Lab_Tp3 2do 2009-Electrodinámica

FI UA
Trabajo Práctico Nº 3:
Laboratorio Física III
Electrodinámica. Circuitos de continua
Apellidos y Nombres
UNIVERSIDAD
AUSTRAL
1) Objetivo general: El propósito de este experimento es familiarizarse con el manejo del
instrumental para mediciones en circuitos de corriente continua, identificar los valores de resistencia
de los resistores a través del código de colores y verificar, mediante el armado de un circuito en el
protoboard, las leyes de Kirchhoff.
2) Introducción:
La posibilidad de generar corrientes eléctricas en los materiales depende de la estructura e
interacción de los átomos que los componen. Los átomos están constituidos por partículas cargadas
positivamente (los protones), negativamente (los electrones) y neutras (los neutrones). La
conducción eléctrica de los materiales sólidos, cuando existe, se debe a los electrones más
exteriores, ya que tanto los electrones interiores como los protones de los núcleos atómicos no
pueden desplazarse con facilidad. Los materiales conductores por excelencia son metales, como el
cobre, que usualmente tienen un único electrón en la última capa electrónica. Estos electrones
pueden pasar con facilidad a átomos contiguos, constituyendo los electrones libres responsables del
flujo de corriente eléctrica. En otros materiales sólidos los electrones se liberan con dificultad
constituyendo semiconductores, cuando la liberación puede ser producida por excitación térmica, o
aislantes, cuando no se logra esta liberación.
Los mecanismos microscópicos de conducción eléctrica son diferentes en los materiales
superconductores y en los líquidos. En los primeros, a muy bajas temperaturas y como consecuencia
de fenómenos cuánticos, los electrones no interactúan con los átomos desplazándose con total
libertad (resistividad nula). En los segundos, como en los electrólitos de las baterías eléctricas, la
conducción de corriente es producida por el desplazamiento de átomos o moléculas completas
ionizadas de modo positivo o negativo. Los materiales superconductores se usan en imanes
superconductores para la generación de elevadísimos campos magnéticos.
En todos los materiales sometidos a campos eléctricos se modifican, en mayor o menor grado, las
distribuciones espaciales relativas de las cargas negativas (electrones) y positivas (núcleos
atómicos). Este fenómeno se denomina polarización eléctrica y es más notorio en los aislantes
eléctricos debido a la ausencia de apantallamiento del campo eléctrico aplicado por los electrones
libres. Los materiales con alta capacidad de polarización se usan en la construcción de
condensadores eléctricos y se denominan dieléctricos. Aquellos cuya polarización es permanente
(electretos y materiales ferroeléctricos) se usan para fabricar dispositivos como micrófonos y
altavoces, entre otros.
Conductividad y resistividad
La conductividad eléctrica es la propiedad de los materiales que cuantifica la facilidad con que las
cargas pueden moverse cuando un material es sometido a un campo eléctrico. La resistividad es una
magnitud inversa a la conductividad, aludiendo al grado de dificultad que encuentran los electrones
en sus desplazamientos, dando una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de
resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen
conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la
de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Los materiales se clasifican según su conductividad eléctrica o resistividad en conductores,
dieléctricos, semiconductores y superconductores.
 Conductores eléctricos: Son los materiales que, puestos en contacto con un cuerpo cargado
de electricidad, transmiten ésta a todos los puntos de su superficie. Los mejores conductores
eléctricos son los metales y sus aleaciones. Existen otros materiales, no metálicos, que

también poseen la propiedad de conducir la electricidad, como son el grafito, las soluciones
salinas (por ejemplo, el agua de mar) y cualquier material en estado de plasma. Para el
transporte de la energía eléctrica o cualquier instalación de uso doméstico o industrial, el
metal más empleado es el cobre. Alternativamente se emplea el aluminio, cuya conductividad
eléctrica es del orden del 60% de la del cobre, aunque por ser un material mucho más ligero,
favorece su empleo en líneas de transmisión de energía eléctrica para redes de alta tensión.1
Dieléctricos: Son materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados
como aislantes como ser vidrios, cerámicos, plásticos, goma, mica, cera, papel, madera seca,
porcelana, algunas grasas de uso industrial y electrónico y baquelita. Algunos materiales,
como el aire o el agua, son aislantes bajo ciertas condiciones pero no para otras. El aire, por
ejemplo, es aislante a temperatura ambiente pero, bajo condiciones de frecuencia de la señal
y potencia relativamente bajas, puede convertirse en conductor.
Corriente eléctrica
El movimiento neto de cargas implica el desarrollo de una energía cinética que ha sido otorgada por
algún mecanismo o fuente externa. En particular en los conductores metálicos, las cargas libres se
mueven de manera de eliminar las diferencias de potencial (es decir que se mueven bajo la acción
de alguna fuerza eléctrica), transformando energía electrostática en energía cinética. En efecto, al
colisionar dichas cargas con la red cristalina de un metal, dicha energía cinética debiera perderse a
menos que el sistema reciba energía electrostática de algún agente externo.
