Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro

I.4.ESTUDIODELCOMPORTAMIENTODELARESISTENCIA,CORRIENTEYVOLTAJEENCIRCUITOSMIXTOS

RESUMEN

En este proyecto de investigación se estudiará las diferentes configuraciones de los

circuitos eléctricos, para ello es necesario conocer las características de los componentes

básicos de los sistemas (resistencias y fuentes). Distinguimos tres tipos de circuitos según

la posición de sus elementos: circuitos en serie, paralelo y mixto. Combinando las

configuraciones, se analizará la variación de la resistencia equivalente.

PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

La resistencia eléctrica, es una propiedad de un objeto o sustancia que hace que se

resista al paso de una corriente eléctrica. La resistencia de un circuito eléctrico determina

(según ley de Ohm) cuánta corriente fluye en el circuito cuando se le aplica un voltaje

determinado. Las resistencias, tienen la capacidad de disipar la energía eléctrica en el

circuito en forma de calor. En los circuitos, las resistencias se pueden conectar de formas

variadas. Entonces, se plantean las preguntas de investigación ¿Qué relaciones hay entre

el voltaje, la corriente y la resistencia para circuitos en serie, paralelo y mixto? ¿Cuál es la

resistencia equivalente en cada circuito?

OBJETIVO GENERAL

Determinar experimentalmente las resistencias equivalentes de un circuito (serie,

paralelo, mixto)

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Construir circuitos en un panel de conexiones.

• Estudiar la caída de potencial en los circuitos serie, paralelo y mixto.

• Corroborar experimentalmente la ley de Ohm.

• Determinar la resistencia equivalente en los circuitos serie, paralelo y mixto.

MARCO TEÓRICO

ResistenciaeléctricaOposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor los

componentes electrónicos diseñados para introducir una resistencia eléctrica entre dos

puntos de un circuito, se le denomina resistor. (Wikipedia, 2016). En la práctica existen

diversos métodos para su medición, entre los que se encuentra el uso de un óhmetro ò

multímetro en la escala de ohmios, figura 1 (Wikipedia, 2016).

Figura 1 medición de la resistencia con un multímetro

Si la resistencia es constante sobre un rango de voltaje, se puede usar la ley de Ohm,

para predecir el comportamiento del material.

𝐼 = 𝑽𝐑 (1)

𝐼 = Corriente eléctrica. Unidad: Amperio (A)

𝑉 =Voltaje o tensión eléctrica. Unidad: Voltio (v)

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𝑅 = Resistencia eléctrica. Unidad: Ohmio (W = Voltio/Amperio

Determinaciónderesistencia,corrienteyvoltajeUno de los instrumentos empleado, para la determinación de las magnitudes

mencionadas es el multímetro: el cual contiene tres configuraciones en si (voltímetro,

amperímetro y óhmetro). Voltímetro: mide la diferencia de potencial (Voltaje) aplicada a

los extremos de cualquier elemento de un circuito, se debe conectar en paralelo.

Amperímetro: mide la intensidad de corriente eléctrica que circula a través de un

elemento de un circuito. Se debe conectar en serie. Y el Óhmetro: descrito anteriormente.

Figura 2 medición de la corriente con un multímetro

ResistenciaequivalenteEn un circuito formado por varias resistencias se llama resistencia equivalente a

aquella que, sustituye a las anteriores. La determinación de la resistencia equivalente

permite simplificar el cálculo de circuitos al sustituir ramas y mallas complejas por una

sola resistencia equivalente. Una vez calculada la diferencia de potencial y la intensidad

en la resistencia equivalente se pueden determinar las resistencias del circuito original

(Electrotécnica, 2016).

Existen diversos tipos de resistencias, según los materiales, potencia, precisión etc., las más comunes son las resistencias de encapsulado axial, su valor óhmico se presenta por medio de un código de colores (figura 3).

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Figura3 resistencia de encapsulado axial

Cada color tiene una equivalencia numérica. La franja más cercana a la orilla se considera la primera cifra y representa el dígito más significativo, la segunda franja representa el dígito menos significativo, la tercera indica el multiplicador y la última, la tolerancia o el rango de variación que nos asegura el fabricante. Todo esto puede apreciarse en la tabla 1.

