1er Informe de Laboratorio

Facultad de Ingeniera Mecnica - FIM

5to Informe de Laboratorio - FSICA III 2013-II

Facultad de Ingeniera Mecnica

ndice ndice..pg. 02 Introduccin.pg. 03 Objetivos...pg. 04 Fundamento terico..pg. 04

Equipamiento..pg. 10 Procedimiento experimental...pg. 12 Clculos y Resultadospg. 13 Observaciones..pg. 24 Discusin y conclusiones....pg. 24 Recomendaciones.....pg. 24 Bibliografa...pg. 25Introduccin

En nuestra vida cotidiana observamos aparatos que nos facilitan la vida, desde un simple foco que se enciende para darnos luz hasta equipos muy sofisticados e incluso hasta inteligentes como les llaman, fciles de utilizar y que hacen de nuestra vida una vida ms cmoda y placentera. Estos aparatos no funcionan simplemente porque si, funcionan gracias al aprovechamiento de algunas propiedades de los materiales, en los circuitos, que son los que gobiernan a los aparatos es donde mejor se observa estas propiedades, si cogemos algunos de estos podemos observar diminutos componentes que se encargan de aprovechar la energa elctrica y hacerla til segn los requerimientos. En el presente laboratorio estudiaremos como es que se comporta un objeto que puede mantener una diferencia de potencial entre dos puntos en un circuito abierto, cul es su naturaleza, y como es que lo describiremos. Veremos tambin que este objeto no viene solo, tiene cierto circuito dentro de l y que gracias a este, el objeto no es ideal, desarrolla una potencia y tiene una eficiencia. El objetivo de este informe es estudiar lo ms profundo posible acerca de este objeto que tiene una naturaleza rara y se escapa de las definiciones de los otros dispositivos por eso es que constituye una nueva definicin, lo llamaremos Fuerza Electromotriz (FEM).

Experiencia de Laboratorio N 5Fuerza electromotriz, resistencia interna, eficiencia y potencia de una fuente de corriente continua.

Objetivo:

Determinar la fuerza electromotriz (FEM), la resistencia interna y la eficiencia de una fuente de corriente continua.

Fundamento terico:1. Fuerza Electromotriz:

Son fuerzas de naturaleza no elctrica las que en el interior de las fuentes de corriente llevan a las cargas desde un potencial ms bajo hacia un potencial mayor. Al efectuar este trabajo interno hay que vencer la resistencia interna r de la fuente. Toda fuente tiene una resistencia interna r. Cuando se dice que la fuente tiene, por ejemplo 3 voltios quiere decir que cada unidad de carga (coulomb en el Sistema Internacional) tiene en el borne positivo una energa potencial de 3 joules respecto al borne negativo cuyo nivel de energa potencial se tome igual a cero.

Cuando se pone en funcionamiento al circuito la corriente i las cargas elctricas fluyen de mayor a menor potencial, fuera de la pila atravesando la resistencia externa (carga) R. Dentro de la pila, son fuerzas liberadas por reacciones qumicas (FEM) las que llevan a las cargas elctricas de (-) a (+), venciendo a la resistencia interna r de la fuente. La ley de Kirchoff para este circuito se escribe as:

Supongamos la resistencia externa R es la de un voltmetro, entonces el voltaje V = i R indicado por el voltmetro es el que hay entre los bornes negativo y positivo de la pila, ms no la fem, la cual ser mayor que V en la magnitud ir (E = iR + ir). De donde se ve que con un voltmetro (salvo que sea electrosttico) no se puede medir directamente la fem . V sera igual a E solo cuando i=0, pero en este caso el voltmetro no indicara nada pues no pasara corriente a travs de l.

(Nota: La resistencia de los alambres a menudo es pequea y por eso no se la toma en cuenta)

Para hallar la resistencia interna r y la fuerza electromotriz hay que armar el circuito de la figura 2.

Teniendo en cuenta que:

entonces:

2. Potencia:

La potencia de cualquier dispositivo es la rapidez con la cual esta sede o absorbe energa. En el Sistema Internacional (S.I.) la unidad de potencia es el VATIO = Joule/segundo.

La potencia (exterior) o sea la disipada en R es:

ext sea mxima.

Es decir la potencia disipada mxima vale:

Empero, en la utilizacin prctica es importante no solamente la POTENCIA sino tambin la EFICIENCIA (coeficiente de Accin til). Durante el funcionamiento del circuito, la corriente fluye tambin por el interior de la pila y por eso cierta potencia se disipa inevitablemente en el interior de la pila, esta potencia es

siempre que Vr) R (

i2 corresponde al corto circuito (R = 0)

La eficiencia depende de i segn:

De donde se ve que la eficiencia se acerca a 1 cuando i tiende a cero; ser mxima cuando i=0 (circuito abierto) y que luego disminuye linealmente y se vuelve cero durante el corto circuito, cuando se disipa toda la energa en el interior de la pila fuente

En el grfico se han dibujado las dependencias de Pext y Ptotal de i.

