Clase 4:
Repaso de la Ley de Ohm.
Antes de explicar cómo se pueden medir las diferentes magnitudes eléctricas de un circuito vamos a hacer un resumen de lo que ya hemos visto en los cursos anteriores acerca de la Ley de Ohm. En primer lugar hay que recordar que existen tres magnitudes eléctricas básicas:
- La intensidad: que es la cantidad de electrones que circulan por un conductor en un determinado tiempo.
- El voltaje: que, de manera un poco simplificada, es la energía de los electrones de una corriente eléctrica.
- La resistencia: que es la dificultad que opone un componente eléctrico al paso de los electrones de una corriente.
En la siguiente tabla se recogen dichas magnitudes y sus unidades, así como las siglas que utilizamos para referirnos a cada una de ellas:
Pues bien, como ya sabes, esas tres magnitudes están relacionadas mediante tres ecuaciones (LEy de Ohm) que permiten calcular una de ellas a partir de las otras dos:
En realidad, no es encesario aprenderse las tres ecuaciones de la Ley de Ohm, ya que con conocer una de las tres es posible despejar una u otra magnitud según lo que deseemos calcular. A continuación vamos a recordar cómo se aplica la ley de Ohm en tres casos diferentes:
En un circuito básico.
Vamos a empezar con un ejemplo muy sencillo en que sólo disponemos de un componente conectado a una pila. Imagina que tenemos un motor con una resistencia de 40Ω conectado a una pila de 20V. ¿Cuál será la intensidad de la corriente que sale de la pila?
Como conocemos el voltaje y la resistencia y nos piden que calculemos la intensidad debemos utilizar la segunda ecuación de la Ley de Ohm:
Datos:
Aplicamos la Ley de Ohm para calcular la intensidad:
\Large I= \dfrac{V}{R} = \dfrac{20}{40}=0,5AEn un circuito en serie.
Antes de nada debes recordar que un circuito en serie es un circuito en el que los componentes están conectados uno a continuación de otro. Por ese motivo ocurria algo que tienes que tener muy presente:
En un circuito en serie la intensidad (el número de electrones) que circula a través de todos los componentes es exactamente la misma.
Vamos a ver cómo se aplicaría la Ley de Ohm en el siguiente circuito en serie:
Deseamos calcular:
- La intensidad en cada uno de los componentes.
- El voltaje en cada uno de los componentes.
El primer paso es calcular la resistencia equivalente (la resistencia total) del circuito. Como los componentes están conectados en serie la resistencia equivalente se calcula sumando los valores de todas las resistencias:
\Large R_{eq}= R_1 + R_2 + R_3 = 30 + 80 + 10 =120 \OmegaA continuación, hay que calcular la intensidad que sale de la pila (Ipila) vamos a aplicar la Ley de Ohm al conjunto del circuito, es decir, utilizando la resistencia equivalente:
\Large I_{pila}= \dfrac{V}{R_{eq}} = \dfrac {60}{120}=0,5AUna vez que sabemos la intensidad de la corriente que sale de la pila en un circuito en serie tenemos mucho hecho. Como hemos dicho antes, en un circuito en serie todos los componentes tienen la misma intensidad, por tanto:
\Large I_1=I_2=I_3=0,5AAsí, de sencillo, no hay que hacer ningún cálculo más para saber la intensidad por cada uno de los componentes. Sin embargo, es necesario que lo justifiques adecuadamente como se ha hecho arriba, especificando que la intensidad es igual por tratarse de un circuito en serie.
Por último, hay que calcular el voltaje en cada unode los componentes. Para ello, deberemos utilizar la primera forma de la Ley de Ohm (en la que el voltaje aparece despejado) aplicándola a cada componente por separado. Es decir:
- El voltaje del motor (componente 1) se calcula como:
- El voltaje del zumbador (componente 2) se calcula como:
- El voltaje de la resistencia (componente 3) se calcula como:
Puedes comprobar cómo al sumar los voltajes de todos los componentes el resultado es igual al voltaje de la pila. Esto siempre ocurre, ya que el voltaje es la energía que la pila proporciona a los electrones de la corriente y dicha energía se va gastando a medida que los electrones atraviesan los componentes, de manera que al regresar a la pila has agotado toda la energía.
En la siguiente tabla se agrupan todas las soluciones del ejercicio:
En un circuito en paralelo.
