Estudio de Circuitos Resistivos con Simulación PDF

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Guia de estudio para realizar el laboratorio 5 de fisica II, con esta guia podra llegar a completar el informe y la practica con los datos aqui brindados....

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

I5. ESTUDIO DE CIRCUITOS RESISTIVOS CON SIMULACIÓN

RESUMEN En este proyecto de investigación se estudiarán las diferentes configuraciones de los circuitos eléctricos, para ello es necesario conocer las características de los componentes básicos de los circuitos (resistencias y fuentes). Distinguimos tres tipos de circuitos según la posición de sus elementos: circuitos en serie, paralelo y mixto. Se analizará la variación de la resistencia equivalente para diferentes configuraciones.

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 siguientes preguntas de investigación: ¿Cómo se relaciona matemáticamente el voltaje, la corriente y la resistencia en circuitos resistivos conectados en serie, paralelo y mixto? ¿Cuál es la resistencia equivalente en cada circuito?

OBJETIVO GENERAL Estudiar la corriente que circula en circuitos resistivos conectados en serie, paralelo y mixto través de una simulación.

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OBJETIVOS ESPECÍFICOS ● Estudiar la caída de potencial en los circuitos serie, paralelo y mixto, a través del simulador PhET. ● Corroborar experimentalmente la ley de Ohm. ● Determinar la resistencia equivalente en los circuitos serie, paralelo y mixto.

MARCO TEÓRICO Resistencia eléctrica Es la oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor. A 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 ó multímetro en la escala de ohmios, figura 1 (Wikipedia, 2016). Si la resistencia es constante sobre un rango de voltaje, se puede usar la ley de Ohm, para predecir el comportamiento del material.

I=

V R

I =¿ Corriente eléctrica.

Unidad: Amperio (A)

V =¿ Voltaje o tensión eléctrica.

Unidad: Voltio (v)

R=¿

Unidad: Ohmio (Ω = Voltio/Amperio

Resistencia eléctrica.

(1)

Determinación de resistencia, corriente y voltaje Uno de los instrumentos empleados, para la determinación de las magnitudes mencionadas es el multímetro: el cual permite configurarse para medir tres unidades diferentes (Volts: voltímetro, Amperes: amperímetro y Ohms: 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

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro el Óhmetro: descrito anteriormente.

Resistencia equivalente En 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).

Figure 3. 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.

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Tabla 1 código de colores de resistencias

Potencia Representa la tasa a la cual la energía cinética de las cargas en movimiento o energía eléctrica se convierte a 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) que es la potencia disipada por un resistor:

P=I 2∗R=

V2 R

(2)

Resistencia en series 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

resistencia conectado

una está

con

el

extremo de salida de la anterior

y

así

sucesivamente. (Lopez33, 2016)

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

Rtotal=R1 + R2

(3)

Conexiones paralelo Un grupo de resistencias está conectado en paralelo cuando los extremos de entrada y 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.

V total=V 1=V 2

(4)

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

1 R total

=

1 1 + R1 R2

(5)

Conexión mixta Los circuitos 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

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Este proyecto de investigación se llevará a cabo en cuatro fases metodológicas: Se debe usar el simulador de la Universidad de Colorado (Universidad de Colorado) . Antes de iniciar la simulación se debe realizar los cálculos de potencial y corriente en los nodos de los circuitos de las figuras 6, 7 y 8. Fase uno: Determinación de la resistencia equivalente de un circuito en serie. En esta fase se medirán 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. Descargue el simulador y construya el circuito de la figura 6. Seleccione 5 resistencias del menú, seleccione una batería encima

(ajuste su valor dándole clic

) luego conecte todos los elementos con alambre de cobre .

Defina 5 valores diferentes para cada resistencia (para esto dele clic al símbolo y seleccione el valor en ohmios fuente. Luego, conecte el Multímetro AyB serie y

), de forma similar defina un valor para la mida la diferencia de potencial en los puntos

entre las resistencias. Por último, abra el circuito y conecte el amperímetro en mida la corriente.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro R1= 1N*10 R2= 2N*10 R3= 3N R4= 4N R5 = 5N

Figura 6. Montaje en serie

N: es número del subgrupo de laboratorio. Por ejemplo, para el subgrupo 5 el número N es igual a 5; R1= 50 Ω; R2 =100 Ω; R3= 15 Ω; R4=20 Ω; R5= 25 Ω R1= 2N*10 R2= 3N*10 R3= 4N R4= 5N R5 = 6N

Figura 7. Montaje experimental en paralelo

Fase dos: Determinación de la resistencia equivalente de un circuito en paralelo. Construya el simulador del circuito de la Figura 7, tome los elementos del menú de la derecha y conéctelos entre sí. El procedimiento será similar al anterior con una pequeña variante, la corriente del circuito se determinará entre los puntos A 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.

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Figura 8-A circuito mixto

Figura 8-B modos equivalentes del circuito mixto

Fase tres: Determinación de la resistencia equivalente de un circuito mixto para corroborar la validez de los modos de conexión de la resistencia equivalente. Para ello es necesario simular el circuito de la Figura 8, (no olvide realizar los cálculos teóricos de las resistencias equivalentes). Con el simulador mida la diferencia de potencial en los extremos del circuito A y B; X y Y. Por último, determine la intensidad de corriente que circula en cada una de las resistencias del circuito incluyendo. procedimiento con el circuito de la figura 8-B.

Por último, repita el

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Figura 8-B circuito mixto

Fase cuatro: en esta última fase se sintetizarán los resultados experimentales determinados en el proyecto (voltajes, intensidades de corriente) en un informe donde se deberá justificar las diferencias con los valores teóricos que 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? ¿Por qué utiliza cobre en los circuitos?

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 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

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro ejecución de este proyecto de investigación.

BIBLIOGRAFÍA Electrotécnica. (18 de Abril de 2016). Análisis de circitos Eléctrico. Obtenido de http://iesmjuancalero.juntaextremadura.net/archivos_insti/recurdptos/tecnolog/elect rotenia/t3.htm#0 Lopez33.

(14

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Abril

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2016).

Circuitos

Eléctricos.

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https://sites.google.com/site/tecnorlopez32/tema4-electricidad/02-circuitoselectricos Wikipedia.

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2016).

Resistor.

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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. https://phet.colorado.edu/en/simulation/circuit-construction-kit-dc-virtual-lab.Recuperado 25-05-2020 https://phet.colorado.edu/en/simulation/legacy/capacitor-lab. Recuperado 25-05-2020

Este material fue desarrollado por: Ana M. Forero Pinto, Daniel A. Triana Camacho, Karen L. Cristiano Rodríguez, Melba J. Sánchez Soledad, Yuber A. Galeano; con el apoyo de los profesores: David A. Miranda Mercado, Jorge H. Quintero Orozco, Raúl F. Valdivieso Bohórquez, Rogelio Ospina Ospina; las autoridades académicas: Hernán Porras Diaz (Rector), Orlando Pardo Martínez (Vicerrector Académico), José David Sanabria Gómez (Decano de la Facultad de Ciencias) y Jorge Humberto Martínez Téllez (Director de la Escuela de Física). Un agradecimiento especial a la Universidad Industrial de Santander.

Formación para la Investigación Escuela de Física, Facultad de Ciencias Universidad Industrial de Santander Construimos Futuro Abril 14 de 2020....