Fundamentos de Física Para Biología: Instrumentos de Medición...Voltímetro y Amperímetro. Con Video Tutorial
Con la intención de continuar construyendo y mostrando de manera colectiva los vínculos entre la Biología y las otras disciplinas científicas -Física, Química y Matemáticas con base en la teoría y aplicaciones tecnológicas-, les presento con este post el inicio de lo que he llamado Feria Científica Universitaria-Educación Media General. En esta oportunidad me apoyé en los colegas de la especialidad de Física para abordar un tema instrumental, que los estudiantes de Fundamentos de Biología, Química y Física requieren abordar y desarrollar para las actividades de laboratorio, referidas a sistema nervioso, potencial de acción, unión mioneural, contracción muscular, bioelectrogénesis, principios de neurofisiología, entre otros.
La base teórica inicia con los planteamientos de Galvani y los aportes de Volta y Ampere, para comprender los diferentes instrumentos asociados a esos principios. Su correcto uso permite a los estudiantes de Biología y de las otras áreas de Ciencias Naturales, ejecutar los diversos protocolos que dependen de esos aparatos y equipos para demostraciones o experimentos con muestras biológicas, especímenes o simuladores. Por ello los Voltímetros, Amperímetros y Multímetros (derivaciones del Galvanómetro) resultan sumamente útiles en los protocolos de laboratorio de, por ejemplo, Anatomía y Fisiología Humanas. De lo antes expuesto se derivan los objetivos, en este post.
• Conocer los instrumentos de medición eléctrica y precisar su funcionamiento.
• Interpretar los fenómenos físicos a través de diferentes conexiones en circuitos eléctricos.
• Analizar la diferencia de potencial, la resistencia y la intensidad de corriente con su respectivo error.
• Precisar el tipo de conexión del voltímetro y amperímetro respectivamente.
• Vincular los equipos utilizados y la base teórica que los sustenta, con aspectos de orden biológico.
Algunas Consideraciones Teóricas
Los amperímetros y voltímetros tienen su base teórica en el galvanómetro, un dispositivo empleado para detectar corrientes de pequeña dimensión. Los galvanómetros generalmente son calibrados para medir corrientes de diferentes cantidades, convirtiéndose de esa manera en los denominados amperímetros. Entre tanto, cuando la modificación permite medir el voltaje, reciben el nombre de voltímetros.
Galvanómetro
Las referencias indican que el galvanómetro fue nombrado en honor al físico italiano Luigi Galvani. Este científico, que también se desempeñaba como médico y fisiólogo, mientras estaba diseccionando la pata de una rana -ancas-, se encontró con que esta se contrajo cuando dos metales diferentes se tocaban. Alessandro Volta realizó mejoras a la teoría y los resultados de Galvani, llevando también a la invención de las células químicas y baterías.
La construcción de un galvanómetro requiere de bobinas sobre muelles, una aguja y un imán estacionario. La aguja se desvía cuando una corriente pasa a través de las bobinas. Esta desviación es proporcional a la cantidad de corriente. La modificación de un galvanómetro lo convierte en voltímetro o amperímetro.
Explicación Preliminar del Profesor Howar Cordero
Voltímetro
El Voltímetro es un instrumento que mide diferencias de potencial. Su símbolo de identificación es la letra "V" dentro de un círculo. Desde el punto de vista operativo, su principal característica es que mide la diferencia de potencial que existe entre los dos puntos que toquen sus cables de conexión, de tal forma que para medir una diferencia de potencial cualquiera solo se requiere conectarle en paralelo con los elementos de cualquier elemento eléctrico de un circuito -resistencia, batería, entre otros-.
El circuito con la incorporación de un voltímetro no es el mismo que el circuito sin este instrumento, por cuanto el artefacto está colocado para medir un voltaje, por lo cual el sistema posee una resistencia adicional y una corriente más -la que pasa por el voltímetro-. Este conflicto se resuelve fabricando voltímetros de muy alta resistencia de modo que la corriente que lo atraviesa sea despreciable respecto de las corrientes que circulan por el circuito.
