INFORME N°3 DE LABORATORIO

FACULTAD DE INGENIERÍA, UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA.FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO, GRUPO 10

A. Díaz, D. González, S. Hozman, Y. ríos, S. Torres. Grupo 6

I. Resumen: El objetivo de la práctica era observar distintas formas de organizar un circuito que involucra una fuente de energía (pila) y 3 bombillos con igual resistencia. Se organizan los circuitos generales mezclando conexiones en serie, paralelo o mixto entre las 3 bombillas para posteriormente concluir cual o cuales son las formas de organización de las conexiones con las que se obtienen mejores resultados en términos de mayor luminiscencia de los bombillos, con cuales conexiones se obtienen resultados medios (mayor brillo en una o dos bombillas que en la o las otras) y en cuales las bombillas iluminan menos comparando los 3 casos con el brillo de una sola bombilla conectada directamente a la pila.

II. Introducción: Un circuito eléctrico es un arreglo que permite el flujo completo de corriente eléctrica bajo la influencia de un voltaje. Un circuito eléctrico típicamente está compuesto por conductores y cables conectados a ciertos elementos de circuito como aparatos (que aprovechan el flujo) y resistencias (que lo regulan).

III. Planteamiento de problema: La práctica se divide en 4 problemas en donde se busca dar solución a una pregunta problema que se basa en la organización de los circuitos para obtener más brillo por parte de los 3 bombillos involucrados en cada circuito. Para cada problema se deben realizar distintos circuitos que poseen conexiones en serie, en paralelo y /o mezcladas y con base en la observación se da una conclusión de la eficacia de dichas conexiones en termino de luminiscencia de los bombillo.

IV. Montaje experimental: Los montajes experimentales, que para los 4 problemas son circuitos con conexiones en serie, paralelo o mixto, se describen con más detalle a medida que se le da respuesta a cada problema por separado.

PROBLEMA 2.1:

1. La ley de conservación de la carga se cumple a cabalidad en un circuito ya que los electrones no pueden desaparecer, es decir, se debe conservar ya que no se puede crear

2. La única energía que afecta al proceso es la energía potencial eléctrica y sabiendo que se debe conservar para qué halla actividad en el bombillo se sobreentiende que se conserva la energía en un circuito.

3. según la ley de ohm la intensidad o corriente eléctrica debe ser igual ya que esta es voltaje dividido entre la resistencia del material y teniendo en cuenta que es el mismo voltaje y la misma resistencia, la intensidad debe ser igual en las dos resistencias.

4. igualmente se ve el mismo voltaje en las dos resistencias ya que esta ecuación relacionaría a la corriente multiplicada por la resistencia dando resultado a la diferencia de potencial y como son la misma intensidad y la misma resistencia debe ser igual.

5. la potencia es igual al trabajo sobre el tiempo en que se ejerce el mismo.6. teniendo en cuenta la cercanía al polo negativo del generador o pila de

puede deducir que la primera en recibir la corriente es la que disipa más energía.

ANALISIS DE RESULTADOS

Para la práctica se realizaron inicialmente pruebas sobre los bombillos como conectarlos a cada uno por separado para comprobar su luminiscencia y su estado funcional.

Para el circuito dos se observó que el primer bombillo de (-) a (+) es el que más iluminaba, en los puntos 1, 2 y 3 se puede ver según la configuración que va disminuyendo la intensidad gracias a la resistencia de los bombillos, además se pudo observar que un bombillo separado alumbra más que los conectados en serie pero no más que los que se conectan en paralelo y la corriente en el punto 1 es la misma ya que no hay ninguna resistencia interfiriendo en el flujo de energía antes de este punto, al parecer para los circuitos en paralelo la corriente es la misma en todos los puntos por lo que la luminiscencia de los bombillos o la corriente que recibe cualquier dispositivo conectado en paralelo es la misma que la de su "acompañante" y se deduce de

esta afirmación que la corriente es siempre la misma, por eso alumbra lo mismo el bombillo A que el bombillo C y D, a modo de conclusión general, la corriente que pasa por el punto uno en los tres circuitos parece ser la misma en todos.

PROBLEMA 2.2

Planteamiento del problema:

El objetivo de esta práctica es encontrar la forma de conectar tres (3) bombillos, para optimizar la distribución de la corriente eléctrica, de manera que los tres proporcionen el mayor brillo posible.

PREGUNTAS

1. ¿Si se establece la misma diferencia de potencial a través de resistencias diferentes, como son las corrientes a través de cada resistencia?

