LABORATORIO ELECTRICIDAD

PROFESOR: ELKIN E. HENAO BRAVO

GUIA DE LABORATORIO #1: INTRODUCCIN A CIRCUITOS DE CORRIENTE

CONTINUA

Objetivos

1. Familiarizarse con normas de seguridad bsicas en el Laboratorio.

2. Familiarizarse con el uso apropiado de fuentes de corriente continua y

multmetro.

3. Familiarizarse con el protoboard.

4. Estudiar la Ley de Ohm y las Leyes de Kirchoff.

5. Calcular y medir la potencia elctrica en un circuito resistivo alimentado con

corriente continua.

Introduccin

La siguiente gua, es una referencia rpida, a los conceptos usados en este laboratorio.

Un tratamiento ms detallado deber ser buscado en libros de electricidad. 2

I. Electricidad:

La electricidad (del griego elektron, cuyo significado es mbar) es

un fenmeno fsico cuyo origen son las cargas elctricas y cuya energa se

manifiesta en fenmenos mecnicos, trmicos, luminosos y qumicos, entre

otros. Se puede observar de forma natural en fenmenos atmosfricos, por

ejemplo los rayos, que son descargas elctricas producidas por la

transferencia de energa entre la ionosfera y la superficie terrestre (proceso

complejo del que los rayos solo forman una parte). Otros mecanismos

elctricos naturales los podemos encontrar en procesos biolgicos, como el

funcionamiento del sistema nervioso. Es la base del funcionamiento de

muchas mquinas, desde pequeos electrodomsticos hasta sistemas de

gran potencia como los trenes de alta velocidad, y de todos los dispositivos

electrnicos. Adems es esencial para la produccin de sustancias qumicas

como el aluminio y el cloro. 3

II. Carga elctrica:

La carga elctrica es una propiedad que poseen algunas partculas

subatmicas y que se manifiesta mediante las fuerzas observadas entre

ellas. La materia cargada elctricamente es influida por los campos

electromagnticos siendo, a su vez, generadora de ellos.

Figura 1: Tomado de 3

Las dos partculas elementales cargadas que existen en la materia y que se

encuentran de forma natural en la Tierra son el electrn y el protn. Cuando

un tomo gana o pierde un electrn, queda cargado elctricamente. A estos

tomos cargados se les denomina iones. En el Sistema Internacional de

Unidades la unidad de carga elctrica se denomina culombio (smbolo C) y

se define como la cantidad de carga de 6,24 1018 electrones

aproximadamente. La carga ms pequea que se encuentra en la naturaleza

es la carga del electrn (que es igual en magnitud a la del protn y, de signo

opuesto): e = 1,602 10-19 C. 3

III. Voltaje:

Se denomina voltaje (V) o fuerza electromotriz (FEM) a la energa

proveniente de cualquier fuente de corriente elctrica que sea capaz de

bombear o impulsar las cargas elctricas a travs de un circuito cerrado.

Tambin llamado diferencia de potencial se define como el trabajo necesario

para transportar la unidad de carga de un punto a otro del circuito.

Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energa elctrica, entre

los que podemos citar:

a. Pilas o bateras: Son las fuentes de voltaje ms conocidas, generan

energa elctrica por medios qumicos. Las ms comunes y corrientes son

las de carbn-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no admiten

recarga. Las hay tambin de nquel-cadmio (NiCd), de nquel e hidruro

metlico (Ni-MH) y de in de litio (Li-ion), recargables. En los automviles

se utilizan bateras de plomo-cido, que emplean como electrodos placas

de plomo y como electrolito cido sulfrico mezclado con agua destilada.

b. Mquinas electromagnticas: Generan energa elctrica utilizando medios

magnticos y mecnicos. Es el caso de las dinamos y generadores

pequeos utilizados en vehculos automotores, plantas elctricas

porttiles y otros usos diversos, as como los de grandes tamaos

empleados en las centrales hidrulicas, trmicas y atmicas, que

suministran energa elctrica a industrias y ciudades.4,5

IV. Corriente:

Se denomina corriente elctrica al flujo de carga elctrica a travs de un

material sometido a una diferencia de potencial. Histricamente, se defini

como un flujo de cargas positivas y se fij el sentido convencional de

circulacin de la corriente como un flujo de cargas desde el polo positivo al

negativo. Sin embargo, posteriormente se observ, gracias al efecto Hall, que

en los metales los portadores de carga son electrones, con carga negativa, y

se desplazan en sentido contrario al convencional.

