Actividad ley de Ohm: plan de 2 clases con LED y resistencias

Una buena actividad de la ley de Ohm no empieza escribiendo la fórmula en la pizarra para que se memorice, sino con una predicción que el alumnado comprueba después en su propio circuito. El plan de este artículo ocupa dos clases (2 × 40 minutos) y tiene cuatro pasos: predecir (¿qué resistencia hace brillar más el LED?), calcular (¿cuántos miliamperios circulan según V = I × R?), observar y medir (¿cuánto brilla el LED, qué tensión lee el Arduino?) y comparar (¿por qué la predicción, el cálculo y la medida se parecen pero no coinciden?). Cuando el alumno usa la fórmula con sus propias manos, recuerda qué significan V, I y R por experiencia y no de memoria.

Aquí no repetimos la teoría: la fórmula, las unidades y el cálculo de potencia están en qué es la ley de Ohm, y cómo funcionan una resistencia y un LED se explica en qué es una resistencia y qué es un LED. Este artículo se centra en lo que llevas al aula: objetivos de aprendizaje, tabla de materiales para un grupo de 24, el desarrollo minuto a minuto de las dos clases, un sketch de Arduino corto que compila, una plantilla de tabla de medidas, una ficha de 6 preguntas con solucionario, los errores conceptuales más comunes y propuestas para atender a grupos rápidos y lentos.

Cómo funciona la actividad: predecir, calcular, medir, comparar

El objetivo de este orden es que la fórmula deje de ser una máquina de respuestas y pase a ser una herramienta de comprobación. Si alguien hace una predicción equivocada en el primer minuto (muchos dirán «la resistencia más grande es más fuerte, así que el LED brilla más»), no es un problema: es el material de la clase. Ver fallar su propia predicción con sus propios ojos en la segunda clase deja mucha más huella que leer lo mismo en la pizarra. Trabajar con un solo color de LED (rojo) durante toda la actividad también es intencionado: si la única variable es la resistencia, el alumnado ve con claridad qué cambia qué. Los otros colores quedan como tareas de ampliación para los grupos rápidos.

Objetivos de aprendizaje y conocimientos previos

• Lee el valor de una resistencia de cuatro bandas con el código de colores y lo comprueba con una aplicación.
• Calcula la tercera magnitud de V = I × R cuando conoce dos y convierte bien miliamperios y kiloohmios.
• Explica que un LED necesita una tensión directa concreta para encenderse y que la tensión en la resistencia es la de la fuente menos ese valor.
• Demuestra con el experimento que a mayor resistencia hay menos corriente y el LED brilla menos, y da al menos dos razones de la diferencia entre lo calculado y lo medido.
• Deduce de la tabla de medidas que un LED no se comporta como una resistencia: su tensión apenas cambia mientras la corriente se multiplica.

Como conocimiento previo basta con que el alumnado haya oído hablar de tensión, corriente y resistencia. El plan también funciona con un grupo que nunca ha visto la fórmula; solo alargas unos minutos la parte del triángulo en la primera clase. Ayuda mucho que sepan conectar dos componentes en serie en una protoboard. Si no saben, muestra en la clase anterior, como calentamiento de cinco minutos, el esquema de conexiones internas de qué es una protoboard. No hace falta experiencia con Arduino: puedes cargar tú el código de la segunda clase de antemano, y el alumnado solo abre el Monitor Serie y lee los números. El plan está pensado para alumnado de unos 12 a 16 años, pero el mismo esquema sirve en formación profesional y en talleres de iniciación a la electrónica.

Lista de materiales: por grupo y para una clase de 24

Opción sin multímetro: la entrada analógica del Arduino Uno convierte de 0 a 5 V en un número entre 0 y 1023, así que la placa es a la vez fuente de 5 V y voltímetro sencillo. La segunda clase de este plan ya está pensada así; el multímetro solo es un extra para los grupos que quieran responder «¿cuántos voltios da de verdad el pin de 5 V?» o medir la corriente directamente. Si tienes algunos multímetros, puedes hacer la medida de corriente como demostración en tu mesa; la escala correcta y dónde van las puntas lo explicamos en cómo usar un multímetro. Si no tienes ni Arduino ni multímetro, la primera clase funciona igual y en la segunda solo haces el experimento de brillo y dejas vacías las columnas de medida.