De acuerdo con la Ley de Ohm la resistencia se puede definir como la

razón entre la diferencia de potencial y la corriente eléctrica R=VI . Se

tiene que la dirección de la corriente va del extremo de mayor potencial al de menor potencial, debido a que la corriente fluye en dirección del campo eléctrico (de más a menos). A medida que la corriente fluye a través de la diferencia de potencial, la energía potencial eléctrica se pierde, esta energía se transfiere a los iones del material conductor durante las colisiones. Por lo anterior, si se tiene la misma diferencia de potencial, a través de resistencias diferentes, la corriente eléctrica aumentará si la resistencia decrece y disminuirá si la resistencia aumenta, en una relación inversamente proporcional.

2. ¿Si a través de resistencias diferentes pasa la misma corriente, cómo son las caídas de potencial a través de cada resistencia?

Si se tienen diferentes resistencias por las cuales pasa la misma corriente, las diferencias de potencial aumentan o decrecen de manera proporcional a como lo hace la resistencia tomando como un valor constante la corriente.

PREDICCIÓN

Nuestro grupo propone el siguiente orden de acuerdo con el brillo de los bombillos:

BRILLO ALTO MEDIO BAJOBOMBILLO A H J K B C E D F G L M N

Proponemos este orden para el brillo de los bombillos debido a que pensamos que los bombillos que están dentro de los circuitos en serie tendrán un mejor reparto de la corriente que está circulando, mientras que los que brillaran en un rango medio a bajo serán los que se encuentran en circuitos en paralelo donde la corriente eléctrica debe ser repartida de manera que la potencia se disminuye lo que a su vez disminuye el brillo.

EXPLORACIÓN Y ANÁLISIS:

Circuito de referencia: en este circuito la corriente corre libremente siendo entregada en su totalidad al único bombillo conectado en él. Se hace para comparar el brillo de este bombillo con el de los bombillos en los siguientes circuitos los cuales serán conectados en serie, en paralelo y como una combinación de los dos anteriores.

Circuito 2:

En este circuito se observan dos bombillos en serie (B y C) y uno en paralelo (D) con respecto a los dos anteriores. Se observa que los dos bombillos en serie (B y C) tienen igual brillo entre ellos pero menos menor en relación con el bombillo (A), por el contrario en el bombillo (D) se tiene mayor brillo en relación con los otros 3 bombillos.

En el punto 1 del circuito I se tiene la misma corriente eléctrica que en el punto 2 del circuito II, debido que hasta esos puntos no se ha presentado ninguna resistencia que le quite capacidad a dicha corriente. La corriente eléctrica se divide del punto 1 a los puntos 2 y 3 en proporciones iguales, se reparte por los bombillos y posteriormente se recombina en lo que sería un punto 4.

Circuito 3:

En este circuito se observan los tres bombillos en serie (E, F y G), donde (E y F) brillan con mayor intensidad que el bombillo (G). Sobre la corriente eléctrica se puede decir que es igual en el punto 1 y 2 así como con el punto 1 del circuito de referencia, igual en los puntos 3 y 4 pero aproximadamente la mitad del punto 2. Si comparamos el punto 2 del circuito 2 con el punto 2 del presente circuito tenemos que la distribución de la corriente no es la misma ya que sería completa en el último y aproximadamente media en el primero. En cuanto al flujo de la corriente a lo largo de todo el circuito se puede decir que es igual en los puntos 1 y 2, del punto 2 se derivan los puntos 3 y 4 y ellos equivaldrían a la mitad de la corriente en el punto 2. Los cuales se recombinan finalmente para dar la corriente completa al final del circuito.

Circuito 4:

Este circuito cuenta con tres bombillos alineados en serie, en los cuales se observa un decremento en el brillo desde (H) hasta (K). Este circuito en serie presenta una trayectoria de elementos o resistencias que se caracteriza porque están unidos uno a continuación del otro. En este caso la corriente es la misma para todos los elementos, y si comparamos el punto 1 del circuito de referencia con el punto 1 de este circuito obtendremos que la corriente que circula por ellos es la misma, ya que el número de bombillos conectados no interfiere con la corriente circulante.

