Laboratorio virtual de curvas I–V: lámpara y diodo

Este laboratorio virtual de curvas I–V corresponde a la práctica obligatoria (required practical) de AQA GCSE Physics sobre las gráficas de corriente frente a diferencia de potencial de una resistencia, una lámpara de filamento y un diodo. Los estudiantes ajustan una fuente de corriente continua variable, leen un voltímetro conectado en paralelo con el componente y un amperímetro en serie con él, y anotan lecturas en los dos sentidos. Una sola clase da tres formas a partir de las lecturas de los propios estudiantes: una recta, una curva que se aplana y un diodo que solo conduce en un sentido, a partir de unos 0,6 V.

Relación con el currículo

• AQA GCSE Physics (8463) 4.2.1.4 (resistencias) y la práctica obligatoria 4: medir cómo varía la corriente con la diferencia de potencial en una lámpara de filamento, un diodo y una resistencia a temperatura constante. En Combined Science: Trilogy el mismo contenido es el 6.2.1.4.

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Antes del laboratorio (5 min)

Pide a los estudiantes que se comprometan con una predicción, en papel o como pregunta 1 del enlace de clase:

"Subes la diferencia de potencial en una lámpara de filamento de 0 a 6 V y representas I frente a V. ¿Qué forma tendrá la gráfica?"

Espera que muchos estudiantes dibujen una recta, porque "es la ley de Ohm".

Método en la simulación

Para cada lectura: cierra el interruptor S, espera a que los medidores se estabilicen, pulsa Anotar lectura y luego pulsa Abrir interruptor S antes de cambiar la fuente. Fuente E es el ajuste de la fuente de alimentación; el voltímetro muestra la diferencia de potencial V en el componente, que es un poco menor.

1. Resistencia. Elige Resistencia fija y pon Resistencia R en 47 Ω. Anota lecturas con Fuente E = 1,0; 2,0; 3,0; 4,0; 5,0 y 6,0 V (deslizador o botones − / +).
2. Pulsa Invertir fuente y repite para obtener lecturas negativas.
3. Lámpara de filamento. Elige Lámpara de filamento (6 V – 0,3 A) y repite los pasos 1 y 2. No pases de sus 6 V nominales.
4. Diodo. Elige Diodo de silicio con una Resistencia de protección de 330 Ω. Anota lecturas con E = 0,5; 1,0; 2,0; 3,0; 4,0 y 6,0 V, y marca Ampliar cerca del origen. Luego invierte la fuente a 3,0 V.
5. Toca cualquier punto para ver R = V/I. Marca Mostrar curva de referencia para comparar tus puntos con el modelo.

Fuente E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V en la lámpara (V)
I (mA)
R = V/I (Ω)

Resultados esperados

Todas las lecturas salen de la simulación. Cada medidor tiene un pequeño error aleatorio, así que la última cifra puede variar en 1.

Lámpara de filamento:

Fuente E (V)	1,0	2,0	3,0	4,0	5,0	6,0
V (V)	0,92	1,89	2,87	3,86	4,84	5,82
I (mA)	138,0	177,2	211	242	270	296
R (Ω)	6,6	10,7	13,6	15,9	17,9	19,7

La curva se va aplanando y R se triplica entre 1 V y 6 V. Las lecturas invertidas son simétricas a estas respecto al origen.

• Resistencia (47 Ω): con E = 6,0 V los medidores marcan 5,92 V y 125,7 mA, así que R = 47,1 Ω. Todos los puntos quedan en una recta que pasa por el origen. Si el interruptor S se queda cerrado un minuto a 6 V, la resistencia se calienta hasta unos 56 °C y R deriva hasta unos 48,7 Ω.
• Diodo de silicio (330 Ω): 0,44 V y 0,19 mA con E = 0,5 V; 0,53 V y 1,41 mA con 1,0 V; 0,61 V y 7,2 mA con 3,0 V; 0,65 V y 16,2 mA con 6,0 V. La corriente sube bruscamente mientras V apenas cambia. Invertido a 3,0 V: −3,00 V y 0,00 mA.
• LED rojo (330 Ω): 1,80 V y 3,6 mA con E = 3,0 V. Empieza a conducir hacia 1,7 V, en lugar de hacia 0,5 V.

Preguntas para los estudiantes

1. (Predicción, se repite después del laboratorio) ¿Qué forma tiene la gráfica I–V de una lámpara de filamento de 0 a 6 V?
2. Para que la resistencia fija dé una recta que pase por el origen, ¿qué variable debe mantenerse constante?
3. Con el diodo de silicio, una resistencia de protección de 330 Ω y E = 3,0 V, ¿qué marca el voltímetro?
4. Para la lámpara, calcula R = V/I con E = 1,0 V y con E = 6,0 V. ¿Cuántas veces mayor es R con 6,0 V?
5. Explica por qué la resistencia de una lámpara de filamento aumenta al aumentar la diferencia de potencial en ella.

Respuestas para el docente: (1) Una curva que pasa por el origen y es cada vez menos pendiente. (2) La temperatura de la resistencia. (3) 0,61 V (se acepta 0,59–0,63). (4) Unos 6,6 Ω y 19,7 Ω, así que unas 3,0 veces (se acepta 2,8–3,1). (5) Una corriente mayor calienta más el filamento. Los iones metálicos vibran más, los electrones chocan con ellos más a menudo y la resistencia aumenta.

Ideas erróneas frecuentes

• "Todos los componentes cumplen la ley de Ohm." Solo la cumple la resistencia a temperatura constante. La R de la lámpara pasa de 6,6 Ω a 19,7 Ω en un mismo experimento.
• "Invertir la fuente solo hace negativa la corriente." Es cierto para la resistencia y la lámpara. El diodo marca 0,00 mA a −3,00 V: su R = V/I es de unos 84 Ω en directa con E = 3,0 V y casi infinita en inversa.

Ampliación

• ¿Por qué una resistencia de protección? Pon la resistencia de protección en Ninguna y sube E en pasos de 0,1 V. La corriente es de 5,5 mA con E = 0,6 V y de 311 mA con 1,0 V, y el diodo se quema en cuanto pasa de 1 A (cerca de E = 1,6 V). Con 330 Ω a 6 V, los estudiantes pueden calcular la corriente segura: (6 − 0,65) ÷ 330 ≈ 16 mA.
• Resistencia caliente. Pon R = 10 Ω y E = 12 V y deja el interruptor cerrado. La etiqueta de temperatura sube y la corriente baja hasta que la resistencia se quema. Relaciónalo con P = VI.

Preguntas frecuentes

¿Por qué el voltímetro marca menos que el ajuste de la fuente?

La fuente y el amperímetro tienen 0,6 Ω de resistencia interna, y con el diodo la mayor parte de E está en la resistencia de protección. Representa la lectura del voltímetro, no E.

¿Por qué las lecturas del diodo están tan juntas?

Cuando un diodo de silicio conduce, un pequeño cambio de V produce un gran cambio de I. Añade lecturas entre E = 0,5 y 2,0 V y amplía para ver el codo.

¿Sustituye esto a la práctica real?

No para AQA: las prácticas obligatorias se tienen que hacer a mano. Usa la simulación para planificar, ensayar o analizar los resultados. Consulta laboratorios virtuales frente a laboratorios reales.

Simulaciones y guías relacionadas

Ley de Ohm – tensión, corriente y resistencia Circuito rectificador con diodos

Para la clase que va antes de esta práctica, consulta el plan de clase sobre la ley de Ohm. Para más ideas, consulta ideas de clases interactivas de física.