laboratorio 6 2013

Índice

I. OBJETIVOS..............................................................................................................................3

II. FUNDAMENTO TEÓRICO –PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL - CUESTIONARIO

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II.1. FUNDAMENTO TEÓRICO — POTENCIA ELÉCTRICA..................................................................3

II.2. EXPERIMENTO: MEDICIÓN DE POTENCIA...............................................................................4

II.3. CUESTIONARIO (POTENCIA)...............................................................................................5

II.4. FUNDAMENTO TEORICO DE CONDENSADORES...................................................5

II.5. PROCESO DE CARGA DEL CONDENSADOR EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTÍNUA.............................................................................................................................7

II.6. CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)......................................................................9

II.7. FUNDAMENTO TEORICO DE LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA...........................................................................................................................10

II.8. EXPERIMENTO: LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA. .12

II.9. CUESTIONARIO (LA BOBINA)..................................................................................14

III. CONCLUSIONES...................................................................................................................15

IV. BIBLIOGRAFÍA....................................................................................................................16

LABORATORIO DE FISICA III

P=U 2

R

POTENCIA ELÉCTRICA-CONDENSADORES Y BOBINAS EN CIRCUITOS DE CC

Experiencia Nº3

I. OBJETIVOS

Mostrar la potencia eléctrica como función del voltaje y de la corriente, calculando y midiendo la potencia disipada en una resistencia conforme aumenta el voltaje.

Demostrar el Voltaje y Corriente de carga y descarga de un condensador

Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica y veremos el comportamiento de una bobina

II. FUNDAMENTO TEÓRICO –PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL - CUESTIONARIO

II.1. FUNDAMENTO TEÓRICO — POTENCIA ELÉCTRICA

La potencia eléctrica es mayor mientras mayor sea la tensión y mayor sea la corriente. Para la potencia P es válida la relación:

La unidad de la potencia eléctrica recibe el nombre de Watt (W), el inglés que la definió. 1 W es la potencia de una corriente continua de 1 A con una tensión continua de 1 V. La potencia absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un voltímetro y un amperímetro. Una medición directa de potencia se puede realizar por medio de un voltímetro.

Si en la formula anterior, de acuerdo con la ley de Ohm, para la potencia se reemplaza la tensión U por el producto I.R, se obtiene la ecuación:

Si en la ecuación inicial, por el contrario, se reemplaza la corriente Ipor el cociente U/R, se obtiene la relación:

2

P=U . I

P=I 2 . R P= I 2

R


II.2. EXPERIMENTO: MEDICIÓN DE POTENCIA

En el experimento siguiente se debe examinar la medición indirecta de la potencia eléctrica por medio de una medición paralela de corriente y tensión.

Monte el circuito experimental representado a continuación: En el caso de que desee realizar la medición por medio de un amperímetro virtual, la siguiente animación ilustra el cableado. Si desea realizar la medición por medio del multímetro MetraHit, podrá observar el cableado en la animación siguiente.

Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua, y seleccione los ajustes. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Voltímetro A,y el instrumento Amperímetro B, yseleccione los ajustes.

Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión Ups de 1 V. Mida la tensión U1 a través de la resistencia R1 al igual que la corriente resultante I1 en miliamperios y anote los valores obtenidos en la correspondiente columna de la tabla siguiente. A partir de ello, determine la potencia P1 absorbida por la resistencia en mW y anote de igual manera el resultado en la tabla. Repita el experimento para las tensiones de entrada de 2,5 y 10 V y anote los valores en las líneas correspondientes de la tabla.

Tabla 1:

Exp Ups (V) U1(V) I1 (mA) P1 (mW)1 1 0.9 1.2 1.82 2 1.9 2.3 4.373 5 4.9 5.6 27.444 10 9.9 10.9 107.91

Ahora, en el montaje experimental, reemplace la resistencia R1 de 1 kΩ por la resistencia R2 de 500Ωy repita la serie de mediciones. Anote los resultados de las mediciones, al igual que los valores de potencia calculados, en la siguiente tabla (tabla 2).

