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GUIAS ÚNICAS DE LABORATORIO DE FÍSICA II
LEY DE OHM
SANTIAGO DE CALI
UNIVERSIDAD SANTIAGO DE CALI
DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS
DDEEPPAARRTTAAM
MEENNTTOO DDEE LLAABBOORRAATTOORRIIOOSS
GGUUIIAASS DDEE FFIISSIICCAA III
LA LEY DE OHM
Objetivos
-
Conocer la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchoff.
Estudiar las características de las resistencias, que sigue la ley de Ohm.
Analizar circuitos eléctricos en un nivel introductorio.
Familiarizarse con el manejo de un multímetro digital y de una fuente de voltaje.
Introducción
Conductores y ley de Ohm:
Se inicia el estudio de dispositivos eléctricos considerando el efecto de campos
eléctricos en conductores.
Un metal u otro material conductor eléctrico contiene electrones libres, es decir, no
enlazados a ningún átomo en particular. Si se aplica un voltaje (una diferencia de
potencial) entre los dos extremos de un trozo de metal, los electrones libres se moverán
bajo la influencia del campo eléctrico. El flujo de electrones es obstaculizado por
colisiones entre los electrones en movimiento y los átomos del material. Estas colisiones
producen calor (efecto de Joule), o sea, la energía eléctrica se disipa en energía
térmica. La oposición a la movilidad de los electrones o resistencia , es la constante de
proporcionalidad entre el voltaje y la corriente.
Cuando la magnitud de esta corriente de electrones, aumenta linealmente al
incrementar el voltaje, se dice que el material sigue la ley de Ohm.
Entonces, matemáticamente la ley de Ohm se escribe:
donde V es el voltaje aplicado a través del material (que se mide en volts (V)), I es la
magnitud de la corriente eléctrica (que se mide en amperes (A)), y R es la resistencia
eléctrica (que se mide en ohms )).
Asociación de componentes
Cuando tenemos dos o más elementos formando un circuito, podemos conectarlos de dos
maneras: en serie y en paralelo.
Conexión en serie quiere decir que entre cada par de elementos existe un sólo punto
común, y sin conexión al resto. Un ejemplo de esta conexión, está dado en la figura 1
con dos resistencias.
Una conexión en paralelo quiere decir que a ambos lados de cada elemento, existe un
punto común, a todo el resto. En la figura 2, se muestra una conexión en paralelo de dos
resistencias.
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Las leyes de Kirchoff
Estas leyes tratan sobre el comportamiento de circuitos eléctricos con asociaciones de
componentes. La base para una deducción rigurosa de estas leyes, está en la
conservación de la carga eléctrica y la energía.
La primera ley, se conoce también como la ley de las corrientes. Ésta dice que la suma
de intensidades de corriente que llegan a un punto común es igual a la suma de
intensidades que salen de él. Si consideramos positivas las corrientes que llegan y
negativas las que salen, esta ley establece que la suma algebraica de las intensidades de
todas las corrientes sobre un punto común es cero. Por ejemplo, en la figura 3, sobre el
punto común A, se tiene:
La segunda ley, se conoce también como la ley de los voltajes. Ésta dice que en un
circuito cerrado, la suma algebraica de las fuerzas electromotrices aplicadas, o subidas
de tensión, es igual a la suma algebraica de las caídas de tensión en todos los elementos
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pasivos. Por ejemplo, en la figura 4, V3 es generado por una fuente de voltaje, V1 y V2
son las caídas de voltaje de las resistencias ( elementos pasivos ), entonces:
obteniendo así:
Aplicaciones de las leyes de Kirchoff y de Ohm
1.-Mediciones de corriente:
El aparato que mide corriente se llama amperímetro. Para medir la corriente que pasa
por alguna componente, basta conectar en serie el amperímetro con la componente. Un
amperímetro ideal, tiene resistencia cero para no afectar el circuito.
2.-Mediciones de voltaje:
El aparato que mide voltaje se llama voltímetro. Para medir la caída de voltaje que
produce alguna componente, basta conectar en paralelo el voltímetro a la componente.
Un voltímetro ideal, tiene resistencia infinita para no afectar al circuito.
3.-Resistencias equivalentes:
Llamamos resistencia equivalente a una resistencia imaginaria, que puede reemplazar a
una serie de otras interconectadas.