La intensidad de corriente (I) en una seccin dada de un conductor (s) se

define como la carga elctrica (Q) que atraviesa la seccin en una unidad de

tiempo (t), la unidad de medida es el amperio (A) y equivale a 1C/sg.3

V. Corriente Continua:

Se denomina corriente continua (CC en espaol, en ingls DC, de Direct

Current) al flujo de cargas elctricas que no cambia de sentido con el tiempo.

La corriente elctrica a travs de un material se establece entre dos puntos

de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor

y menor potencial no se intercambian entre s. Es errnea la identificacin de

la corriente continua con la corriente constante (ninguna lo es, ni siquiera la

suministrada por una batera). Es continua toda corriente cuyo sentido de

circulacin es siempre el mismo, independientemente de su valor absoluto.

Su descubrimiento se remonta a la invencin de la primera pila voltaica por

parte del conde y cientfico italiano Alessandro Volta. No fue hasta los

trabajos de Edison sobre la generacin de electricidad, en las postrimeras

del siglo XIX, cuando la corriente continua comenz a emplearse para la

transmisin de la energa elctrica. Ya en el siglo XX este uso decay en

favor de la corriente alterna, que presenta menores prdidas en la

transmisin a largas distancias, si bien se conserva en la conexin de redes

elctricas de diferentes frecuencias y en la transmisin a travs de cables

submarinos.

Desde 2008 se est extendiendo el uso de generadores de corriente continua

a partir de clulas fotoelctricas que permiten aprovechar la energa solar.3

VI. Resistencia:

Un conductor elctrico contiene portadores de carga (iones, electrones, etc.)

libres de movimiento, es decir, no enlazados a ningn tomo en particular.

Por ejemplo, si se aplica un voltaje (diferencia de potencial) entre los dos

extremos de un trozo de metal, los electrones libres se movern bajo la

influencia del campo elctrico. El flujo de electrones es obstaculizado por

colisiones con desordenes en la red del metal, tomos de otro material,

superficies, etc. Estas colisiones producen calor (efecto Joule), o sea, la

energa elctrica se disipa en energa trmica.

La oposicin a la movilidad de los electrones se conoce como resistencia

elctrica (R), y est definida por la relacin:

=

En donde V representa el voltaje e I la corriente. Si la unidad de medida de V

es el Voltio y de I es el Amperio, entonces la resistencia elctrica se mide en

Ohm y se simboliza por .

En un circuito una resistencia aparece simbolizado por:

Figura 2: Tomado de 2

Las resistencias que se emplean en circuitos elctricos se fabrican en valores

que cubren un amplio rango. Para caracterizarlas, adems de Ohm se usan

los prefijos griegos:

El valor nominal de la resistencia, aparece etiquetado sobre la resistencia

con bandas de color segn un cdigo. Los dos primeros colores indican

dgitos, y el tercero el exponente de la potencia de 10 por la cual se multiplica

el nmero anterior. Una cuarta banda se agrega para indicar la tolerancia

(porcentaje mximo de error) del valor nominal. La equivalencia entre colores

y nmeros, la encontrar en la siguiente figura. 2

Figura 3: Tomado de 6

El valor real de la resistencia es el medido por el multmetro.

Figura 4: Tomado de 6

VII. Ley de Ohm

Si la variacin del voltaje sobre un dispositivo, genera una variacin

linealmente dependiente sobre la corriente, decimos que el dispositivo se

encuentra en el rango hmico o que sigue la ley de Ohm. Matemticamente

la ley de Ohm queda expresada por la relacin: 2

=

VIII. Asociacin de componentes

Cuando tenemos dos o ms elementos formando un circuito, podemos

diferenciar dos maneras comunes de conectarlos: en serie y en paralelo.

Conectar en serie quiere decir que entre cada par de elementos existe un

slo punto comn, y sin conexin al resto. Una conexin en paralelo quiere

decir que a ambos lados de cada elemento, existe un punto comn, a todo el

resto.

