Potencia Eléctrica-Condensadores y Bobinas en Circuitos de CC UNMSM
POTENCIA ELÉCTRICA–CONDENSADORE ELÉCTRICA–CONDENSADORES SY BOBINAS EN CIRCUITOS CIRCUITOS DE C.C. EXPERIENCIA N° 6
1. OBJE OBJETI TIVO VOS S •
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Mostrar la potencia eléctrica como función del voltaje de la corriente calculando midiendo la potencia disipada en una resistencia conforme aumenta el voltaje !emostrar el voltaje corriente de car"a descar"a de un condensador Mientras #ue el campo eléctrico aparece en el entorno de car"as en reposo el campo ma"nét ma"nético ico est$ li"ado li"ado portad portadores ores de car"a en movim movimient ientoo esto esto es a una corrient corrientee eléctrica veremos el comportamiento de una %o%ina.
&. M'() M'()O O TE*( TE*(I) I)O O POTENCIA ELÉCTRICA +a potencia eléctrica es la relación de paso de ener",a de un flujo por unidad de tiempo- es decir la cantidad de ener",a entre"ada o a%sor%ida por un elemento en un tiempo determinado. +a unidad en el Sistema Internacional de /nidades es el vatio 0 watt . . )uando una corriente eléctrica flue en cual#uier circuito puede transferir ener",a al 2acer un tra%ajo mec$nico o termodin$mico. +os dispositivos convierten la ener",a eléctrica de muc2as maneras 3tiles como calor lu4 0l$mpara incandescente movimiento 0motor eléctrico sonido 0altavo4 o procesos #u,micos. +a electricidad se puede producir mec$nica o #u,micamente por la "enera "en eració ciónn de ener", ener",aa eléctr eléctrica ica o tam%ié tam%iénn por la transf transform ormaci ación ón de la lu4 en las células células fotoeléctricas. 5or 3ltimo se puede almacenar #u,micamente en %ater,as. +a ener",a consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios62ora 072 o en 8ilovatios6 2ora 0872. 9ormalmente las empresas #ue suministran ener",a eléctrica a la industria los 2o"ares en lu"ar de facturar el consumo en vatios62ora lo 2acen en 8ilovatios62ora 0872. +a potencia en vatios 07 o 8ilovatios 087 de todos los aparatos eléctricos de%e fi"urar junto con la tensión de alimentación en una placa met$lica u%icada "eneralmente en la parte trasera de dic2os e#uipos. En los motores esa placa se 2alla colocada en uno de sus costados en el caso de las %om%illas de alum%rado alum%rado el dato viene impreso en el cristal o en su %ase. Potencia en corriente continua )uando se trata de corriente continua 0)) la potencia eléctrica desarrollada en un cierto instante por un dispositivo de dos terminales es el producto de la diferencia de potencial entre dic2os terminales la intensidad de corriente #ue pasa a través del dispositivo. 5or esta ra4ón la potencia es proporcional a la corriente a la tensión. Esto es :
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donde I es el valor instant$neo de la corriente V es el valor instant$neo del voltaje. Si I se e;presa en amperios V en voltios P estar$ e;presada en
recordando #ue a maor corriente menor voltaje. Potencia en corriente alterna )uando se trata de corriente alterna 0') sinusoidal el promedio de potencia electrica desarrollada por un dispositivo de dos terminales es una función de los valores eficaces o valores cuadr$ticos medios de la diferencia de potencial entre los terminales de la intensidad de corriente #ue pasa a través del dispositivo. Potencia aparente +a potencia compleja de un circuito eléctrico de corriente alterna 0cua ma"nitud se conoce como potencia aparente se identifica con la letra S es la suma 0vectorial de la potencia #ue disipa dic2o circuito se transforma en calor o tra%ajo 0conocida como potencia promedio activa o real #ue se desi"na con la letra 5 se mide en vatios 07 la potencia utili4ada para la formación de los campos eléctrico ma"nético de sus componentes #ue fluctuar$ entre estos componentes la fuente de ener",a 0conocida como potencia reactiva #ue se identifica con la letra = se mide en voltiamperios reactivos 0var. Esto si"nifica #ue la potencia aparente representa la 5otencia total desarrollada en un circuito con impedancia >. +a relación entre todas las potencias aludidas es:
Potencia activa Es la potencia capa4 de transformar la ener",a eléctrica en tra%ajo. +os diferentes dispositivos eléctricos e;istentes convierten la ener",a eléctrica en otras formas de ener",a tales como: mec$nica lum,nica térmica #u,mica etc. Esta potencia es por lo tanto la realmente consumida por los circuitos en consecuencia cuando se 2a%la de demanda eléctrica es esta potencia la #ue se utili4a para determinar dic2a demanda.