Por ejemplo, al conectar en serie "n" resistencias R1,R2,...Rn, su resistencia equivalente
vale:
Si en vez de conectarlas en serie, lo hacemos en paralelo, entonces, obtenemos:
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Parte Experimental
PARTE A : Mediciones eléctricas con el multímetro
Familiarización con el multímetro en mediciones simples.
MONTAJE A1: Medición de resistencia.
Instale la resistencia de 1000 nominal entre dos terminales del tablero.
MEDIDA A1
Mida su valor real con el siguiente procedimiento:
1) Conecte un cable de prueba al terminal COM . Conecte el otro cable al terminal
.
2) Ponga el selector rotatorio en la posición
.
3) Ahora, conecte el otro extremo de los cables de prueba a la resistencia.
4) Después de leer el valor de la resistencia, desconecte el multímetro de la resistencia.
ANÁLISIS A1
Compare y estime error del valor nominal.
MONTAJE A2: Medición de voltaje.
Asegúrese que el multímetro está desconectado del circuito. Conecte la fuente de
voltaje a la resistencia mediante dos cables con enchufe banana. Utilice la salida
variable de 0 a 15V de la fuente. ¡No encienda la fuente todavía!. La fuente de voltaje
tiene dos perillas de ajuste: una para determinar el voltaje de salida y la otra para fijar
la corriente máxima. Comience con el control de voltaje en cero y con el control de
corriente al máximo. La fuente entrega la cantidad de corriente eléctrica requerida por
el circuito y no el máximo. Encienda la fuente. Ajuste el control de voltaje de manera
que el voltímetro que tiene la fuente marque unos 2 V. (El medidor de corriente de la
fuente debería marcar alrededor de I = V/R = 0.002A =2 mA, lo cual no se podrá apreciar
ya que la escala de la fuente no es tan fina ni precisa como la del multímetro, la
mediremos después).
MEDIDA A2
Mida el voltaje a través de la resistencia con el procedimiento siguiente:
1) Conecte un cable de prueba al terminal COM . Conecte otro cable al terminal
.
2) Ponga el conmutador selector en
.
3) Ahora, conecte los cables de prueba al resistencia.
4) Lea el voltaje.
5) Desconecte el multímetro del circuito.
Repita el procedimiento y ajuste el voltaje a otro valor, digamos 2, 4, 6, 8, 10 y 12 volts
ANÁLISIS A2
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Compare lo que mide el multímetro con lo indicado por el medidor de voltaje de la
fuente. Como antes, note que la corriente leída por el amperímetro de la fuente es muy
pequeña.
MONTAJE A3: Medición de corriente.
Apague la fuente. Para medir la corriente por la resistencia, hay que interrumpir el
circuito e insertar ahí el amperímetro.
MEDIDA A3
Desconecte uno de los cables que va de la fuente a la resistencia. Siga el siguiente
procedimiento:
1) Cuando no se conocen ni siquiera aproximadamente los valores a medir, se comienza
con el rango más alto (10 A). En nuestro caso sabemos que la corriente es de al menos 2
mA y no mayor a unos 12 mA. NUNCA SOBREPASE los valores nominales de cada rango
de corriente. En este caso entonces, podemos usar la escala de 200 mA, del
instrumento.
2) Conecte un cable de prueba al terminal COM . Conecte otro cable al terminal mA
(notese que en el caso de un corriente de más de 200 mA, se debe usar el terminal "A").
Si la corriente fuese inferior a 2mA, se podría usar la escala de 2mA. Entonces,
3) Ponga el selector de funciones en el rango apropiado: 200 mA.
4) Conecte los cables de prueba en serie con la resistencia.
5) Encienda la fuente y lea la corriente por el multímetro. Vea también el medidor de
corriente de la fuente.
6) Una vez hecha las mediciones, apague la fuente.
ANÁLISIS A3
Compare lo que mide el multímetro con lo indicado por el medidor de corriente de la
fuente. ¿cómo es la precisión?. Anote sus resultados en una tabla adecuada.
MONTAJE A4: Medición de continuidad eléctrica.
Desconecte el multímetro.
MEDIDA A4
1)Conecte los cables a los terminales COM y V .
2)Ponga el selector de funciones en
3)Junte las dos puntas de los cables para comprobar el funcionamiento. Debería
escuchar un sonido.
ANÁLISIS A4
Compruebe si hay continuidad eléctrica en distintos materiales (mesa, carcaza fuente de
voltaje, metales, lápices, papel ,etc.).¿Por qué la carcaza de la fuente de voltaje, al
parecer metálica, no presenta continuidad?. Recuerde que con el sonido está midiendo,
si hay menos de 50 de resistencia. ¿qué ocurre si chequeo los extremos de un cable
que en su interior estuviera cortado?.