Circuito 5:

En este circuito, se conectan tres bombillos en paralelo, y se observa que el brillo decrece desde L hasta N. En este circuito la corriente que pasa por cada resistencia puede ser diferente, ya que la corriente dispone de varios caminos alternativos para pasar del polo negativo al polo positivo, por lo general entra mayor cantidad de corriente al punto 2 y menor cantidad al 4. Si comparamos el brillo del bombillo del circuito de referencia (A) con el bombillo (L) de este circuito tenemos que el brillo es menor en (L) ya que gran parte de la corriente circula hacia los otros bombillos (m) y (N).

CONCLUSIÓN

Los circuitos eléctricos son recorridos preestablecidos por los cuales circulan cargas eléctricas, las cuales se transportan de un punto donde existe mayor potencial eléctrico hacia uno donde hay menor potencial, debido a que este es el comportamiento presentado por el campo eléctrico que se genera en esta situación. En los circuitos en serie la diferencia de potencial no necesariamente tiene que ser la misma, y su resistencia total se calcula como la suma de las resistencias individuales, ya que el voltaje a través de cada una de ellas es directamente proporcional a su resistencia y a la corriente común, lo anterior nos permite afirmar que en un circuito en serie la corriente que circula es la misma en cualquier punto que se considere.

Por otro lado, en los circuitos en paralelo la corriente que circula no necesariamente es la misma en todos los puntos ya que existen bifurcaciones (caminos) por los cuales la corriente eléctrica se puede derivar y repartirse. Sin embargo, la diferencia de potencial debe ser la misma en todas las resistencias conectadas.

A B

CE

D

1111

1111 1111

1111 11111111

1

2 3

4 56

PROBLEMA 2.3 CIRCUITOS MÁS COMPLEJOS II:

1. Dibuje el circuito:

Figura 3.1: Circuito eléctrico realizado (identificación de las bombillas).

2. Indique en el dibujo los puntos donde se divide la corriente:

Figura 3.2: identificación de los puntos donde la corriente se divide (Rojo).

3. Dibuje todas las corrientes del circuito.

Figura 3.3: identificación de las secciones de interés respecto al análisis de la corriente.

4. Utilice la ley de la conservación de la carga para escribir las relaciones entre las corrientes:

Según la ley de la conservación de la carga, la corriente que transita por el punto (1) será igual que la suma de las corrientes (2)+(3), así mismo sabemos que la corriente en los puntos (2) = (4) y (3) = (5), por consiguiente (4)+(5) =(6), para las conexiones en serie como el intervalo (7) – (9) – (10) la corriente siempre mantendrá el valor constante, para conexiones en paralelo, la corriente será la suma de cada corriente que pasa por cada resistor.

5. Utilice la ley de la conservación de la energía para escribir las relaciones entre las diferencias de potencial a través de los elementos del circuito.:

De acuerdo con la ley de conservación, la diferencia de potencial para un circuito cuyas resistencias se encuentran conectadas en serie, será equivalente a la suma del diferencial de potencial a través de cada uno de los resistores, como se ve en el caso del intervalo (7) – (9) – (10), a diferencia de la forma en la que el potencial se comporta a través de resistores conectados en paralelo, pues independientemente de la forma en la que carga se mueva, lo que nos interesa es el punto inicial y final de esta, así en el intervalo (6) – (12) se ve que el voltaje se conservara para cada resistencia.

6. ¿Cuáles elementos están conectados en serie?: los elementos conectados en serie son los bombillos C y D y además los conjuntos [A, B] y [C, D, E].

7. ¿Cuáles elementos están conectados en paralelo?: Los elementos conectados en paralelo son los bombillos A y B y el conjunto [C, D] y E.

8. ¿En cuáles elementos es igual la corriente? ¿Por qué?:Debido a que en la realidad La bombillas no poseen exactamente la misma resistencia, se considera que la corriente eléctrica es igual para aquellos dispositivos conectados en serie, esto se debe principalmente a que a un voltaje constante, la intensidad de corriente para cada resistencia conectada en serie debe ser un factor común.

9. ¿A través de cuáles elementos es igual la diferencia de potencial? ¿Por qué?:

La diferencia de potencial será igual para aquellos dispositivos que se encuentren conectados en paralelo, debido a que la diferencia de potencial ΔV= (V f-Vi) será igual para la corriente I1 o la corriente In las cuales transitan a través de unas determinadas resistencias entre los mismo puntos inicial y final.

Predicción:

De acuerdo con nuestros conocimientos de las relaciones entre la corriente, el voltaje y la resistencia se cree que el orden de las bombillas de mayor a menor brillo una vez realizada la conexión se distribuirá de la siguiente forma:

(A=B) > [(C=E) > D]

Siendo los bombillos A y B los de mayor brillo y el bombillo D el de menor brillo.

