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Una introducción a las magnitudes eléctricas, con énfasis en la corriente eléctrica y su intensidad. Se explica cómo la corriente transporta energía eléctrica y cómo se mide la intensidad de corriente en amperios. Además, se discuten los efectos de la corriente en los diferentes elementos de un circuito eléctrico y cómo se relacionan la intensidad de corriente y la resistencia mediante la Ley de Ohm.
Tipo: Apuntes
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Escuela Politécnica Superior Departamento de Física Aplicada Universidad de Córdoba
1ª PARTE: INTRODUCCIÓN AL LABORATORIO ELÉCTRICO
La corriente eléctrica consiste en el movimiento ordenado de partículas cargadas eléctricamente en el interior de un medio conductor. La corriente eléctrica también transporta energía eléctrica que puede transformarse en otros tipos de energía (calorífica, mecánica, luminosa, química, magnética, etc.). En los conductores metálicos los portadores de carga son los electrones libres del interior del metal y en los fluidos ionizados los portadores de carga son iones positivos o negativos. Cuando las partículas portadoras de carga son de un mismo signo y se mueven siempre en el mismo sentido se llama corriente continua, pero cuando cambian periódicamente el sentido de circulación entonces se denomina corriente alterna.
CIRCUITO ELÉCTRICO Un circuito eléctrico es un sistema físico por el que la corriente circula por diversos elementos conectados en diferentes ramas, que forman un conjunto de mallas. El punto de conexión de varias ramas se denomina nudo. Para que la corriente circule de forma permanente por una rama esta debe pertenecer a una malla o bucle cerrado. En un circuito podemos encontrar varios tipos de elementos que desempeñan distintas funciones: 1º) los elementos que proporcionan la energía ( generadores ) para que las cargas puedan moverse en el interior del circuito; 2º) los elementos que reciben la energía eléctrica de la corriente ( receptores ) y la transforman en otro tipo de energía tales como bombillas, calefactores, motores, etc.; 3º) hilos metálicos ( conductores ) que conectan los restantes elementos del circuito, de forma que esté cerrado, aunque en su interior pueda haber varios bucles; 4º) interruptores que sólo permiten el paso de la corriente cuando están cerrados. Los circuitos eléctricos se representan gráficamente mediante esquemas simbólicos, de tal modo que los diversos elementos son representados mediante diferentes símbolos. En un circuito eléctrico de corriente continua el sentido convencional del movimiento de carga eléctrica positiva es el que sale del polo positivo de los generadores y entra por el polo negativo (aunque en realidad los electrones circulan en sentido contrario).
= ⇒ W = Vq q
V ·. Además la intensidad de corriente I que sale del generador es igual a la
cantidad de carga ( q ), por unidad de tiempo ( t ), que atraviesa la sección del conductor
(^) = ⇒ q = It t
I q ·. Por tanto, el trabajo realizado por la corriente o la energía eléctrica utilizada en
un elemento sometido a un voltaje V viene dado por: W = V · I · t.
La energía eléctrica utilizada o transformada en un elemento depende del voltaje aplicado, la intensidad de corriente que circula y el tiempo durante el que pasa la corriente.
Una magnitud adecuada para evaluar los efectos de la corriente, o las transformaciones energéticas que se producen en los circuitos eléctricos, es la potencia eléctrica ( P ) que se define
como el trabajo ( W )realizado o la energía transformada por unidad de tiempo ( t )en un elemento de
un circuito:
V I t
La unidad de potencia en el sistema internacional es el vatio (w), que equivale a un julio por segundo. En la práctica se utiliza mucho el kilovatio (kw = 1000 w). Pero esta unidad no se debe confundir con el kilowatio-hora (3.600.000 jul.) que es una unidad de trabajo o de energía. Así pues la potencia eléctrica utilizada en un circuito simple mide la energía suministrada por la pila en cada segundo, o también puede considerarse como la energía transformada (en luz, calor, etc.) por el circuito, en la unidad de tiempo. Esta magnitud, aunque no se mide directamente, es muy útil porque puede determinarse fácilmente haciendo medidas de voltaje y de intensidad en los diferentes elementos del circuito sin depender del tiempo que transcurre ni del instante en que se mide.
A continuación se describen brevemente algunos elementos que se utilizarán en las prácticas de laboratorio de electricidad.
GENERADORES Los generadores o fuentes de alimentación son elementos activos que proporcionan energía eléctrica al circuito. Existen dos tipos de fuentes: ideales y reales. Las ideales se caracterizan porque no poseen efectos resistivos, capacitivos e inductivos, traduciéndose esto en que la tensión de salida permanece constante e independiente del circuito externo; los actuales generadores, por medio de sistemas de ajuste interno, son fuentes ideales. Las fuentes reales son aquellas que tienen resistencia interna y por tanto, se produce una caída de tensión en ésta al conectarla a un circuito externo; por ejemplo, en una pila de mercurio
considerada como fuente real, la tensión de salida de la pila menor que la fuerza electromotriz teórica que posee. Los generadores pueden proporcionar corriente continua o alterna. Dentro de estos últimos podemos distinguir entre generadores de corriente alterna , que nos proporciona una salida de tensión variable en alterna y actúa igual que el de corriente continua, y generadores de frecuencia que producen una salida en onda (sinusoidal, cuadrada o en dientes de sierra), siendo la frecuencia de dicha onda la variable elegida.