Por tal motivo, existen diferentes maneras de entregar la energía eléctrica necesaria a un conductor,
para generar un flujo de corriente o “electricidad”, como ser:
● Inducción electromagnética.
● Métodos voltáicos.
● Métodos electrostáticos.
que permitan en definitiva crear un campo eléctrico en el interior del material conductor.
El trabajo por unidad de carga realizado por las fuerzas no conservativas (llamado fuerza
electromotriz o f.e.m.) es igual a la caída o diferencia de potencial creada, por la acción del campo
eléctrico, entre los extremos del conductor, como se indica en la siguiente figura:
A
VA, B  VA  VB
B
+
(1)
La ley de OHM, establece que dicha diferencia de potencial es igual a la suma de todas las fuentes o
generadores de f.e.m. menos la suma de las caídas de potencial a lo largo de cada elemento
resistivo, es decir:
R
A
B
+
VA,B  VA  VB  e  IR (2)
℮
I
o más generalmente como:
1
La conductividad eléctrica del cobre puro fue adoptada por la Comisión Electrotécnica Internacional en 1913 como la referencia estándar
para esta magnitud, estableciendo el International Annealed Copper Standard (Estándar Internacional del Cobre Recocido) o IACS. Según
esta definición, la conductividad del cobre recocido medida a 20 °C es igual a 0,58108 S/m.19 A este valor se lo denomina 100% IACS, y la
conductividad del resto de los materiales se expresa como un cierto porcentaje de IACS. La mayoría de los metales tienen valores de
conductividad inferiores a 100% IACS, pero existen excepciones como la plata o los cobres especiales de muy alta conductividad,
designados C-103 y C-110.20
 E  V
i
1
 VA,B
(3)
En el caso de tratarse de una malla o circuito cerrado, la (3) se hace nula, por lo que resulta
℮3
R1
℮2
E  I R  0
R2
i
i
(4)
℮1
R3
En 1827 Georg Simon Ohm dio una relación (Ley de Ohm) que liga la tensión entre dos puntos de un
circuito y la intensidad de corriente que pasa por él, definiendo la resistencia eléctrica.
Posteriormente, el físico alemán Gustav Kirchoff expuso en 1845 (cuando aún era estudiante) dos
reglas, llamadas Leyes de Kirchoff, con respecto a la distribución de corriente eléctrica en un circuito
eléctrico con derivaciones. Las mismas se pueden considerar una consecuencia de los principios de
conservación de la carga y de la energía y se enuncian como:
Primera Ley de Kirchhoff o ley de nodos: La suma algebraica de
todas las corrientes entrantes y salientes a un nodo debe ser nula.
Es decir, para un metal en cual los portadores de carga son los
electrones, es equivalente a pensar que los electrones que entran a
un nodo son numéricamente iguales a los que salen, y se puede
expresar como:
(5)
Segunda Ley de Kirchhoff o ley de mallas: La suma algebraica de todas las diferencias de
potencial existentes en el recorrido de una malla debe ser nula. Es
decir, la suma de caídas de tensión en un tramo que está entre dos
nodos es igual a la suma de caídas de tensión de cualquier otro
tramo que se establezca entre dichos nodos, y se puede expresar
como:
(6)
3) Experimental:
Primera parte:
En esta parte se identificarán los valores de resistencia de los resistores y fuerza electromotriz de las
fuentes que van a ser utilizados en el circuito posteriormente.
Para el caso de los resistores, cuando son del tipo encapsulado axial, además de su resistencia
eléctrica, se indica la disipación máxima y la precisión o tolerancia.
Estos valores se representan con un conjunto de rayas de colores
sobre el cuerpo del elemento (ver figura), de acuerdo al código de
colores de la tabla adjunta. Son tres, cuatro o cinco rayas; dejando la
raya de tolerancia (normalmente plateada o dorada) a la derecha, se
leen de izquierda a derecha. La última raya indica la tolerancia
(precisión). De las restantes, la última es el multiplicador y las otras
indican las cifras significativas del valor de la resistencia (decenas y
unidades).
El valor de la resistencia eléctrica se obtiene leyendo las cifras como un número de una, dos o tres
cifras; se multiplica por el multiplicador y se obtiene el resultado en Ohm (Ω). El coeficiente de
temperatura únicamente se aplica en resistencias de alta precisión (tolerancia menor del 1%).
