Disipación de energía

PIEZAS Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para hacer aritmética)
• batería de 6 voltios
• Dos resistencias de 1/4 vatios:10 Ω y 330 Ω.
• Termómetro pequeño

Los valores de la resistencia no necesitan ser exactos, pero dentro del cinco por ciento de las cifras especificadas (+/- 0,5 Ω para la resistencia de 10 Ω; +/- 16,5 Ω para la resistencia de 330 Ω).

Los códigos de color para resistencias de 10 Ω y 330 Ω de tolerancia del 5% son los siguientes:marrón, negro, negro, dorado (10, +/- 5%) y naranja, naranja, marrón, dorado (330, +/- 5%) .

No use ningún tamaño de batería que no sea de 6 voltios para este experimento.

El termómetro debe ser lo más pequeño posible para facilitar la detección rápida del calor producido por la resistencia.

Recomiendo un termómetro médico, del tipo que se usa para medir la temperatura corporal.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones de circuitos eléctricos , Volumen 1, capítulo 2:"Ley de Ohm"

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Uso de voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la ley de Joule
• Importancia de las clasificaciones de potencia de los componentes
• Importancia de los puntos eléctricamente comunes

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Mida la resistencia de cada resistor con su ohmímetro, anotando los valores exactos en una hoja de papel para referencia posterior.

Conecte la resistencia de 330 Ω a la batería de 6 voltios con un par de cables de puente como se muestra en la ilustración.

Conecte los cables de puente a los terminales de la resistencia antes conectando los otros extremos a la batería.

Esto asegurará que sus dedos no toquen la resistencia cuando se aplica la energía de la batería.

Quizás se pregunte por qué no aconsejo ningún contacto corporal con la resistencia activada. Esto se debe a que se calienta cuando se alimenta con la batería.

Utilizará el termómetro para medir la temperatura de cada resistor cuando esté encendido.

Con la resistencia de 330 Ω conectada a la batería, mida el voltaje con un voltímetro.

Al medir voltaje, hay más de una forma de obtener una lectura adecuada.

El voltaje se puede medir directamente a través de la batería o directamente a través de la resistencia.

El voltaje de la batería es el mismo que el voltaje de la resistencia en este circuito, ya que esos dos componentes comparten el mismo conjunto de puntos eléctricamente comunes:un lado de la resistencia está conectado directamente a un lado de la batería y el otro lado de la resistencia está conectado directamente al otro lado de la batería.

Todos los puntos de contacto a lo largo del cable superior en la ilustración (de color rojo) son eléctricamente comunes entre sí.

Todos los puntos de contacto a lo largo del cable inferior (de color negro) son igualmente eléctricamente comunes entre sí.

El voltaje medido entre cualquier punto del cable superior y cualquier punto del cable inferior debe ser el mismo.

Voltaje medido entre dos puntos comunes , sin embargo, debería ser cero.

Con un amperímetro, mida la corriente a través del circuito. Nuevamente, no hay una forma "correcta" de medir la corriente, siempre que el amperímetro se coloque dentro de la ruta de flujo de electrones a través de la resistencia y no a través de una fuente de voltaje.

Para hacer esto, haga una ruptura en el circuito y coloque el amperímetro dentro que se rompen:conecte las dos sondas de prueba a los dos cables o terminales que quedan abiertos desde la ruptura. En la siguiente ilustración se muestra una opción viable:

Ahora que ha medido y registrado la resistencia de la resistencia, el voltaje del circuito y la corriente del circuito, está listo para calcular la potencia disipación.

Mientras que el voltaje es la medida del "empuje" eléctrico que motiva a los electrones a moverse a través de un circuito, y la corriente es la medida de la tasa de flujo de electrones, la potencia es la medida de la tasa de trabajo :qué tan rápido se está haciendo el trabajo en el circuito.

Se necesita una cierta cantidad de trabajo para empujar los electrones a través de una resistencia, y el poder es una descripción de cuán rápidamente ese trabajo se está llevando a cabo.

En las ecuaciones matemáticas, la potencia se simboliza con la letra "P" y se mide en la unidad de Watt (W).

La potencia se puede calcular mediante cualquiera de las tres ecuaciones, denominadas colectivamente Ley de Joule, dadas dos de las tres cantidades de voltaje, corriente y resistencia:

Intente calcular la potencia en este circuito, utilizando los tres valores medidos de voltaje, corriente y resistencia.

De cualquier forma que lo calcule, la cifra de disipación de energía debería ser aproximadamente la misma.

Suponiendo una batería con 6.000 voltios y una resistencia de exactamente 330 Ω, la disipación de potencia será de 0.1090909 vatios, o 109.0909 milivatios (mW), para usar un prefijo métrico.

Dado que la resistencia tiene una potencia nominal de 1/4 vatio (0,25 vatios o 250 mW), es más que capaz de mantener este nivel de disipación de potencia.

Debido a que el nivel de potencia real es casi la mitad de la potencia nominal, la resistencia debería calentarse notablemente pero no sobre calor.

Toque el extremo del termómetro en el centro de la resistencia y vea qué tan caliente se calienta.

La potencia nominal de cualquier componente eléctrico no nos dice cuánta potencia tendrá disipar, sino simplemente cuánto poder puede disiparse sin sufrir daños.

Si la cantidad real de energía disipada excede la potencia nominal de un componente, ese componente aumentará la temperatura hasta el punto de dañarse.

Para ilustrar, desconecte la resistencia de 330 Ω y reemplácela con la resistencia de 10 Ω. Nuevamente, evite tocar la resistencia una vez que el circuito esté completo, ya que se calentará rápidamente.

La forma más segura de hacer esto es desconectar un cable de puente de un terminal de la batería, luego desconectar la resistencia de 330 Ω de las dos pinzas de cocodrilo, luego conectar la resistencia de 10 Ω entre las dos pinzas y finalmente volver a conectar el cable de puente a la batería. terminal.

Precaución:mantenga la resistencia de 10 Ω alejada de materiales inflamables cuando esté alimentada por la batería.

Es posible que no tenga tiempo suficiente para tomar medidas de voltaje y corriente antes de que la resistencia comience a humear.

A la primera señal de peligro, desconecte uno de los cables de puente de un terminal de la batería para interrumpir la corriente del circuito y deje que la resistencia se enfríe unos momentos.

Con la energía aún desconectada, mida la resistencia del resistor con un ohmímetro y observe cualquier desviación sustancial de su valor original.

Si la resistencia aún mide dentro de +/- 5% de su valor anunciado (entre 9,5 y 10,5 Ω), vuelva a conectar el cable de puente y deje que fume un poco más.

¿Qué tendencia observa con el valor de la resistencia a medida que se daña cada vez más por la sobrecarga?

Es típico que las resistencias fallen con una resistencia superior a la normal cuando se sobrecalientan.

Este es a menudo un modo de falla de autoprotección, ya que una mayor resistencia da como resultado menos corriente y (generalmente) menos disipación de energía, enfriándola nuevamente. Sin embargo, el valor de resistencia normal del resistor no regresará si está suficientemente dañado.

Al realizar nuevamente algunos cálculos de la ley de Joule para la potencia del resistor, encontramos que un resistor de 10 Ω conectado a una batería de 6 voltios disipa aproximadamente 3.6 vatios de potencia, aproximadamente 14.4 veces su disipación de potencia nominal. ¡No es de extrañar que fume tan rápido después de la conexión a la batería!

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de energía, trabajo y potencia