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Fisica 3° · 2024
Libro de Física 3 BGU

Ministerio de Educación del Ecuador

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Diseño y resolución manual de un circuito serie-paralelo con seis resistencias

📄 ejercicios fisica 🎓 bachillerato · 3° BGU Ecuador 🇪🇨 EC 🗣 Español
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Respuesta rápida

4.a) Circuito con R1=100 Ω, R2=220 Ω, R3=470 Ω, R4=100 Ω, R5=100 Ω, R6=220 Ω y fuente de 12 V. 4.b) R_eq ≈ 519.9 Ω, I_tot ≈ 23.08 mA, tensiones 2.31, 3.46, 1.15 y 5.08 V. 4.c) Se verifica con simulador. 5) Reducir el circuito, aplicar Ohm y comparar con los sensores.

📚 exercise fisica ⭐⭐⭐ Dificultad 3/5 ⏱ 5 min lectura

Solución — Página 140

Fisica 3° · 2024

4
Ejercicio 4

Actividad: crear un circuito con al menos seis resistencias (configuraciones serie y paralelo), dibujarlo con valores comerciales, resolverlo de forma manual y verificarlo en un simulador.

a
Parte 4.a

Diseño del circuito

Eligo la fuente V = 12 \\, \\text{V} y las siguientes resistencias de valor comercial:

R_1 = 100 \\, \\Omega, R_2 = 220 \\, \\Omega, R_3 = 470 \\, \\Omega, R_4 = 100 \\, \\Omega, R_5 = 100 \\, \\Omega, R_6 = 220 \\, \\Omega.

Topología (configuración serie-paralelo):

  1. R_1 está en serie con todo el circuito (alimentación).
  2. Luego viene el grupo paralelo R_2 \\parallel R_3.
  3. Luego el grupo paralelo R_4 \\parallel R_5.
  4. Por último, R_6 en serie (retorno al polo negativo).
flowchart LR
  V["Fuente DC<br/>V = 12 V"] --> R1["R1 = 100 Ω"]
  R1 --> A["Nodo A"]
  A --> R2["R2 = 220 Ω"]
  A --> R3["R3 = 470 Ω"]
  R2 --> B["Nodo B"]
  R3 --> B
  B --> R4["R4 = 100 Ω"]
  B --> R5["R5 = 100 Ω"]
  R4 --> C["Nodo C"]
  R5 --> C
  C --> R6["R6 = 220 Ω"]
  R6 --> V
b
Parte 4.b

Resolución manual

Paso 1. Equivalente de cada grupo paralelo.

R_{23} = \\frac{R_2 \\cdot R_3}{R_2 + R_3} = \\frac{220 \\cdot 470}{220 + 470} = \\frac{103400}{690} \\approx 149.9 \\, \\Omega

R_{45} = \\frac{R_4 \\cdot R_5}{R_4 + R_5} = \\frac{100 \\cdot 100}{100 + 100} = \\frac{10000}{200} = 50 \\, \\Omega

Paso 2. Resistencia total (todo en serie).

R_{eq} = R_1 + R_{23} + R_{45} + R_6 = 100 + 149.9 + 50 + 220 = 519.9 \\, \\Omega

Paso 3. Corriente total por la ley de Ohm.

I_{tot} = \\frac{V}{R_{eq}} = \\frac{12}{519.9} \\approx 0.02308 \\, \\text{A} = 23.08 \\, \\text{mA}

Paso 4. Tensiones en cada tramo.

V_{R1} = I_{tot} \\cdot R_1 = 0.02308 \\cdot 100 = 2.31 \\, \\text{V}

V_{23} = I_{tot} \\cdot R_{23} = 0.02308 \\cdot 149.9 = 3.46 \\, \\text{V}

V_{45} = I_{tot} \\cdot R_{45} = 0.02308 \\cdot 50 = 1.15 \\, \\text{V}

V_{R6} = I_{tot} \\cdot R_6 = 0.02308 \\cdot 220 = 5.08 \\, \\text{V}

Comprobación de Kirchhoff: 2.31 + 3.46 + 1.15 + 5.08 = 12.00 \\, \\text{V} ✓

Paso 5. Corrientes en los ramales.