Una resistencia es un conductor metálico que disipa energía eléctrica debido a la oposición que presenta al paso de la corriente. Dicha disipación aparece como energía calorífica y no puede ser devuelta al circuito. La ley de Ohm es la ecuación que gobierna la relación entre intensidad de corriente, que fluye por la rama en la que se encuentra la resistencia, y la caída de tensión producida en este elemento: V = I · R La Ley de Joule , nos da la potencia disipada en la resistencia: P = V · I = I^2 · R Las resistencias se utilizan en los circuitos con unos fines específicos:
OTROS ELEMENTOS DEL CIRCUITO: CONDENSADORES Y BOBINAS Tales elementos se utilizan fundamentalmente en circuitos de corriente alterna o en circuitos de continua en régimen transitorio y se estudiarán posteriormente.
El polímetro es un instrumento que permite medir diferentes magnitudes eléctricas: intensidad de corriente y voltaje, tanto en corriente continua (c.c.) como en corriente alterna (c.a.), resistencia eléctrica, capacidad, ganancia, etc. Mediante un conmutador multiselección o a través de un conjunto de bornes de entrada, se selecciona la magnitud deseada y la escala adecuada a la medida. Unos cables provistos de bornes o pinzas de conexión enlazan eléctricamente el medidor con el elemento del circuito. Existen dos tipos de polímetros, digitales y analógicos. Actualmente sólo usamos polímetros digitales (en la mayoría de los laboratorios).
MEDICIÓN DE RESISTENCIAS La resistencia eléctrica de un conductor se mide en ohmios y se puede determinar de forma indirecta a partir de la ley de Ohm (a partir del cociente entre el voltaje aplicado y la intensidad de corriente que circula: R = V/I). También se puede medir directamente mediante un instrumento denominado óhmetro. Los polímetros incorporan esta opción de medida en diversas escalas. Para medir la resistencia de un elemento se colocan los bornes del óhmetro en los extremos del resistor (en paralelo), seleccionando previamente la función y la escala adecuada del aparato. La medición se hace en circuito abierto, cuando la resistencia no está conectada al generador y no fluye corriente eléctrica por el elemento, ya que el óhmetro posee una pila interna que proporciona energía para realizar la medida.
La diferencia de potencial VAB entre dos puntos de un circuito se mide (en voltios) con un polímetro en la función de voltímetro, cuyos bornes se colocan en paralelo con el elemento cuyo voltaje o tensión se desea medir. La diferencia de potencial es siempre relativa entre el potencial menor (referencia) y el mayor. Al medir la diferencia de potencial entre dos puntos, en un circuito de corriente continua, hay que tener cuidado de colocar los polos (+) y (-) del voltímetro en los puntos de mayor y menor potencial respectivamente, para evitar medir voltajes negativos. En corriente alterna (c.a.) las cargas circulan en un sentido durante un semiperíodo y en sentido contrario durante el siguiente, de modo que al medir voltajes con el polímetro no es necesario tener en cuenta la polaridad. En corriente alterna el voltímetro mide el llamado “ valor eficaz ” del voltaje en los extremos del elemento, que es algo menor que el valor máximo de la señal de tensión.
La intensidad de corriente eléctrica se mide (en amperios) con un polímetro en función de amperímetro (A), que puede ser digital o analógico. Un amperímetro se conecta siempre en serie; es decir, la corriente que circula por el elemento del circuito en cuya rama medimos la intensidad ha de atravesar el amperímetro o medidor. En consecuencia, es necesario romper o abrir el circuito y empalmar la rotura con nuestro amperímetro. Cuando se mide con el amperímetro la intensidad de la corriente continua hay que tener cuidado con la escala de medida. Siempre hay que usar la escala cuyo valor máximo es superior a la intensidad que se va a medir. Si se desconoce el valor, se debe elegir el más alto y, posteriormente, si la medida realizada es inferior a la mitad de la escala, cambiar el conmutador a la escala inmediatamente inferior. También hay que tener la precaución de colocar los polos (+) y (-) amperímetro en el sentido adecuado, para evitar que pueda dañarse. Ello es debido a que los portadores de carga circulan siempre en el mismo sentido, es decir del polo positivo al negativo (según el criterio convencional de circulación). Si las magnitudes a medir son de corriente alterna, en general, el amperímetro marcará el llamado "valor eficaz".
1 2 3
R (^) t
t t
A continuación se van a realizar una serie de tareas prácticas estructuradas en varias secuencias de actividades. Después de realizar cada tarea conviene desconectar la fuente de alimentación. En primer lugar se va a analizar experimentalmente la ley de Ohm y las magnitudes eléctricas que intervienen en la citada ley (voltaje, intensidad de corriente y resistencia), aprendiendo a manejar los instrumentos que permiten medir tales magnitudes.
