Cada dispositivo eléctrico y electrónico, desde un cargador de teléfono hasta una red eléctrica nacional, se diseña y diagnostica con dos reglas formuladas por Gustav Kirchhoff en 1845. No son nuevas fuerzas de la naturaleza, sino dos leyes de conservación escritas en el lenguaje de los circuitos. La ley de corrientes de Kirchhoff establece que la corriente que fluye hacia cualquier nodo es igual a la corriente que sale de él; la carga eléctrica se conserva, por lo que no puede acumularse en un nodo ni desaparecer de él. La ley de tensiones de Kirchhoff establece que alrededor de cualquier lazo cerrado la suma de las subidas y caídas de tensión es cero; la energía se conserva, por lo que una carga que recorre un lazo completo regresa con la energía con la que empezó. Junto con la ley de Ohm, son suficientes para resolver cualquier red de resistencias, razón por la cual son las primeras herramientas de todo curso de electrónica. En este laboratorio, pondrá ambas leyes a prueba experimental directa. Construirá un circuito en serie y luego un circuito en paralelo con las mismas tres resistencias (100 Ω, 200 Ω y 300 Ω) en una fuente de 12 V, medirá la corriente en cada punto y la tensión en cada componente con un multímetro, y verificará que las corrientes en cada nodo y las tensiones alrededor de cada lazo suman exactamente lo que las dos leyes exigen.
Objetivos Educativos
Comprender las leyes de Kirchhoff
- Aplicar la ley de corrientes (la suma de las corrientes que entran en un nodo es igual a la suma de las que salen) y la ley de tensiones (las caídas de tensión alrededor de un bucle cerrado suman la tensión de alimentación) a circuitos en serie y en paralelo.
- Reconoce las dos leyes como la conservación de la carga y la conservación de la energía expresadas en el lenguaje de los circuitos.
Montaje de circuitos
- Construye un circuito en serie y un circuito en paralelo con las mismas tres resistencias en una placa de pruebas (protoboard) y lee los valores de los componentes a partir de sus bandas de colores.
Uso del multímetro
- Mida la corriente en serie con un componente y el voltaje en paralelo a través de él, eligiendo el modo y la conexión correctos para cada uno.
- Mide sistemáticamente: la corriente en cada punto de cada circuito y el voltaje en cada componente y en la fuente.
Conectar la teoría con la práctica
- Prediga cada corriente y voltaje a partir de la ley de Ohm y la resistencia equivalente antes de medir, luego compare la predicción con la medición.
Pensamiento analítico
- Evalúe las discrepancias entre los valores calculados y medidos utilizando el error porcentual respecto al valor nominal, e interprete la banda de tolerancia como el límite garantizado por el fabricante para dicho error.
Protocolo
- Monta un circuito en serie con las 3 resistencias.
- Enciende la fuente de alimentación y configúrala a 12V.
- Mida la intensidad de la corriente en la salida de cada resistencia.
- Mide la intensidad de la corriente en la fuente.
- Mide el voltaje a través de cada resistencia.
- Mide el voltaje en la fuente.
- Guarda el diagrama del circuito y desmóntalo.
- Configura un circuito en paralelo que contenga las 3 resistencias.
- Repite los pasos 2 a 7.
Resultados esperados
Valores de los componentes. Fuente de alimentación 12 V. Las tres resistencias son:
| Resistencia | Bandas de colores | Valor nominal |
|---|---|---|
| R1 | Marrón – Negro – Marrón – Marrón | 100 Ω ±1% |
| R2 | Rojo – Negro – Marrón – Marrón | 200 Ω ±1% |
| R3 | Naranja – Negro – Marrón – Marrón | 300 Ω ±1% |
Circuito en serie, pasos del 1 al 7. La resistencia total es 100 + 200 + 300 = 600 Ω, por lo que la corriente es 12 V / 600 Ω = 0,020 A.
| Medición | R1 | R2 | R3 | Fuente |
|---|---|---|---|---|
| Actual (paso 3, paso 4) | 0,020 A | 0,020 A | 0,020 A | 0,020 A |
| Tensión (paso 5, paso 6) | 2 V | 4 V | 6 V | 12 V |
Circuito en paralelo, pasos 8 y 9. La resistencia equivalente viene dada por 1/R = 1/100 + 1/200 + 1/300, por lo que R = 54,5 Ω.
