Laboratorio de divisor de voltaje: diseño, medición y verificación de la ley de voltaje de Kirchhoff

PIEZAS Y MATERIALES

• Calculadora (o lápiz y papel para aritmética)
• Batería de 6 voltios
• Resistencias de 1 kΩ a 100 kΩ

Para lecturas precisas, limitamos los valores de resistencia a la banda 1 kΩ–100 kΩ. Resistencias extremadamente bajas pueden causar que la resistencia interna del amperímetro distorsione mediciones de corriente, mientras que resistencias muy altas pueden cargar el voltímetro y alterar la resistencia efectiva del circuito.

REFERENCIAS CRUZADAS

Lecciones en Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 6: «Circuitos Divisores y Leyes de Kirchhoff».

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

• Usar voltímetro, amperímetro y óhmetro
• Aplicar la Ley de Ohm
• Aplicar la Ley de Voltaje de Kirchhoff (KVL)
• Diseñar un divisor de voltaje

DIAGRAMA ESQUEMÁTICO

ILUSTRACIÓN

INSTRUCCIONES

Este ejercicio demuestra tres métodos de construcción comunes: protoboard, tira de terminales y forma libre. Construir el mismo circuito con cada técnica te ayudará a apreciar sus respectivas ventajas y limitaciones. El enfoque de forma libre, que usa cables puente estilo cocodrilo, es adecuado para una demostración simple; los protoboards proporcionan versatilidad y alta densidad de componentes pero son temporales; las tiras de terminales ofrecen un ensamblaje más permanente a costa de espacio.

Selecciona tres resistencias de tu surtido y verifica cada valor con un óhmetro. Registra las mediciones. Conecta las resistencias en serie y únelas a la batería de 6 voltios como se muestra. Mide el voltaje de la batería con un voltímetro mientras el circuito está alimentado, y anota esta lectura. Aunque la carga es ligera, medir bajo carga produce datos que reflejan condiciones reales de operación.

Usa la Ley de Ohm (I = E/R) para calcular la corriente esperada del circuito. Verifica este valor midiendo la corriente con un amperímetro (ver el ejemplo de tira de terminales abajo).

Con valores de resistencia entre 1 kΩ y 100 kΩ y una fuente de 6 voltios, la corriente estará en el rango de miliamperios o microamperios. Los medidores digitales típicamente indican la escala (m o μ) en la pantalla; asegúrate de leerla correctamente.

Luego, usa la corriente calculada para predecir la caída de voltaje a través de cada resistor (V = I R). Cambia tu multímetro a modo voltaje y mide cada caída. Los valores medidos deberían coincidir estrechamente con las predicciones, confirmando el principio del divisor de voltaje: la caída de cada resistor es una fracción fija del voltaje total, determinada por su resistencia relativa al total en serie.

La siguiente sección valida la Ley de Voltaje de Kirchhoff (KVL). Asigna un número único a cada nodo distinto en el circuito; nodos directamente conectados comparten el mismo número. Por ejemplo, usa números 0–3 como se ilustra abajo. Adjunta pequeñas etiquetas o cinta para indicar los números de nodo en el circuito real.

Usando un voltímetro digital, mide la diferencia de voltaje alrededor de un bucle cerrado (p. ej., 0 → 1 → 2 → 3 → 0). Registra cada lectura con su signo como se muestra —no inviertas las conexiones de las puntas para forzar un resultado «positivo». Suma los voltajes firmados algebraicamente; el total debería ser cero, demostrando KVL. Puedes elegir cualquier bucle que empiece y termine en el mismo nodo; todos satisfarán la ley.

A continuación, pasos ilustrativos alrededor del bucle 0-1-2-3-0:

Medidas típicas producen tres valores positivos y uno negativo; sumándolos algebraicamente se obtiene cero.

Siéntete libre de experimentar con diferentes bucles, como 1 → 2 → 3 → 1, y verifica que la suma algebraica permanece cero. Esta propiedad se mantiene independientemente de la topología del circuito.

La Ley de Voltaje de Kirchhoff es una herramienta analítica poderosa que permite predecir magnitudes y polaridades de voltaje en cualquier red asegurando que la suma algebraica alrededor de cualquier camino cerrado es cero.

SIMULACIÓN POR COMPUTADORA

Netlist (crea un archivo de texto conteniendo lo siguiente textualmente):

 Divisor de voltaje
v1 3 0
r1 3 2 5k
r2 2 1 3k
r3 1 0 2k
.dc v1 6 6 1
* Voltajes alrededor del bucle 0-1-2-3-0 suman algebraicamente a cero
.print dc v(1,0) v(2,1) v(3,2) v(0,3)
* Voltajes alrededor del bucle 1-2-3-1 suman algebraicamente a cero
.print dc v(2,1) v(3,2) v(1,3)
.end

La simulación usa nodos 0–3, con valores de resistencia elegidos para proporcionar 50%, 30% y 20% del voltaje total a través de R1, R2 y R3 respectivamente. Puedes alterar el voltaje de fuente o valores de resistencia como desees. Ejecutar la simulación producirá valores de voltaje; sumar cada línea confirma la ley.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

Hoja de Trabajo Circuitos Divisores de Voltaje