Valor de la Valor de la
Coeficiente
Color de
1°cifra
2°cifra
Multiplicador Tolerancia de
la banda
significativa significativa
temperatura
Negro
-
0
1
-
-
Marrón
1
1
10
±1%
100ppm/ºC
Rojo
2
2
100
±2%
50ppm/ºC
Naranja
3
3
1 000
-
15ppm/ºC
Amarillo
4
4
10 000
4%
25ppm/ºC
Verde
5
5
100 000
±0,5%
-
Azul
6
6
1 000 000
±0,25%
10ppm/ºC
Violeta
7
7
-
±0,1%
5ppm/ºC
Gris
8
8
-
-
-
Blanco
9
9
-
-
1ppm/ºC
Dorado
-
-
0,1
±5%
-
Plateado
-
-
0,01
±10%
-
Ninguno
-
-
-
±20%
-
Por ejemplo, si se tiene una resistencia con los colores verde, amarillo, rojo y dorado.




Se registra el valor de la primera línea (verde): 5
Se registra el valor de la segunda línea (amarillo): 4
Se registra el valor de la tercera línea (rojo): X 100
Se unen los valores de las primeras dos líneas y se multiplica por el valor de la tercera, es
decir 54 X 100 = 5400Ω o 5,4 kΩ y este es el valor de la resistencia expresada en Ohm.
Materiales:
 Juego de 10 resistores.
 Juego de tres fuentes.
 Tester o multímetro.
 Cable unipolar de teléfono.
 Cinta aislante.
Procedimiento:
 Utilizando el código de colores, establecer los valores de resistencia y tolerancia de cada uno
de los resistores.
 Cotejar dichos valores con los obtenidos al medir la resistencia de cada resistor con el Tester.
 Seleccionar el modo Voltímetro y medir la d.d.p. a los extremos de las baterías o pilas.
Segunda parte:
En esta otra parte se implementará en el protoboard (ver figura) el diseño del circuito impreso,
utilizando las resistencias seleccionadas en la primera parte.
Se medirán, utilizando el Tester, las corrientes de rama y caídas de potencial, se calcularán las
potencias disipada y entregada y se verificarán las leyes de Kirchhoff.
Materiales:
 Juego de 10 resistores.
 Juego de tres fuentes.
 Tester o multímetro.
 Cable unipolar de teléfono.
 Cinta aislante.
 Protoboard
 Pelacables y/o alicate.
Procedimiento:
 De acuerdo con los valores de tensión y
resistencia medidos en la primera parte,
asignarlos en la siguiente tabla en relación
con el circuito de la figura.
℮1 =
℮2 =
℮3 =
R1 =
R2 =
R3 =
R4 =
R5 =
R6 =
R7 =
R8 =






R4
℮1
R5
R1
R7
R3
R2
℮2
R6
℮3
R8
Conectar los elementos del circuito en el protoboard, utilizando la planchuela y los trozos de
cable de teléfono.
Conectar en último lugar las fuentes o baterías, para evitar que se desgasten y/o descarguen.
Utilizando el Tester en la opción de Voltímetro (recuerde que debe conectarse en paralelo con
el resistor cuya caída de tensión se quiera registrar), medir las d.d.p. a los extremos de cada
resistor.
Utilizando el Tester en la opción de Amperímetro (recuerde que debe conectarse en serie con
el resistor cuya intensidad de corriente se quiera registrar), medir las intensidades de corriente
sobre cada rama del circuito.
Resuelva teóricamente el circuito utilizando las leyes de Kirchhoff y coteja y verifique las
mismas con las mediciones hechas en el punto anterior.
Con la información anterior calcule las potencias disipada por cada resistor y entregada por
las fuentes.
4) Recomendaciones para la redacción del informe
Siguiendo las pautas dadas en el modelo de informe, se pide en particular para este trabajo hacer las
siguientes consideraciones en la introducción teórica:
Entre los conceptos centrales se citan:
 Conductividad eléctrica, tipos de materiales, efecto Joule, voltímetro y amperímetro,
consideraciones del modelo empleado; malla, rama y nodo, intensidad de corriente y
diferencia de potencial, potencia disipada por un resistor y entregada por el circuito, leyes de
Kirchhoff.
Responder la mayor cantidad de preguntas posibles e incluir las respuestas directamente (sin escribir
las preguntas) en el cuerpo del informe en la sección que se considere pertinente. Las preguntas son
las siguientes:
 En las mediciones efectuadas, tiene sentido tomar en cuenta la variación de la resistividad con
la temperatura?
 Qué diferencias y/o similitudes se encuentran entre los voltímetros y amperímetros ideales,
respecto de los reales?
 Cuál es el error estimativo con el que se está trabando al medir los valores de resistencia,
intensidad de corriente y diferencia de potencial?
 Es posible obtener la resistencia equivalente de todo el circuito? Indicar si existe algún otro
método alternativo para calcularla.
5) Cierre del informe
A partir de la verificación de las leyes de Kirchhoff, resuelva y compruebe experimentalmente el
método de superposición de mallas.