Un ejemplo de conexin en serie, est dado en la figura 5 con dos

resistencias. En la figura 6, se muestra una conexin en paralelo de dos

resistencias.2

Figura 5: Resistencias en serie 2 Figura 6: Resistencias en paralelo 2

IX. Las leyes de Kirchoff

Estas leyes tratan sobre el comportamiento de circuitos elctricos con

asociaciones de componentes. La base para una deduccin rigurosa de

estas leyes est en la conservacin de la carga elctrica y la energa. 2

La primera ley se conoce tambin como la ley de las corrientes. sta dice

que la suma de intensidades de corriente que llegan a un punto comn es

igual a la suma de intensidades que salen de l. 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

comn es cero. Por ejemplo, en la figura 7, sobre el punto comn A, se tiene:

= 0

1 2 3 = 0 1 = 2 + 3

Figura 7: Ley de corrientes de Kirchoff 2

La segunda ley se conoce tambin como la ley de los voltajes. sta dice que

en un circuito cerrado, la suma algebraica de los voltajes aplicados, o

subidas de tensin, es igual a la suma algebraica de las cadas de tensin en

todos los elementos pasivos. Por ejemplo, en la figura 8, V3 es generado por

una fuente de voltaje, V1 y V2 son las cadas de voltaje de las resistencias

(elementos pasivos), entonces:

=

3 = 1 + 2

Figura 8: Ley de voltajes de Kirchoff 2

X. Aplicaciones de las leyes de Kirchoff y de Ohm

a. Mediciones de corriente: El aparato que mide corriente se llama

ampermetro. Para medir la corriente que pasa por alguna componente,

basta conectar en serie el ampermetro con el componente. Un

ampermetro ideal tiene resistencia cero para no afectar al circuito.

b. Mediciones de voltaje: El aparato que mide voltaje se llama voltmetro.

Para medir la cada de voltaje que produce un componente, basta

conectar en paralelo el voltmetro a la componente. Un voltmetro ideal,

tiene resistencia infinita para no afectar al circuito.

c. Resistencia equivalente: Llamamos resistencia equivalente a una

resistencia imaginaria, que puede remplazar a una serie de otras

interconectadas, logrando la misma corriente de alimentacin del circuito.

Por ejemplo, al conectar en serie "n" resistencias R1,R2,...Rn, su

resistencia equivalente vale:

=

=1

Si en vez de conectarlas en serie, lo hacemos en paralelo, entonces,

obtenemos:

1

=

1

=1

XI. Potencia Elctrica

La potencia elctrica es la relacin de paso de energa de un flujo por unidad

de tiempo; es decir, la cantidad de energa entregada o absorbida por un

elemento en un tiempo determinado. La unidad en el Sistema Internacional

de Unidades es el vatio (watt).

Cuando una corriente elctrica fluye en un circuito, puede transferir energa

al hacer un trabajo mecnico o termodinmico. Los dispositivos convierten la

energa elctrica de muchas maneras tiles, como calor, luz (lmpara

incandescente), movimiento (motor elctrico), sonido (altavoz) o procesos

qumicos. La electricidad se puede producir mecnica o qumicamente por la

generacin de energa elctrica, o tambin por la transformacin de la luz en

las clulas fotoelctricas. Por ltimo, se puede almacenar qumicamente en

bateras. 3

Cuando se trata de corriente continua (CC) la potencia elctrica 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 travs del dispositivo. Por esta razn la potencia es proporcional

a la corriente y a la tensin. Esto es:

=

Donde I es el valor instantneo de la corriente y V es el valor instantneo del

voltaje. Si I se expresa en amperios y V en voltios, P estar expresada en

watts (vatios). Igual definicin se aplica cuando se consideran valores

promedio para I, V y P.

Cuando el dispositivo es una resistencia de valor R o se puede calcular la

resistencia equivalente del dispositivo, la potencia tambin puede calcularse

como:

= 2 =2

XII. Protoboard

El protoboard o breadboard en ingls es un tablero con orificios

conectados elctricamente entre s, habitualmente siguiendo patrones de

lneas, en el cual se pueden insertar componentes electrnicos y cables para

el armado y prototipado de circuitos electrnicos y sistemas similares. Est

hecho de dos materiales, un aislante, generalmente un plstico, y un

conductor que conecta los diversos orificios entre si. Uno de sus usos

principales es la creacin y comprobacin de prototipos de circuitos

electrnicos antes de llegar a la impresin mecnica del circuito electrnico

en sistemas de produccin comercial.