1.ª clase (40 minutos): predicción y cálculo

No digas la respuesta a la pregunta inicial; recoge las tarjetas de predicción y guárdalas para la segunda clase. Una parte del grupo dirá «1 kΩ es más grande, da más energía» y otra acertará y lo justificará con «la resistencia frena la corriente». Cuando al final de la segunda clase se vuelvan a leer los motivos de ambos grupos, el debate empieza solo. En la parte del código de colores, el alumnado lee las bandas y comprueba el resultado en el móvil con la herramienta Código de colores; la herramienta no está para leer por ellos, sino para confirmar su propia lectura. Por eso fija la regla desde el principio: primero en papel, luego comprobar.

En la parte del triángulo no hagas memorizar la fórmula en tres versiones; basta con un triángulo. Al tapar con el dedo la magnitud que se busca, las dos letras restantes quedan una al lado de la otra (multiplicar) o una encima de la otra (dividir). Tres ejemplos que proponemos: 5 V y 1 kΩ, ¿cuántos mA? (5 mA). 2 V y 10 mA, ¿cuántos ohmios? (200 Ω). 20 mA y 150 Ω, ¿cuántos voltios? (3 V). El alumnado comprueba el resultado introduciendo dos valores en la herramienta Ley de Ohm. El error más frecuente son las unidades: quien escribe 10 en lugar de 10 mA obtiene un resultado absurdo como 0,2 Ω. Para detectarlo, pregunta en voz alta en cada ejemplo: «¿tiene sentido el resultado?».

La parte del LED es la clave de la actividad. Explica que un LED no se enciende un poco con cualquier tensión como una bombilla: un LED rojo casi no deja pasar corriente por debajo de 1,6–1,7 V, y hacia los 2 V la corriente sube muy deprisa. Por eso, de los 5 V de la fuente, unos 2 V se quedan en el LED, los 3 V restantes caen en la resistencia y son esos 3 V los que fijan la corriente. Haz que busquen los valores típicos por color en la herramienta Tensiones de LED; para el rojo muestra unos 1,85 V, y en clase lo redondeamos a 2 V para que la cuenta sea fácil. Esa pequeña diferencia da para una buena pregunta: con 220 Ω, ¿son 13,6 mA o 14,3 mA? Las dos respuestas significan «unos 14 mA». Después, cada grupo calcula la corriente de sus cuatro resistencias, introduce esa corriente en la herramienta Resistencia para LED y ve que la resistencia que propone se parece a la suya. La tabla siguiente es tu solucionario; los valores están calculados con una fuente de 5 V.

• Pregunta de salida 1: ¿Qué deja pasar más corriente, 220 Ω o 330 Ω? Justifícalo con un número.
• Pregunta de salida 2: En un circuito de 5 V, si el LED rojo tiene 2 V, ¿cuántos voltios hay en la resistencia?
• Pregunta de salida 3: La tensión directa de un LED azul es mayor que la de uno rojo. Con la misma resistencia de 220 Ω, ¿la corriente del LED azul sube o baja?

2.ª clase (40 minutos): experimento de brillo y medida con Arduino

Es importante que el experimento de brillo empiece por 1 kΩ: al ir del circuito más tenue al más brillante, el alumnado ve mejor la diferencia y la vista no se cansa. Da una escala de brillo común: 1 «apenas se ve», 3 «se ve bien con la luz del aula», 5 «molesta al mirarlo». Comparar colores distintos a ojo engaña, porque el ojo es más sensible al verde que al rojo y al azul; con la misma corriente, un LED verde puede parecer más brillante. Por eso compara el brillo siempre dentro de un mismo color. Estas dos clases también encajan como un día extra en el programa de taller de Arduino de 5 días, justo después del primer día de LED.

Monta el circuito y convierte el Arduino en voltímetro

1. Con el cable USB desconectado, conecta el pin 5V del Arduino a una fila de la protoboard.
2. Pon una pata de la resistencia en esa misma fila y la otra en una fila libre.
3. Pon la pata larga del LED rojo (ánodo) en la misma fila que la segunda pata de la resistencia y la pata corta (cátodo) en otra fila.
4. Conecta la fila del cátodo del LED al pin GND del Arduino.
5. Lleva un cable desde la fila donde se unen la resistencia y el ánodo del LED hasta el pin A0 del Arduino.
6. Conecta el USB, abre el Monitor Serie a 9600 baudios y anota en la tabla de medidas los dos valores que llegan cada segundo.
7. Desconecta el USB, cambia la resistencia por la siguiente y repite el paso 6. No hace falta volver a cargar el código.