2.1. MEDICIÓN DE RESISTENCIAS CON EL ÓHMETRO
- Situar las resistencias de 100 y 220 ohmios en el panel de montajes sin conectarlas al generador. Utilizar un polímetro digital como óhmetro en la escala adecuada y medir el valor experimental de tales resistencias en las siguientes situaciones:
RS
RP
- Anotar en la tabla los valores teóricos y los valores medidos de forma experimental, junto con el error absoluto (Ea = Valor medido – Valor real o valor teórico), para cada caso.
Tabla 2.1.VALORES DE RESISTENCIA R 1 R 2 RS RP Valor real o teórico Valor experimental
Medida Ea (Ri)
_- Situar la resistencia de 220 ohmios en el panel de montajes y conectarla a la fuente de alimentación de corriente continua en la salida de tensión más baja. Colocar dos polímetros, V 1 y V 2 , en situación de voltímetros de corriente continua (en una escala de 10 a 25 voltios) y medir simultáneamente la tensión o voltaje que proporciona la fuente (con el voltímetro V 1 ) y el voltaje o diferencia de potencial que existe en los extremos de la resistencia (con el voltímetro V 2 ).
Tabla 2.2.MEDIDAS DE VOLTAJE V 0 (Valor real) V 1 Medida Ea(V 1 ) V 2 Medida Ea(V 2 )
_- Mantener el mismo montaje de la actividad anterior, conectando la Resistencia de 220 ohmios (valor real) al generador ideal de tensión en la salida más baja y conectar un voltímetro (V) en paralelo con la resistencia para medir su voltaje VR.
V 0
VR
I
3ª Parte (Práctica 1B): FACTORES QUE INFLUYEN EN LA RESISTENCIA ELÉCTRICA DE UN CONDUCTOR METÁLICO
Con esta actividad de tipo experimental, se pretende que los alumnos realicen una pequeña investigación orientada sobre los factores que influyen en la resistencia eléctrica de un conductor metálico filiforme. Los objetivos concretos que se persiguen son los siguientes:
Al aplicar el mismo voltaje a diferentes conductores metálicos se observa que la intensidad de corriente es diferente en cada caso, según las características del conductor. Esto es debido a que el metal no está vacío por dentro, de modo que los portadores de carga tienen que vencer un rozamiento interno para poder desplazarse por su interior, lo cual supone un gasto de energía. Cada tipo de metal ofrece una oposición al paso de la corriente que depende de su estructura interna mediante una
mismo. La oposición global de un conductor al movimiento de carga se determina a través del concepto de resistencia eléctrica (R) que representa la relación entre el voltaje aplicado y la intensidad de corriente que circula por el mismo. La unidad de resistencia en el sistema internacional es el Ohmio (Ω) que equivale un voltio por amperio (Ω = V/A). También se utilizan el Kilo-ohmio ( K Ω = 10^3 Ω) o el mega-ohmio (10^6 Ω). La experiencia permite demostrar que la resistencia de un hilo conductor es directamente
mismo (S) , mediante la relación siguiente:
R L S
como el cobre, cuya resistividad es 1,72·10-8^ Ω ·m, su resistencia es casi despreciable, en general, a no ser que se trate de un cable muy largo y muy fino. Por tanto, los cables de conexión de un circuito no se consideran como resistores o verdaderas resistencias. Así pues, entre dos puntos de un mismo cable no hay caída o diferencia de potencial (apreciable) al pasar la corriente porque no hay resistencia. Para medir la resistencia de un elemento se colocan los bornes del óhmetro (en paralelo) en los extremos del mismo cuando no pasa corriente eléctrica por el elemento, es decir cuando no está conectado al circuito, ya que el óhmetro posee una pila interna que proporciona la energía suficiente para realizar la medida.
A continuación se van a realizar una serie de tareas prácticas estructuradas en varias secuencias de actividades, para estudiar experimentalmente los factores que influyen en la resistencia eléctrica de diferentes hilos metálicos. En todas estas actividades se va a desarrollar un procedimiento similar, utilizando el mismo montaje de la figura adjunta, pero cambiando el conductor metálico cuya resistencia R se quiere estudiar.
3.1. RESISTENCIA DEL NICROMO
3.1.1. Resistencia del hilo de Nicromo de menor sección (3 mm de diámetro)
- Utilizar el montaje de la figura anterior, usando el hilo de Nicromo de menor sección, con diámetro d = 0’3 mm y longitud total L = 1 m. Usar el polímetro digital como óhmetro (Ω) _en la escala más pequeña de medida y proceder a medir la resistencia del hilo para diferentes valores de longitud.
que Shilo = πr^2 = π(d/2)^2 ]
Tabla 3.1.1. Resistencia del hilo de nicromo de menor sección (d= 0’3 mm r = 0’15 mm) Longitud (cm) Lo (0’2) L 1 = 20 cm L 2 = 40 cm L 3 = 60 cm L 4 = 80 cm L 5 =100cm Resistencia medida (RL) RLo = Resistencia real: R = RL – RLo Resistividad calculada (R.S/L = ρ) Sección calculada: S = πr^2 = Resistividad media del primer hilo de nicromo: ρn1 =
