Series/Parallel
15 Mar, 2013
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PRESENTATION: The passage of electricity through the different parts of the circuit is regulated distributing appropriate resistance values which combine in the simplest of cases in series or in parallel, to allocate difference in potential and intensity.
- Cascading failure in holiday lights, Aaron Schuetz, Phys. Teach. 51, 186 (2013)
- Advanced Imaging of Elementary Circuits, William H. Baird, Caleb Richards, and Pranav Godbole, Phys. Teach. 50, 561 (2012)
INTRODUCTION: In a circuit in series the intensity or electric current is going to be the same for all the circuit however the voltage (or tension drop) is to be distributed depending on the resistances, where there is more resistance there will be a bigger drop of tension. On the contrary in a circuit in parallel the tension will be the same and the current will be distributed among the branches in parallel, but the higher amount of current will go through the path that offers the least resistance.
OBJECTIVE: To observe how the current intensity is allotted in the different electrical schemata (series and parallel).
MATERIALS: 2 junction boxes, a 6 meter long hose, 1 meter of electric wire of 1 mm2, 6 sockets for bulb, 3 electric bulbs, 5 switches.
SETUP: First we prepare the junction boxes drilling the necessary holes to place both the sockets as the switches. We cable the circuit according to the predesigned experience. We place the electric bulbs and connect them to the current. This project can be dangerous as we are working with 220 V tensions and there exist some electric risk, for we have to take the required security measures.
EXPLANATION: For the first case (scheme 1) when the light bulb branch ‘C’ remains open the electric current only passes through the branch ‘A-B’ and the intensity of the current is equally divided between those two light bulbs. It occurs in a similar way opening ‘A-B’ and closing ‘C’ but here as it is only one bulb this will shine with less intensity. But if we close all the circuit the light bulb which shines most is ‘C’ because the electric current tends to pass to a greater extent through the path that offers the least resistance and in this path occurs that for the branch ‘A–B’ there are two resistances and for the branch ‘C’ only one. In the second case, we keep the branch of the light bulb ‘F’ sharing the circuit ‘D–E’ in a series circuit, and as a result, the intensity is distributed between the 2 bulbs. However, as soon as we close the ‘F’ branch, the ‘D’ light bulb stays in series and the other two in parallel, consequently the ‘D’ light bulb shines completely and the other two hardly shine because they share the spare intensity between them
CONCEPTS: current intensity, potential difference, Ohm’s law, resistances.
MORE INFORMATION:
- WIKIPEDIA 1
- WIKIPEDIA 2
- WIKIPEDIA 3
- YOUTUBE 1
- YOUTUBE 2
- UNIVERSITY OF MINNESOTA
- UNIVERSITY OF MICHIGAN
- PhET
TEXTS:
- R. Serway, Física, Mac Graw Hill, 2010.
- P. Tipler, Física para la Ciencia y la tecnología, Reverté, 2012.
- R. Ehrlich, Turning the World Inside Out and 174 Other Simple Physics Demonstrations, Princeton University Press, 1997.
STUDENTS 2010-2011: Marcos González, Andrea Gómez, Atanasio Gerassis
LINK pdf STUDENTS (in Spanish):
22 responses to "Series/Parallel"
Uno de los muchos ejemplos que se pueden dar para la conexión en serie y en paralelo es la de las células en los paneles fotovoltaicos.
Cuando hice el máster de energías renovables en la USC hicimos una comparación de la conexión en serie y en paralelo; pues bien, llegamos a las siguientes conclusiones:
-La principal ventaja de la conexión en serie es la alta tensión de vacío, por el contrario una baja de corriente de cortocircuito condiciona el peor funcionamiento de la célula
– Para los paneles conectados en paralelo la alta corriente de cortocircuito resulta de sumar las corrientes de cada uno de los paneles; sin embargo, la tensión en vacio es baja.
Por tanto, si un panel se estropea; en una conexión en serie dejaría de funcionar, mientras una en paralelo continuaría funcionando con una corriente de cortocircuito igual a la suma de los paneles en buen estado.
Para conseguir un aumento de tensión en vacío y de la corriente de cortocircuito deberían combinarse las conexiones en serie y en paralelo en los paneles
Es importante conocer el significado del concepto de resistencia equivalente. Cuando en un circuito hay varias resistencias conectadas, resulta útil encontrar una resistencia que pueda sustituirlas, de modo que el comportamiento del resto del circuito sea el mismo, para así calcular las corrientes que pasan por el circuito y las caídas de tensión que se producen.
Para calcular esta resistencia equivalente, se deben conocer las leyes básicas de intensidad y voltaje en serie y en paralelo, y la ley de Ohm. En este enlace podemos ver una breve explicación de estos conceptos al igual que una detallada explicación de cómo calcular la resistencia equivalente en serie o en paralelo.
