Entiendo el funcionamiento de los circuitos eléctricos
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Actividades experimentales
Para la realización de las actividades experimentales, es utilizado un montaje con material
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La conexión mixta, sin embargo, no permite cualquier predictibilidad sobre el
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La comprensión técnica de ese circuito es presentado en la Fig. 5:
Determinación de la resistencia de las lámparas:
P = V2...
cualquier circuito serie. Hay, por lo tanto, un comportamiento previsible en las conexiones
paralela y serie. El mejor est...
La resistencia equivalente total del circuito será dada por la conexión serie formada por la
lámpara L1,
Req 2,3 y Req 4,5...
Segundo montaje con conexión mixta
El segundo montaje es presentado en la Fig. 9. El esquema eléctrico es mostrado en la
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Análisis de los resultados y previsión de las lámparas que encenderán
La lámpara L1 no encenderá. La potencia prevista par...
Notas
1. La previsión de la intensidad luminosa restrinja- se-á a la comparación entre la
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Traduccion entiendo el funcionamiento de los circuitos eléctricos

  1. 1. Entiendo el funcionamiento de los circuitos eléctricos El estudio de la electricidad es repleto de conceptos abstractos y de difícil comprensión, tales como: campo eléctrico, diferencia de potencial, corriente eléctrica, entre otros. Un largo camino hasta que los estudiantes tengan conocimiento suficiente para entender el funcionamiento de los circuitos eléctricos básicos, compuestos de resistores asociados en serie, paralelo o asociación mixta. El contenido es extenso y su estudio es arduo, provocando el desinterés de muchos alumnos. Ese cuadro puede ser, en parte, revertido con actividades experimentales lúdicas y desafiadoras para los alumnos. Esas actividades consisten en el profesor proponer a los alumnos prevean cuáles lámparas encenderán en una determinada conexión eléctrica y con qué intensidad luminosa. Funciona como un juego donde gana quién acertar la previsión. La práctica cotidiana establece que una lámpara enciende cuando el conmutador es conectado. Es también ampliamente conocido que una lámpara incandescente de 100 W ilumina más un ambiente que una lámpara de 40 W, o sea, lámparas de mayor potencia nominal emiten mayor intensidad de luz. Esa lógica, bien conocida, está en perfecto acuerdo con el estudio de la electricidad, en particular, de los circuitos eléctricos. Sin embargo, cabe al profesor destacar, y a los alumnos comprender, que ese comportamiento de las lámparas es consecuencia del tipo de conexión a que están sujetas en las residencias, escuelas, y demasiado establecimientos. Cambiando la conexión entre las lámparas, se altera su funcionamiento. De esta forma, se puede afirmar que el comportamiento de las lámparas en las instalaciones domésticas y comerciales es sólo un caso particular de los tipos de conexiones eléctricas posibles que son estudiadas en electricidad. Lámparas incandescentes comportan- se como los resistores eléctricos estudiados en la teoría de los circuitos. En las actividades experimentales que serán propuestas, las lámparas incandescentes harán el papel de los resistores, y la intensidad de luz emitida dará la percepción visual de la potencia disipada en cada lámpara. Con eso, será posible volver a ver y comprobar los contenidos previamente enseñados Durante las actividades experimentales, el alumno percibirá que él sólo tendrá éxito en sus previsiones sobre cuáles lámparas encenderán utilizarse correctamente los conceptos estudiados en sala de clase, en particular, en el caso de la conexión mixta. Metodología El método consiste en inicialmente presentar a los alumnos los contenidos teóricos sobre electrodinámica, entre ellos: d.d.p., corriente eléctrica, resistencia eléctrica, ley de Ohm, así como las asociaciones de resistores, destacando las principales características de cada una de esas asociaciones. Después de todos los contenidos estudiados, es propuesta una serie de demostraciones experimentales con objetivo de aplicación, fijación y comprensión del funcionamiento de los circuitos eléctricos
  2. 2. Actividades experimentales Para la realización de las actividades experimentales, es utilizado un montaje con material fácilmente encontrado en cualquier tienda de material tranvía. El montaje deberá posibilitar la demostración de las conexiones serie, paralela y mixta. Lista de materiales Hoja de Eucatex - 40 cm x 40 cm 3 lámparas incandescentes de 15 W 7 tomas externas 1 lámpara incandescente de 7 W 1 conmutador externo 3 m de hilo paralelo de 2,5 mm2 1 disyuntor 30 A 2 tomas macho Hilo 2,5 mm2 5 boquillas con toma macho 1 lámpara incandescente de 60 W La Fig. 1 presenta el montaje del circuito que será utilizado para las conexiones eléctricas propuestas, y la Fig. 2 muestra las lámparas e hilos que serán utilizados en las diversas conexiones. Procedimiento La primera demostración debe ser la asociación paralela, pues ayuda los alumnos a comprender la teoría de los circuitos eléctricos a partir de sus conocimientos empíricos. Después de presentada la conexión paralela, se debe presentar la conexión serie. En esta, se puede mostrar que el funcionamiento de las lámparas ocurre en clara oposición a la conexión paralela. En ambas conexiones presentadas, es posible quitar conclusiones generales sobre la potencia nominal de las lámparas y el respectivo brillo suministrado por ellas cuando conectadas en serie o paralelo.