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Tabla 2:

Exp Ups (V) U2(V) I2 (mA) P2 (mW)1 1 0.3 1.4 0.422 2 0.6 2.9 1.743 5 1.6 7.2 11.524 10 3.2 14.2 45.44

II.3. CUESTIONARIO (POTENCIA)

1.- ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?

a) La resistencia pequeña absorbe escasa potencia con la misma tensiónb) La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma

tensión c) Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida d) Si se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbidae) Si se duplica la tensión, se multiplica también la tensión absorbida.

2.- ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?

a) La potencia total es independiente de la tensión que se aplicab) La potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplicac) La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplicad) La resistencia pequeña absorbe una cantidad mayor de potencia e) La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia

II.4.FUNDAMENTO TEORICO DE CONDENSADORES

Los condensadores son estructuras en las que se puede almacenar cargas eléctricas en reposo. En su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma una diferencia de potencial eléctrico (tensión) U entre los electrodos. La imagen siguiente muestra como ejemplo un condensador de placas, con la superficie A y la distancia entre placas d, que porta la carga Q. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo eléctrico entre las placas (no representado en esta imagen).

Entre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se conoce como dieléctrico (no representado

4Q=C .U


en la parte superior). Entre la carga y la tensión existe una relación lineal; es válida la siguiente relación:

La magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio (símbolo: F). Mientras mayor sea la capacidad de un condensador, se debe aplicar un volumen mayor de carga para generar una tensión determinada entre sus electrodos. Análogamente, podemos tomar como ejemplo una piscina, en donde la capacidad es la superficie de su fondo, la carga el volumen de agua de la piscina y la tensión la altura de llenado: Mientras más grande sea la superficie de la base (capacidad) de la piscina, se necesitará más agua (carga) para conseguir una determinada altura de llenado (tensión).

La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende únicamente de la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. Para un condensador de placas es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, 𝜀0 es la constante eléctrica de campo y posee un valor de 8.8542·10-12 AS/Vm, 𝜀r es el índice dieléctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distancia entre placas.

Si un condensador se conecta a una tensión continua U0 a través de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensión, proceso durante el cual la tensión del condensador, de acuerdo con una función exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U0 (100%) (Curva de carga de un condensador, véase la imagen de la izquierda). Si, a continuación, se desconecta el condensador de la fuente de tensión y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (véase la imagen abajo).

Las corrientes de carga y de descarga fluyen aquí en sentidos contrarios. La velocidad de descarga del condensador depende de su capacidad y del valor de la resistencia R y se caracteriza por medio de la constante de tiempo T = R·C . Una vez que ha transcurrido este tiempo, durante la carga, el condensador ha alcanzado el 63% de su

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C=ε 0 . ε r .AD


valor de tensión o bien, durante la descarga, ha perdido el 63% de su tensión inicial. Si el condensador está completamente cargado, ya no fluye ninguna corriente de carga; por tanto, un condensador bloquea la corriente continua.

Si después del proceso de carga del condensador se produce una desconexión de la fuente de tensión, sin que el circuito de corriente se cortocircuite, teóricamente, el condensador mantiene toda su carga y, con ello, su tensión por tiempo indefinido. Naturalmente, en la realidad, se produce siempre un cierto auto descarga.

Se dispone de condensadores para diferentes fines de aplicación en una multiplicidad de diseños. Entre las más importantes formas de construcción se cuentan los condensadores de metal y papel, los de electrolitos, de tántalo, de láminas de plástico y los pequeños condensadores cerámicos.

II.5. PROCESO DE CARGA DEL CONDENSADOR EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTÍNUA

En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un condensador de 100 µF (curva de la tensión del condensador y corriente de carga). Monte el circuito experimental representado a continuación:

La siguiente animación ilustra el montaje experimental:

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Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Fuente de tensión continua, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento.

