Energía eléctrica: conceptos y principios básicos [501366020]. ElenaK78 /Shutterstock
Práctica de laboratorio remoto 1 Conexiones en serie y paralelo en un circuito eléctrico Objetivos de la práctica Comprobar la aplicación de la Ley de Ohm en los circuitos eléctricos, a partir de mediciones de voltaje y corriente en componentes de un circuito eléctrico básico, para comprender el comportamiento de estos en circuitos en serie y en paralelo. Introducción La interface de trabajo del Laboratorio Remoto te permitirá trabajar con una serie de circuitos eléctricos de CD. La interface se complementa con una fuente de voltaje de CD variable, un amperímetro y un osciloscopio para realizar mediciones de voltaje y corriente. Este circuito eléctrico está formado por una serie de cargas eléctricas, las cuales pueden ser conectadas en serie o paralelo. Para esta práctica se consideraron 2
lámparas incandescentes como cargas eléctricas que pueden ser modeladas como simples resistencias. El panel de control al lado derecho (Circuito Eléctrico) te permite cambiar entre un circuito eléctrico simple con una sola lámpara, un circuito con 2 lámparas conectadas en paralelo, o bien, un circuito con 2 lámparas conectadas en serie. El panel de control del lado izquierdo permite establecer el voltaje de la fuente de alimentación del circuito. Para ello puedes desplazar el pequeño selector con el ratón o bien introducir directamente en el control numérico el valor de voltaje deseado. Para la medición de corriente, en el circuito eléctrico hay un amperímetro, el cual arroja en todo momento la medición de corriente que entrega la fuente. Finalmente, el osciloscopio en la parte inferior permite analizar hasta 4 mediciones de voltaje a la vez, y cuenta con un par de cursores que permiten realizar una medición detallada de la amplitud de los voltajes que se están desplegando en el osciloscopio. Para desplegar un voltaje en el osciloscopio, hay que seleccionar un Trazo, los nodos donde se desea medir el voltaje y, por último, activar el trazo haciendo clic en él. Por ejemplo: Selecciono el Trazo 1 e indico una medición de voltaje del Nodo 1 a Gnd (tierra) y lo activo. Para medir el voltaje se cuenta con dos cursores que son habilitados dando clic a los siguientes botones a la izquierda del osciloscopio: Una vez habilitados, los puedes identificar por el color del cursor (una línea segmentada) sobre el osciloscopio. Si no están visibles, pulsa el siguiente botón para traerlos al centro del osciloscopio. 3
Una vez habilitados, los cursores se pueden mover con el ratón al punto de medición sobre el osciloscopio. El punto de medición a su vez se puede leer en la parte inferior del osciloscopio, donde la primera medición es el tiempo y la segunda el voltaje. En las prácticas 1 y 2, por ser de CD, la medición del tiempo en el osciloscopio no tiene relevancia y solo aplica la medición del voltaje, la segunda medición. Procedimiento En esta primera parte de los Circuitos de CD, analizarás las conexiones en serie y paralelo de las cargas y, medirás los voltajes y las corrientes en el circuito. La interface te permitirá trabajar con un circuito simple con una sola resistencia, o bien, con la conexión en serie o paralelo de dos resistencias. Sigue las instrucciones de la práctica, realiza y registra las mediciones que se solicitan y contesta las preguntas que se te plantean con base en el comportamiento observado y las mediciones realizadas. Ley de Ohm en un circuito simple Primero analiza un circuito básico con una sola fuente y una sola resistencia desconocida, en este caso una lámpara. Con base en las mediciones de voltaje y de corriente en la lámpara y, aplicando la Ley de Ohm, determinarás el valor de su resistencia. Asegúrate de que, en el panel de control del Circuito Eléctrico a la derecha, este seleccionado el circuito Simple. Recuerda también que el circuito de la práctica con una lámpara, equivale a un circuito con una resistencia. Con base en las mediciones de voltaje y de corriente en la lámpara y aplicando la Ley de Ohm determina el valor de la resistencia de la lámpara. 4
1. Utiliza el control deslizable del panel de control a la izquierda, ajusta la fuente de voltaje Vs a un valor de 8 V. Con el osciloscopio mide el voltaje en la fuente (Nodo 1 a Tierra) en el Trazo 1 y, el voltaje en la lámpara (Nodo 2 a Tierra) en el Trazo 2. Observa como ambos voltajes deben ser idénticos. Voltaje de la Fuente, Vs =. Voltaje de la Lámpara, V2 = VR2 =. Recuerda que, cuando los dos elementos de circuito están conectados al mismo par de nodos, decimos que están conectados en paralelo, por lo cual su voltaje debe ser el mismo. 2. Registra el valor de la corriente que está entregando la fuente. Toma en cuenta que debido a que solo hay dos elementos conectados en el circuito, esta será la misma corriente que está pasando por la resistencia. Corriente que entrega la Fuente, Is = IR2 = 3. Empleando la Ley de Ohm, que estable que el voltaje en una resistencia es directamente proporcional al producto de la corriente a través de la resistencia por el valor de la resistencia, calcula la resistencia de la lámpara: De la Ley de Ohm, V = I x R, por lo que R2 = V2 / IR2 = Circuito en serie Selecciona el circuito en Serie con el panel de control del Circuito Eléctrico. A continuación, agregaremos otra lámpara idéntica, por lo tanto, del mismo valor resistivo que la anterior, conectada en serie. En este caso se demostrará cómo en un circuito conectado en serie, la suma de los voltajes de las cargas conectadas en serie tiene que ser igual al valor de la fuente. 5