  3. 3. La conexión mixta, sin embargo, no permite cualquier predictibilidad sobre el funcionamiento de las lámparas, la menos que se utilice la teoría de los circuitos eléctricos. Por eso, la conexión se hace más desafiadora. Ese es el foco céntrico de los experimentos: motivar los alumnos para que, de forma lúdica, semejante a un juego, ellos utilicen sus conocimientos teóricos para determinar, con antelación, cuáles lámparas encenderán en una determinada conexión mixta. Conexión paralela La conexión paralela debe ser montada utilizando lámparas de potencias nominales diferentes a fin de que los alumnos perciban que lámparas de mayor potencia nominal suministran mayor intensidad luminosa. Se puede muestre aunque, al desconectarse una lámpara, el funcionamiento de las demás es inalterado. Esas observaciones experimentales se verifican en el cotidiano del alumno. Desconectar la lámpara de un ambiente no implica desconectar obligatoriamente las lámparas de los demás ambientes. A partir de esas observaciones, es posible concluir que la conexión residencial es una asociación paralela. La conexión paralela es presentada en la Fig. 3. Conexión serie. Para efecto de comparación, se deben utilizar las mismas lámparas empleadas en la conexión paralela para montar la conexión serie, conforme la Fig. 4. Cuáles lámparas encenderán? Al conectar el conmutador, el desconformo de los alumnos es evidente. Las lámparas de mayor potencia nominal emiten menos luz. Eventualmente, una o más lámparas no encenderán en función de la baja potencia disipada en ellas. ES justamente el caso presentado en la Fig. 4.
  4. 4. La comprensión técnica de ese circuito es presentado en la Fig. 5: Determinación de la resistencia de las lámparas: P = V2/R. Lámpara de 7 W: R7 W = 1102/7 ≈ 1700 Ω Lámpara de 15 W: R15 W = 1102/15 ≈ 800 Ω Lámpara de 60 W: R60 W = 1102/60 ≈ 200 Ω Resistencia equivalente del circuito serie: Req = 200+800+1700 = 2700 Ω Corriente eléctrica del circuito serie: i = 110/2700 ≈ 40 mA Potencia disipada en cada lámpara L1 (60 W):P = r.i2 = 200.(40 mA)2 ≈ 0,3 W L2 (15 W): P = r.i2 = 800.(40 mA)2 ≈ 1,3 W L3 (7 W): P = r.i2 = 1700.(40 mA)2 ≈ 2,7 W La potencia disipada en la lámpara de 60 W es prácticamente nula, lo que explica ella permanezca “borrada” en la Fig. 4. La lámpara de 7 W disipa la mayor potencia entre las lámparas, emitiendo mayor intensidad luminosa. La potencia disipada prevista en la lámpara de 15 W es cerca de 10% de su potencia nominal. Por eso, sólo su filamento queda enrudecido, sin emisión significativa de luz. Después de las observaciones experimentales, se pueden quitar conclusiones generales. Lámparas de más pequeña potencia nominal tienen mayor resistencia eléctrica (R = V2/P). En un circuito serie, la corriente eléctrica es igual para todos los resistores. Como P = R.i2, cuánto mayor la resistencia, mayor la potencia y, consecuentemente, mayor la intensidad luminosa emitida por la lámpara. ES el opuesto del que acontece en la conexión paralela, donde lámparas de mayor potencia nominal emiten más intensidad luminosa. Habiendo visto las conexiones paralela y serie, los alumnos perciben que, cambiando la forma de conexión de las lámparas, la luz emitida por ellas también cambia. Aún con el estrechamente, los alumnos concluyen que, en una conexión serie, lámparas de mayor potencia nominal emitirán más pequeña intensidad de luz. ES un comportamiento general y válido para
