidas menores. Esto es con el fin de proteger al instrumento en el caso de que la tensión medida sea mayor que la esperada. El próximo paso es conectar las puntas de prueba a los dos puntos entre los que se desea medir la tensión. Cuando se realiza la conexión es muy importante mantener la correcta polaridad; la punta de prueba positiva se conecta al terminal de mayor potencial; la punta de prueba negativa se conecta al terminal de menor potencial con respecto al otro terminal. Fig Medición de mediante un Multimetro. 7

8 MEDICIÓN DE CON EL MULTIMETRO. La figura 4.4. Indica la medición de corriente mediante el multimetro. En primer lugar el selector de rangos del multimetro se coloca en una escala mayor que la corriente estimada. Se desconecta del circuito la fuente de tensión y se abre el circuito en el punto donde se desea medir la corriente. La cuarta etapa es conectar las puntas de prueba a los puntos que se desconectaron, asegurándose de mantener la polaridad correcta. Finalmente se le reconecta la fuente de tensión del circuito y se lee la corriente en el instrumento. Fig Medición de mediante un Multimetro. ANÁLISIS DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO MEDIANTE LA LEY DE OHM La Ley de Ohm es siempre válida en todo circuito eléctrico y en cada parte del mismo, lo cual significa que si una parte de un circuito eléctrico se conocen dos valores particulares de dos de las tres magnitudes relacionadas por la Ley, la tercera magnitud debe tener un valor que satisfaga la ecuación matemática que describe la Ley de Ohm, esto se comprobará mediante el circuito eléctrico de la figura 4.5. S A _ E = 0V V 2 R = 5Ω V Figura 4.5: Circuito eléctrico simple para la demostración de la Ley de Ohm. 8

9 Si el interruptor S se encuentra conectado como se muestra en la figura 4.5, el amperímetro indica la magnitud de la corriente que circula en el circuito y está dado por: E 0 I = = = 2A R 5 Ahora se comprobará la Ley de Ohm en una parte del circuito, solamente en el resistor. La diferencia de potencial en los extremos del resistor, según es medida por el voltímetro V, es igual al producto de la corriente que circula por el resistor (la cual es en realidad la corriente total del circuito) por la resistencia del mismo. V = I * R= 2 *5 0V = Es decir toda la tensión de la fuente aparece en el resistor de carga, como era de esperar. También puede comprobarse la validez de la Ley de Ohm en la llave S: cuando está cerrada, su resistencia es despreciable, por lo que la diferencia de potencial medida en sus bornes por el voltímetro V 2 será cero: V I * R = 2 *0 0 2 = s = Si el interruptor de la figura 4.5 se desconecta, la Ley de Ohm sigue teniendo validez, la corriente deja de circular en el circuito porque la resistencia del interruptor abierto es infinita. La diferencia de potencial en el resistor es cero cuando no circula corriente por el mismo. Por otra parte, la diferencia de potencial sobre la llave es de 0V, es decir que toda la tensión de la fuente aparece en los terminales de la llave: (Compruebe la validez de estos enunciados utilizando la Ley de Ohm). PRELABORATORIO: Antes de iniciar la actividad, usted debe contestar las siguientes preguntas discutidas en las horas de teoría.. Diga a que se le da el nombre de fuerza electromotriz. 2. A que se debe el calor Joule en un circuito. 3. Cuando tenemos en un circuito resistores en serie. Cómo se reduce el circuito a un resistor equivalente? 4. Cuando tenemos en un circuito resistores en paralelo, Cómo se reduce el circuito a un resistor equivalente? 5. Dibuje un circuito con una fuente de energía proporcionada por una batería de 5v y carga resistiva de 5 ohm. Cuál es la corriente que fluye a lo largo del circuito?. 6. Cuáles son las dos maneras en que puede duplicarse la corriente de la pregunta anterior? 7. Si la resistencia de un circuito se reduce a ¼ de su valor original, qué sucede a la corriente si la tensión de la fuente no cambia? INSTRUMENTOS UTILIZADOS:. Un protoboard. 4. Un voltímetro analógico 2. Una fuente de tensión de D.C. 5. Décadas de resistencias. 3. Un multímetro digital 6. Cables de conexiones. 9