Grupo 1 (misma tensión V_{23} = 3.46 \\, \\text{V}):

I_{R2} = \\frac{V_{23}}{R_2} = \\frac{3.46}{220} = 0.01573 \\, \\text{A} = 15.73 \\, \\text{mA}

I_{R3} = \\frac{V_{23}}{R_3} = \\frac{3.46}{470} = 0.00736 \\, \\text{A} = 7.36 \\, \\text{mA}

Verificación: 15.73 + 7.36 = 23.09 \\, \\text{mA} \\approx I_{tot} ✓

Grupo 2 (misma tensión V_{45} = 1.15 \\, \\text{V}, resistencias iguales):

I_{R4} = I_{R5} = \\frac{1.15}{100} = 0.01154 \\, \\text{A} = 11.54 \\, \\text{mA}

Verificación: 11.54 + 11.54 = 23.08 \\, \\text{mA} ✓

Paso 6. Potencias disipadas y elección comercial.

P_{tot} = V \\cdot I_{tot} = 12 \\cdot 0.02308 = 0.277 \\, \\text{W} = 277 \\, \\text{mW}

Resistor I (mA) V (V) P = I^{2}R (mW) Potencia nominal (1/4 W = 250 mW)
R_1=100\\,\\Omega 23.08 2.31 53.3 ✓ adecuada
R_2=220\\,\\Omega 15.73 3.46 54.4 ✓ adecuada
R_3=470\\,\\Omega 7.36 3.46 25.4 ✓ adecuada
R_4=100\\,\\Omega 11.54 1.15 13.3 ✓ adecuada
R_5=100\\,\\Omega 11.54 1.15 13.3 ✓ adecuada
R_6=220\\,\\Omega 23.08 5.08 117.2 ✓ adecuada

Todas las potencias son menores que 250 \\, \\text{mW}, por lo que las resistencias de \\frac{1}{4} \\, \\text{W} son válidas.

c
Parte 4.c

Verificación en simulador

Procedimiento recomendado (por ejemplo, con los simuladores Falstad Circuit, CircuitLab o Tinkercad Circuits):

  1. Se conecta la fuente de 12 \\, \\text{V} y se ubican las seis resistencias en la topología del diagrama.
  2. Se miden la resistencia equivalente del conjunto (\\approx 520 \\, \\Omega), la corriente total (\\approx 23.1 \\, \\text{mA}), las tensiones de cada tramo (2.31, 3.46, 1.15 y 5.08 \\, \\text{V}) y las corrientes de los ramales (15.73, 7.36, 11.54 y 11.54 \\, \\text{mA}).
  3. Si las lecturas del simulador coinciden dentro del margen de redondeo, la resolución manual es válida.

Respuesta

R_{eq} = 519.9 \\, \\Omega; I_{tot} = 23.08 \\, \\text{mA}; tensiones 2.31, 3.46, 1.15 y 5.08 \\, \\text{V}; corrientes de ramales 15.73, 7.36, 11.54 y 11.54 \\, \\text{mA}; P_{tot} = 277 \\, \\text{mW}.

5
Ejercicio 5

Planteamiento: en una práctica de laboratorio se prueba la efectividad de un grupo de resistencias experimentales; los sensores entregan información con base en el circuito determinado en la figura.

Pasos orientativos de análisis

  1. Se identifican los nodos y se reconoce si las resistencias están en serie, en paralelo o en mezcla (serie-paralelo).
  2. Se reducen los grupos paralelos con \\frac{1}{R_p} = \\frac{1}{R_1} + \\frac{1}{R_2} + \\dots y se suman los tramos en serie con R_s = R_1 + R_2 + \\dots.
  3. Se aplica I = \\frac{V}{R_{eq}} para la corriente total y la ley de Ohm en cada elemento para tensiones y corrientes parciales.
  4. Se comparan las lecturas de los sensores con los valores teóricos: si coinciden, las resistencias cumplen su valor nominal; si difieren, se diagnostica un valor nominal incorrecto, un mal contacto o un elemento dañado.

Respuesta orientativa: El procedimiento consiste en reducir el circuito a su resistencia equivalente, calcular la corriente total con la ley de Ohm y determinar tensión y corriente en cada resistencia; luego se contrastan estos valores teóricos con los datos entregados por los sensores para evaluar si el grupo experimental funciona correctamente. La figura que se menciona se presenta en la página siguiente.