Ajustes de la fuente de tensión continua

Rango: 10 V

Tensión de salida: 10 V

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos | Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del osciloscopio

Canal A 5 V / div

Canal B 200 mV / div

Base de tiempo:

200 ms / div

Modo de operación:

X/T, DC

Trigger:Canal A / flanco ascendente /

SINGLE / pre-Trigger 25%

Aplique ahora un salto de tensión al condensador, conectando la fuente de tensión continua por medio de la tecla POWER. Arrastre el oscilograma obtenido hacia la siguiente ventana.

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ln-vi:35

ln-vi:51


II.6. CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)

1. ¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se conecta la tensión continua?

a) Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este valor.

b) Asciende linealmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

c) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

d) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuación, vuelve a descender a 0 V.

2. ¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la tensión continua?

a) Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.b) En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta

llegar a cero.c) Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo.d) En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende

exponencialmente hasta llegar a cero.

3. ¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor máximo de la corriente de carga?

a) Ninguna.b) La corriente de carga disminuiría.c) La corriente de carga ascendería.

Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado

4. ¿Qué sucede con la tensión del condensador?

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a) Permanece constante.b) Aumenta.c) Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.d) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

5. ¿Cómo se puede explicar esta reacción?a) El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa

una resistencia óhmica.b) El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición.c) El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al

exterior.

Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANALOG IN), separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuación, conecte A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo.

6. ¿Qué se puede observar en contraposición a la medición continua?

a) No se observa ninguna diferencia con la medición continua.b) La tensión desciende ahora más rápidamente.c) La tensión desciende ahora más lentamente.d) La tensión permanece ahora constante.

II.7. FUNDAMENTO TEORICO DE LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

Inductancia de una bobina

Junto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magnético. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica.

Por medio de la conexión progresiva de algunos bucles de conductores se crea una bobina que, ante la presencia del flujo de corriente, se ve afectada por líneas de campo magnético. La intensidad del campo magnético se caracteriza por el flujo magnético. Si el campo magnético que atraviesa la bobina varía (por ejemplo, debido a una variación

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de la intensidad de corriente), en la bobina se produce el fenómeno denominado autoinducción, cuya magnitud depende, por una parte, de la velocidad de la variación pero también, por otra parte, del tamaño y la constitución de la bobina. La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensión de autoinducción. Para una bobina alargada es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, µ0 es la constante magnética de campo, µr la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, N el número de espiras, l la longitud de la bobina y A su sección transversal (véase la imagen siguiente).

La unidad de la inductancia es el henrio (símbolo H, 1 H = 1 Vs/A). Una bobina tiene una inductancia igual a 1 H si durante la modificación uniforme de la corriente que fluye por ella en 1 A por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a 1 V.

Conexión y desconexión de una bobina

Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella es constante - tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexión - de manera que no se genera ninguna tensión de autoinducción. La bobina actúa, por tanto, en este caso, como una resistencia óhmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeño), resulta del valor de resistencia específico del material de la bobina al igual que de la longitud y sección transversal del alambre.

Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magnético; debido a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensión de autoinducción que actúa opuestamente a la tensión aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito eléctrico (como ocurriría con una carga resistiva), sino que la corriente asciende paulatinamente hasta alcanzar un determinado valor final. Si se desconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magnético se origina una tensión de autoinducción, que tiene el mismo sentido que la tensión que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnéticos puede adoptar valores más elevados. La tensión de autoinducción, en principio, mantiene el flujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no varía abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar a cero.

La siguiente imagen ilustra los procesos que se producen durante la desconexión. En estado de conexión (imagen de la izquierda) la corriente I circula a través de la bobina L. Si se abre el circuito de corriente (imagen de la derecha) ocurre entonces lo siguiente: Debido a la energía del campo magnético formado, la bobina mantiene al principio la corriente. Dado que esta ya no puede fluir a través de la fuente de tensión, circula, tal como se representa en la imagen, a través de la resistencia RL paralela a la bobina. La

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L=μ0 . μR .N 2

l. A


energía del campo magnético se convierte aquí en energía térmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. Este proceso se realiza, al igual que en el condensador, de forma eléctrica, pero, en este caso, la constante de tiempo viene dada por el cociente resultante de la inductancia y la resistencia óhmica.