10 DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA PRÁCTICA. MEDICIÓN DE RESISTENCIA MEDIANTE LA MEDICIÓN DE LA CAÍDA DE Y LA. Instale el circuito de la figura 4.6 en el protoboard. Proceda de la siguiente manera: a) Conecte un multímetro como amperímetro, cuidando la polaridad correcta, como se muestra en la figura 4.6. b) Conecte un resistor de valor indicado por el profesor en los terminales de R. c) Conecte un multímetro como voltímetro en paralelo con la resistencia R. d) Conecte una fuente de tensión de C.C. de 2v en los terminales Fuente de del circuito, cuidando la polaridad correcta. e) Encienda la fuente de tensión y mida la tensión y corriente en el circuito. Anote los resultados en la tabla 4.. f) Repita el procedimiento reemplazando el resistor R con resistores entregados por el profesor. _ V R _ A 2 V Figura 4.6: Medición de Resistencia Tabla 4.: Medición de Resistencia. Magnitud Valor Nominal de R (ohmios) Valor Real de R (Ohmio)* (ma) (V) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm 0

11 2. MEDICIÓN DE MEDIANTE LA MEDICIÓN DE CAÍDA DE Y EL VALOR DE LA RESISTENCIA. a) Sin cambiar el circuito de la figura 4.6 fije la tensión sobre R en 2V C.C. b) Conecte un resistor de valor nominal de 2.2K en los terminales de R. c) Mida la corriente y la tensión en el circuito y anote los resultados en la tabla 4.2. d) Repita el procedimiento con la tensión sobre R igual a 4V C.C, 6V C.C, 8V C.C, 0V C.C y 2V C.C. Tabla 4.2: Medición de. sobre R (V) Magnitud (ma) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. Calculada (ma)* 3. MEDICIÓN DE MEDIANTE LA MEDICIÓN DE LA Y LA RESISTENCIA. a) No cambie el circuito de la figura 4.6 y conecte un resistor R. b) Varíe la tensión de la fuente hasta obtener una lectura en el amperímetro de ma. Mida la tensión y anote el resultado en la tabla 4.3. c) Repita el procedimiento conectando el resto de los resistores. Tabla 4.3.: Medición de. Magnitud Valor Nominal De R (ohmios) Fijada (ma) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. (V) Calculada (V)*

12 4. CIRCUITO EN SERIE a) Conecte el circuito de la figura 4.7 al protoboard. b) Seleccionar 2 resistencias R de las entregadas por el profesor. c) Establecer un valor de voltaje en la fuente de tensión, y medir los valores de V y V 2 con el voltímetro analógico en las resistencias. d) Medir con el multímetro digital la corriente It en el circuito. Cambiar el valor de Voltaje en la fuente de tensión y repetir el procedimiento. Anote los resultados en la tabla 4.4. _ R 2 _ A R A A _ V V 2 _ 2 V _ V T Figura 4.7: Circuito Serie. Tabla 4.4: Circuito Serie. Medición de y. V T (V) V (V) V 2 (V) I(mA) I R(mA) I R2(mA) CALCULADA V T (V)* CALCULADA I(mA)* (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. 5. IDENTIFICACIÓN DEL ESTADO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO SOBRE LA BASE DE LOS RESULTADOS DE LA MEDICIÓN. a) Conecte el circuito de la figura 4.8 en el protoboard. b) Conecte a R un multímetro (como amperímetro en el rango de 5 ma por lo menos), el resistor R 2 un voltímetro en el rango de 5V. c) Conecte una fuente de tensión de 2V C.C. d) Mida la tensión sobre R 2 anote el resultado en la tabla 4.5. e) Mida la corriente en el circuito y anótela en la tabla 4.5. f) Desconecte el resistor y repita los pasos anteriores. g) Cortocircuite el resistor R 2 insertando un cortocircuito entre los puntos donde iba la resistencia. Anote la tensión y corriente del circuito en la tabla

