CENTRO DE CIENCIA BÁSICA ESCUELA DE INGENIERÍA UPB FÍSICA II: Fundamentos de Electromagnetismo

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PRACTICA 5: FUERZA ELECTROMOTRIZ Y RESISTENCIA INTERNA DE UNA PILA 1.1 OBJETIVO GENERAL Utilizar un circuito resistivo sencillo para medir la resistencia interna de una fuente de voltaje y diferenciar los conceptos de fuerza electromotriz y diferencia de potencial. Además estudiar las características del circuito en cuanto a las relaciones de corriente resistencia y voltaje. 1.2 Específicos: Adquirir habilidad en el manejo de los instrumentos de medición eléctricos como amperímetro, voltímetro y ohmetro Aplicar la ley de ohm a un circuito resistivo Encontrar mediante análisis gráfico la ecuación empírica del circuito resistivo Verificar experimentalmente la relación entre voltaje y corriente en una resistencia. Comprobar las reglas de Kirchhoff 2. PREINFORME 2.1 Base Teórica Antes de realizar la práctica se deben tener claros los siguientes conceptos: • Fuerza electromotriz y resistencia interna de una fuente de voltaje • Resistencia eléctrica, corriente y diferencia de potencial • Factores que determinan la resistividad y conductividad eléctrica de un material • Resistencia equivalente de conexiones de resistencias en serie y en paralelo • Circuito eléctrico • Ley de ohm y reglas de Kirchhoff • Cómo utilizar los medidores de corriente, voltaje y resistencia. 2.2 Ejercicios a realizar antes de la práctica 2.2.1. Encontrar las resistencias equivalentes de las conexiones mostradas en la figura 1, si cada resistencia R tiene un valor 100 Ω:

FIGURA 1

2.2.2. Encuentre la ecuación del circuito esquematizado en la figura 2. 3. MATERIALES Y EQUIPOS: Para la práctica se requiere: 1

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Pila seca o batería Reóstato de 100 Ω a 5 amperios Resistencias de 220, 470 y 2 de 1000 Ω Multímetro digital Soporte para la pila Fuente de voltaje continuo (dc)

• • • •

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Amperímetros de aguja con escala de 300 mA para voltajes dc Interruptor de cuchilla Cables Board y cables para su conexión

4. MONTAJES NOTA: Antes de cerrar el interruptor haga revisar el montaje por el profesor Haga las lecturas en forma rápida para evitar el desgaste innecesario de la pila y cuando no este tomando datos abra el interruptor. 4.1. Haga el montaje que se muestra en la siguiente figura 2:

A RI

R

Vab

Vo

S FIGURA 2

4.1.1. Explicación del montaje 1 y recomendaciones: En la figura 2 se muestra el esquema del circuito de la práctica. En este se muestra la pila con su respectiva resistencia interna, RI, el interruptor S, el voltímetro (Vab) y el amperímetro (A). 4.2 Haga uno a uno los montajes que se ilustran en la figura 3

A Vo

A

R1

R3

Vo

SERIE

R1

R2 VR

R2

VR

Vo

PARALELO

S

S

2

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3

A R1 R3

R2

VR

MIXTO

V

S

Figura 3. En la figura 3, Va representa la fuente de voltaje D.C., A el amperímetro, R la resistencia y VR el voltímetro. 5. PROCEDIMIENTO 5.1 Fuerza Electromotriz y Resistencia Interna de la Pila Antes de conectar el montaje de la figura 2 verifique con ayuda del ohmetro los valores máximos y mínimos de la resistencia variable (reóstato), y ubique la posición del cursor para que la resistencia sea de 5 Ω. Ahora cambie de escala el multímetro y mida el valor de la diferencia de potencia entre los extremos de la pila (Vo), recuerde que este dato se toma sin resistencia externa. ¿A qué parámetro de la pila corresponde este dato? Para estimar el orden de magnitud de la máxima corriente que logra en su circuito, reemplace en la Ley de Ohm R = 5 Ω y como voltaje V0. Esto le permite estar seguro que la escala de 300 mA es la más apropiada para el amperímetro. Haga todas sus medidas en esta escala. Arme el circuito con el interruptor abierto y los medidores tal y como se ven en el esquema. Por conveniencia varíe la corriente en pasos de 10 miliamperios, esto se logra aumentando ligeramente le valor de la resistencia en el reóstato. Cierre el interruptor y tome los datos para llenar la tabla #1 5.2 Características de Circuitos Resistivos : Ley De Ohm y Reglas de Kirchhoff Antes de conectar el montaje de la figura 3, recuerde que el amperímetro se conecta siempre en serie y el voltímetro en paralelo y para medir resistencias con el ohmetro éstas deben estar desconectadas de la fuente. 5.2.1 Resistencias conectadas en serie: Mida con el ohmetro las resistencias R1, R2 y R3 y obtenga también su valor con el respectivo código de colores Haga el primer montaje de la figura 3. Escoja un valor fijo de voltaje en la fuente, entre 5 y 10 voltios Mida los valores de voltaje entregados por la fuente y la diferencia de potencial o voltaje en los extremos de cada Resistencia Cambie de posición el amperímetro para que pueda leer la Corriente eléctrica que entra y sale de las resistencias. Registre todos los resultados de sus mediciones en la tabla 2. 3