Vemos que las condiciones para obtener la potencia til mxima y la eficiencia en ese punto es:

Y cuando la eficiencia se acerca a 100% la potencia til (Pext) es pequea. En las instalaciones elctricas de gran potencia es condicin importante la obtencin de una alta eficiencia y por eso debe cumplirse la condicin:

Es decir, la resistencia interna debe ser mucho menor que la R de carga. En caso de un corto circuito entonces Pext=0 y toda la energa que se disipa en el interior de la fuente trayendo gran dao a las instalaciones. Por eso los cortocircuitos en las grandes instalaciones son INTOLERABLES.

Equipamiento:

Una fuente de poder D.C. (2 v).

Un voltmetro

Un ampermetro

Una resistencia variable (puente unifilar)

Procedimiento experimental:

Arme el circuito de la figura 2 y usando el mximo valor de la resistencia variable R (su mxima longitud) anote las indicaciones del ampermetro y del voltmetro.

Disminuya la magnitud de R de modo que V disminuya en 0.1V y anote las indicaciones del ampermetro y del voltmetro as como la magnitud de R. sta ltima puede ser expresada en unidades de longitud por ser alambre con seccin transversal constante.

Arme el circuito de la figura 5, que es una modificacin de la figura 2.

Repita el paso 2, en cada caso la lectura del voltmetro ser 0.1V menor que la lectura correspondiente al caso 2.

Clculos y resultados

Calculo de la resistencia de nicrom en el paso 1:

En el paso 1 utilizamos la resistencia de mxima longitud y por ende de mximo valor.

La diferencia de potencial medida por el galvanmetro fue y el valor de la intensidad de corriente elctrica medida por el ampermetro fue .

Entonces el valor de la resistencia de nicrom fue:

Y nos piden la resistencia por unidad de longitud. La longitud de la resistencia mxima es , por lo que la resistencia por unidad de longitud es:

1. Obtener el valor de la fem, la intensidad de corto circuito y la resistencia interna:Circuito 1

L (cm)V (vol)I (A)

1000.910.25

900.90.26

800.880.27

700.850.29

600.820.3

500.80.32

400.780.34

300.750.36

200.70.41

100.580.5

Circuito 2

L (cm)V (vol)I (A)

1000.720.33

900.70.35

800.680.38

700.620.4

600.60.43

500.580.47

400.490.5

300.410.56

200.340.6

100.280.74

La ecuacin de la grafico como ya vimos es:

Y el intercepto de esta grafica con el eje Y nos dar el valor de la FEM. El intercepto con el eje X nos dar el valor de la intensidad de cortocircuito:

Con estos valores calculados por interpolacin, procedemos a calcular la resistencia interna de la fuente, cuyo valor es

La ecuacin de la grafico producto del ajsute es:

Y el intercepto de esta grafica con el eje Y nos dar el valor la FEM y el intercepto con el eje X nos dar el valor de la intensidad de corto circuito:

Hallamos el valor de la resistencia interna:

2. Hallar la resistencia para cada medida tomada1er circuito L (cm)I (A)V (vol)R (ohm)

1000.250.913.64

900.260.93.46

800.270.883.26

700.290.852.93

600.30.822.73

500.320.82.50

400.340.782.29

300.360.752.08

200.410.71.71

100.50.581.16

2do circuitoL (cm)I (A)V (vol)R (ohm)

1000.330.722.18

900.350.72.00

800.380.681.79

700.40.621.55

600.430.61.40

500.470.551.17

400.50.490.98

300.560.410.73

200.60.340.57

100.70.250.36

3. Clculo del valor de la resistencia para la cual la potencia exterior es la mxima:

Para el 1er circuito:

La ecuacin para la potencia exterior viene dada por:

Donde:

Entonces:

GRAFICA :

Segn la teora la potencia exterior es mxima cuando:

Entonces calculamos por extrapolacin calculamos R

Para el 2do circuito:

La ecuacin para la potencia exterior viene dada por:

Donde:

Entonces:

GRAFICA :

Segn la teora la potencia exterior es mxima cuando:

Entonces calculamos por extrapolacin calculamos R

4. En qu condiciones la potencia total cedida por la fuente seria mxima y que valor tendra dicha potencia?

Segn la teora, decir que la potencia total cedidapor la fuente sea mxima indicatambin que la eficiencia debeser mxima, entonces el trmino debeser muypequeo,esto ocurre si o , pero decir que i=0 indicauncircuito abierto lo cual noes de muchautilidad.Entonces para obtener la mayor potencia entregadapor la fuente r=0.

Entonces la funcin depotencia P=f(i) resuelveuna funcin lineal.

P(i)= i, esta dala potencia para cualquier valor dei, pero como i= /(r+R), con r=0entonces P=2/R.

Entonces la potencia para cualquier valor deR del circuito es:

5. Qu diferencia existe entre los circuitos de la figura 2 y la figura 5? Sern iguales las lecturas en los instrumentos en los dos circuitos para un mismo valor de R? Por qu?