Dos resistencias están en serie si por ellas pasa exactamente la misma corriente. Resistencias en serie se suman para obtener una resistencia equivalente: Req = R1 + R2.
En cambio, dos resistencias están en paralelo si sobre los terminales correspondientes de éstas se establece un mismo voltaje. La resistencia equivalente de dos resistencias es el producto de éstas dividido por la suma de ambas: Req = (R1× R2)/(R1+R2).
En esta página web se ofrece más información.
Denominamos resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones al moverse a través de un conductor. La unidad de resistencia en el Sistema Internacional es el ohmio(Ω), en honor al físico alemán Georg Ohm quien descubrió el principio.
De acuerdo con la ley de Ohm, la resistencia de un material puede definirse como la diferencia entre el potencial eléctrico y la corriente que atraviesa dicha resistencia (R=V/I).
Donde R, es la resistencia en ohmios V, es la diferencia de potencial en voltios e I, es la intensidad de corriente en amperios
Se denomina intensidad de corriente (I) al flujo de carga eléctrica que pasan por un material (en este caso un circuito) por unidad de tiempo. La resistencia (R) (en este caso de los elementos de un circuito) es la oposición que presenta un material a que la corriente pase por él. El voltaje (V) es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos (de un circuito). Estos tres conceptos se relacionan mediante la Ley de Ohm, que dice que V=R*I. Esta ley permitirá resolver múltiples problemas, tanto en el campo de la física como en la vida cotidiana. Algunas aplicaciones de esta ley son el cálculo del consumo y la pérdida de instalaciones eléctricas de casas y empresas; el cálculo de la energía de los suministros eléctricos; la determinación de el valor que deben tener las resistencias para ser incorporadas a un circuito;… El experimento permite explicar de forma visual estos conceptos.
Durante a miña etapa na secundaria e bacharelato, sempre crimos que a lei de Ohm era unha “lei” universal. Hai que ser conscientes de que existen materiais que non seguen dito principio, é dicir, materiais non óhmicos. Cando falamos dun material óhmico, queremos dicir que esa propiedade é liñal (polo menos nun rango determinado). Hai que ter en conta que esta non é unha propiedade universal e que existen moitos materiais que non presentan dito comportamento. Neste vídeo se mostra un obxecto tan cotidián coma o filamento dunha bombilla na que se mostra o comportamento non liñal do mesmo.
Non vexo a necesidade de utilizar altas tensións para ilustrar as diferencias serie/paralelo nos circuitos eléctricos. No vídeo advirten de riscos pero penso que na montaxe experimental sería mellor traballar con menor voltaxe que tamén permite ilustrar as diferenzas e no caso de manexar magnitudes elevadas te tensión ou intensidade, entón empregar alternativamente a simulación virtual que se adxunta.
Experimento fácil de montar y muy útil para explicar circuitos serie-paralelo. En el aula de tecnología se hacen cosas similares, pero las bombillas son fáciles de interpretar.
De todas formas este mismo montaje en vez de con bombillas con resistencias y polímetros permite trabajar con cálculos que sin un soporte material se hacen muy áridos.
El hallazgo o descubrimiento de algo nuevo conlleva normalmente de muchas horas, días o años de trabajo. Esto no se suele tener en cuenta a la hora de explicar un concepto científico. Las tomas falsas no se suelen añadir a los “videos científicos”, pero reflejan la parte más importante de un experimento: el enorme esfuerzo de las pruebas y ensayos necesarios para conseguir un resultado final satisfactorio. Una buena forma de explicar el funcionamiento interno de las resistencias en serie o paralelo es realizar una analogía como se puede ver en esta página con el flujo del agua a través de tuberías. Las tuberías de agua son más o menos estrechas según el valor de su resistencia. La analogía es muy visual, sobre todo a la hora de entender que las resistencias colocadas en paralelo permiten “un mayor flujo de agua ya que el agua circula por todas ellas al mismo tiempo”
La gran ventaja de explicar cosas relacionadas con la electricidad, es que los alumnos, en mayor o menor medida, ya están familiarizados con lo que se les explica, sólo hay que hacerles ver que lo que se les explica es algo que han visto y vivido, aunque sea sin darse cuenta. En el caso de la electricidad, la gran ventaja es que con materiales simples y baratos pueden realizar las experiencias en casa.
Os circuítos eléctricos poden facerse tan fáciles ou complexos como se desexe, xogando con combinacións en serie e paralelo, bombillas, interruptores, etc. Pero o problema é que, unha vez preparas a montaxe, non é tan doado modificala e facer probas. Coa intención de simplificar o traballo de conexións e cableados, a profesora AnnMarie Thomas, da University of St. Thomas, creou os Squishy Circuits, que permiten xogar con circuitos desde idades moi temperás.
