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Medición de la fem y la resistencia interna de una fuente de energía eléctrica

 Elaborador por: Dr. Pablo Valdés Castro, Dr. José Alberto Gregorio Alvarado Lemus, Dr. Jose Bibiano Varela Nájera, Dr. José Manuel Mendoza Román, M.C. Levy Noé Inzunza Camacho


Objetivo: Determina utilizando una simulación la fem y la resistencia interna de una fuente de energía eléctrica.


Toda fuente de energía eléctrica posee cierta resistencia eléctrica interna r. En particular, en el interior de una pila las partículas cargadas se mueven contra la resistencia que les presentan los átomos y moléculas entre los que se desplazan. La fem ε de la fuente representa la energía por unidad de carga acumulada en sus terminales que se transforma de algún tipo de energía (química, mecánica, luminosa, etc.), en energía potencial eléctrica. Cuando por el circuito pasa corriente, una parte de esa energía potencial es utilizada en los diferentes dispositivos del circuito (bombillo, calentador, motor, etc.) y otra parte se transforma en energía térmica dentro de la fuente.

En algunos casos la resistencia interna r de la fuente es despreciable comparada con la resistencia externa R, pero en otros casos no. La energía por unidad de carga ε que se transforma en el receptor de resistencia R es IR y la que se transforma en energía térmica en el interior de la fuente Ir. Por consiguiente, ε = IR + Ir = I(R + r). Esta ecuación evidencia que si R >> r, entonces ε ≈ IR = V, o sea, en ese caso la fem es igual al voltaje V indicado por el voltímetro

Accede a la dirección: http://www.thephysicsaviary.com/Physics/Programs/Labs/InternalResistanceOfBattery/index.html

1. Traza tu esquema del circuito representado. ¿Cuál es el tipo de conexión del amperímetro y el voltímetro con el resistor, en serie o paralelo? Esos instrumentos se consideran ideales, ¿cómo se supone que sean sus resistencias internas?

2. La resistencia R del resistor puede modificarse haciendo clic sobre las bandas de colores. Los resistores de la simulación tienen cuatro bandas. Las dos primeras indican los dígitos del valor de la resistencia, la tercera el factor por el cual deben multiplicarse dichos dígitos y la cuarta la incertidumbre relativa del valor de la resistencia, expresada en forma de porciento. La figura siguiente ilustra lo dicho.

En la simulación el color de la cuarta banda es fijo, dorado. ¿Qué incertidumbre corresponde a dicho color?

Realiza cambios en los colores de las tres primeras bandas y determina los correspondientes valores de la resistencia del resistor. Comprueba tus resultados utilizando un calculador de resistencias para el caso de resistores de cuatro bandas, por ejemplo, el que aparece en la siguiente dirección: http://www.digikey.com.mx/es/resources/conversion-calculators/conversion-calculator-resistor-color-code-4-band

3. Haciendo clic en la tercera banda elige el mayor factor multiplicador que sea posible en la simulación, ¿cuál es dicho factor? A continuación varía la primera y la segunda banda y observa las indicaciones del voltímetro. ¿Varían sus indicaciones? Ahora elige el menor factor multiplicador y manteniéndolo fijo varía la primera y la segunda banda. ¿Varían las indicaciones del voltímetro? ¿Cómo se explica la diferencia observada en uno y otro caso?

4. Si en la simulación pudiera abrirse el circuito para que no circulara corriente por él y el voltímetro es ideal, entonces la fem de la fuente coincidiría con el valor indicado por el voltímetro. Explica por qué. Una buena aproximación a esta situación es el caso en que la resistencia R del resistor es muy grande. Explica por qué. Elige para R alguno de los mayores factores multiplicadores posibles, ¿qué voltaje indica el voltímetro? ¿Coincide con el valor de la fem escrito en la fuente? Explica.

5. Uno de los procedimientos para determinar la resistencia interna de la fuente consiste en utilizar la expresión:

r=\frac { \varepsilon -V }{ t }

Que se obtiene de las ecuaciones escritas en el punto 1. La fem ε ya se conoce, V y I se miden empleando el voltímetro y el amperímetro.

En una Hoja de Cálculo prepara una tabla de 3 columnas para escribir los valores de V, I y r. Utilizando el código de colores varía el valor de R entre 10 ohm y 60 ohm, mide en cada caso los valores de V y I e introdúcelos en las primeras dos columnas de la tabla. En la tercera columna calcula los valores correspondientes de r y luego halla el promedio y la desviación estándar de ellos. Expresa el resultado final con su incertidumbre. Nota que en este caso para determinar la resistencia interna de la fuente no se requiere conocer el valor de R.

6. Confecciona un informe del trabajo realizado que incluya las respuestas a las preguntas formuladas, la tabla, la gráfica, el resultado con su incertidumbre y una breve conclusión

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