Recuerda que en un circuito conectado en serie, la corriente a través de cada uno de los elementos debe ser la misma. Esto sucede básicamente porque solo hay una trayectoria posible para la corriente. 4. Sin modificar el valor de la fuente, mide ahora el voltaje de cada una de las lámparas. Para ello, con el osciloscopio mide el voltaje en la lámpara 1 (Nodo 1 a Nodo 2) y el voltaje en la lámpara 2 (Nodo 2 a Tierra). Registra ambas mediciones, Voltaje de la lámpara 1, V1 =. Voltaje de la lámpara 2, V2 = Observa como ambos voltajes son iguales. Por qué los voltajes de las lámparas son iguales? 5. Una posible respuesta a la pregunta anterior es, porque la resistencia de las lámparas es igual. Para verificarlo y empleando la Ley de Ohm, calcula la resistencia de las 2 lámparas: Resistencia de la lámpara 1, R1 = V1 / Is = Resistencia de la lámpara 2, R2 = V2 / Is = 6. Cómo son ambas resistencias? Coincide con los valores de voltaje V1 y V2? 7. A continuación, suma el voltaje de las lámparas y compáralo con el voltaje de la fuente, Voltaje de las lámparas, V1 + V2 =. Voltaje de la Fuente, Vs =. 8. Cómo son ambos voltajes, V1+V2 en comparación con Vs? 6
Has demostrado que, en una conexión en serie, la corriente es la misma y el voltaje de la fuente se distribuye entre las cargas conectadas en serie, por lo que la suma de los voltajes de las cargas debe ser igual al voltaje de la fuente. Circuito en paralelo Ahora analizarás un circuito con las mismas 2 resistencias, pero conectadas en paralelo. En el panel de control del Circuito Eléctrico selecciona el circuito en Paralelo. En este caso demostrarás que, en un circuito conectado en paralelo, la suma de las corrientes de las cargas en paralelo tiene que ser igual a la corriente de la fuente. Recuerda que en un circuito conectado en paralelo, el voltaje a través de cada uno de los elementos debe ser el mismo. Esto sucede de esta manera porque todos los elementos están conectados al mismo par de nodos (al mismo par de puntos). 9. De nueva cuenta sin modificar el valor de la fuente, mide ahora el voltaje en cada uno de los elementos del circuito. Para ello, con el osciloscopio mide el voltaje en la fuente (Nodo 1 a Tierra), el voltaje en la lámpara 2 (Nodo 2 a Tierra) y el voltaje en la lámpara 3 (Nodo 3 a Tierra). Registra las mediciones, Voltaje de la fuente, Vs =, Voltaje de la lámpara 2, V2 =, Voltaje de la lámpara 3, V3 =. 10. Cómo son los voltajes de los 3 elementos del circuito? Por qué? 7
11. Con base en los voltajes medidos y empleando la Ley de Ohm (I=V/R), calcula la corriente en cada una de las lámparas. Recuerda que todas las resistencias son del mismo valor. Corriente de la lámpara 2, I2 = V2 / R2 =, Corriente de la lámpara 3, I3 = V3 / R3 = 12. Cómo son las corrientes en las 2 lámparas? Por qué? 13. Suma la corriente de ambas lámparas y compárala con la corriente que entrega la fuente: Corriente de las lámparas, I1 + I2 =, Corriente de la fuente, Is =. 14. Cómo son ambas corrientes, I1+I2 en comparación con Is? Ahora has demostrado que en una conexión en paralelo, el voltaje es el mismo y la corriente de la fuente se distribuye entre las cargas conectadas en paralelo, por lo que la suma de las corrientes de las cargas en paralelo debe ser igual a la corriente de la fuente. Conclusiones A través del análisis experimental de la práctica, se puede concluir lo siguiente: En n cargas conectadas en serie, independientemente del valor de las cargas, la corriente es la misma a través de todas las cargas. Mientras que en n cargas conectadas en paralelo, el voltaje en todas las cargas es el mismo. Así también, mientras que en una conexión en serie el voltaje de la fuente se distribuye entre las cargas presentes en el circuito, en una conexión en paralelo la corriente de la fuente que alimenta las cargas es la que se distribuye entre las cargas. 8
Trabajo realizado en el marco del Proyecto 266632 Laboratorio Binacional para la Gestión Inteligente de la Sustentabilidad Energética y la Formación Tecnológica, con financiamiento del Fondo de Sustentabilidad Energética CONACYT-SENER (Convocatoria: S001920101). El trabajo intelectual contenido en este material, se comparte por medio de una licencia de Creative Commons (CC BY-NC-ND 2.5 MX) del tipo Atribución-No Comercial Sin Derivadas, para conocer a detalle los usos permitidos consulte el sitio web en http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/mx Se permite copiar, distribuir, reproducir y comunicar públicamente la obra sin costo económico bajo la condición de no modificar o alterar el material y reconociendo la autoría intelectual del trabajo en los términos específicos por el propio autor. No se puede utilizar esta obra para fines comerciales, y si se desea alterar, transformar o crear una obra derivada de la original, se deberá solicitar autorización por escrito al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Colaboran: