Universidad Tecnológica de Panamá Facultad de Ingeniería Industrial Licenciatura en Ingeniería Industrial
Laboratorio de Sistemas Eléctricos 1.4 EXPERIMENTO N°5: LA LEY DE OHM (EXPER.)
Pertenece a: Profesor: Ángel Hernández Fecha de entrega: Horario: EXP. N°5 Ley de Ohm
Objetivos
1) Aprender la ley de Ohm y sus diversas formas. 2) Familiarizarse con los voltímetros y los amperímetros de c-d. Exposición
La resistencia eléctrica es la oposición que existe al flujo de la corriente en un circuito y depende de muchos factores. Ei alambre de cobre, aunque se considera un buen conductor de corriente eléctrica, Presenta cierta resistencia. Un físico alemán, George Simon Ohm (1787-1854), descubrió que para un conductor metálico dado, de una longitud y corte transversal específicos, la relación entre eI voltaje y la corriente era una constante. Esta relación se conoce como resistencia y se expresa en Ia unidad ohm, denominada así en su honor. La Ley de Ohm se considera a menudo como el fundamento del análisis de circuitos y se puede expresar mediante la fórmula: R=E/I
En donde, E = Ia diferencia de potencial entre los dos extremos de un elemento de
resistencia (que se mide en volts). I = La corriente eléctrica que pasa por dicho elemento de resistencia (Que
se mide en amperes). Existen otras dos formas útiles que se pueden derivar de la ecuación y son: I=E/R
;
E=IR
Para producir una corriente, primero debe existir un voltaje en la resistencia. Los Primeros experimentadores en este campo, reconocieron el hecho de que una corriente eléctrica constituía un movimiento de cargas a lo largo de un conductor. El sentido del flujo de la corriente no se pudo determinar y desgraciadamente, se convino en forma arbitraria que fuera desde un cuerpo de carga positiva hacia otro de carga negativa (positivo a negativo), y este acuerdo se estableció tan firmemente, que sigue en vigencia hasta nuestros días. Así pues, la dirección convencional o dirección positiva del flujo de la corriente, es siempre de positivo a negativo. Aunque se sabe ahora que la dirección del flujo electrónico, que en realidad constituye una corriente eléctrica, va de negativo a positivo, Los sistemas de energía eléctrica de los que este programa forma parte, utilizan el "flujo convencional de La corriente" para la corriente eléctrica, En este sistema "convencional" ,la corriente va de la terminal positivo a negativo.
El volt es la unidad de la presión o el potencial eléctrico y se mide con un voltímetro. Los voltímetros poseen una alta resistencia eléctrica y siempre se conectan en paralelo con un circuito o componente, por ejemplo, una resistencia. Vea la Figura.
Cerciórese siempre de que las polaridades concuerden con las marcadas en las terminales del medidor, a fin de obtener una lectura positiva (escala arriba), Si se invierten las conexiones, la aguja se desviará en la dirección negativa. El ampere es la unidad de la corriente eléctrica y se mide con un amperímetro. Los amperímetros tienen una baja resistencia interna y se conectan en serie con el circuito o el componente, por ejemplo, una resistencia. Vea la Fígura 5-1.
Las mismas observaciones que se hicieron respectivamente a la polaridad del voltímetro se aplican al amperímetro. La polaridad se debe mantener para obtener la deflexión adecuada de la aguja. Instrumentos y equipo
Módulo de fuente de energía (0-120V c-d) EMS 8821 Módulo de resistencia EMS 8311 Módulo de medición de CD (200V, 500 mA , 2.5A) EMS 8412 Cables de conexión EMS 8941 Otros: Ohmímetro
Procedimientos
Advertencia: ¡En este Experimento se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡Debe desconectar la fuente después de realizar cada medición! 1. Use el ohmímetro para medir la resistencia entre las terminales del voltímetro de 200V c-d. R= 197.3 K Ω 2. Mida la resistencia del amperímetro de 2.5A c-d. R= 0.03 Ω 3. Mida la resistencia del miliamperímetro de 500mA c-d. R= 0.04 Ω 4. ¿Es mucho mayor la resistencia interna del voltímetro que la de los dos medidores de corriente? ¿Puede explicar por qué?
R//: Sí. Ya que el amperímetro que mide la corriente que circula por el circuito, su resistencia debe ser lo más próxima a cero posible con el objetivo de que su presencia altere la corriente lo menos posible. En cambio el voltímetro mide la presencia de tensión, su resistencia debe ser lo más alta posible para evitar que la corriente se desvié por el voltímetro y disminuya el voltaje medido. 5. Use los Módulos EMS de Resistencia, Medición de CD y Fuente de Energía, para conectar el circuito ilustrado en la Figura 5-3. Tenga sumo cuidado al establecer las polaridades. Cerciórese de que el interruptor de alimentación esté abierto, la lámpara indicadora on-off esté apagada y que a la perilla del control del voltaje variable de salida se le ha dado toda la vuelta en sentido contrario al de las manecillas del reloj. El interruptor del voltímetro de la fuente de energía debe estar en la posición de CD y, además, deberá indicar cero volts. (7 es la terminal positiva y N la negativa para la salida de voltaje en c-d de la fuente de energía.)
6. Conecte la fuente de energía y haga girar lentamente la perilla de control del voltaje de salida (en el sentido de las manecillas del reloj) hasta que
el voltímetro de 0-200V c-d conectado a la carga de 300 ohms indique 20V c-d. El miliamperímetro de 0-500mA c-d indicará la corriente que pasa por el circuito. Anote este valor en el espacio correspondiente de la tabla. Haga lo mismo para los diferentes voltajes que se indican en la Tabla 5-1. Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de energía. (No desconecte el circuito.) Volts E
0
20
40
60
80
100
120
AMPS I Experimental
0
0.065
0.13
0.19
0.24
0.3
0.36
7. Grafique las corrientes anotadas (a los voltajes indicados) en la Tabla 5-1, sobre la gráfica que aparece en la Figura 5-4. 8. Trace una curva continua por los puntos marcados. ¿Es directamente proporcional la corriente al voltaje (se duplica, triplica, etc., la corriente cuando el voltaje se duplica, triplica, etc.)? I VS E 0.4
0.36
0.35
0.3
S 0.3 E R E0.25 P M A I 0.2 L I M0.15 N E I 0.1
0.05
0.24 0.19 0.13 0.065 0
0 0
20
40
60 80 E EN VOLTS
100
12 0
R//: Sí, es directamente proporcional la corriente al voltaje. El voltaje se duplica mientras que la corriente se triplica. 9. Con los valores de I y E de la tabla que aparece en el Procedimiento 6, calcule las relaciones de E/I correspondientes a cada caso. Anote sus cálculos en la Tabla.
E E/I
20 307.7 Ω
40 307.7 Ω
60 315.7 Ω
80 333.3 Ω
100 333.3 Ω
120 333.3 Ω
10. El valor promedio de E/I es 321.83 Observe que la relación entre el voltaje aplicado a la resistencia y la corriente que pasa por ella es un valor constante denominado resistencia. 11. A continuación deberá comprobar que la forma alternativa de la ley de Ohm (I= E/R) es válida. Use el mismo circuito de la Figura 5-3. Conecte la fuente de energía y ajústela a 90V c-d, de acuerdo con la lectura que aparezca en el voltímetro conectado a la resistencia de 300 ohms. Mida y anote la corriente que pasa por esta resistencia.
Imedida= 0.280 A c-d Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de energía. ¿Es I medida = E/R = 90/300?
R//: Si, es de 300mA. 12. Ahora verificará que la otra forma de la ley de Ohm (E = I x R) es válida. Utilice el mismo circuito que aparece en la Figura 5-3; sin embargo, en esta ocasión, la resistencia se ajustará a 600 ohms. Conecte la fuente de energía y ajuste el voltaje de salida hasta que el medidor de corriente indique 0.2 amperes. Mida y anote el voltaje a través de la resistencia de 600 ohms.
Emedida = 130 V c-d Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de alimentación. ¿Es E medida = I x R = 0.2 x 600?
R//: Sí, es de 120V 13. Ahora deberá medir el valor de una resistencia equivalente sin utilizar el ohmímetro. Emplee el mismo circuito que aparece en la Figura 5-3. Conecte la fuente de energía y ajuste el voltaje de salida a 60V c -d según le indique el voltímetro conectado a la resistencia. Haga variar la resistencia por medio de los interruptores hasta que el medidor de corriente indique aproximadamente 0.3 amperes. Reajuste el control de voltaje si es necesario, a fin de mantener 60 V c-d en la resistencia.
a. Aplique la ley de Ohm, el voltaje anterior (60V) y la corriente (0.3A), para calcular la resistencia equivalente que se tiene ahora en el circuito. Requivalente = E/I = 60/0.3 = 200 Ω Reduzca el voltaje a cero y desconecte el interruptor de la fuente de energía.
b. Use la fórmula de la resistencia en paralelo y, con las resistencias que conectó en paralelo, calcule R equivalente Requivalente = 200 Ω.
¿Concuerdan más o menos los valores de a) y b)?
R//: Si, la diferencia es poca. 14. Desconecte el circuito sin perturbar la posición de los interruptores de las resistencias. Utilice el ohmímetro para medir la resistencia equivalente del Procedimiento13. Requivalente = 200 Ω ¿Concuerdan más o menos la lectura correspondiente a R equivalente y el valor de R equivalente calculada en el Procedimiento 13. (b)? Explique por qué.
R//: Sí, las 2 resistencias concuerdan aproximadamente ya que son maneras experimentales y teóricas de sacar el resultado. Además de que el valor teórico y el valor de las resistencias tienen un porcentaje de error.
Prueba de Conocimientos 1. Use la ley de Ohm en sus diversas formas, para llenar los espacios en blanco de la Tabla 5-3.
No.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
E
6
125
4
9
72
5
12
12
100000
120
I
2
5
0.5
3
6
10
3
30
100
1200
R
3
25
8
3
12
0.5
4
0.4
1000
0.1
2. Un medidor de 3A c-d tiene una resistencia de 0.1 ohm. Si accidentalmente se le conectara a una línea de alimentación de 120V cd, ¿Cuál sería la corriente que pasaría por el instrumento?
I= V/R = 120V/0.1 Ω =1200A. Pasarían 1200A por el instru mento. ¿Qué sucedería en tal caso?
Como la corriente es mayor a lo que soporta, el aparato se fundiría. 3. Un medidor de 3A c-d tiene una resistencia de 0.15 ohm y porta una corriente de 2 amperes. ¿Cuál es el voltaje en sus terminales?
E= 0.15Ω (2A) = 0.3 V c-d. El voltaje es de 0.3 V. 4. Un medidor de 0-150V c-d tiene una resistencia de 150,000 ohm. ¿Cuál es la corriente que pasa por el instrumento cuando se conecta a una línea de 120V c-d?
I= V/R =120V/150000 = 0.8 mA. c-d o 8x10-4ª 5. Un experimentador toca accidentalmente una línea de 240V c-d. Si la resistencia de su piel es 10,000 ohm, ¿Cuál es el valor de la corriente que pasa por su cuerpo? ¿Es peligrosa esta corriente?
I=V/R = 240V /10000 Ω = 24 mA =0.024A
Si es peligrosa pero no mortal ya que arriba de los 100 miliamperios son fatales. 24mA puede provocar entre una sacudida fuerte y una sensación ligera de dolor. Arriba de los 50mA provoca respiración trabajosa.
6. Una planta de electrodeposición tiene barras colectoras que portan hasta 10,000 amperes a 6 volts en corriente directa. El medio circundante es muy húmedo debido a un exceso de agua y electrolito. ¿Deben aislarse dichas barras y, de ser necesario, por qué?
No tendría sentido el que fueran aisladas si son fijas y ya que la corriente son 6 volts, a menos de que pudiera haber algún contacto entre ellas, si porque hay de por medio 10000 amperes y las líneas se sobrecalentaría al contacto a pesar del bajo voltaje. 7. Se ha visto que las aves pueden pararse en cables de transmisión sin aislar y con voltajes hasta de 2,300 volts, y que aparentemente no sufren ningún daño. ¿Se debe esto a la naturaleza extremadamente seca de sus patas? ¿Por qué?
Los puntos en los que están apoyadas las patas de los pájaros están tan próximos que la diferencia de potencial entre ellos es ínfima. La resistencia a la conducción del cuerpo del pájaro es muchísimo mayor que la que ofrece ese minúsculo trozo de cable. La corriente eléctrica circulará por el cable y apenas una minúscula parte derivará por el cuerpo del pájaro, que no notará ningún efecto. El circuito no se cierra porqué sus patas se posan sólo sobre uno de los polos de la fuente, quedando el otro polo abierto. El circuito se cerraría si el cuerpo tocase también a la vez el otro cable, o tierra si el cable en que están posadas es el de fase (vivo). 8. Un amperímetro que tiene una escala de 0-1A c-d y una resistencia de 1 ohm, se conecta a una fuente de 300 milivolts. ¿Qué valor indicará?
300 mV = 0.3V I=V/R=0.3V/1 Ω =0.3A= 300 mA c -d.
Introducción
El estudio de la ley de Ohm y los circuitos de corriente continua es un excelente método para aprender a manejar conexiones e instrumentos de medida como el voltímetro, amperímetro y fuente de alimentación y darse cuenta de que es fácil confundir una conexión. Esto pone de manifiesto la necesidad de tener un esquema del montaje antes de iniciar cualquier manipulación.
Conclusión
De acuerdo a los experimentos realizados en el laboratorio, podemos concluir que la Ley de Ohm si resulta ser cierta y es altamente efectiva a la hora de determinar los valores que existen en un circuito.
Aunque los resultados de los experimentos no fueron idénticos a los resultados calculados, hubo un margen de error muy reducido (menos del 1%). Esto resulta ser contundente y confirma las leyes de George Ohm.
Otra conclusión fue que se pudo comprobar que: “R=E/I”. Y también pudimos verificar que sus variaciones “I= E/R y E=IR” resultan ser efectivas a la hora de
calcular los parámetros de un circuito.