Si no se dispone de una resistencia RL, se origina una cresta de tensión muy elevada que puede conducir fácilmente a la destrucción de componentes sensibles (por ejemplo, circuitos integrados) de un circuito. Por esta razón, en la práctica, las inductancias se conectan, la mayoría de las veces, a diodos de vía libre, los cuales cortocircuitan esta tensión en la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energía misma de la bobina se convierta en energía térmica.

II.8. EXPERIMENTO: LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de unabobina. Para ello, en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.

Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la tarjeta de experimentación SO4203-6A: Aquí se debe cablear el relé 1 de manera que el clavijero X48 de la tarjeta de experimentación, en estado de reposo, se encuentre conectado al relé con la salida S (ANALOG OUT) de la interfaz.

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La siguiente animación ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua a través de la opción de menú Instrumentos | Fuentes de tensión | Fuente de tensión continua, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Osciloscopio, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Ajustes del osciloscopio

Canal A 2 V / div

Base de tiempo:

10 µs / div

Modo de operación:

X/T, DC

Trigger:Canal A / flanco ascendente / pre-

trigger 25%

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ln-vi:51


Abra el panel de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la imagen que se encuentra a continuación.

Cortocircuite brevemente el relé 1 del panel para desconectar la bobina de la alimentación de tensión. Arrastre con el ratón el oscilograma obtenido en la siguiente ventana y vuelva a conectar el relé en la posición inicial.

II.9. CUESTIONARIO (LA BOBINA)

1. ¿Cuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2?

a) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.

b) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.

c) Salta inmediatamente a 0 V.

Ahora, reemplace la resistencia de descarga R2=500 ohmios por la resistencia R3 = 1500 ohmios y repita el experimento. Lleve el oscilograma a la siguiente ventana.

2. ¿Cómo varía la curva de tensión?

a) No varía en lo absoluto.b) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación.c) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una

pronunciación marcada.d) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación.e) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

pronunciación marcada.f) La tensión permanece constante.

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ln-vi:21


III. CONCLUSIONES

La potencia eléctrica es una magnitud escalar que nos permite medir la cantidad de trabajo eléctrico que realiza un flujo de electrones sobre un dispositivo o elemento resistivo. Es directamente proporcional al trabajo que realiza una corriente al desplazarse por una carga e inversamente proporcional al tiempo que demora en realizarse este trabajo, esta potencia se mida en Watts.

La potencia eléctrica puede ser expresada como una función cuadrática dependiente del flujo de electrones y de la resistividad del elemento por el que dicho flujo pasa. Se puede obtener por el producto de la Tensión y la Intensidad de corriente eléctrica que circulan por la carga, es decir, que la potencia es directamente proporcional a la Tensión e Intensidad eléctrica.

La máxima disipación de la energía en forma de calor producida por el paso de un flujo de electrones, se presenta en un circuito eléctrico serie.

La potencia eléctrica es una consecuencia física de la ley de Ohm, pero no necesariamente cumple matemáticamente con dicha ley.

A un condensador se le somete a una (d.d.p.) entre sus placas, éste adquiere o almacena una carga eléctrica en forma de campo eléctrico. A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad o capacitancia. La capacidad de un condensador depende de la superficie de las placas, del dieléctrico y de la distancia entre ellas.

A una bobina se le hace circular una corriente continua esta se comporta, a efectos resistivos, como un hilo conductor y ofrece al paso de la misma una resistencia que dependerá del material conductor, ya sea de cobre, plata, aluminio, etc. Pero, además, una bobina sometida a la variación que supone pasar de estar con sus extremos al aire a ser conectada a una diferencia de potencial genera a su alrededor un campo magnético, de algún modo igual al generado por un imán permanente.

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IV. BIBLIOGRAFÍA

Física para ciencias e ingeniería con física moderna, volumen 2, Séptima

edición.

PAUL HEWITT. Fundamentos de la Física Conceptual. Pearson Educación. México. 2009

Raymond A. Serway; Física; cuarta edición; México; 1997; McGraw-Hill; pp. 727; español.

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