Figura 9: Protoboard

Figura 10: Conexin interna del protoboard

En la figura 10 se observan las conexiones del protoboard, all se indican

las conexiones internas de los orificios encerradas por valos de diferentes

colores, cada grupo de orificios esta desconectado de los dems, con el

nimo de conectar elementos de circuito entre ellos.

Elementos prctica 1:

1. 2 resistencias de 10 a mnimo 5 vatios.

2. 1 resistencia de 5 a mnimo 5 vatios

3. 1 resistencia de 330 a medio vatio.

4. 1 resistencia de 570 a medio vatio.

5. 1 resistencia de 1 a mnimo 5 vatios.

Prctica

1. Usando el multmetro mida la resistencia que tiene cada uno de los integrantes

del grupo entre los extremos de sus brazos, es decir, mida la resistencia de la

mano derecha a la izquierda y antela en los siguientes espacios:

Integrante 1 __________________

Integrante 2 __________________

Integrante 3 __________________

2. Cada integrante mjese las manos y mida de nuevo la resistencia entre sus

brazos

Integrante 1 __________________

Integrante 2 __________________

Integrante 3 __________________

3. Si el voltaje entre sus brazos es de 120V, cuanta corriente pasa por el cuerpo de

cada integrante del grupo? (Calcular la corriente para el caso de las manos

secas y para el caso de las manos hmedas)

Manos Secas Manos Hmedas

Integrante 1 __________________mA __________________mA

Integrante 2 __________________mA __________________mA

Integrante 3 __________________mA __________________mA

4. Usando las resistencias pedidas, la protoboard y la fuente de potencia entregada

por el profesor, montar los siguientes circuitos y medir en ellos voltaje, corriente,

resistencia y potencia.

a.

Figura 11. Circuito #1

R1 es la resistencia de 570 y R2 es la resistencia de 330, probar los valores

de las mismas usando el multmetro. V1 es la fuente de voltaje ajustada en 9V.

i. Medir voltaje en cada resistencia, corriente en cada resistencia

ii. Medir corriente en cada resistencia

iii. Calcular la resistencia equivalente del circuito

iv. Calcular la potencia en cada resistencia y la potencia del circuito completo

b.

Figura 12. Circuito #2

R3 es la resistencia de 5, R4 y R5 son resistencias de 10, probar los valores

de las mismas usando el multmetro. V2 es la fuente de voltaje ajustada en 10V.

i. Medir voltaje en cada resistencia, corriente en cada resistencia

ii. Medir corriente en cada resistencia

iii. Calcular la resistencia equivalente del circuito

iv. Calcular la potencia en cada resistencia y la potencia del circuito completo

Referencias

1. Annimo, Seguridad en laboratorios de Electricidad,

http://www.google.com.co/url?sa=t&rct=j&q=normas%20de%20seguridad%20en

%20el%20laboratorio%20de%20electricidad&source=web&cd=1&ved=0CEkQFj

AA&url=http%3A%2F%2Fwww.oocities.org%2Felectricidad3%2Farchivos%2FSe

guridad_en_laboratorios_de_Electricidad.doc&ei=U4EpUN7jJdKB0QHGtID4BA&

usg=AFQjCNFlsaq0s5gnhPzdYy7c4cLwJaQ7cQ&cad=rja

2. Denise Criado, Claudio Falcn, Nicols Mujica, GUIA DE LABORATORIO N1

(Parte terica), Universidad de Chile, 2009.

3. Wikipedia, Electricidad,

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad#Potencial_y_tensi.C3.B3n_el.C3.A9ctrica

, ltima actualizacin: Julio de 2012

4. Asifunciona.com,

http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_fem/ke_fem_1.htm , ltima

actualizacin: Abril de 2012.

5. Victoriano ngel Martnez Snchez, Automatizacin Industrial Moderna,

Alfaomega, 2001. ISBN: 958-682-308-3

6. El resistor, Foros de electrnica,

http://www.forosdeelectronica.com/tutoriales/resistencia.htm