O meu profesor de tecnoloxía propuxeranos un experimento ó respecto das conexións en serie e en paralelo. O experimento consistía en entregarle aos alumnos tres resistencias iguais, das cales unha non funcionaba. O reto dos alumnos era construir un circuito no cal tiñan que estar as tres, e tiña que quedar en evidencia cal non funcionaba. Disponíamos de interruptores e lámparas LED ilimitadas para realizar o experimento. Houbera varias propuestas, pero a mais empregada consistía en colocar as resistencias en paralelo con un interruptor cada unha e conectadas a lampara. Así íbamos acendendo interruptores un a un e cando a lampara non funcionaba era porque esa era a resistencia avariada.
La ley de ohm resulta de especial interés ya que actualmente existe un amplio espectro de dispositivos electrónicos, por ello, la experiencia que se muestra en los vídeos me parece una buena actividad para llevar a cabo en el aula, e introducir así la ley de ohm mediante una demostración que siempre llama más la atención y en diferentes situaciones para apoyar la explicación teórica que se realice en el aula con una demostración práctica observando cómo cambia la intensidad de la luz que emite la bombilla según estén conectadas las bombillas.
Esta es una actividad manipulativa muy interesante para llevar a cabo en el aula de Tecnología de 3ºESO para así introducir el concepto de magnitudes eléctricas y la Ley de Ohm al alumnado. Las magnitudes fundamentales de la corriente eléctrica son tensión (V),intensidad (I) y resistencia (R). La Ley de Ohm relaciona estas tres magnitudes fundamentales. Además, podemos introducir con esta actividad las características de los circuitos en serie y en paralelo (¿cuál es su intensidad? ¿resistencia total? ¿tensión total?). Una explicación mucho más interesante e ilustrativa que hacer ejercicios del libro o ver los circuitos representados gráficamente.
Este experimento es muy ilustrativo, y permite enseñarles a los alumnos el funcionamiento de los circuitos en serie y en paralelo. Es importante resaltar que en los circuitos en serie la intensidad es constante, mientras que el voltaje total es la suma de los voltajes parciales y la resistencia total también es la suma de las resistencias parciales. Sin embargo, para el montaje en paralelo la intensidad total es la suma de las intensidades individuales, el voltaje se mantiene constante y la inversa de la resistencia total es la suma de las inversas de las resistencias individuales.
Otro aspecto que se podría incorporar, es enseñarles a los alumnos que si una bombilla falla en un montaje en serie, las demás bombillas no se iluminan (esto se puede ejemplificar con las bombillas del árbol de Navidad), mientras que si el montaje es en paralelo esto no ocurre.
Al final del comentario os dejo un enlace de una página en la que se explica estas cuestiones que he comentado.
En los circuitos en serie la intensidad de los elementos conectados es la misma mientras que voltaje y resistencia son la suma de los voltajes y resistencias de cada elemento. Si un elemento deja de funcionar, los demás también lo harán ya que la corriente y la intensidad que pasa por cada elemento es la misma. Es como si el circuito se cortara. Sin embargo, en los circuitos en paralelo todos los elementos tienen el mismo voltaje y la intensidad es la suma de las intensidades de cada elemento. La resistencia se calcula con la siguiente ecuación Rt = 1/((1/R1)+(1/Rn)) para “n” elementos conectados. Entonces en este caso, al contrario que en los circuitos en serie, cuando un elemento deja de funcionar el resto lo sigue haciendo con normalidad. En este enlace se muestran ejemplos y ejercicios resueltos. La ley de Ohm es una de las leyes con más aplicaciones en electrónica y se explica en 3º de la ESO tanto dentro del bloque 5 (Enerxía) de física y química como del bloque 4 (Máquinas e sistemas: electricidade, electrónica e control) de tecnología. En el siguiente enlace hay acceso a un simulador que permite predecir los cambios en la corriente cuando se fija la resistencia del circuito y se varía el voltaje o viceversa en un circuito conectado en serie de acuerdo a la ley de Ohm (V = I*R).
Como comentado en publicaciones anteriores, Georg Simon Ohm (1789 – 1854) fue un físico alemán que descubrió en 1827 una de las leyes fundamentales de la corriente eléctrica, la «Ley de Ohm», que rige la conducción de la electricidad. La unidad que se utiliza para medir la resistencia eléctrica tiene un nombre en su honor «el ohmio». En sus experimentos, Ohm utilizó como fuerza electromotriz constante la proporcionada por un termopar, constituido por cobre y bismuto soldados, una de cuyas uniones iba sumergida en hielo y la otra en agua caliente. Para medir la magnitud de la corriente, utilizó una aguja imantada, suspendida convenientemente. Basándose solamente en resultados experimentales, concluyó que una pérdida mayor de fuerza electromotriz se producía cuanto mayor longitud tuviera el conductor.