La diferencia entre ambos circuitos es la posicin del ampermetro. En el primer circuito est ubicado entre el voltmetro y la resistencia, mientras que en el segundo reside entre la batera y el voltmetro. En la primera configuracin se mide la diferencia de potencial entre los bornes positivo y negativo de la batera, mientras que en el restante se mide la diferencia de potencial entre la salida del ampermetro y el borne negativo de la pila. En esta ltima configuracin, la resistencia interna del ampermetro generar una leve cada de potencial, pero detectable con nuestros instrumentos, de 0.01V, alterando los resultados levemente. Al presentarse un error de lectura en la diferencia de potencial, se propagar al hacer el clculo de la resistencia.6. En qu condiciones la potencia total cedida por la fuente seria mxima y que valor tendra dicha potencia?Segn la teora, decir que la potencia total cedidapor la fuente sea mxima indicatambin que la eficiencia debeser mxima, entonces el trmino debeser muypequeo,esto ocurre si o , pero decir que i=0indicauncircuito abierto lo cual noes de muchautilidad.Entonces para obtener la mayor potencia entregadapor la fuente r=0.

Entonces la funcin depotencia P=f(i) resuelveuna funcin lineal.P(i)= i, esta dala potencia para cualquier valor dei, pero como i= /(r+R), con r=0entonces P=2/R.

Entonces la potencia para cualquier valor deR del circuito es:

7. Qu diferencia existe entre los circuitos de la figura 2 y la figura 5? Sern iguales las lecturas en los instrumentos en los dos circuitos para un mismo valor de R? Por qu?

La diferencia entre ambos circuitos es la posicin del ampermetro. En el primer circuito est ubicado entre el voltmetro y la resistencia, mientras que en el segundo reside entre la batera y el voltmetro. En la primera configuracin se mide la diferencia de potencial entre los bornes positivo y negativo de la batera, mientras que en el restante se mide la diferencia de potencial entre la salida del ampermetro y el borne negativo de la pila. En esta ltima configuracin, la resistencia interna del ampermetro generar una leve cada de potencial, pero detectable con nuestros instrumentos, de 0.01V, alterando los resultados levemente. Al presentarse un error de lectura en la diferencia de potencial, se propagar al hacer el clculo de la resistencia.Observaciones:

La fem medida directamente con el multmetro no concuerda con la obtenida de la extrapolacin de la funcin V(i) obtenida al hacer el ajuste de la grfica con los puntos obtenidos.

Los instrumentos como el multmetro y el voltmetro no son ideales, as como la batera. Si bien se acercan bastante en este caso, sus efectos pueden ser percibidos por los instrumentos, como ocurri con el circuito 2, que generaba una lectura 0.01V menor que en el circuito 1 en el voltmetro.

Discusin y conclusiones:

Se corrobor la relacin lineal entre el voltaje y la intensidad de corriente en una resistencia.

Con los puntos obtenidos experimentalmente, se pudo obtener una recta que pase por ellos con un buen porcentaje de aproximacin, lo que hace confiable los datos obtenidos por extrapolacin.

En el primer circuito se apreci la dependencia lineal entre la resistencia y la longitud del cable, mas no se pudo en el segundo debido al error cometido en las mediciones.

Los instrumentos de medicin no son perfectos, y mal ubicados conducen al error en las mediciones, como se apreci en el circuito 2. Se habr de tener en cuenta para futuras ocasiones.

Recomendaciones:

Tomar con precisin las mediciones de la longitud para obtener un buen grfico libre de errores grandes.

La pila no brinda un voltaje constante durante el tiempo. Se recomienda hacer la experiencia con la mayor rapidez posible que evite que la pila se descargue mucho, pero que a su vez permita tomar los datos de forma confiable.

Usar cables que se ajusten bien a las conexiones. Los que se nos brindaron se paraban saliendo y era un problema estar reconectndolos a cada instante.Bibliografa:

Facultad de Ciencias UNI, Manual de Laboratorio de Fsica General. Cap. I. Facultad de Ciencias 2004.

I.V.Saveliev Curso de Fsica General (Tomo 2) Primera Edicin Editorial MIR Mosc 1982.

S. Frisch A Timoreva Curso de Fsica General (Tomo 2) Segunda edicin Editorial MIR Mosc 1973.

Sears Zemansky Young Freedman Fsica Universitaria Vol. 2 Undcima edicin Pearson educacin, Inc. 2004.

UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERA

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FEM, resistencia interna, eficiencia y potencia de una fuente DC

Informe de laboratorio N 05

Curso:FSICA IIIProfesor:Ing. ChavezSeccin:BApellido PaternoApellido MaternoNombresEspecialidadCdigoFirmaMarocho MamaniJonathan WilmerM520070263EMontoya CamposRonyM420137511ELandeoJuan Carlos M420111248EFecha de presentacin:26/11/2013

2013

Lima, 26 de Setiembre del 2011

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