2.7: Disipación de potencia

PARTES 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 resistencia no necesitan ser exactos, sino 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 las resistencias de tolerancia del 5% de 10 Ω y 330 Ω son los siguientes: Marrón, Negro, Negro, Oro (10, +/- 5%) y Naranja, Naranja, Marrón, Oro (330, +/- 5%).

No utilice 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 utilizado para tomar la temperatura corporal.

Referencias cruzadas

Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 2: “Ley de Ohm”

Objetivos de aprendizaje

• Uso del voltímetro
• Uso de amperímetro
• Uso del ohmímetro
• Uso de la Ley de Joule
• Importancia de la potencia nominal de los componentes
• Importancia de los puntos eléctricamente comunes

Diagrama esquemático

Ilustracion

Instrucciones

Mida la resistencia de cada resistencia 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 utilizando un par de cables puente como se muestra en la ilustración. Conecte los cables puente a los terminales de la resistencia antes de conectar los otros extremos a la batería. Esto asegurará que sus dedos no toquen la resistencia cuando se aplique energía de la batería.

Quizás se pregunte por qué aconsejo que no haya contacto corporal con la resistencia alimentada. Esto se debe a que se calentará cuando sea alimentado por la batería. Utilizarás el termómetro para medir la temperatura de cada resistor cuando esté alimentado.

Con la resistencia de 330 Ω conectada a la batería, mida el voltaje con un voltímetro. En la medición de voltaje, hay más de una manera 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 comunes eléctricamente entre sí. El voltaje medido entre cualquier punto en el cable superior y cualquier punto en el cable inferior debe ser el mismo. El voltaje medido entre dos puntos comunes cualquiera, sin embargo, debe ser cero.

Usando un amperímetro, mida la corriente a través del circuito. Nuevamente, no hay una manera “correcta” de medir la corriente, siempre y cuando el amperímetro se coloque dentro de la trayectoria de flujo de electrones a través de la resistencia y no a través de una fuente de voltaje. Para ello, haga una interrupción en el circuito, y coloque el amperímetro dentro de esa ruptura: conecte las dos sondas de prueba a los dos extremos de cable o terminal que quedan abiertos desde la rotura. Una opción viable se muestra en la siguiente ilustración:

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 disipación de energía. 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 del caudal de electrones, la potencia es la medida de la velocidad de trabajo: qué tan rápido se está haciendo el trabajo en el circuito. Se necesita cierta cantidad de trabajo para empujar electrones a través de una resistencia, y el poder es una descripción de cuán rápido se está llevando a cabo ese trabajo. En las ecuaciones matemáticas, el poder se simboliza con la letra “P” y se mide en la unidad del vatio (W).

La potencia puede calcularse mediante una cualquiera de las tres ecuaciones, denominadas colectivamente Ley de Joule, dadas dos de cada 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 manera que lo calcule, la cifra de disipación de potencia debería ser aproximadamente la misma. Asumiendo una batería con 6.000 voltios y una resistencia de exactamente 330 Ω, la disipación de potencia será de 0.1090909 watts, o 109.0909 mili-watts (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 debería sobrecalentarse. Toque el extremo del termómetro a la mitad de la resistencia y vea qué tan caliente se pone.

La clasificación de potencia de cualquier componente eléctrico no nos dice cuánta energía disipará, sino simplemente cuánta energía puede disipar sin sufrir daños. Si la cantidad real de potencia disipada excede la potencia nominal de un componente, ese componente aumentará la temperatura hasta el punto de daño.

Para ilustrar, desconecte la resistencia de 330 Ω y sustitúyala por 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 hacerlo es desconectar un cable puente de un terminal de batería, luego desconectar la resistencia de 330 Ω de los dos clips de cocodrilo, luego conectar la resistencia de 10 Ω entre los dos clips y finalmente volver a conectar el cable puente al terminal de la batería.

Precaución: ¡mantenga la resistencia de 10 Ω lejos de cualquier material inflamable 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 fumar. Ante la primera señal de angustia, desconecte uno de los cables puente de un terminal de batería para interrumpir la corriente del circuito, y darle a la resistencia unos momentos para que se enfríe. Con la alimentación aún desconectada, mida la resistencia de la resistencia con un ohmímetro y anote 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 puente y deje que fume un poco más.

¿Qué tendencia notas con el valor de la resistencia ya que se daña cada vez más al sobrealimentarse? Es típico de las resistencias fallar con una resistencia mayor de lo normal cuando se sobrecalientan. Este suele ser un modo de falla autoprotector, 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 de la resistencia no volverá si está suficientemente dañado.

Realizando algunos cálculos de la Ley de Joule para la potencia del resistor nuevamente, encontramos que una resistencia de 10 Ω conectada 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!