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5.2.2. Resistencias conectadas en paralelo: Haga el segundo montaje de la figura 3. Repita el procedimiento anterior. Registre todos los resultados de sus mediciones en la tabla 3. 5.2.2. Conexión Mixta: Haga el segundo montaje de la figura 3. Repita el procedimiento anterior. Registre todos los resultados de sus mediciones en la tabla 4.

Vo

(V) =___________

DIFERENCIA DE POTENCIAL Vab (voltios)

Tabla 1. ∆I = ___________ ∆V = ___________ CORRIENTE RESISTENCIA INTERNA (Ω) I (mA) Ri = (Vo - Vab)/ I

Tabla 2. Conexión de Resistencias en Serie Valor nominal de la resistencia: R1 = ---------------…±∆R…… Valor nominal de la resistencia: R2 = ----------------..±∆R ____ Valor nominal de la resistencia: R3 = ---------------..-±∆R _____ Valor de la combinación por cálculo: Re= _________±∆R____ VOLTAJE EN LOS CORRIENTE, I ( mA) RESISTENCIAS; R (Ω Ω) EXTREMOS DE LAS EN CADA RESISTENCIA MEDIDAS CON EL RESISTENCIAS (V) OHMETRO V1 I1 R1 = V2 I2 R2= V3 I3 R3 = V IF Re = F

Tabla 3. Conexión de Resistencias en Paralelo 4

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Valor nominal de la resistencia: R1 = ----------------±∆R _____ Valor nominal de la resistencia: R2 = ----------------±∆R _____ Valor nominal de la resistencia: R3 = ---------------..-±∆R _____ Valor de la combinación por cálculo: Re= _________±∆R____ RESISTENCIAS; R (Ω Ω) MEDIDAS CON EL OHMETRO R1 = R2= R3 = Re =

VOLTAJE EN LOS EXTREMOS DE LAS RESISTENCIAS (V) V1 V2 V3 VF

CORRIENTE, I ( mA) EN CADA RESISTENCIA I1 I2 I3 IF

Tabla 4. Conexión Mixta Valor nominal de la resistencia: R1 = ----------------±∆R _____ Valor nominal de la resistencia: R2 = ----------------±∆R _____ Valor nominal de la resistencia: R3 = ---------------..-±∆R _____ Valor de la combinación por cálculo: Re= _________±∆R____ RESISTENCIAS; R (Ω Ω) MEDIDAS CON EL OHMETRO R1 = R2= R3 = Re =

VOLTAJE EN LOS EXTREMOS DE LAS RESISTENCIAS (V) V1 V2 V3 VF

CORRIENTE, I ( mA) EN CADA RESISTENCIA I1 I2 I3 IF

6. INFORME 6.1 Fuerza Electromotriz y Resistencia Interna de la Pila • Grafique en papel milimetrado Vab (voltios) versus I (amperios) y mediante el análisis de gráficas encuentre la ecuación empírica del circuito. • Interprete físicamente las constantes empíricas halladas • Con los datos de la tercer columna encuentren el valor promedio de la resistencia interna y reporte su incertidumbre absoluta como 3 veces la desviación estándar. • Analice si el valor de la pendiente de la gráfica, cae dentro del intervalo de confianza encontrado en el numeral anterior. • Responda las preguntas del numeral 7 de esta guía. • Presente conclusiones. 6.2 Características de Circuitos Resistivos : Ley De Ohm y Reglas de Kirchhoff • Con el valor del voltaje de la fuente y los valores de resistencia medidos con el ohmetro, calcule los valores teóricos de las corrientes que circulan por cada una de las resistencias. Haga lo anterior para cada uno de los 3 montajes. • Calcule teóricamente la resistencia equivalente en cada uno de los 3 montajes y compare con los valores medidos. Haga un análisis de la discrepancia. • Verifique si se cumplen las reglas de Kirchhoff para cada uno de los 3 circuitos 5

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• •

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Escriba las características de los circuitos serie y paralelo. Compare el circuito paralelo con el circuito de conexión mixta

7. PREGUNTAS 7.1 7.2 7.3

Justifique la validez que tiene la recomendación de hacer todas las medidas usando la misma escala del amperímetro? En que caso la resistencia interna de una fuente tiene efecto despreciable en el circuito? De acuerdo a la experiencia que valor tiene la fuerza electromotriz de la pila usada, en la primera parte del procedimiento?

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