Contenido de la página

Actividad de circuitos serie-paralelo (continuación)

a) Creo un circuito con, por lo menos, seis resistencias. Procuro usar configuraciones serie-paralelo y dibujo el circuito. No olvido colocar valores comerciales.

b) Resuelvo de manera manual mi circuito.

c) Accedo a cualquiera de los siguientes simuladores y verifico mi respuesta (puedo investigar más simuladores):


5. Leo el siguiente planteamiento y realizo, en una hoja aparte, las actividades a continuación:

En una práctica de laboratorio se prueba la efectividad de un grupo de resistencias experimentales; los sensores entregan información con base en el circuito determinado en la figura.

(Nota: el circuito al que se hace referencia aparece en la página siguiente.)

Ejemplos resueltos

Circuito de 12 V con R1 = 100 Ω en serie, luego R2 = 220 Ω ∥ R3 = 470 Ω, luego R4 = 100 Ω ∥ R5 = 100 Ω y finalmente R6 = 220 Ω en serie. Calcular R_eq, la corriente total, las tensiones y las corrientes de los ramales.

  1. R23 = (220·470)/(220+470) = 103400/690 = 149.9 Ω. 2) R45 = (100·100)/(100+100) = 50 Ω. 3) R_eq = 100 + 149.9 + 50 + 220 = 519.9 Ω. 4) I_tot = 12/519.9 = 0.02308 A = 23.08 mA. 5) V_R1 = 2.31 V; V23 = 3.46 V; V45 = 1.15 V; V_R6 = 5.08 V (suma = 12.00 V). 6) I_R2 = 15.73 mA; I_R3 = 7.36 mA; I_R4 = I_R5 = 11.54 mA. 7) P_tot = 12 × 0.02308 = 277 mW, menor que la potencia nominal de ¼ W por resistor.

Tablas (2)

Tramo Resistencia Corriente (mA) Tensión (V) Potencia (mW)
R_1 (serie) 100\\,\\Omega 23.08 2.31 53.3
Grupo paralelo 1 220\\,\\Omega\\parallel470\\,\\Omega\\approx149.9\\,\\Omega 23.08 3.46 79.8
Grupo paralelo 2 100\\,\\Omega\\parallel100\\,\\Omega=50\\,\\Omega 23.08 1.15 26.6
R_6 (serie) 220\\,\\Omega 23.08 5.08 117.2
Total 519.9\\,\\Omega 23.08 12.00 277
Resistor Corriente (mA) Tensión (V) Potencia I^{2}R (mW) Adecuado para \\frac{1}{4} W
R_1=100\\,\\Omega 23.08 2.31 53.3 Sí
R_2=220\\,\\Omega 15.73 3.46 54.4 Sí
R_3=470\\,\\Omega 7.36 3.46 25.4 Sí
R_4=100\\,\\Omega 11.54 1.15 13.3 Sí
R_5=100\\,\\Omega 11.54 1.15 13.3 Sí
R_6=220\\,\\Omega 23.08 5.08 117.2 Sí

Diagrama

flowchart LR
  V["Fuente DC<br/>V = 12 V"] --> R1["R1 = 100 Ω"]
  R1 --> A["Nodo A"]
  A --> R2["R2 = 220 Ω"]
  A --> R3["R3 = 470 Ω"]
  R2 --> B["Nodo B"]
  R3 --> B
  B --> R4["R4 = 100 Ω"]
  B --> R5["R5 = 100 Ω"]
  R4 --> C["Nodo C"]
  R5 --> C
  C --> R6["R6 = 220 Ω"]
  R6 --> V

Fórmulas y ecuaciones

Resistencias en paralelo de dos ramas: R_p = (R_1 \cdot R_2)/(R_1 + R_2)

Ley de Ohm: I = V / R

Potencia: P = I^2 \cdot R

Conservación de la corriente en un nodo (primer principio de Kirchhoff)

Conservación de la energía en la malla (segundo principio de Kirchhoff)