PARTE B : Medida de la característica voltaje-corriente de una resistencia.
Las resistencias que se emplean en circuitos eléctricos se fabrican en valores que cubren
un amplio rango. Para caracterizarlas, además de ohm se usan las unidades k (kilo
ohm, 103 ) y M ( mega ohm, 106 ). Bandas de color en la superficie indican el valor
de la resistencia, según un código. En esta parte se usa resistencias de 1k y 2,2 k .
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Para la primera, el código es café-negro-rojo. La cuarta franja indica la tolerancia, el
dorado indica un 10%.
Necesitará papel milimetrado o una hoja de papel cuadriculado y una regla. Es
rcomndable elaborar el gráfico mientras se toman los datos. Los gráficos siempre llevan
un título descriptivo, los ejes coordenados deben ir rotulados con un nombre y las
unidades correspondientes y si se grafican resultados distintos es bueno usar colores y
símbolos distintivos. En este caso el tratamiento de errores no es prioritario, pero se
espera que como mínimo se han de indicar errores porcentuales y comparaciones en
términos de los errores de los instrumentos.
MONTAJE B.- Monte el circuito de la figura 5, con un multímetro midiendo la corriente y
el otro, la caída de voltaje. Verifique que todo está bien conectado y proceda. Regule
las perillas de la fuente de poder de manera que queden ambas en cero. Encienda la
fuente de poder y verifique que la corriente es cero o casi cero.
Ajuste la fuente de voltaje para entregar 6 valores
diferentes de voltaje, por ejemplo: 2, 4, 6, 8, 10 y 12V. Anote la corriente para cada
valor del voltaje.
ANÁLISIS B
Si la Ley de Ohm es aplicable al material, la razón de voltaje a la corriente (la
resistencia) debería ser constante. Calcule esta razón para cada una de sus medidas.
Además, grafique V versus I en papel milimetrado (Nota: A pesar de ser V la variable
independiente, para tener una más rápida comprensión del gráfico,
hemos invertido la convención). Dibuje una línea recta por los puntos de los datos.
Compare la pendiente de la recta con la resistencia medida con el multímetro en parte
A1. Concluya ¿la resistencia sigue la ley de ohm?.
Si suponemos que la resistencia de 2,2 k es de igual material que la de 1k , sobre el
mismo gráfico anterior bosqueje estimatívamente la línea que representa su
comportamiento.
PARTE C : Asociación de resistencias.
En esta parte estudiaremos resistencias en serie y en paralelo.
MONTAJE C1
Previamente mida los valores reales de las resistencias de 1 k
las resistencias en serie.
y 2.2 k . Luego monte
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MEDIDA C1
Mida la resistencia de la combinación.
ANÁLISIS C1
¿Está de acuerdo el resultado con lo que Ud. espera?
MONTAJE C2
Desconecte el multímetro del circuito. Conecte la fuente de voltaje a la combinación de
las dos resistencias en serie y ajuste el voltaje a un valor de 10 V.
MEDIDA C2
Ajuste el multímetro para medir voltaje y mida el voltaje sobre cada una de las
resistencias.
ANÁLISIS C2
¿Cuál es la magnitud relativa de los voltajes en relación con los valores de las
resistencias?. Como debería ser esa relación, por ejemplo el voltaje sobre R2 en función
del voltaje total aplicado, en virtud de las leyes de Kirchoff?. Un par de resistencias en
serie forma un divisor de voltaje . Ud. verá otros ejemplos de divisores de voltaje en
los siguientes experimentos.
MONTAJE C3
Desconecte el multímetro, y conéctelo de manera de medir corriente
MEDIDA C3
Mida la corriente que fluye antes de las resistencias, entre ellas, y después de ellas.
ANÁLISIS C3
¿La corriente depende del lugar en el circuito en el que se mide?. Esto se debe a la ley
de Kirchoff o de Ohm.
MONTAJE C4.
Apague la fuente y desconéctela del circuito. Conecte las dos resistencias en paralelo.
MEDIDA C4
Mida la resistencia de la combinación.
ANÁLISIS C4
Note la diferencia entre esta medida y los valores de las resistencias solas. Concluya qué
ocurre cuando mide la resistencia de alguna componente sin aislarla del circuito.