1// Ohm kanunu etkinliği: LED ve direnç gerilimini ölç / Ohm's law activity: measure LED and resistor voltage
2// Devre / Circuit: 5V -> direnç / resistor -> A0 + LED anot / anode -> LED katot / cathode -> GND
3const float VCC = 5.00;      // 5V pinindeki gerilim, multimetre varsa ölçüp yaz / voltage on the 5V pin, measure it if you have a multimeter
4const int SENSE_PIN = A0;    // direnç ile LED'in birleştiği nokta / node where the resistor meets the LED
5const int SAMPLES = 20;      // ortalaması alınacak okuma sayısı / number of readings to average
6
7void setup() {
8  Serial.begin(9600);
9  Serial.println(F("V_LED (V)   V_R (V)"));
10}
11
12void loop() {
13  long sum = 0;
14  for (int i = 0; i < SAMPLES; i++) {
15    sum += analogRead(SENSE_PIN);         // 0-1023
16    delay(5);
17  }
18  float raw = sum / (float)SAMPLES;       // ortalama okuma / average reading
19  float vLed = raw * VCC / 1023.0;        // LED üzerindeki gerilim / voltage across the LED
20  float vRes = VCC - vLed;                // direnç üzerindeki gerilim / voltage across the resistor
21
22  Serial.print(vLed, 2);
23  Serial.print(F("        "));
24  Serial.println(vRes, 2);                // akımı kağıtta bul: I = V_R / R / find the current on paper: I = V_R / R
25  delay(1000);
26}

El código no calcula la corriente a propósito: el Monitor Serie solo muestra la tensión en el LED y en la resistencia, y la corriente la calcula el alumnado en papel con I = V_R / R. Así la ley de Ohm se usa una vez más al final de la clase, ahora con una medida real, y no hace falta volver a cargar nada al cambiar de resistencia. analogRead() convierte la tensión de A0 en un número de 0 a 1023; con referencia de 5 V, cada paso equivale a unos 4,9 mV. Para un grupo que no ha visto cómo se lee este número, el ejemplo de lectura analógica de qué es un potenciómetro es una buena preparación. Como el código promedia 20 lecturas, los números no saltan en pantalla. Los 5 V del USB suelen estar entre 4,7 y 5,1 V; si tienes multímetro, mide una vez entre 5V y GND y escribe el valor en la línea VCC, así las dos columnas ganan unos puntos de precisión.

La tabla que obtendrá el alumnado será más o menos así: al bajar la resistencia de 1 kΩ a 220 Ω, la corriente se multiplica por cuatro o cinco y el brillo pasa de 1–2 a 4–5, pero la tensión del LED solo sube unas décimas de voltio; en un LED rojo suele quedarse entre 1,8 y 2,0 V. Es el momento más valioso de la clase, porque el alumnado ve con sus propios números que un LED no se comporta como una resistencia: aplicamos la ley de Ohm a la resistencia y tratamos el LED como un componente que se queda con una tensión casi fija. Es normal una diferencia de unos pocos por ciento entre cálculo y medida; deja que encuentren las causas. Respuestas esperadas: la tensión del USB no es exactamente 5 V, las resistencias tienen una tolerancia de ±5 %, la tensión directa real del LED no es nuestro 2,0 V redondeado y cada paso de la lectura analógica son unos 5 mV.

Ficha de trabajo: 6 preguntas y solucionario

Errores conceptuales frecuentes y cómo corregirlos en clase

Los dos primeros errores son los más tenaces. Para «la resistencia gasta corriente», la demostración con el multímetro es lo más convincente; sin multímetro, muestra que las dos tensiones del Monitor Serie siempre suman casi exactamente 5 V y explica que eso es la tensión repartiéndose en un circuito en serie. Es una entrada natural a las leyes de Kirchhoff y puede ser tarea para el alumnado con curiosidad. Desmonta «la resistencia sobra» con cálculo y no quemando un LED: ver que la corriente crece al bajar R y queda indefinida en cero ya impresiona bastante.

