Practica de laboratorio N° 5-2011

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Manual de Prácticas de Laboratorio de Física III Circuitos eléctricos de corriente contínua Optaciano Vásquez G.

2013

Universidad nacional“SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO”

FACULTAD DE CIENCIAS

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FÍSICA

MANUAL DE PRÁCTICAS DE LABORATORIO DE FISICA III

PRACTICA N° 05 “CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE COTÍNUA”

AUTOR:

M.Sc. Optaciano L. Vásquez García

HUARAZ - PERÚ

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2013UNIVERSIDAD NACIONAL FACULTAD DE CIENCIAS

“SANTIAGO ANTUNEZ DE MAYOLO” DEPARTAMENTO DE CIENCIAS SECCIÓN DE FISICA

CURSO: FISICA III

PRACTICA DE LABORATORIO Nº 5.

CIRCUITOS ELÉCTRICOS DE CORRIENTE COTÍNUA

I. OBJETIVO(S)

1.1. Realizar asociaciones de resistencias en serie y en paralelo1.2. Hacer mediciones de intensidad de corriente, de voltajes.1.3. Verificar las leyes de Kirchhoff en nodos y mallas de un circuito de corriente continua

II. MARCO TEÓRICO Y CONCEPTUAL

2.1. Resistencias en serie y en paralelo.

2.1.1. Resistencias en serie

Cuando dos o más resistencias están conectadas como se muestra en la Figura 1, de modo que transporten la misma intensidad de corriente I, se dice que las resistencias están conectadas en serie. La diferencia de potencial entre los extremos a y c será

V=IR1+ IR2=I (R1+R2) (1)

La resistencia equivalente Req que presenta la misma caída de potencial cuando transporta la misma intensidad de corriente I se encuentra haciendo V igual a IReq. Por tanto Req se expresa

Req=R1+ R2 (2)

Cuando existen más de dos resistencias en serie la ec anterior se escribe

Req=R1+ R2+R3+. .. .. . .. ..(3)

APELLIDOS Y NOMBRES......................................................................................... CODIGO............................ FECHA..........................

FACULTAD................................................... ESCUELAPROFESIONAL................................................ GRUPO.......................

AÑO LECTIVO: ...................................SEMESTRE ACADEMICO..................................NOTA................................

DOCENTE............................................................................................................ FIRMA.....................................

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(a) (b)

Figura 1. Instalación de resistencias en serie

2.1.2. Resistencias en paralelo

Dos resistencias conectadas como se muestra en la Fig.2, de modo que entre ellas se establezca la misma diferencia de potencial, se dice que están en paralelo. Si I es la corriente que fluye de a al punto b. En a la corriente se divide en dos partes I1 en la resistencia R1 e I2 en la resistencia R2. La corriente total será

I=I 1+ I 2 (4)

Si V es la caída de potencial a través de cada resistencia. Se tiene

V=I 1 R1=I 2R2 (5)

La resistencia equivalente para la combinación en paralelo se define como aquella resistencia R eq para la cual la misma corriente total I produce la caída de potencial V. Resultando

1Req

= 1R1

+ 1R2 (6)

Este resultado se puede generalizar para n resistencias

1Req

= 1R1

+ 1R2

+!1

R3

+.. .. . .. .. . .. .. .(7)

(a) (b)

Figura 2. Resistencias en paralelo y su resistencia equivalente.

2.2. Leyes de Kirchhoff.

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2.2.1. Primera ley o ley de nudos. Se deduce del principio de la conservación de la carga. La Fig. 3 muestra la unión o nudo de tres conductores que transportan las corrientes indicadas.

Fig. 3. Ilustración de la regla de los nudos de Kirchhoff.

Puesto que no existe ninguna causa para que se creen o se destruyan cargas en este punto, la conservación de la carga exige que

I 1=I 2+ I 3 (8)

La ecuación (8) es una expresión de la 1º ley de Kirchhoff. La misma que se enuncia

En un nudo de ramificación de un circuito, la suma de las corrientes que entran en el nudo debe ser igual a la suma de las corrientes que salen del mismo.

La ecuación (8) puede rescribirse como

I 1−I 2−I3=0

En general la ecuación anterior puede escribirse

∑i=1

N

I i=0(9)*

Convención de signos: Se considera como positivo (+) a las corrientes que ingresan al nudo y como negativo (-) a las que salen del nudo.

