Laboratorio 4. Circuitos Eléctricos con bombillas

Integrantes:

Juan David Baquero 02285993 Camilo Andrés Vargas Jiménez 02235029

Resumen

En la práctica de laboratorio realizado se buscó entender el funcionamiento de un circuito eléctrico desde un concepto básico, hasta el aspecto profundamente físico de este. Este laboratorio se realizó con ayude una batería eléctrica, y unos soportes simples con bombillos, dos terminales a cada lado y cableado.

Con el trabajo realizado en el laboratorio (propuesto e la guía), se crearon diversos tipos de conexiones entre los bombillos y la batería, de forma que se pudiera visualizar mejor cómo reacciona un circuito con sus bombillos en paralelo y/o en serie.

Introducción

La corriente es el flujo de carga por unidad de tiempo que recorre un material. Su relación matemática con la carga es:

I=dqdt

Un circuito eléctrico a nivel intuitivo, es una red por la cual fluye corriente eléctrica suministrada por una o más fuentes, el circuito contiene por lo menos una trayectoria cerrada, de lo contrario la corriente no fluiría y no existiría dicho circuito.

Como se mencionó en laboratorios anteriores, todos los materiales con conductores, pero unos más que otros. Existen materiales con tan poca capacidad de conducción que en realidad se consideran como aislantes, por otro lado, los materiales conductores permiten que la carga fluya atreves de ellos, oponiéndose poco al flujo. Es por esto que los elementos usados en los circuitos el cableado para conectarlos están hechos de metales, ya

que son os elementos conductores por naturaleza.

El principio de conservación de la carga establece que no hay destrucción ni creación neta de carga eléctrica, y afirma que en todo proceso electromagnético, en nuestro caso un circuito eléctrico simple, la carga total de un sistema aislado se conserva. Es decir que el número total de protones y electrones no se altera, sólo existe una separación de las cargas eléctricas. Por tanto, no hay destrucción ni creación de carga eléctrica, es decir, la carga total se conserva.

Para analizar teóricamente un circuito eléctrico existe una herramienta fundamental y de gran utilidad llamada la Ley de Ohm. La cual establece que entre la corriente eléctrica que fluye por un elemento de un circuito y su tensión entre sus terminales es lineal y proporcional a la resistencia del elemento, matemáticamente se expresa de la siguiente manera:

V=IR

Existen tres elementos básicos en un circuito eléctrico: condensadores, resistencias y baterías. Lo que diferencia a una batería de todos los demás elementos es que esta proporciona energía a circuito, sea en forma de tensión o en corriente, es decir, es un dispositivo activo. Una resistencia se opone al desplazamiento de los electrones de forma que la corriente entre sus terminales debe ser la misma pero la tensión disminuye, es un dispositivo pasivo. Y un condensador, también pasivo, tiene un funcionamiento peculiar, pues en primera instancia el condensador se carga de energía hasta cierto punto, y en un momento determinado, descarga toda la energía que había almacenado anteriormente.

Resistencia

Condensador

Batería

Resultados y Análisis:

Luego de finalizar la práctica del laboratorio con circuitos eléctricos se recopilaron los datos y se tomaron imágenes de los montajes obtenidos de cada problema propuesto. Dichas imágenes vendrán conforme se desarrolle este apartado del análisis.

Este laboratorio tuvo la principal particularidad de que la única variable física medible era la intensidad lumínica. Como no se contó con multímetros ni ningún otro instrumento de medida, este análisis se basará en los cálculos realizados derivados de los estudios teóricos para cada circuito montado y respaldado por nuestra única variable medible, ya mencionada.

La intensidad lumínica tiene una representación en el mundo de los circuitos y es la potencia eléctrica. Es por ello que se hará especial énfasis en detectar cual (y por qué) es la resistencia que disipa mayor cantidad de energía, mayor potencia eléctrica. De los circuitos propuestos en la guía de laboratorio tomaremos al circuito I como circuito de referencia y designando a los demás como variaciones de la intensidad lumínica del bombillo que se encuentra en un circuito trivial.