| Medición | R1 | R2 | R3 | Fuente |
|---|---|---|---|---|
| Actual | 0,120 A | 0,060 A | 0,040 A | 0,220 A |
| Voltaje | 12 V | 12 V | 12 V | 12 V |
Porcentaje de error. Compara cada resistencia medida con el valor que indican sus bandas de color, no con otra medición: error porcentual = (medida − nominal) / nominal × 100. La cuarta banda indica la tolerancia del fabricante, por lo que una resistencia de 100 Ω marcada como ±1% solo garantiza que su valor se sitúe entre 99 y 101 Ω. En esta simulación, los componentes son ideales y el multímetro indica exactamente el valor nominal, por lo que cada error porcentual resulta ser 0.0%. Esa es la respuesta correcta en este caso, y conviene explicar claramente por qué: la banda de tolerancia es un límite superior del error, no una predicción de que se vaya a producir un error. En un banco de pruebas físico, el mismo cálculo daría como resultado una pequeña cifra distinta de cero, y un resultado fuera de ±1% indicaría un componente defectuoso o un problema de medición, más que una dispersión normal.
Análisis de circuitos en serie
-
Mediciones actualesLos estudiantes observarán valores de corriente idénticos en todos los puntos del circuito en serie, validando la LCK.
-
Mediciones de voltajeLa suma de las caídas de voltaje a través de las resistencias) será igual al voltaje de la fuente (12V), confirmando KVL.
Análisis de circuitos en paralelo
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Mediciones actualesLa corriente total de la fuente será igual a la suma de las corrientes a través de las resistencias individuales, respetando la LKC.
-
Mediciones de voltaje: El voltaje idéntico en todos los resistores en paralelo coincidirá con las predicciones de la LVK.
Cálculos
-
Los estudiantes calcularán la resistencia total () para ambos circuitos y compara los valores teóricos (por ejemplo, ) con resultados experimentales derivados de .
Resumen de la asignación por rango de calificación
Grados 9–10
Enfoque: el comportamiento de los circuitos como patrón observable. Los alumnos montan los circuitos en serie y en paralelo, realizan el conjunto completo de mediciones de corriente y tensión, y describen los dos patrones con palabras: en serie, la corriente es la misma en todos los puntos y las tensiones se reparten la fuente de alimentación; en paralelo, la tensión es la misma en todos los puntos y las corrientes se reparten el total. Distinguen las dos configuraciones a simple vista y adquieren un primer dominio de los dos modos del multímetro.
Undécimo grado
Enfoque: predicción previa a la medición. Los alumnos calculan la resistencia equivalente de cada circuito (600 Ω en serie; 54,5 Ω en paralelo a partir de la suma recíproca), predicen todas las corrientes y tensiones a partir de la ley de Ohm y verifican explícitamente la suma en cada nudo y bucle: 2 + 4 + 6 = 12 V y 0,120 + 0,060 + 0,040 = 0,220 A. Calculan el porcentaje de error respecto a los valores nominales de los componentes y leen ellos mismos las bandas de color.
12.º curso / Nivel universitario
Enfoque: las leyes como principios de conservación. Los estudiantes justifican la ley actual a partir de la conservación de la carga y la ley de voltaje a partir de la independencia de la trayectoria del potencial eléctrico, deducen la fórmula en paralelo a partir de las conductancias y tratan la banda de tolerancia correctamente —como un límite superior del error del componente, no como una predicción de dispersión—. Extienden el análisis a la potencia, verificando que la potencia de la fuente es igual a la suma disipada en las resistencias en ambos circuitos, y señalan qué resistencia física necesitaría la mayor clasificación de potencia y por qué.
Esenciales de laboratorio
Instrumentos
- Protoboard
- Resistencias: 100 Ω, 200 Ω, 300 Ω (±1 %)
- Conectando cables
- Multímetro
- Fuente de alimentación (12 V)
Productos
Ninguno — este laboratorio no utiliza reactivos químicos.