Tabla 1 código de colores de resistencias

PotenciaRepresenta la tasa a la cual la energía se convierte de energía eléctrica del movimiento

de cargas a alguna otra forma, tales como calor, energía mecánica o energía almacenada

en campos magnéticos o campos eléctricos. La potencia está dada por el producto del

voltaje aplicado y la intensidad de corriente eléctrica, su unidad es el vatio (watt): la

Potencia disipada en un resistor

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𝑃 = 𝐼) ∗ 𝑅 = +,

- (2)

Resistenciaenseries

Un grupo de resistencias está conectado en serie cuando ofrece un camino único al

paso de la corriente. En este tipo de conexión, el extremo de entrada de una resistencia

está conectado con el extremo de salida de la anterior y así sucesivamente. (Lopez33,

2016)

Figura 4 Montaje en serie

La intensidad de corriente es la misma en todas las resistencias de la conexión serie. Y

la diferencia de potencial en los extremos de la rama1 será la suma de las caídas de

potencial en cada una de las resistencias que la componen.

𝑅./.01 = 𝑅2 + 𝑅) (3)

ConexionesparaleloUn grupo de resistencias está conectado en paralelo cuando los extremos de entrada y

de la salida de las resistencias están conectados entre sí. La intensidad total que entra en

las resistencias en paralelo es igual a la suma de las intensidades que circulan por cada

una de las resistencias. La tensión en bornes de las resistencias es igual a la tensión a la

que está sometido el acoplamiento paralelo.

1 el conjunto de elementos comprendidos entre dos nudos consecutivos

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Figura 5 Montaje en paralelo

(4)

La inversa de la resistencia equivalente es igual a la suma de las inversas de cada una

de las resistencias.

(5)

ConexiónmixtaCircuitos mixtos son aquellos en los que existen conexiones serie y paralelo en el

mismo circuito. Para determinar la resistencia equivalente primero se simplifican las

resistencias serie y paralelo parciales, hasta que se llegue a un circuito simple del que se

determina su resistencia equivalente.

METODOLOGÍA

Este proyecto de investigación se llevará a cabo en cuatro fases metodológicas:

primero, se determinará la resistencia equivalente de un circuito en serie y se corroborará

𝐼45467 =𝑉

𝑅89:;<678=48

1𝑅89:;<678=48

=1𝑅2+

1𝑅)

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el comportamiento de la corriente I y la diferencia de potencial V; segundo, la resistencia

equivalente de un circuito en paralelo y sus propiedades. Tercera se comprobará la

validez de los modos de conexión de la resistencia equivalente tanto en serie como en

paralelo. Por último, se presentará un informe con los resultados de la investigación.

Recuerde que el profesor debe revisar todos los montajes antes de aplicar la

diferencia de potencial, es decir antes de energizar cualquier circuito.

Fase uno: en esta primera fase se determinará la resistencia equivalente de un circuito

en serie y se corroborará el comportamiento de la corriente, para ello es necesario realizar

el montaje experimental descrito en la Figura 6. En esta fase se medirá las diferencias de

potenciales en los extremos del circuito, y la corriente que pasa en cada resistor, con el fin

de corroborar que la intensidad de la corriente es la misma en todos los resistores.

Figura 6 Montaje experimental en serie

Para realizar el experimento se seguirá el siguiente procedimiento: primero, se

verificará el valor real de cada una de las resistencias que se van a utilizar. Segundo se

aplicará una diferencia de potencial (valor indicado por el profesor) entre los puntos A y B.

Tercero con la ayuda del multímetro en escala de voltios se determinará el potencial entre

los puntos A y B. Cuarto se cambiará la escala del multímetro a amperios y se

determinará la corriente que circula por cada uno de los elementos. Quinto, se des

energizara el circuito y desarmara el montaje.