Exploración / Análisis:

Durante la práctica se emplearon 5 bombillas iguales, sin embargo algunas presentaban una pequeña diferencia en cuanto al valor de la resistencia respecto una a la otra, una diferencia respecto al segundo decimal, por lo que este aspecto se puede omitir y asumir que todos los dispositivos responderán igual, esto fue verificado mediante la observación del valor de resistencia de cada bombilla empleando un multímetro.

1111

1111 1111

1111 11111111

1111 1111

1111

1111 1111

1111

1

2 3

457 6

Figura 3,4: Circuito eléctrico realizado (identificación de las secciones de interés respecto al análisis de la corriente acorde a la guía de trabajo1).

Previamente al montaje del circuito, se conecto cada bombilla individualmente a la batería (fuente) observándose que todos poseen el mismo brillo cuando están conectados directamente a la batería.

Una vez realizado el montaje y asumiendo que cada bombillo posee la misma resistencia, se deduce que la corriente en el punto (1) será aproximadamente igual a la suma de las corrientes presentes en el punto (2) y el punto (3), si se desprecia las diferencias respecto a los cables de conexión, se asumió que las corrientes en el punto (2) y (3) son iguales, esto acorde a la ley de Ohm, dado que cada corriente esta presente en el mismo voltaje y contra resistencias de igual magnitud, análogamente, el valor de la corriente en el punto (4) debe ser igual o ligeramente menor a la magnitud del punto (1) es decir, la corriente original.

Una vez se llega a la segunda conexión en paralelo, la corriente en el punto (4) tendrá el valor correspondiente a la suma de las magnitudes de las corrientes en los puntos (5) y (6), claro esta que con diferencia de la división anterior [(1), (2), (3)] respecto a la relación de las corrientes divididas, si bien la corriente del punto (6) tendrá un valor aproximado al valor de la corriente en el punto (3), esta relación no aplica para el punto (2) respecto a el punto (5), debido a que la corriente en el

punto (5) deberá atravesar 2 resistencia en lugar de 1 como se da en el tramo anterior.

Finalmente después de una rápida conexión a fin de evitar que la fuente perdiera carga rápidamente, se pudo realizar una observación exacta del brillo de cada bombilla, permitiéndolas ordenar de mayor a menor (según el nombre que se les da en la figura 3,1) procediendo entonces de la siguiente manera:

(A=B=E) > D > C

Esta organización lleva cierto grado de error, debido a lo subjetivo de la observación visual de los dispositivos por cada integrante, sin embargo se determino que las bombillas A, B y E poseían el mismo brillo al momento de conectar cada una por separado a la fuente, sin embargo en las bombillas C y D se observo una reducción del brillo en igual proporción para cada una, se considera que la bombilla D brillo ligeramente más que C debido a la pequeña diferencia del valor de resistencia el cual se menciono previamente.

Conclusiones:

Al conectar las bombillas de un circuito en paralelo la intensidad de brillo será similar o igual a la que presentaría cada uno si se conectara directamente a la fuente de voltaje.

Así mismo si las bombillas son conectadas en serie, se presenta una disminución en el brillo de todas las bombillas conectadas de esta forma en una magnitud igual para todas (todas pierden brillo de manera similar). En bombillas con resistencias de valor equivalente, una pequeña reducción de la resistencia generara que una bombilla posea mayor brillo que las demás.

PROBLEMA 2.4 CORTO CIRCUITO:

a) Cuando se conectan dos resistencias en paralelo el valor de la resistencia equivalente corresponde a la inversa, de la suma de los inversos multiplicativos de cada una de las resistencias que se encuentran en el circuito, de la siguiente forma:

1Req

= 1R1

+ 1R2

+ .. .+ 1Rn

b) Cuando una corriente tiene que desplazarse por un circuito de resistencias en paralelo, la corriente total se divide, pasando por ambas resistencias, la cantidad de corriente que pasa por una resistencia depende del valor que tenga, pues la relación es inversamente proporcional, a mayor valor, menor cantidad de corriente. El valor de corriente que pasa por cada resistencia se puede calcular fácilmente obteniendo la resistencia equivalente, del circuito, y calculando su voltaje teniendo en cuenta la corriente total (conocida), luego con el valor del voltaje, se puede aplicar la ley de ohm a cada resistencia para conocer el valor de la corriente que circula por dicha resistencia.

c) En esta práctica, podemos observar que los filamentos incandescentes que se encuentran dentro del bombillo, son resistencias que disipan energía en forma de luz y calor, por eso se produce un ligero aumento de temperatura en su superficie, y emiten un brillo característico. En general las resistencias disipan en calor una cantidad de potencia que puede ser hallada mediante la relación:

P=VI

Donde el valor p corresponde a la potencia que una resistencia puede disipar en Vatios.