La importancia de esta ley reside en que con ella se resuelven numerosos problemas eléctricos no solo de la física y de la industria sino también de la vida diaria como son los consumos o las pérdidas en las instalaciones eléctricas de las empresas y de los hogares. También introduce una nueva forma para obtener la potencia eléctrica (cantidad de energía eléctrica entregada o absorbida por un elemento en un momento determinado), y para calcular la energía eléctrica utilizada en cualquier suministro eléctrico desde las centrales eléctricas a los consumidores.
Achegar aos máis pequenos a comprender a electricidade, o seu funcionamento e as súas infinidades de aplicacións debería abordarse dende as idades máis temperás. Con esta idea na cabeza busquei información sobre como poderíamos adaptar estes contidos aos máis pequenos e encantoume atopar o seguinte vídeo onde AnnMarie presenta unha receita coa que elaborar plastilina condutora de electricidade (composta por sal) e plastilina illante (composta por azucre). Estas plastilinas permiten crear “Squishy-Circuits”, circuítos adaptados e fáciles de manexar para alumnado de infantil cos que podemos introducir os primeiros conceptos de electricidade. Ademais este material permite potenciar a súa imaxinación e que experimenten dunha maneira máis libre, minimizando os riscos. Nesta páxina podemos atopar máis información sobre a ensinanza da electricidade aos máis pequenos.
Este experimento me parece muy bueno y completo para explicar la ley de Ohm y las diferencias entre circuitos en serie y circuitos en paralelo, pero no es un experimento innovador pues ya en mi época de alumna de ESO (hace casi 20 años) lo hacíamos en clase de tecnología. En el siguiente enlace muestro un vídeo de un experimento similar pero con un nivel mucho más básico, que podríamos adaptar incluso a la educación primaria. En vídeo nos enseña a construir un circuito muy simple con una pila, una bombilla y unos cables, y después nos muestra como se toman las medidas de intensidad, resistencia y tensión. A partir de este montaje tan sencillo podríamos proponerle a los alumnos que construyeran circuitos más complejos y dejarle un poco de libertad para que experimenten por su cuenta.
Este sencillo experimento es muy intuitivo para poder comprender como funcionan los circuitos eléctricos. El aluno puede observar claramente como la corriente eléctrica se distribuye a través de las ramas del circuito. Personalmente lo considero un ejercicio perfecto para comenzar con la explicación de las leyes que rigen el funcionamiento de los circuitos eléctricos, como la ley de Ohm, una ley básica para resolver multitud de problemas relacionados con circuitos eléctricos. Para facilitar la comprensión del alumno, este comportamiento se puede explicar también con un fluido que pasa por diferentes válvulas a lo largo de un circuito hidráulico, donde la fuente de alimentación sería una bomba que bombea el fluido y las bombillas serían válvulas que se oponen al paso del fluido. En este pequeño blog sobre ciencia podemos encontrar una comparación.
Este video puede complementar la explicación teórica de la ley de Ohm, la cual relaciona las magnitudes de voltaje, resistencia e intensidad. Esta ley se basa en que la intensidad de corriente que atraviesa un circuito es directamente proporcional al voltaje o tensión del mismo e inversamente proporcional a la resistencia que presenta.
En la actualidad, existen numerosos laboratorios virtuales, los cuales les permites a los estudiantes afianzar estos conceptos. Uno de estos ejemplos es phet, en donde de una manera muy sencilla, los alumnos y alumnas pueden explorar las relaciones básicas de electricidad, diseñar circuitos en serie y en paralelo, usar amperímetros y voltímetros para hacer mediciones sobre el circuito…
Para conocer cómo funciona la electricidad, es necesario saber qué representa cada una de sus propiedades cuando hablamos de ellas. Al tratarse de algo que es tan abstracto, ya que la electricidad es algo que no es posible ver, la analogía de la corriente eléctrica con el flujo de agua por las tuberías puede ser un buen método para introducir cada una de estas propiedades al alumnado. En el siguiente vídeo se explica perfectamente esta analogía.
Esta experiencia la hemos realizado todos en algún momento de nuestra formación académica, pero no por ello carece de mérito. Es una experiencia sencilla que ayuda a los alumnos a entender fácilmente el comportamiento de la corriente eléctrica en los circuitos. Mediante laboratorios virtuales, como el de Tinkercard, esta experiencia puede llevarse más allá incluyendo más elementos a los circuitos, medir los diferentes parámetros de forma simultánea, o incluso implementar complementos electrónicos. En la situación sanitaria que nos está tocando vivir, este tipo de laboratorios virtuales son de gran ayuda para los profesores del ámbito tecnológico y científico, ya que pueden seguir realizando experimentos con los alumnos con seguridad, e incluso desde sus propias casas.