Fue posible evidenciar a lo largo de la práctica que la intensidad lumínica depende

en gran medida del valor de la tensión (o diferencia de potencial si se desea) existente en el bombillo. Para grandes circuitos en serie su intensidad lumínica se reducía conforme aumentaba el número de elementos presentes, pero se encontró la “peculiaridad” de que en un circuito cuyos componentes se encuentran en paralelo, la luz emitida por cada bombillo parecía uniforme e igual a la del circuito de

referencia, independiente del número de elementos.

Antes de continuar se consideró pertinente desglosar el concepto anteriormente expuesto, en las tres experiencias del laboratorio, con el fin de dar una mejor explicación de la relación intensidad lumínica de un elemento vs su configuración en el mismo, además de hablar del concepto de potencia eléctrica en cada montaje.

Primera experiencia. Circuitos simples

1. ¿Cómo se aplica la ley de conservación de la carga en un circuito?

Ley de Corrientes KCL

La suma de las corrientes que entran a cualquier nodo es cero.

Ley de la conservación de la carga.

Se marcan (se numeran) los nodos esenciales de un circuito y se elige uno como referencia 0

Se asignan intensidades a cada rama (El sentido se elige arbitrariamente)

En cada nodo se aplica KCL a todos los nodos excepto al de referencia (Suma corrientes que entran a ese nodo = Suma correinte que salen de ese nudo)

2. ¿Cómo se aplica la ley de conservación de la energía en un circuito?

Ley de Voltajes KVL

La suma algebraica de los voltajes en cualquier recorrido cerrado es cero

Ley de conservación de la energía

Se identifican las mallas de un circuito

Se asignan un recorrido a cada malla (El sentido se elige arbitrariamente)

Se aplica KVL a todas las mallas (los voltajes en cada elemento se consideran positivos si en el recorrido asignado se los recorre de + a -. En una resistencia por lo tanto es + si el recorrido lleva el mismo sentido que la intensidad)

La resolución del sistema de ecuaciones nos permite conocer todas las intensidades de rama.

Para determinar las tensiones en los nodos debe recorrerse el camino (el más corto) hasta la referencia.

V 1=I 1∗R1

V 2=I 5∗R5

V 3=−I 3∗R3+ I1∗R1

En general si una fuente está situada entre dos nodos esenciales, el sistema se reduce en una ecuación ya que una de las posibles incógnitas es un dato.

3. De acuerdo con la ley de ohm, si establece la misma diferencia de potencial a través de dos resistencias iguales ¿Cómo son las corrientes en las dos resistencias?

Deben de ser iguales.

4. De acuerdo con la ley de Ohm, si la misma corriente atraviesa resistencias iguales ¿Cómo son las diferencias de potencial a través de las resistencias?

Deben de ser iguales.

5. ¿Una pila suministra una diferencia de potencial constante o una corriente constante?

Una diferencia de potencial constante.

6. El “brillo” de un bombillo está asociado a la potencia (rapidez con que un elemento disipa energía). ¿A que es igual la potencia?

La potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales, es el producto de la diferencia de potencial entre dichos terminales y la intensidad de corriente que pasa a través del dispositivo.

P=V∗I

7. Suponga que en un circuito tiene varias resistencias idénticas conectadas de diferentes formas, ¿Cómo puede saber cuáles disipan más energía?

Mirando las resistencias que estén en paralelo. Esto porque son las que mayor corriente requieren, y como la ecuación anterior P=V*I, a mayor la

corriente mayor será la energía consumida.

Circuito I

GRAFICA 1

Observar el brillo del bombillo A.

Circuito II

GRAFICA 2

Comparar el brillo de los bombillos B y CBrillan con igual intensidad.

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?Es la misma.

¿Cómo puede probar que diferencias menores se deben a irregularidades de fabricación?

Construyendo el circuito 1 para cada uno de los bombillos.