La medición de carácter ideal del voltaje, sólo se puede lograr si el voltímetro no toma corriente alguna del circuito de prueba -apareciendo como circuito abierto entre los dos puntos a los cuales se conecta-. La realidad es que la mayoría de los voltímetros trabajan tomando una pequeña corriente, pero finita, por lo cual también perturban el circuito de prueba hasta determina rango.
El Amperímetro, es un aparato que permite medir la intensidad de la corriente eléctrica en recorrido por una rama determinada de un circuito. Sus valores son expresados en amperes, -nombrado en honor al científico francés Andre-Marie Ampere-. Es importante recalcar que los amperios son una unidad de medida para determinar la intensidad de la corriente eléctrica moviéndose a través de un circuito. Un amperímetro mide la corriente que pasa a través de él y siempre se conecta en serie con una rama del circuito.
Como en el caso anterior, el circuito con un amperímetro conectado no es el mismo que el circuito sin él, debido a que cuando el artefacto está colocado para medir, la corriente debe atravesar una resistencia más -la del propio amperímetro- de modo que la corriente medida es menor que la que se desea medir; vale decir, a mayor resistencia, menor corriente. Este conflicto se solventa fabricando amperímetros de muy baja resistencia, o al menos, de resistencia despreciable respecto a las presentes en el circuito, de tal forma que la corriente medida no difiera mucho de la que realmente se desea medir.Un amperímetro ideal sería aquel capaz de medir sin perturbar o incidir en la corriente en la rama.
Lo anterior, sería posible solo si el aparato se desempeñara como un corto circuito con respeto al flujo de corriente. Sin embargo, los amperímetros reales poseen siempre una determinada cuota de resistencia interna y hacen que la corriente en la rama cambie debido a la inserción del medidor. La presencia de un amperímetro en un circuito eléctrico es representada por la letra "A" encerrada en un círculo
Los multímetros son dispositivos capaces de funcionar como voltímetros o amperímetros e inclusive, como ohmímetros, lo que significa que son competentes para medir la resistencia. Poseen una perilla o botón que permite al operario seleccionar las diferentes funciones.
La Asociación entre el voltaje, la corriente y la resistencia, se resume en un enunciado denominado Principio de la Ley de Ohm. De él se desprende que la corriente en un circuito es directamente proporcional al voltaje presente, y es inversamente proporcional a la resistencia. Es decir: I=V/R
Donde, I es la corriente -en amperios- que pasa a través del objeto; V es la diferencia de potencial -en voltios- de las terminales del objeto, y R es la resistencia en ohmios (Ω). Específicamente, la ley de Ohm indica que la R en esta relación es constante, independientemente de la corriente.
Simbología Para La Diagramación
Se considera para el símbolo de la fuente, que la barra más larga representa el borne positivo, mientras que la más corta se refiere al borne negativo de la misma.
A continuación se describe la ruta de trabajo que deben seguir los participantes para manipular de una forma correcta los instrumentos de medición de las diferentes variables eléctricas consideradas para este post. Primero se muestra mediante Video Tutorial y luego se precisan detalles en prosa (texto y diagramas)
Respecto al voltímetro: se debe tomar una fuente de poder de un alcance de 25 voltios, utilizando una resistencia de 10Ω de 0.64A, -es decir, que para su correcto uso la corriente en el circuito no debe superar lo indicado- para proteger la vida útil de la resistencia.