13 R A 2 V V R 2 Figura 4.8: Identificación de Estados del Circuito. Tabla 4.5: Identificación del Estado del Circuito. Estado de R 2 R 2 Conectado Magnitud (ma) (V) R 2 Desconectado R 2 Cortocircuitado 6. CIRCUITO EN PARALELO a) Conecte el circuito de la figura 4.9. al protoboard (puede utilizarse las mismas resistencias del experimento anterior) R 2 R V V 2 V V A A 2 A Figura 4.9: Circuito Paralelo b) Establecer un valor de voltaje para la fuente de tensión y medir en el multímetro digital las corrientes It, I e I2. c) Cambiar el valor de Voltaje en la fuente de tensión y repetir el procedimiento. Anote los resultados en la tabla

14 Tabla 4.6: Circuito Paralelo. Medición de y. V T (V) V (V) V 2 (V) I(mA) I R (ma) I R2 (ma) CALCULADA I(mA)* (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. 7. CIRCUITO EN SERIE PARALELO a) Cambiar el circuito por uno del tipo representado en la Figura 4.0, agregando una tercera resistencia a las dos ya seleccionadas. b) Establecer el valor de voltaje en la fuente de tensión, que se utilizará para el primer procedimiento Medir con el voltímetro analógico los valores de V y V2. c) Medir con el multímetro digital la corriente It en el circuito y las corrientes I2 e I3. Repetir el procedimiento para otro valor de tensión. Utilizar esta información para rellenar la tabla 4.7. V 2 V V R 2 V R 3 A R A 2 A Figura 4.0: Circuito SerieParalelo Tabla 4.7: Circuito SerieParalelo V T (V) V (V) V 2 (V) V 3 (V) I TOTAL(mA) I R(mA) I R2(mA) I R3(mA) BIBLIOGRAFÍA: Guía N 3 Ley de Ohm en Circuitos CD. Lcdo. Edie Debel (Dr.) (2006). UNEFM Manual de Laboratorio de Física II y Electricidad. Circuitos en Serie y Paralelo UNEFM 4

15 UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA COMPLEJO DOCENTE EL SABINO DEPARTAMENTO DE MATEMÁTICA Y FÍSICA UNIDAD CURRICULAR: FÍSICA II PRÁCTICA Nº 4: MEDICIONES ELÉCTRICAS Y LEY DE OHM EN CIRCUITOS RC RESULTADOS DE LA EXPERIENCIA PRÁCTICA PROFESOR(A): FECHA: GRUPO: SECCIÓN: INTEGRANTES DEL EQUIPO:,, Tabla 4.: Medición de Resistencia. Magnitud Valor Nominal de R (ohmios) Valor Real de R (Ohmio)* (ma) (V) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm Tabla 4.2: Medición de. Magnitud sobre R (V) (ma) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. Calculada (ma)* 5

16 Tabla 4.3.: Medición de. Magnitud Valor Nominal De R (ohmios) Fijada (ma) (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. (V) Calculada (V)* Tabla 4.4: Circuito Serie. Medición de y. V T (V) V (V) V 2 (V) I(mA) I R(mA) I R2(mA) CALCULADA V T (V)* CALCULADA I(mA)* (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. Tabla 4.5: Identificación del Estado del Circuito. Estado de R 2 R 2 Conectado Magnitud (ma) (V) R 2 Desconectado R 2 Cortocircuitado Tabla 4.6: Circuito Paralelo. Medición de y. V T (V) V (V) V 2 (V) I(mA) I R (ma) I R2 (ma) CALCULADA I(mA)* (*) Debe ser calculado empleando la Ley de Ohm. Tabla 4.7: Circuito SerieParalelo V T (V) V (V) V 2 (V) V 3 (V) I TOTAL(mA) I R(mA) I R2(mA) I R3(mA) 6