¿Está la mayor parte de la corriente en el bombillo B?No, la corriente fluye en igual magnitud a través de los dos bombillos.

¿La corriente es igual en ambos bombillos?Si, lo es.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en los puntos 1, 2 y 3?Es la misma.

¿Cómo es el brillo del bombillo A comparado con el brillo de los bombillos B y C?Notablemente mayor.

¿La corriente en el punto 1 del circuito I es igual a la corriente en el punto 1 del circuito II?No lo es, la corriente en el punto 1 del circuito I es dos veces mayor a la del punto 1 del circuito II.

Circuito III

GRAFICA 3

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?

La cantidad de corriente que pasa a través de D y E son iguales si tomamos estos como resistencias de igual magnitud.

¿Qué sugieren sus observaciones acerca de cómo se divide y recombina la corriente que envía la batería en los puntos donde el circuito se divide en dos brazos?La corriente de la fuente se divide en dos corrientes más pequeñas que pasan a través de los bobillos D y E.

¿Cómo es la corriente en el punto 1, comparada con las corrientes en los puntos 2 y 3?Es dos veces mayor.

¿Cómo es el brillo del bombillo A respecto al brillo de los bombillos D y E? Es aparentemente igual.

¿La corriente en el punto 1 del circuito I es igual a la corriente en el punto 1 del circuito III?

No lo es, la corriente del punto 1 del circuito es 2 veces menor a la corriente del punto 1 del circuito III.

La corriente en el punto 1 de los tres circuitos ¿parece ser la misma, o depende del número de bombillos en el circuito y de cómo estén conectados?Depende del número de bombillos y de cómo estén conectados.

Segunda experiencia. Circuitos más complejos I

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

Es inversamente proporcional al valor de la resistencia.

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

Es directamente proporcional al valor de la resistencia.

Circuito IV

FOTO 1

GRAFICA 4

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?La corriente a través del bombillo D (bombillo C en la foto) es mayor que en la corriente que atraviesa los bombillos B y C (B y A en la foto).

¿Cómo puede probar que diferencias menores son debidas a irregularidades de fabricación?Construyendo el circuito 1 para cada uno de los bombillos.

¿Cómo son los brillos de los bombillos B y C comparados con el brillo del bombillo A?Son menos brillantes.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en el punto 2 del circuito IV y la corriente en el punto 1 del circuito I?La corriente en el punto 1 del circuito I es dos veces mayor a la del punto 2 en el circuito IV.

¿Cómo es el brillo del bombillo D comparado con el brillo del bombillo A?Es aparentemente igual.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en el punto 3 del circuito IV y la corriente en el punto 1 del circuito I?Es igual.

¿Qué sugieren sus observaciones acerca de cómo se divide y recombina la corriente que envía la batería en los puntos donde el circuito se divide en dos brazos?

If=I1+I2, en la magnitud de la corriente I1, es menor a I2, debido a que hay más resistencias (los bombillos) a través de donde lasa esta (I1), después de pasar por los bombillos vuelven y se juntan

¿Cómo es la corriente en el punto 1 del circuito IV, comparada con la corriente en el punto 1 del circuito I?La corriente en el punto 1 del circuito I es menor a la del punto 1 en el circuito IV.

Circuito V

FOTO 2

GRAFICA 5

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?La corriente a través de F y G es igual y cada una de ellas es dos veces menor a la corriente en E.

¿Cómo es el brillo del bombillo E comparado con el brillo del bombillo A?

Es aparentemente igual.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en el punto 1 del circuito V y la corriente en el punto 1 del circuito I?La corriente en el punto 1 del circuito V es 2 veces mayor que la corriente en el punto 1 del circuito I.

¿Cómo es el brillo del bombillo E comparado con el brillo del bombillo B?Es notablemente mayor.

¿Cómo es la corriente en el punto 2 del circuito IV, comparada con la corriente en el punto 2 del circuito V?La corriente en el punto 2 del circuito IV es dos veces menor que la corriente en el punto 2 del circuito V.