R_{eq} = \frac{R_2 \cdot R_3}{R_2 + R_3}

R_s = R_1 + R_2 + \dots

\frac{1}{R_p} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots

I = \frac{V}{R}

P = V \cdot I = I^{2} R

\sum V_{@@MATH_0@@\text{fuente}}

\sum I_{@@MATH_0@@\text{total}}

Glosario (5)

Circuito serie-paralelo
Combinación de resistencias donde algunas están en serie y otras en paralelo; se reduce paso a paso hasta obtener una única resistencia equivalente.
Resistencia equivalente
Valor único que reemplaza a todo el conjunto de resistencias sin cambiar la corriente total del circuito.
Valor comercial
Valor normalizado de una resistencia (series E12 o E24), por ejemplo 100 Ω, 220 Ω o 470 Ω.
Nodo
Punto del circuito donde se unen tres o más conductores y que comparte la misma tensión eléctrica.
Potencia disipada
Energía transformada en calor por unidad de tiempo, P = V·I = I²R, expresada en vatios (W).

Preguntas para practicar

¿Por qué en un circuito serie-paralelo las resistencias en paralelo comparten la misma tensión, pero tienen corrientes distintas?

Porque comparten los mismos dos nodos, y la diferencia de potencial entre dos nodos es única, de modo que la tensión en cada rama es la misma. Como los valores de resistencia son distintos, la ley de Ohm I = V/R exige corrientes diferentes en cada rama.

¿Cómo se comprueba que el diseño de un circuito es adecuado antes de armarlo en el laboratorio?

Se calcula la resistencia equivalente y la corriente total, y luego se verifica que la potencia disipada en cada resistor sea menor que su potencia nominal comercial (por ejemplo ¼ W). Además, se contrastan los resultados con las lecturas de un simulador electrónico.

Temas y conceptos clave

Circuitos serie-paraleloResistencia equivalenteLey de OhmCorrientes de ramalesPotencia en resistenciasSimulación de circuitosresistencia equivalenteconfiguración serie-paralelovalores comerciales de resistenciascorriente totaltensión en ramalespotencia disipadaverificación con simulador

Fuentes y referencias

  • https://bit.ly/3tEdyE1 (simulador de circuitos electrónico)
  • https://bit.ly/3vhrZOT (simulador de circuitos electrónico)
  • https://bit.ly/3vfjI3s (simulador de circuitos electrónico)
  • https://bit.ly/3aAScjg (simulador de circuitos electrónico)
  • https://bit.ly/3vboUQ5 (simulador de circuitos electrónico)
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Preguntas que la gente también hace

¿Cómo se calcula la resistencia equivalente de un circuito serie-paralelo?
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¿Por qué las resistencias en paralelo tienen la misma tensión?
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¿Cómo se verifica un circuito en un simulador electrónico como Falstad o Tinkercad?
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📌 Antes de leer esto
  • • Ley de Ohm: V = I · R
  • • Regla de resistencias en serie: R_s = R_1 + R_2 + …
  • • Regla de resistencias en paralelo: 1/R_p = 1/R_1 + 1/R_2 + …
  • • Unidades de resistencia (Ω), corriente (A) y potencia (W)
  • • Noción de valores comerciales de resistencias (E12/E24)
Siguiente tema sugerido
Reducción progresiva de circuitos complejos serie-paralelo y aplicación de las reglas de Kirchhoff en la práctica de laboratorio.
📝 Transcripción de la página (texto seleccionable) 747 caracteres

a) Creo un circuito con, por lo menos, seis resistencias. Procuro usar configuraciones serie paralelo y dibujo el circuito. No olvido colocar valores comerciales. b) Resuelvo de manera manual mi circuito.

XY y

c) Accedo a cualquiera de los siguientes simuladores y verifico mi respuesta (puedo investigar más simuladores).

https://bit.ly/3tEdyE1 https://bit.ly/3vhrZOT https://bit.ly/3vfjl3s

https://bit.ly/3aAScjg

https://bit.ly/3vboUQ5

  1. Leo el siguiente planteamiento y realizo en una hoja aparte, las actividades a continuación:

En una práctica de laboratorio se prueba la efectividad de un grupo de resistencias experimentales; los sensores entregan información con base en el circuito determinado en la figura.

Texto de Física | 139

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