Al contrario que en un circuito en serie, un circuito en paralelo es aquel en el que todos los terminales izquierdos de los componentes están conectados entre sí y todos los terminales derechos también están conectados entre sí. Por ese motivo en este caso ocurre lo siguiente:
En un circuito en paralelo el voltaje en cada uno de los componentes del circuito, es decir la energía que pierden los electrones en cada componente, es exactamente el mismo. Además, dicho voltaje es el mismo que el de la pila.
Vamos a ver cómo se aplicaría la Ley de Ohm en el siguiente circuito en paralelo:
Al igual que en el ejemplo anterior, queremos calcular:
- La intensidad en cada uno de los componentes.
- El voltaje en cada uno de los componentes.
El primer paso es calcular la resistencia equivalente. Como los componentes están conectados en paralelo se utiliza la siguiente fórmula:
\Large R_{eq}= \dfrac{1}{ \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}} = \dfrac{1}{ \dfrac{1}{80} + \dfrac{1}{120}} = 48 \OmegaA continuación, para calcular la intensidad que sale de la pila (Ipila) vamos a aplicar la Ley de Ohm al conjunto del circuito, es decir, utilizando la resistencia equivalente:
\Large I_{pila}= \dfrac{V}{R_{eq}} = \dfrac {6}{48}=0,125A \approx 0,13AComo en un circuito en paralelo todos los componentes tienen el mismo voltaje y este es el mismo que el de la pila:
\Large V_1=V_2=V_3=6VAsí, de sencillo, no hay que hacer ningún cálculo más para saber el voltaje de cada uno de los componentes.
Por último, hay que calcular la intensidad en cada uno de los componentes. Para ello, deberemos utilizar la segunda forma de la Ley de Ohm (en la que la intensidad aparece despejada). En este caso tenemos que aplicar la ecuación a cada componente por separado. Es decir:
- La intensidad del motor (componente 1) se calcula como:
- La intensidad del zumbador (componente 2) se calcula como:
Como puedes comprobar, si sumas las intensidades de todos los componentes el resultado es igual a la intensidad que sale de la pila. Esto siempre tiene que ocurrir (si no ocurre es que te has equivocado en algún punto) ya que los electrones que salen de la pila se reparten entre los diferentes caminos cuando llegan a la bifurcación y después se vuelven a juntar para volver a la pila, pero en nigún punto se pierden electrones.
En la siguiente tabla se agrupan todas las soluciones del ejercicio:
Medición de magnitudes eléctricas.
Ahora que ya hemos recordado cómo se aplicaba la ley de Ohm a un circuito en serie y en paralelo vamos a aprender cómo se pueden medir las diferentes magnitudes eléctricas directamente sobre un circuito real.
Igual que utilizamos una regla o un metro para medir distancia, un reloj para medir el tiempo o una báscula para medir el peso, para medir las magnitudes eléctricas se utiliza un aparato denominado multímetro. Su nombre se debe a que permite medir multiples magnitudes: intensidad, voltaje y resistencia.
Abajo puedes ver un multímetro con sus tres partes principales: la pantalla (verde), la ruleta de selección (rojo) y los conectores (azules):
Como te puedes imaginar, la ruleta nos va a permitir seleccionar qué magnitud deseamos medir, pero hay algo más. Vamos a ver cómo, dependiendo de la magnitud, va a ser necesario conectar el multímetro de una u otra manera al circuito que deseamos medir.
El voltaje.
Vamos a comenzar por el voltaje. En primer lugar se deberán conectar los cables en las entradas recuadradas:
El color de los cables es indiferente. Habitualmente se conecta el cable negro a la entrada COM (polo negativo) y el rojo a la otra, pero ambos cables son exactamente iguales por dentro.
En segundo lugar deberemos colocar la ruleta en la alguna de las posiciones que aparecen recuadradas abajo, que son las correspondientes a las mediciones de voltaje (V):
Como puedes ver existen varias posiciones posibles, esto se debe a que parapara medir con precisión se debe colocar el selector en el rango de voltios adecuado, es decir:
- En 200m (200 milivoltios) si el voltaje es menor de 0,002V.
- En 2 si el voltaje está entre 0,002V y 2V.
- En 20 si el voltaje está entre 2V y 20V.
- En 200 si el voltaje está entre 20V y 200V.
- Y en 600 si el voltaje está entre 200V y 600V.