MONTAJE C5
Desconecte el multímetro. Conecte la fuente al circuito. Mueva las perillas para que
queden en cero. Encienda la fuente.
MEDIDA C5
Manteniendo la fuente de voltaje en 10V, mida las diferencias de potencial sobre cada
resistencia. Luego desconecte el circuito y conecte los multímetros de manera de medir
la corriente (sea cuidadoso, si conecta mal, puede dañar gravemente los multímetros.)
por cada resistencia, y la corriente total del circuito completo.
ANÁLISIS C5
Como en C2 pero esta vez para las corrientes, cual es la magnitud relativa de las
corrientes en relación a los valores de las resistencias?. ¿Esto se debe a la ley de Kirchoff
o de Ohm?. Concluya en términos tales como la corriente más grande (valor en mA)
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fluye a través de la resistencia más .... , etc. Esta configuración se denomina
de corriente .
divisor
MONTAJE C6
Realice el montaje de la figura 6, con R1=1 k , R2 = 2,2 k . Y R3=2,7 k (Recuerde que
estos son los valores nominales.
Mida los reales de manera previa).
MEDIDA C6
Regule la fuente de poder para que entregue un voltaje de 10 volt al circuito.
Mida la caída de voltaje sobre cada una de las resistencias (sea cuidadoso para no dañar
los multímetros).
ANÂLISIS C6
¿Cuáles resistencias están en paralelo y cuáles están en serie?
Con la ley de Ohm, calcule la corriente circulando sobre cada resistencia. Completando
la tabla 1.
Tabla I: Experimento 1
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EL MULTÍMETRO
El multímetro es un instrumento compacto que nos permite medir voltaje, corriente,
resistencia, capacidad, test de continuidad, etc. Esencialmente está compuesto de
cuatro partes. La primera es una pantalla digital (1), que entrega el valor que estamos
midiendo, la unidad, y algunas opciones de la medida. La segunda, cuatro botones (710), que nos dan algunas opciones para cada tipo de medida.
La tercera, un conmutador rotatorio o perilla (2), que al girarlo se elige lo que se quiere
medir. Y la cuarta, cuatro orificios o terminales, dos de los cuales deben ser ocupados
para conectar los cables, que van al elemento que se desea medir.
Para comenzar a usarlo debemos tener las siguientes precauciones previas:
1.-Luego de prender el aparato, esperar 10 segundos antes de realizar cualquier
medida.
2.-El conmutador se debe poner en la función antes de conectar los cables.
3.-Desconectar los cables de prueba del componente que se está midiendo antes de
cambiar el conmutador.
Ahora explicaremos de manera rápida, como se ocupa el multímetro para las funciones
básicas.
1.-RESISTENCIA: Aisle la resistencia del circuito. Nunca medir una resistencia
conectada a un voltaje. Conecte los cables a los terminales "COM" (3) y "V " (4). Ponga
el conmutador (2) en " " o en "M ", dependiendo de la resistencia que quiero medir.
Conectar los cables a la resistencia.
2.-CORRIENTE: Conecte un cable en el terminal "COM" (3), y el otro en "10A" (hasta 10A)
o en "mA" (hasta 200mA), dependiendo del rango en el que queremos medir. Si no está
seguro, parta con "10A". Nunca exceda los rangos de corriente. Ponga el conmutador
(2) en "10A", "200mA" o "2mA", dependiendo el rango y la precisión que se quiera. Con el
botón "AC/DC" (7) seleccione corriente continua (DC) o alterna (AC). Para AC, aparece
sobre la pantalla el símbolo "AC". Conéctese con los cables con el multímetro en serie
con la componente por la cual va a medir la corriente. Nunca aplique voltaje entre los
terminales "COM" y "10A" o "mA".
3.-VOLTAJE: Conecte los cables en "COM" y "V ". Ponga el conmutador (2) en "V". Con el
botón "AC/DC" (7) seleccione voltaje continuo (DC) o alterno (AC). Para AC, aparece
sobre la pantalla el símbolo "AC".
Conecte los cables con el multímetro en paralelo con la componente en que vamos a
medir la caída de voltaje.
Nunca sobrepase los 600 V, AC o DC, entre los terminales, o un terminal y tierra.
4.-Test de continuidad: Conecte los cables en los terminales "COM" y "VW". Ponga el
"
conmutador en "
Conecte los cables al circuito. El multímetro emitirá un sonido si la resistncia es inferior
a 50 .
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