2.2.2. Segunda ley de Kirchhoff o ley de mallas. Esta ley se basa en el principio de conservación de la energía. Si tenemos una carga q en un punto donde el potencial es V, la energía potencial de la carga es qV. Cuando la carga recorre un bucle en un circuito, pierde o gana energía al atravesar resistencias, baterías u ortos elementos, pero cuando vuelve a su punto de partida, su energía debe ser de nuevo qV. Es decir, el cambio neto en el potencial debe ser cero.

La figura muestra un circuito formado por dos baterías con resistencias internas r1 y r2 y tres resistencias externas Si se aplica esta ley al circuito de la Fig. 4, se obtiene

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Figura 4. Ilustración de la aplicación de la segunda ley de Kirchhoff.

Si se aplica esta ley al circuito de la Fig. 4, se obtiene

(10)

La ec. (10) es una expresión de la segunda ley de Kirchhoff, la misma que se enuncia

La suma algebraica de las diferencias de potencial ( voltajes) a lo largo de cualquier malla o trayectoria cerrada debe ser igual a cero. Esto es

∑i=1

N

V i=0(11)*

donde Vi es la diferencia de potencial que existe entre los bornes del i-ésimo elemento del circuito.Convención de signos: En una fuente de tensión el cambio de potencial se considera como positivo (+) si se recorre la fuente del borne negativo al borne positivo, y se considera negativo (-) si se recorre la fuente del borne positivo al borne negativo. En una resistencia el cambio de potencial se considera como negativo (-) si recorre la resistencia a favor de la corriente mientras que se considera positiva (+) si se recorre la resistencia en contra del sentido de la corriente véase la figura 05

Figura 4. Convención de signos para aplicar la segunda ley de Kirchhoff.

III. MATERIALES Y EQUIPOS.

3.1. Una fuente de corriente continua 3.2. Alambres de conexión.3.3. Un reóstato.3.4. Resistencias de carbono con código de colores.3.5. Un voltímetro3.6. Un amperímetro3.7. Un interruptor

IV. METODOLOGÍA.

4.1. Circuitos en serie.

a) Instale el circuito mostrado en la Figura 5, en donde las resistencias son inferiores a 1000 Ω.b) Ajuste la fuente E a un valor de 3-5 voltios.c) Cierre la llave K con el voltímetro conectado entre a y b. Léase el voltaje V y la corriente total I. Registre

sus valores en la Tabla I.

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d) Coloque ahora el voltímetro sucesivamente entre los puntos a y b, b y c y finalmente entre c y d, manteniendo el amperímetro en su posición y obtenga los valores del voltaje V y de la intensidad de corriente I. Registre sus lecturas en la Tabla I.

Figura 5. Circuito para medir propiedades de un circuito en serie.

Tabla I. Datos para estudiar los circuitos en serie.

A –D A –B B –C C-DV(vol)I (mA)

4.2. Circuitos en paralelo.

a) Instale el circuito como lo muestra la Figura 6a.b) Ajuste la fuente E a un valor de 1 V a 3 V.c) Leer la tensión V y la intensidad de corriente total I que muestran los instrumentos. Registre sus valores

en la tabla IId) Manteniendo la instalación del voltímetro, instale sucesivamente el amperímetro en serie con las

resistencias R1, R2 y R3 como se muestra en la figura 6 b, 6c y 6d y determine las intensidades de corrientes en cada una de las resistencias en paralelo resistencia. Registre sus valores obtenidos en la Tabla II.

(a) (b)

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(c) (d)

Figura 6. Instalación del circuito para estudiar los circuitos en paralelos

Tabla II. Datos experimentales para estudiar los circuitos en paralelo.

R1 (Ω) R2 (Ω) R3 (Ω)V (vol)I (mA)

4.3. Leyes de kirchhoff.

a) Utilizando el ohmímetro mida el valor experimental de cada una de las resistencias proporcionadas (Rexp), y luego mediante el código de colores determine sus respectivos valores nominales (R fab). Registre sus valores obtenidos en la Tabla III.Tabla III. Datos obtenidos para las resistencias

Resistencia R1 R2 R3 R4 R5

Rexp (Ω)Rfab (Ω)

b) Con las resistencias proporcionadas instale el circuito mostrado en la Fig. 7.