Atención a la diversidad: grupos rápidos y lentos

• Grupo rápido, serie y paralelo: Dos de 220 Ω en serie (440 Ω, unos 6,8 mA) y dos de 1 kΩ en paralelo (500 Ω, unos 6,0 mA). Que predigan antes cuál brillará más; salen casi iguales y esa sorpresa genera un buen debate. Pueden comprobar la resistencia equivalente con la herramienta Serie / paralelo. Esta herramienta es Premium; sin suscripción se abre como escaparate de Cálculo de ejemplo, y para calcular con sus propios valores hace falta Premium. Las fórmulas están en cálculo de resistencias en serie y paralelo.
• Grupo rápido, resistencia en lugar del LED: Quita el LED y pon en su lugar otra de 1 kΩ; A0 lee unos 2,5 V. Con 220 Ω arriba y 330 Ω abajo (en el lugar del LED), A0 lee 5 × 330 / 550 = 3,0 V. Que comparen en su tabla cómo la tensión cambia en proporción con la resistencia, mientras que en el LED se quedaba casi fija.
• Grupo rápido, cambiar de color: Que repitan la medida con un LED azul, contrasten con la medida los unos 7,7 mA calculados con 220 Ω y expliquen con la tensión de la resistencia por qué el LED azul consume menos corriente. Con la medida también pueden averiguar si su LED verde es del tipo antiguo (unos 2,2 V) o verde puro (unos 3,2 V).
• Grupo lento, circuito preparado: Dale al grupo la protoboard con la resistencia de 330 Ω y el LED rojo ya montados y el cable de A0 conectado. Solo cambian la resistencia, anotan dos tensiones y hacen una operación: I = V_R / R.
• Grupo lento, tarjeta de pasos: Pon en la mesa una tarjeta con el triángulo V = I × R y la línea «5 V − tensión del LED = tensión de la resistencia». Quien aún no sabe leer el código de colores introduce primero los colores en la herramienta Código de colores y hace la lectura por su cuenta en el segundo intento.

Lista de comprobación antes de la clase

• El código de medida está cargado en cada Arduino y el Monitor Serie se ha probado una vez a 9600 baudios.
• Se ha comprobado que los cables USB son de datos (un cable solo de carga no hace que el ordenador vea la placa).
• Las bolsas de resistencias están listas y sin valores escritos; la de 100 Ω está en tu mesa.
• Las patas de los LED no están cortadas y la larga se reconoce como ánodo; cada grupo tiene un LED rojo de repuesto.
• La tarjeta de predicción, la tabla de predicción, la tabla de medidas y la ficha están impresas para 24.
• BlueGrays está instalada en los móviles y la pantalla de Herramientas se abre; las cuatro herramientas de la clase se han probado una vez.
• Si se usa multímetro, se han revisado la pila y el fusible de la escala de corriente.

Cómo usar BlueGrays en esta actividad

• Herramientas gratuitas: Código de colores, Ley de Ohm, Resistencia para LED y Tensiones de LED están entre las herramientas gratuitas. Se abren desde la pestaña Herramientas del menú inferior. El alumnado hace primero la cuenta en papel y luego la comprueba con la herramienta; no se usa para obtener la respuesta, sino para validar su propio cálculo.
• Proyecto Parpadeo de LED: Parpadeo de LED es totalmente gratuito: esquema del circuito, lista de componentes, código fuente, vista de bloques con Ver en bloques y Entender el código están abiertos. En una tercera clase, encender el LED esta vez desde un pin digital y elegir la resistencia con su propio cálculo es la continuación natural de la actividad.
• Preguntas del día: Hay unas 400 preguntas y 6 niveles; entre los temas está Electricidad y entre los tipos de pregunta hay de Cálculo y de Circuito. Cada día llega un set nuevo que dura unos 3 minutos. Para la semana entre las dos clases, la tarea «resuelve tu set cada día» sirve de repaso. La aplicación no tiene un panel de clase que muestre puntuaciones al docente; si quieres hacer seguimiento, pide al alumnado que traiga sus resultados semanales.
• Si necesitas Premium: Si quieres usar con todo el grupo herramientas Premium como Serie / paralelo o proyectos Premium, en códigos Premium para la clase explicamos cómo funciona repartir códigos de un paquete para docentes en lugar de una suscripción por alumno. Toda esta actividad se puede hacer con las herramientas gratuitas.

Tras dos clases, lo que el alumnado tiene no es una fórmula memorizada, sino su propia tarjeta de predicción, una tabla que ha calculado y medido y su propia respuesta escrita a «¿por qué no se cumplió mi predicción?». La próxima vez que aparezca la ley de Ohm, recordarán los números de esa tabla. Si el día anterior instalas la aplicación BlueGrays en tu móvil y pruebas una vez las cuatro herramientas gratuitas y el proyecto Parpadeo de LED, sabrás de antemano qué verá el alumnado en su pantalla.