  5. 5. cualquier circuito serie. Hay, por lo tanto, un comportamiento previsible en las conexiones paralela y serie. El mejor está por venir. Conexión mixta En el montaje de la conexión mixta, las lámparas deben ser encajadas en las tomas de modo aleatorio, de preferencia con la participación de los alumnos. Con las lámparas conectadas, queda la expectativa: cuáles lámparas encenderán? Al cerrar el conmutador, se verifica que ni todas encienden. ES interesante intercambiarlas de posición algunas veces para que los alumnos perciban que no es posible hacer cualquier previsión confiable sobre cuáles de ellas encenderán. Enseguida, se escoge una asociación cualquiera de lámparas sin conectar el conmutador. Delante de la incertidumbre en cuanto al funcionamiento de la nueva asociación, se puede demostrar que, aplicando la teoría de los circuitos eléctricos a la conexión escogida, se obtiene una previsión bastante razonable sobre cuáles lámparas encenderán. Para eso, basta determinar la potencia disipada en cada una de ellas y compararla con su valor nominal. A continuación, serán presentadas dos conexiones mixtas para evidenciar que, aún utilizando las mismas lámparas, la emisión de luz puede cambiar completamente se sean alteradas sus posiciones en el circuito. Primer montaje con conexión mixta El primer montaje con la conexión mixta será hecha conforme la Fig. 6. El esquema eléctrico de la Fig. 6 es presentado abajo en la Fig. 7 y debe ser mostrado a los alumnos para la debida comparación entre el aparato experimental y su representación. Resistencia equivalente de la conexión paralela de las lámparas L2 y L3 Req 2,3 = 400 Ω. Resistencia equivalente de la conexión paralela de las lámparas L4 y L5 Req4,5=200*800/200+800=160 Ω.
  6. 6. La resistencia equivalente total del circuito será dada por la conexión serie formada por la lámpara L1, Req 2,3 y Req 4,5 Rreq = 1700+400+160 = 2260 Ω Determinación de la corriente eléctrica en la lâmpada L1. Determinación de la d.d.p. entre los puntos B y C VBC = R.i = 400 x 0,049 = 19,6 V Determinación de la d.d.p. entre los puntos C y D VCD = R.i = 160 x 0,049 = 7,8 V Determinación de la potencia en las lâmpadas: L1: P = r.i2 = 1700 x (0,049)2 = 4 W L2 = L3: P = V2/R = 19,62/800 = 0,48 W L4: P = V2/R = 7,82/200 ≈ 0,3 W L5: P = V2/R = 7,82/800 Análisis de los resultados y previsión de las lámparas que encenderán Las lámparas L2, L3, L4 y L5 tienen potencias disipadas previstas menores que 0,5 W. Este valor, comparado a las potencias nominales de las referidas lámparas, es prácticamente cero. Por eso, esas lámparas no encenderán. La lámpara L1, en consonancia con los cálculos, deberá disipar una potencia de 4 W, cerca de 60% de la potencia nominal, por lo tanto esta lámpara encenderá. La comprobación de las previsiones es hecha al conectarse el circuito. Con el conmutador conectado, el resultado puede ser observado en la Fig. 8.
