Informe N°4 - Fuerza electromotriz, resistencia interna, eficiencia y potencia de una fuente de corriente continua

CUARTO INFORME DE LABORATORIO FUERZA ELECTROMOTRIZ, RESISTENCIA INTERNA, EFICIENCIA Y POTENCIA DE UNA FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA APELLIDOS Y NOMBRES: Alvarado Lopez, Lopez, Jordy Augusto Babilonia Risco, Adriana Bravo Benites, Karen Alexandra

PROFESOR: Bedón Monzón, Héctor Manuel

CURSO-SECCIÓN: Física III - MB226 - B

INSTITUCIÓN: Universidad Nacional de Ingeniería

FECHA DE REALIZACIÓN DEL EXPERIMENTO: 16-05-2018

FECHA DE PRESENTACIÓN: 23-05-2018

2018 - I

20177009I 20177009I 20162603G 20172144E

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Facultad de Ingeniería I ngeniería Mecánica 2018-I

ÍNDICE 1. Resumen…………………………………………………………………………………………..……….2 2. Objetivos…………………………… Objetivos…………………………………………………… ……………………………………………..…… ……………………..……....…………...….2 ....…………...….2 3. Fundamento Teórico…………………………………………………………………….…………….2 4. Parte Experimental……………………………………………………………………...…………….3 4.1. Materiales…………………………………………………………………………..………….3 4.2. Procedimiento………………………………………………………………...……….………4 4.3.Cálculos y Resultados..………………………………………………………...…………….5 5. Conclusiones y Sugerencias…………………………………………………………….…………...9 Sugerencias …………………………………………………………….…………...9 6. Referencias Bibliográficas……………………………………………………………………….…..10 Bibliográficas ……………………………………………………………………….…..10






1. RESUMEN [1]: El presente informe tiene como objetivos principales hallar de manera experimental la fuerza electromotriz a utilizar como fuente de corriente continua, así como también aprender e interpretar el armado de un circuito eléctrico. eléctr ico. Con la ayuda del manual de laboratorio se procedió a armar el circuit o de la figura 1. Una vez listo esto, se tomó el máximo valor de la resistencia variable, y posteriormente se disminuyó su magnitud de la resistencia se hiciera cero o muy cercana a cero.

2. OBJETIVOS: ● ● ●

Determinar la fuerza electromotriz (FEM), la resistencia interna y la eficiencia de una fuente de corriente continua. Observar el funcionamiento del voltímetro y del multímetro como amperímetro. Observar la dependencia entre la intensidad de corriente y diferencia de potencial.

3. FUNDAMENTO TEÓRICO [1] [2]: FUERZA ELECTROMOTRIZ ELECTROMOTRIZ Y CIRCUITOS Para que un conductor tenga una corriente constante, debe ser parte de una trayectoria que forme una espira cerrada o circuito completo; y para que esto sea posible, una carga q que recorra el circuito y regrese a su punto de partida debe poseer la misma energía potencial al final y al inicio del recorrido. Sin embargo, sabemos que siempre hay una disminución de la energía potencial cuando se desplazan cargas a través de un material conductor ordinario con resistencia. Así que debe haber una parte en el circuito en el que la energía potencial se incremente. incremente. La influencia que hace que la corriente fluya del potencial menor al mayor se llama fuerza electromotriz (fem), sin embargo, la fem no es una fuerza, sino una cantidad de energía por unidad de carga, c omo el potencial. La unidad del SI de la fem es el volt (1V = 1 J/C). Todo circuito completo con corriente constante debe incluir algún dispositivo que provea una fem, llamado fuente de fem. Algunos ejemplos son las baterías, generadores eléctricos, celdas solares, termopares y celdas de combustible. Todos estos dispositivos convierten energía de alguna forma en energía potencial eléctrica y la transfieren al circuito al que está conectado el dispositivo.

RESISTENCIA INTERNA Las cargas en movimiento a través del material de cualquier fuente real se encontrarán siempre con la resistencia interna (r) de la fuente (ver Fig.1). Conforme la corriente avanza a través de r , experimenta una caída de potencial asociada que es igual a Ir . Así, cuando una corriente fluye a través de una fuente de la terminal negativa b a la terminal positiva a, la diferencia de potencial V ab ab entre las terminales es





(1)






 = +ɛ

(2)

Donde R es la resistencia externa en el circuito.