Fig. 7. Circuito utilizado para verificar las leyes de Kirchhoff

c) Ajuste la fuente de voltaje entre 1 V a 6 V y posteriormente cierre el interruptor K

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d) Instalando el amperímetro en serie con R1 y utilizando el rango adecuado mida la intensidad corriente I1. Anote los valores obtenidos con sus respectivos signos que indica el instrumento en la Tabla IV.

e) Instale el amperímetro en serie sucesivamente con R2, R3, R4 y R5y determine las intensidades de corriente que pasan a través de cada resistencia cuidando sus polaridades. Anote sus lecturas en la Tabla.

f) Finalmente instale el amperímetro en serie con la fuente y mida la intensidad de corriente I.

Tabla IV. Valores experimentales de las intensidades de corriente.

NodoI (mA) I1 (mA) I2 (mA) I3 (mA) I4 (mA) I5 (mA) ΣI (mA)

abcd

g) Instalando el voltímetro en paralelo con cada uno de los elementos del circuito, determine la diferencia de potencial en las resistencias y en la fuente según las mallas que se indican. Anote los valores obtenidos con sus respectivos signos en la Tabla V.

Tabla V. Datos experimentales de las diferencias de potencial.

Malla V (volt) V1 (volt) V2 (volt) V3 (volt) V4 (volt) V5 (volt) ΣVi

abcabcdbbdca

efabde

V. CALCULOS Y RESULTADOS

Una vez finalizado el experimento proceda a hacer los siguientes cálculos

5.1. Circuito serie y circuito paralelo.

a) Para el circuito, determine la relación entre los voltajes y la resistencia interna.

..................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................................

b) ¿Cuál es el error porcentual cometido en el cálculo de la resistencia equivalente?

..................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................................

c) Para el circuito en paralelo, determine la resistencia equivalente de la asociación y establezca la relación entre las intensidades de corriente.

..................................................................................................................................................................

.....................................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................................

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d) El error cometido en el cálculo de la resistencia equivalente está dentro de la tolerancia admitida por el fabricante.

.....................................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................................

e) ¿Cuáles son sus principales fuentes de error?.

.....................................................................................................................................................................

....................................................................................................................................................................

5.2. Leyes de Kirchhoff.

a) Con los datos de la Tabla IV, verifique la primera ley de Kirchhoff para cada uno de los nodos.

Nodo a ……………………………………………………………………………………………..

Nodo b. ……………………………………………………………………………………………..

Nodo c. ……………………………………………………………………………………………..

Nodo d. ……………………………………………………………………………………………..

b) Con los datos obtenidos en la Tabla V, verifique la segunda ley de Kirchhoff.

Malla abca ………………………………………………………………………………………..

Malla bcdb …………………………………………………………………………………………..

Malla abdca. …………………………………………………………………………………….......

Malla efabde ………………………………………………………………………….......................

c) Utilizando los valores nominales de las resistencias y la tensión en la fuente resuelva el circuito mostrado en la Figura 7, para hallar las corrientes y los voltajes teóricos en cada una de las resistencias.

d) Compare los valores de las corrientes y los voltajes obtenidos en el paso anterior con los valores obtenidos en las Tablas IV y V, determine sus respectivos errores porcentuales. Registre sus resultados en la Tabla VI.

Elemento V(fuente) R1 R2 R3 R4 R5

e % (corriente)

e %(voltaje)

e) Se cumple las leyes de Kirchhoff en su experiencia. ¿Explique?.

...........................................................................................................................................................

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............................................................................................................................................................

f) ¿Cuáles son sus posibles fuentes de error?.

............................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................

VI. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS

6.1. CONCLUSIONES

1. ...................................................................................................................................................................

2. ...................................................................................................................................................................

3. ...................................................................................................................................................................

6.2. SUGERENCIAS

1. ..................................................................................................................................................................

2. ...................................................................................................................................................................

3. ...................................................................................................................................................................

VII. BIBLIGORAFIA.

7.1. GOLDEMBERG, J. Física General y Experimental. Vol II. Edit. Interamericana. México 1972.7.2. MEINERS, H. W, EPPENSTEIN. Experimentos de Física. Edit. Limusa. México 19807.3. SERWAY, R. Física. Vol. II Edit Reverte. España 1992,7.4. TIPLER, p. Física Vol II. Edit Reverte. España 2000.7.5. SEARS, E. ZEMANSKY, M. YOUNG,H. Física, Vol II. Edit. Addison Wesley. Mexico 1999.

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