  7. 7. Segundo montaje con conexión mixta El segundo montaje es presentado en la Fig. 9. El esquema eléctrico es mostrado en la Fig. 10. Determinación de la resistencia equivalente: la resistencia equivalente de la conexión paralela es . La resistencia equivalente total del circuito será dada por la conexión serie formada por la lámpara L1, Req 2,3,4 y L5. Rreq = 200 320 800 = 1320 Ω Determinación de la corriente eléctrica en las lámparas L1 y L5 (que es la propia corriente en el generador) i = 110/1320 ≈ 83 mA Determinación de la d.d.p. entre los puntos B y C VBC = r.i = 320.0,083 = 26,6 V Potencia disipada en las lámparas L1: P60 W = r.i2 = 200.0,0832 = 1,4 W L2 y L4: P15 W = V2/R = 26,62/800 ≈ 0,9 W L3: P7 W = V2/R = 26,62/1700 ≈ 0,4 W L5: P’15 W = r.i2 = 800.0,0832 = 5,5 W
  8. 8. Análisis de los resultados y previsión de las lámparas que encenderán La lámpara L1 no encenderá. La potencia prevista para ser disipada en esa lámpara es cerca de 2% de su potencia nominal. Las lámparas L2, L3 y L4 tienen potencia prevista de cerca de 6% de su potencia nominal. Este valor deja duda sobre la lámpara no encender o ser posible percibir sólo el filamento enrudecido. Ese margen de error no compromete el experimento, crea inclusive una expectativa saludable en la turma sobre el resultado del mismo. La lámpara L5 ciertamente encenderá, pues la potencia disipada prevista es cerca de 35% de su potencia nominal. El resultado es presentado en la Fig. 11. Evaluación, desafíos y la diversión Como forma de evaluación de la clase, es posible intercambiar las lámparas de posición y pedir a los alumnos que determinen cuáles de ellas encenderán. Cuando los alumnos terminen los cálculos, el profesor puede hacer una consulta previa a la turma sobre sus expectativas de funcionamiento antes de conectar el conmutador. Habiendo cualquier discrepancia entre el resultado teórico y el experimental, el profesor podrá analizar y discutir con los alumnos eventuales fallos cometidos en los cálculos. Consideraciones finales El montaje inicial con el circuito paralelo sirve para el alumno confirmar su concepto sobre potencia de los resistores, comparando a la intensidad de la luz emitida. En el circuito serie la lógica se invierte: la lámpara de mayor potencia nominal emite más pequeña intensidad de luz. ES el momento del profesor acordar que las lámparas incandescentes vendidas en el comercio fueron proyectadas para disipar la potencia nominal cuando sometidas a d.d.p. especificada (110 V o 220 V) en el bulbo de la lámpara. En la conexión serie, a d.d.p. aplicada a un resistor depende de la resistencia equivalente del circuito y de la corriente eléctrica. Por eso, la intensidad de luz emitida por una lámpara conectada en serie depende de las demás lámparas del circuito. La conexión mixta es completamente imprevisible, lo que hace la actividad experimental un verdadero desafío: descubrir cuáles lámparas encenderán. Ese desafío será vencido por aquellos que dominen los contenidos de electricidad. No hay márgenes establecidos sobre el porcentual del valor nominal de la lámpara para determinar si ella encenderá o no. La incertidumbre forma parte de la previsión y debe ser discutida con los alumnos, hasta porque la plantilla teórica utilizado desconsidera algunas variables, como: la variación de la resistencia eléctrica de las lámparas con a temperatura, la correspondiente variación de la d.d.p. aplicada a las lámparas y la consecuente variación de la intensidad luminosa emitida. Esos factores pueden provocar pequeñas discrepancias entre la previsión teórica y el resultado experimental.
  9. 9. Notas 1. La previsión de la intensidad luminosa restrinja- se-á a la comparación entre la luminosidad emitida por las lámparas, estableciendo cual(es) enciende (m) más fuerte, más débil y, eventualmente, cual(es) no enciende (m). 2. Potencia nominal es la potencia establecida por el fabricante y presentada en el bulbo de la lámpara. 3. Una alternativa es presentar, durante las clases teóricas sobre cada una de las asociaciones de resistores, la respectiva actividad experimental con la correspondiente conexión de las lámparas. Sugiero, en este caso, la secuencia de clases sobre: asociación paralela, asociación serie y asociación mixta. La justificación para esa secuencia es presentada al inmediatamente del texto. 4. En el experimento, lámparas de 60 W, 15 W y 7 W. 5. Los cálculos presentados considerarán la tensión en la toma de 110 V. No será considerada la variación de la resistencia eléctrica de las lámparas incandescentes con la temperatura.

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