¡IMPORTANTE! Si conocemos aproximadamente el valor del voltaje es posible elegir directamente la posición en la que se debe colocar la ruleta. Sin embargo, lo normal es que desconozcamos dicho valor (para eso lo vamos a medir precisamente). En ese caso es muy importante…
colocar la ruleta en el valor más alto posible de nuestro multímetro (en este caso en 600) e ir bajando hasta que en la pantalla aparezca el valor deseado (el anterior a que aparezca un 1 en la pantalla).
De esta manera evitaremos que el aparato pueda sufrir daños, ya que si intentamos medir un valor de voltaje muy alto colocando la ruleta en los valores más bajos el multímetro se puede dañar.
Por último, deberemos apoyar los punteros de los cables a ambos lados del componente cuyo voltaje deseamos medir. En la foto de la izquierda se ha colocado el multímetro para medir el voltaje de la bombilla y en el de la derecha para medir el voltaje del motor:
Como puedes comprobar, al sumar el voltaje de uno y otro componente el resultado es 8,88. Antes hemos dicho que en un circuito en serie la suma de los voltajes debe ser igual al voltaje de la pila, que en este caso es de 9V. Este pequeño error de poco más de una décima de voltio se debe a que en la realidad, se producen pequeñas pérdidas en los cables del circuito, por ese motivo es normal que al medir físicamente el voltaje de los componentes su suma sea ligeramente inferior al voltaje de la pila.
En un multímetro real (la foto es del simulador de circuitos de Tinkercad) en la pantalla no se suele especificar si el resultado está en voltios o en milivoltios. Para saber las unidades del resultado hay que fijarse en qué posición está la ruleta.
- El resultado estará en voltios (V) si la ruleta está en las posiciones 2, 20, 200 o 600.
- Y estará en milivoltios (mV) si está en la posición 200m.
Si la ruleta está en una posición correspondiente a milivoltios (en este caso la única es la posición 200m) el resultado aparecerá en milivoltios. De lo contrario el resultado aparecerá en voltios.
También debes saber que si el valor que marca la pantalla tiene un signo menos delante no significa otra cosa más que has conectado el cable negativo del multímetro al terminal positivo del componente y viceversa.
La intensidad.
Para medir la intensidad normalmente se colocarán los cables de la misma manera que para medir voltaje:
Sin ebargo, si se pretenden medir intensidades muy grandes (entre los 200mA y los 10A) se debe utilizar la otra entrada disponible:
A continuación se deberá colocar la ruleta en la posición adecuada. Igual que hemos hecho con el voltaje, si desconocemos el valor aproximado de la intensidad empezaremos por el valor más alto posible. De esta manera evitaremos que se produzcan daños en el aparato.
Y de la misma manera que al medir el voltaje iremos girando la ruleta hacia valores más pequeños hasta obtener el valor correcto (en anterior a que salga un 1 en la pantalla).
Una vez hecho esto hay que colocar los punteros de los cables adecuadamente para medir la intensidad. En este caso será necesario abrir el circuito de tal manera que la corriente que circula por él pase a circular también a través del multímetro. Existen varias posibilidades y todas ellas darán el mismo resultado. Abajo se muestran dos:
De nuevo, en un multímetro real no aparecerán las unidades de la medida. sabremos si se trata de amperios, miliamperios o microamperios en función de la posición de la ruleta. Por ejemplo, en el amperímetro de la foto:
- El resultado estará en amperios (A) si la ruleta está en la posición 10A.
- Estará en miliamperios (mA) si están en las posiciones 200m, 20m o 2m.
- Y estará en microamperios (μA) si está en la posición 200μ.
La resistencia.
Por último, para medir la resistencia es necesario desconectar el componente que deseamos medir del circuito. Posicionaremos la ruleta en alguna de las posiciones de la imagen:
Y los cables en las entradas normales:
Igual que se ha hecho en los dos casos anteriores, si se desconoce el valor de la resistencia se colocará la ruleta en el mayor rango posible (en este caso en 2M = 2megaohmios) y se irá bajando hasta dar con el valor correcto (el anterior a que salga un 1 en la pantalla).
Abajo se muestra como se mediría la resistencia de la bombilla y del motor por separado:
Si se deseara medir la resistencia equivalente de ambos componentes habría que colocar el multímetro así:
Como en los casos anteriores, para saber las unidades del resultado que aparece en la pantalla hay que fijarse en qué posición está la ruleta. En el multímetro de la imagen:
- El resultado estará en megaohmios (MΩ) si la ruleta está en la posición 2M.
- Estará en kiloohmios (kΩ) si está en las posiciones 200k, 20k o 2k.
- Y estará en ohmios (Ω) si está en la posición 200.