Sabiendo esto, de la relación I = V / R, despejamos el valor de V, y tenemos que V=I.R=(0.64A).(10Ω)=6.4V ; es decir, que para prevenir el daño de la resistencia el valor del voltaje no sebe superar los 6.4V. Por lo tanto se colocará la fuente en 5V para el montaje. Se debe medir directamente con el voltímetro en una conexión en paralelo antes de comenzar a utilizar dicha fuente. Como medida de seguridad es necesario utilizar un interruptor unipolar para cerrar el circuito, y los cables conductores, proponiendo que no sean de grandes longitudes debido a que esto incidirá en la resistencia, y por lo tanto, el valor de la medición será menos preciso. Es importante saber que estos instrumentos de medición tienen un margen de error de más o menos 0,01
Se emplea la misma fuente que en el montaje del voltímetro, asegurando un valor de 5 voltios, y recordando que con el referido voltaje y la resistencia a utilizar (10Ω de 0,64A), el valor está por debajo de los 0.64A aproximadamente, con el propósito de cuidar la vida útil de la resistencia. Con base en los valores esperados, se utilizará un amperímetro con una escala de 1A -corriente continua-, representado de esta manera: 1A(-), y donde la recta representa el símbolo de corriente directa; cuidando de no confundir con el símbolo (~) el cual representa la corriente alterna.
De nuevo se utiliza un interruptor de palanca unipolar para cerrar el circuito (por motivos de seguridad), además de cables conductores, considerado en el montaje número uno. Siempre el amperímetro debe estar posicionado de tal manera que la corriente pase primero por la resistencia, porque en el caso contrario mediría la corriente total que sale de la fuente; si esto ocurriera y supera la escala indicada, podría ocasionar daños en el instrumento.
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Para este circuito se conecta un voltímetro y un amperímetro tomando en consideración los montajes N°1 y N° 2, con el propósito de registrar la diferencia de potencial y la corriente eléctrica de un circuito. Debe tenerse presente que habrá valores diferentes debido a las tres resistencias presentes; tanto R1 como R2 y R3 serán de 10Ω y 0.64A, sumadas en serie (las resistencia se suman dando una resistencia equivalente de 30Ω, de V=I.R=(0.64A).(30Ω)=19.2V).
Se recuerda que no se puede exceder dicho voltaje, con el fin de proteger la vida útil de las resistencias. Se utilizará un voltaje de 10V.
A continuación se muestra en Videos los tres resultados de medición obtenidos a partir del momento en que se cierra el circuito:
- Ver Video del Resultado en el Voltímetro
- Ver Video delResultado en el Amperímetro
- Ver Video delResultado en el circuito Mixto
Con base en lo experimentado y los datos obtenidos se plantean una serie de interrogantes, cuya respuesta conduciría a valorar de mejor manera los indicados instrumentos de medición eléctrica –Voltímetro, Amperímetro-. En función de su utilización como recurso técnico para el análisis de eventos biológicas, como por ejemplo, los potenciales de acción y la contracción muscular.
En ese sentido emerge lo siguiente: ¿Por qué debe conectarse el amperímetro en serie? ¿Cómo debería ser la resistencia en un voltímetro? justifique tu respuesta. ¿Qué pasa si se cambia la polaridad de los instrumentos? ¿Qué efecto físico se produce si colocas en un circuito un voltímetro en serie? ¿Qué consideraciones deben tomarse para el valor asignado al voltaje de la fuente?
Si bien es cierto que se trata de planteamientos operativos, estos sirven de aval y capital intelectual, para desarrollar competencias, habilidades y destrezas en los laboratorios de Biología, Química y Física.
En un próximo post, estaré abordando el tema directo del galvanómetro, y algunas demostraciones experimentales que conducen a valorar estos descubrimientos e invenciones, así como las aplicaciones de los mismos
Hewitt, P. (2007).Física conceptual. Pearson educación. Decima Edición.
Raymond A. Serway y John W. Jewett, Jr. (2009). Física para ciencias e ingeniería con física moderna. *CENGAGE Learning. Volumen 2. Séptima edición.
Tórtora y Derrickson.( 2013 ). Principios de Fisiología y Anatomía. 11va edición. Editorial Harcourt Brace: Madrid.
Moyes, C. y Schulte, P.( 2007) Principios de Fisiología Animal. 1era Edición.Editorial Pearson.Addison-Wesley.