Fig ura 1. Diagrama de un circuito con una fuente de fem real y una resistencia externa.

POTENCIA EN CIRCUITOS ELÉCTRICOS En circuitos nos interesa la rapidez con con la que la energía se proporciona a un elemento de circuito o se extrae de él. Si la corriente a través del elemento es I , y en un tiempo dt pasa pasa una cantidad de carga dQ a través del elemento, el cambio en la energía potencial para esta cantidad de carga es V ab ab dQ = V ab dt. Si esta expresión se divide entre dt , se obtiene la relación de transferencia de energía ab I dt. Si por unidad de tiempo, esto es la potencia, y se denota mediante P ; por lo tanto, escribimos

 =  

(rapidez con la que se entrega energía a un elemento de circuito o se extrae de éste)

(3)

La unidad de P en en el SI es un watt, según la ecuación (3) tenemos (1 J/C) (1 C/s) = 1 J/s = 1 W. La potencia exterior o o disipada entonces para R es

 = 

 = 2 =

ɛ (+)

(4)

De la ecuación (4) se obtiene teóricamente el valor de aquella resistencia R, para la cual la potencia disipada en el exterior del circuito es máxima. Es decir

  ɛ   =  [(+) + )] = 0

(4)

En donde R = r para que Pext sea máxima. Así podemos concluir que la potencia disipada máxima corresponde a



=

ɛ

=

ɛ

(4)






 = 2

(4)

La potencial total disipada en el circuito entonces sería

 =    = 2  2 =  ɛ 4. PARTE EXPERIMENTAL: 4.1. Materiales:

Una fuente de corriente continua (pila)

Un voltímetro

Un multímetro

Una resistencia variable (Puente unifilar)

(Potencia entregada por la fuente)

(4)






Cables de conexión

4.2. Procedimiento [1]: A. Arme el circuito de la Figura 1 y usando el máximo valor de la resistencia variable R (su máxima longitud), anote las indicaciones del amperímetro y voltímetro.

Fig ura 1. Diagrama del circuito para el experimento de fuerza electromotriz.

Fig ura 2. Circuito armado

B. Disminuya la magnitud de R de modo que V disminuya en 0.1 volt. y anote las








4.3. Cálculos y resultados: Se pide calcular la resistencia por unidad de longitud. Se utilizó la fórmula:

/ = /∗()∗30.48

Tabla 1. Valores del voltaje, intensidad de corriente, longitud del cable y el valor de la resistencia por unidad de longitud.

V(v)

I(A)

L(pies)

R/cm

0.15

0.404

0.41

0.02971058

0.2

0.38

0.58

0.02977169

0.25

0.359

0.82

0.02786229

0.3

0.332

1.06

0.02796806

0.35

0.305

1.37

0.02748101

0.4

0.284

1.69

0.02734261

0.45

0.262

2.06

0.02735452

0.5

0.239

2.55

0.0269164

0.55

0.215

3.17

0.02647586

0.6

0.174

3.7

0.03057633

Promedio:

0.02814593






Fig ura 3. Gráfica de los puntos V = F(i) generados con el programa Geogebra. El gráfico muestra la relación

= 0.93 v ri = 1.92 Ω

Por , por lo que se puede deducir el valor de Ɛ






Tabla 2. Valores de la resistencia en cada medición.

V(v)

I(A)

R(Ω)

0.15

0.404

0.37128713

0.2

0.38

0.52631579

0.25

0.359

0.69637883

0.3

0.332

0.90361446

0.35

0.305

1.14754098

0.4

0.284

1.4084507

0.45

0.262

1.71755725

0.5

0.239

2.09205021

0.55

0.215

2.55813953

0.6

0.174

3.44827586

5. CONCLUSIONES Y SUGERENCIAS: 









Podemos concluir que se cumple una relación lineal entre la longitud del cable que hace de resistencia y el valor de la resistencia propiamente dicha. Se observa una relación entre R y r bastante similar al momento de hallar la potencia disipada máxima, por lo que podemos confirmar que R es igual a r, obedeciendo a lo mencionado en el fundamento teórico previo. La relación obtenida para la resistencia resistenc ia con respecto cumple con la fórmula mencionada con anterioridad. La fuerza electromotriz (fem) se puede determinar realizando una simple extrapolación extrapolac ión en la gráfica de voltaje vs. intensidad de corriente. Se logra comprobar por medio del experimento que la resistencia por unidad de longitud es

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