PREDICCIONES:

Circuito 1: Como se crea un camino alterno para la corriente, y hay un paso de corriente con resistencia mínima, se espera que el brillo del bombillo disminuya o se apague totalmente, causando que el cable

conectado entre los dos terminales del bombillo tenga un aumento en la temperatura.

Circuito 2: El bombillo B, puede disminuir su brillo, o quedar totalmente apagado, ya que se crea un camino alterno para la corriente pero, ya que la corriente continua circulando hacia el bombillo 2, se espera que este aumente su brillo, también es posible que el cable utilizado para hacer el corto, presente un aumento de temperatura.

Circuito 3: No funcionara ningún bombillo, ya que la corriente fluye hacia donde hay menor resistencia, y habrá un aumento de la temperatura en el cable conectado en los dos terminales del bombillo.

RESULTADOS:

Circuito II: La corriente circula desde el polo negativo de la batería hacia el bombillo b, pero como se generó un cortocircuito conectando un cable a los dos terminales del bombillo B, La mayor cantidad de corriente circula hacia el cable, que tiene una baja resistencia (2-3Ω), como este cable puso en cortocircuito el bombillo B, se disminuyó la resistencia del circuito, y además la corriente que pasa hacia C, es mayor, causando que emita una luz de mayor intensidad.

La corriente en el bombillo b es baja, ya que como se mencionó anteriormente, la corriente circula hacia donde haya menor resistencia, que en este caso es el cable.

En el punto 1 la corriente es mayor, esto se puede deducir mediante la ley de ohm:

I=V /R

Al ser la resistencia un valor muy pequeño en comparación a la diferencia de potencial V, la intensidad de Corriente I, es un valor muy grande, por lo que si hipotéticamente, la resistencia fuera cero, el límite cuando R Tiende a cero, de la expresión daría un valor de I, que tiende a infinito, sin embargo la corriente máxima estaría condicionada por la que puede proveer la batería.

El aumento de la corriente lleva consigo un aumento de temperatura, que se puede notar en el cable que está causando el cortocircuito.

Circuito III:

Ya que el bombillo D esta en paralelo con el bombillo E, y comparten un terminal, La corriente circularía, por el camino con menos resistencia, que sería el cortocircuito hecho en el bombillo E, por lo tanto, ningún bombillo emitiría luz, A través del bombillo D, circularía muy poca corriente, mientras que a través del bombillo E, no circularía corriente, que es el lugar donde se realizó el cortocircuito, el cable se calienta, producto de la mayor cantidad de corriente que está circulando por este camino.

Si se colocara un bombillo en 1, el circuito se comportaría como un circuito en serie, el bombillo ubicado en este punto emitiría luz, pero debido a la poca resistencia, agotaría rápido la batería.

Circuito I:

El cable presenta un aumento de temperatura, por el aumento de la intensidad de corriente, el bombillo no funciona ya que el cortocircuito creo un camino alterno, con baja resistencia, donde la intensidad de corriente aumenta de manera rápida, la corriente llega a ser tan elevada, que la batería se consume rápidamente.

Conclusiones:

Al momento de realizar predicciones sobre lo que ocurriría en cada cortocircuito realizado, se realizando un análisis lógico partiendo de la ley de ohm, con esto se logró realizar una predicción acertada, en cada circuito.

Los cortocircuitos son generados al haber conexiones entre dos terminales de distinta polaridad, donde la corriente pasa sin verse sometida a una resistencia. la poca resistencia que existe, genera un aumento de la corriente, que ocasiona un aumento de la temperatura, generalmente, y un acortamiento de la vida útil de la batería, además de los efectos mencionados anteriormente en el caso de circuitos en paralelo o en serie.

Bibliografía:

[1] Ortiz, Mariana; Electromagnetismo, Guías de laboratorio para estudiantes de ingeniería y ciencias; Editorial Universidad Nacional; Primera edición; 2003.

[2]Giancoli, Douglas; Física para ciencias e ingeniería, volumen 2; Editorial Pearson;2009.