Ganong, W. ( 1996 ). Fisiología Médica. Decimoquinta. Edición en español. Editorial El Manual Moderno: México.
Van de Graff, K. Y Ward Rhees, R. (1989) Anatomía y Fisiología Humanas. México: Interamericana-McGraw-Hill.
FUENTES: Todas las imágenes del post son inéditas, procesadas por el autor con dispositivo Tablet Samsung 10.1 y el programa Power Point para convertirlas en .jpg.
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Que buena iniciativa! Me parece excelente que en la situación actual se realicen post con este nivel y que en la mayoría de los institutos de educación se presentan fallas y de alguna manera hay que ayudar a nivelar. Saludos
Muy amable por tu comentario @emily61
La idea es aportar poniendo a disposición de la comunidad estrategias de formación científica, desde los contenidos básicos hasta los más complejos. Todos son requeridos para las generaciones que se están formando en ciencias.
Hola @tomastonyperez. Muy efectiva la estrategia y práctica experimental para explicar el montaje y uso de los instrumentos de medición electrica. Por la fluidez discursiva de la expositora que está describiendo el protocolo para realizar las distintas conexiones, deduzco que es una de sus mejores estudiantes. Este tipo de experiencias son las que dejan un verdadero aprendizaje significativo.
Me encanta su post. Lo felicito por su estupendo trabajo.
Felicitaciones...
Hola @arac ...agradezco tus palabras. Sí. El colega Cordero y los estudiantes de Ciencias naturales se esmeran. De hecho el video es parte de los medios y recursos utilizados para facilitar a nivel de prelaboratorio y laboratorio, el manejo de la terminología y el entramado de conexiones. Como dices, para asegurar la significatividad del aprendizaje -aprender, haciendo-.
Felicidades @tomastonyperez por tan excelente post, muy bien trabajado y adecuado uso de los recursos audiovisuales. Que bueno contar con profesionales, que tienen como visión hacer del aprendizaje un proceso creativo y ameno. Saludos y muchos éxitos estimado @tomastonyperez!
Agradezco tus palabras @eliaschess333 ...los medios y recursos para la enseñanza de las ciencias son un importante aval para despertar el interés por las ciencias en esos profesionales que van a los laboratorios, centros de investigación y universidades, así como a la empresa privada, con las aplicaciones tecnológicas.
Excelentísima publicación Profesor Tomas, no había podido darle un vistazo que bueno que explique de esta manera a todos sus estudiantes de verdad admirable y excelente trabajo.
Gracias estimado @migueldavidor muy amable con sus palabras... son un estímulo para seguir adelante promoviendo las ciencias naturales.
Saludos @tomastonyperez, me hiciste recordar una práctica de fisiología con una rana para medir los potenciales de acción de la unión neuromuscular. Excelente como siempre. Felicitaciones.
Que bueno @elvigia poder evocar esas etapas de formación científica propias del método inductivo concreto. Gracias por dejarme esos testimonios alentadores, los aprecio.
Excelente trabajo estimado @tomastonyperez. No dejas de impresionarme con tu artículos. La pedagogía con la que presentas tu trabajo es de admirar. Gracias por compartirlo.
Estimado @lorenzor es un honor que me haces ( a mí, mis colegas y estudiantes), ...en donde el trabajo transdisciplinario, colaborativo y cooperativo nos garantiza alcanzar de mejor manera los propósitos científicos (investigación) y didácticos en la enseñanza y aprendizaje de la ciencia. Además de ser un compromiso y reto continuos. Agradecido por tus expresiones de apoyo.
Excelente post, se ve que te has esmerado bastante en realizarlo no tenia idea de la puesta en funcionamiento de estos aparatos, esperamos por el post del Galvanometro, Saludos.
Estimado @ydavgonzalez ...gracias por tus comentarios. Sí. Estoy preparando ese material para próximas entregas.