¿Qué sugieren sus observaciones acerca de cómo se divide y recombina la corriente que envía la batería en los puntos donde el circuito se divide en dos brazos?I1=I2+I3, La corriente de la fuente se divide hacia I1, I2 e I3, Los bombillos en F y G están en paralelo pero ambos actúan equivalentemente en serie con E, por ende la corriente en I1 es mayor que I2 e I3.

¿Cómo es la corriente en el punto 2, comparada con las corrientes en los puntos 3 y 4?Es mayor.

Circuito VI

FOTO 3

GRAFICA 6

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?Es igual.

¿Cómo es el brillo del bombillo H comparado con el brillo del bombillo A?

Mucho menor.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en el punto 1 del circuito VI y la corriente en el punto 1 del circuito I?La corriente en el punto 1 del circuito VI es tres veces menor que la corriente en el punto 1 del circuito I.

Circuito VII

FOTO 4

GRAFICA 7

¿Qué puede concluir acerca de la cantidad de corriente a través de cada bombillo?

La cantidad de corriente es la misma.

¿Cómo es el brillo del bombillo L comparado con el brillo del bombillo A?Es aparentemente igual.

¿Qué puede inferir acerca de la corriente en el punto 1 del circuito VII y la corriente en el punto 1 del circuito I?

La corriente en el punto 1 del circuito VII es 3 veces mayor que la corriente en el punto 1 del circuito I.

Tercera Experiencia. Circuitos Más Complejos II

Para el tercer apartado del laboratorio se obtuvo el siguiente esquema, donde se trazan las trayectorias de las corrientes y los puntos donde se divide la misma.

GRAFICA 8

Del circuito anterior se pueden extraer ciertas características, como lo son:

Dos nodos (puntos en los que se divide la corriente), designados como a y b en color azul.

En cada nodo se divide la corriente en dos, y como los bombillos son teóricamente iguales, entonces poseerán la misma resistencia interna, se puede afirmar que:

I 1=I 2

Y por tanto la corriente será la misma en el bombillo A y B. Cabe notar entonces que estos elementos se encuentran conectados en paralelo para que se cumpla la condición anterior

Como los bombillos C y D se encuentran en serie, la corriente que pasa por estos será la misma e igual a I 3.

Por la ley de la conservación de la carga, en el nodo B se tiene que por el bombillo E circulará mayor corriente que en C y D, ya que en el lado derecho (ver figura) existirá una menos oposición al paso de la corriente, por ende, circulará más. Se afirma que:

I 3< I 4

Con respecto a la diferencia de potencial se tendrá que en elementos conectados en paralelo la tensión en estos será la misma, comprobado por la teoría, las otras dos experiencias y lo escrito al comienzo de este análisis. Ya que al tener el mismo valor de resistencia, la caída de potencial será la misma. Por ende:

V A=V B

En los elementos C y D, al tener la misma resistencia y la misma corriente que circula a través de ellos, la diferencia de potencial será la misma. Además, como están en paralelo con el bombillo E, la suma de la diferencia de potencial de C y D debe ser la misma tensión que en E (explicado en la viñeta anterior). Es por eso que:

V c=V D V c+V D=V E

Del montaje hecho en clase se obtiene:

FOTO 5: Montaje en laboratorio de la tercera experiencia. Donde, de derecha a izquierda se tienen:

Bombillo A, B, C, D y E.

Se puede ver claramente cuál es el bombillo que presenta mayor intensidad lumínica y por tanto consume mayor cantidad de energía (presenta mayor potencia eléctrica). Para terminar de demostrar que la intensidad lumínica está directamente relacionada con la potencia eléctrica, se modeló el problema y se resolvió por métodos aprendidos en circuitos eléctricos. A cada resistencia se le asignó arbitrariamente el valor de 2Ω y a la fuente de 10V. Resolviendo, se obtuvo:

Bombillo

Dif. De Potencial

[V]

Corriente [A]

Ley de

Joule

Potencia

Eléctrica

[W]A 4,286V 2,14A P=V

*I9,17W

B 4,286V 2,14A 9,17WC 2,860V 1,43A 4,10WD 2,860V 1,43A 4,10WE 5,712V 2,86A 16,33

WEstos resultados solo son arbitrarios y ayudan a entender el concepto de potencia eléctrica.