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Figura 7 Montaje experimental en paralelo

Fase dos: en esta fase se determinará la resistencia equivalente de un circuito en

paralelo y se estudiarán las propiedades del circuito, para ello es necesario realizar el

montaje experimental descrito en la Figura 7, y el procedimiento será similar al anterior

con una pequeña variante, la corriente del circuito se determinará fijando uno de los

terminales del multímetro en el punto A mientras, que el otro terminal se moverá por

diferentes puntos del circuito (A, X, Y,B). De esta forma se confirmará de forma

experimental que la intensidad de corriente total en un sistema de resistencias paralelos

es igual a la suma de las intensidades de cada resistencia.

Figura 8-A montaje experimental circuito mixto

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Figura 8-B modos equivalentes del circuito mixto

Fase tres: en esta fase se determinará la resistencia equivalente de un circuito en

mixto y se comprobará la validez de los modos de conexión de la resistencia equivalente,

para ello es necesario montar el circuito de la Figura 8, y seguir el siguiente

procedimiento: primero se medirá la resistencia R1, 2, abriendo la rama inferior. Segundo,

se medirá la resistencia R1, 2,3 para ello es necesario colocar los terminales entre los

puntos X y Y. Tercero se medirá la resistencia R1, 2, 3,4 entre los puntos A y B. Cuarto, se

aplicará una diferencia de potencial (indicado por el profesor) entre los puntos A y B.

Quinto, se determinará la diferencia de potencial de cada resistencia y de los extremos del

circuito. Por último, se medirá la intensidad de corriente que circula en cada una de las

resistencias del circuito incluyendo las de los pasos 1-3.

Fase cuatro: en esta última fase se sintetizarán los resultados experimentales

determinados en el proyecto (voltajes, intensidades de corriente y resistencias). En un

informe donde se deberá justificar las diferencias con los valores teóricos,(estos se

calculan con las ecuaciones presentadas en el marco teórico).

PREGUNTAS ADICIONALES

¿Cuál es el valor de la resistencia de un corto circuito?.¿Cuál es el valor de la

resistencia de un circuito abierto? Si sólo tuviera tres resistencias de 300 Ω, tres de 600 Ω

y tres de 1200 Ω, ¿cuáles serían las conexiones que podría hacer para obtener

equivalentes de 120 Ω, 171.4 Ω y 57.1 Ω?

RESULTADOS ESPERADOS

Con esta investigación se espera fortalecer los conocimientos teóricos en cuanto a los

cálculos de voltaje y corriente, también se espera mejorar la comprensión de los modos

de conexión de las resistencias equivalentes en las diferentes configuraciones de los

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circuitos., corroborando el comportamiento de la corriente eléctrica de los circuitos.

Además, se espera despertar en los estudiantes el espíritu investigador a través de la

ejecución de este proyecto de investigación.

BIBLIOGRAFÍA

BIBLIOGRAFÍAElectrotécnica. (18 de Abril de 2016). Análisis de circitos Eléctrico. Obtenido de

http://iesmjuancalero.juntaextremadura.net/archivos_insti/recurdptos/tecnolog/elect

rotenia/t3.htm#0

Wikipedia. (15 de Abril de 2016). Resistor. Obtenido de

https://es.wikipedia.org/wiki/Resistor

Wikipedia. (15 de Abril de 2016). Wikipedia. Recuperado el 6 de Abril de 2016, de

https://es.wikipedia.org/wiki/Ley_de_Ohm

MATERIAL COMPLEMENTARIO

http://web.educastur.princast.es/proyectos/fisquiweb/Laboratorio/Circuitos/Portada.htm

http://www.profesormolina.com.ar/electronica/practicas/index.htm

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elepow.html#c1

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Este material fue desarrollado por Melba Johanna Sánchez Soledad, B.Sc, Oscar Mauricio Forero

Quintero y Rogelio Ospina Ospina Ph.D, en el marco del proyecto titulado “Fortalecimiento de las

capacidades científicas y tecnológicas para lograr una mejor formación para la investigación por medio de

mejores laboratorios de física para ciencia e ingeniería”, fase 1: re-enfoque metodológico. Para el desarrollo

de esta actividad se contó con el apoyo de Dr. Jorge Humberto Martínez Téllez, Director de la Escuela de

Física, David Alejandro Miranda Mercado, Ph.D, Decano de la Facultad de Ciencias, Universidad Industrial de

Santander.

Bucaramanga, 25 de Abril de 2016