Como característica adicional, comparando corrientes con la de la fuente, se tiene que:

I A=I f

2 I B=

I f

2I C=

I f

3I D=

I f

3I E=

2 I f

3

Es por ello que como por la resistencia E circula mayor tensión, iluminará más y como también pasa una mayor corriente, entonces su gasto de energía (potencia) será mayor.

ERRORES:

En la práctica realizada se tomaron como elementos de circuito una batería, varias luces y elementos conductores. Al tener tantos implementos de uso físico, estos pueden presentar varias anomalías y fallas, todos por mal funcionamiento, deterioro o un mal empleo de los mismos. A continuación se consideraran los posibles casos e implicaciones: En el caso de la batería, se pude considerar una falta de carga o un deterioro químico una influencia importante, sin embargo al ser una medición de tipo cualitativa como lo es la intensidad de la luz, el deterioro de la tensión de la batería no debe ser de gran influencia. En cuanto a las luces se pueden tener en cuenta los aspectos de intensidad lumínica, un mal contacto puede dar como resultado directo una intensidad variable o nula, ofreciendo así una mala impresión respecto a su desempeño en el circuito. Los conductores, parte importante en el proceso de la práctica, no presentaron tantos posibles inconvenientes, ya que cualquier duda sobre su funcionamiento se veía reflejada inmediatamente y con un fenómeno de gran magnitud, como una chispa o la ausencia de luz, en cuyo caso solo fue necesario remplazar el cable conductor.

Es necesario comprender que no solo fueron posibles errores en los implementos usados, también figuran posibles errores respecto al factor humano, desde una incapacidad a identificar la forma correcta de implementar el circuito teorizado en la realidad física, hasta un error de visualización en los elementos cualitativos de la intensidad lumínica.

CONCLUSIONES:

Un conocimiento fundamental para entender la fenomenología de los circuitos es la ley de ohm para elementos pasivos, se debe tener claro que sin tensión o diferencia de potencial no existe corriente o flujo de carga, si existe un flujo de carga necesariamente debe haber una tensión y que la potencia es aprovechable y utilizable solo si hay una resistencia que controle los efectos del flujo de carga.

En la teoría de circuitos básica se conoce que existe una relación lineal entre la tensión, la corriente, y la resistencia en los elementos pasivos es decir aquellos que consumen energía por medio de calor o luz, en nuestro caso los bombillos actúan como resistores lumínicos. La única relación la cual no es de tipo lineal es la potencia, por lo cual sus elementos y magnitudes deben estudiarse de una forma alterna, sin embargo debido a la práctica se crearon las condiciones ideales para identificar un comportamiento generalizado dependiendo del tipo de circuito. En los circuitos en serie se nota una significativa disminución en la intensidad lumínica, debido a que la potencia entregada es mínima, hecho fundamentado en la teoría de división de tensión sobre circuitos en serie. En los circuitos en paralelo se mantiene una potencia máxima la cual es siempre entregada siempre y cuando en ninguna parte del sistema se divida la tensión, hecho comprobado por la teoría de división de corriente en circuitos en paralelo. Es importante aclarar que estos son casos ideales y unificados, no todos los circuitos son en serie o en paralelo, hay combinaciones de ambas, sin embargo dichos fenómenos se cumplen a pequeña escala y por lo tanto un circuito complejo se puede dividir en otros sistemas menores que cumplan dichas teorías.

REFERENCIAS:

1. SERWAY Raymond, JEWETT John. Física para científicos e ingenieros tomo II. Séptima edición. 2009.