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CONDENSADORES
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B$sicamente un condensador es un dispositivo capa4 de almacenar ener",a en forma de campo eléctrico. Est$ formado por dos armaduras met$licas paralelas 0"eneralmente de aluminio separadas por un material dieléctrico. Tiene una serie de caracter,sticas: Capacidad: Se mide en ?aradios 0F aun#ue esta unidad resulta tan "rande #ue se suelen utili4ar varios de los su%m3ltiplos tales como microfaradios 0 μF @ 1A 6 ? nanofaradios 0nF @ 1A6C ? picofaradios 0 pF @ 1A61& ?. Tensión de trabajo: Es la m$;ima tensión #ue puede a"uantar un condensador #ue depende del tipo "rosor del dieléctrico con #ue esté fa%ricado. Si se supera dic2a tensión el condensador puede perforarse 0#uedar cortocircuitado Do e;plotar. En este sentido 2a #ue tener cuidado al ele"ir un condensador de forma #ue nunca tra%aje a una tensión superior a la m$;ima. Tolerancia: I"ual #ue en las resistencias se refiere al error m$;imo #ue puede e;istir entre la capacidad real del condensador la capacidad indicada so%re su cuerpo. Polaridad: +os condensadores electrol,ticos en "eneral los de capacidad superior a 1 ? tienen polaridad eso es #ue se les de%e aplicar la tensión prestando atención a sus terminales positivo ne"ativo. 'l contrario #ue los inferiores a 1? a los #ue se puede aplicar tensión en cual#uier sentido los #ue tienen polaridad pueden e;plotar en caso de ser ésta la incorrecta. •
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TIPOS DE CONDENSDORES Electrol!ticos" Tienen el dieléctrico formado por papel impre"nado en electrolito. Siempre tienen polaridad una capacidad superior a 1 ?. Electrol!ticos de T#ntalo o de "ota. Emplean como dieléctrico una fin,sima pel,cula de ó;ido de tantalio amorfo #ue con un menor espesor tiene un poder aislante muc2o maor. Tienen polaridad una capacidad superior a 1 ?. Su forma de "ota les da muc2as veces ese nom%re. !e poli$ster %etali&ado MFT. Suelen tener capacidades inferiores a 1 ? tensiones de tra%ajo a partir de Gv. !e poli$ster. Son similares a los anteriores aun#ue con un proceso de fa%ricación al"o diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se presentan en forma plana llevan sus datos impresos en forma de %andas de color reci%iendo com3nmente el nom%re de condensadores Hde %anderaH. Su capacidad suele ser como m$;imo de A n?. K. !e poli$ster tubular. Similares a los anteriores pero enrollados de forma normal sin aplastar. •
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. Cer#%ico 'de lenteja' o 'de disco'. Son los cer$micos m$s corrientes. Sus valores de capacidad est$n comprendidos entre A.K p? n?. En ocasiones llevan sus datos impresos en forma de %andas de color. . Cer#%ico 'de tubo'. Sus valores de capacidad son del orden de los picofaradios "eneralmente a no se usan de%ido a la "ran deriva térmica #ue tienen 0variación de la capacidad con las variaciones de temperatura.
LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA
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G. 5(O)E!IMIE9TO EL5E(IME9T'+ Página 6
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E(peri%ento) *edición de potencia En el e;perimento si"uiente se de%e e;aminar la medición indirecta de la potencia eléctrica por medio de una medición paralela de corriente tensión. Monte el circuito e;perimental representado a continuación: '%ra el instrumento virtual Fuente de tensión continua seleccione los ajustes. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla 5O7E(. '%ra el instrumento virtual Voltímetro A el instrumento Amperímetro B seleccione los ajustes. '2ora ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión U 5 S de 1 V. Mida la tensión U 1 a través de la resistencia (1 al i"ual #ue la corriente resultante I 1 en miliamperios anote los valores o%tenidos en la correspondiente columna de la ta%la si"uiente. ' partir de ello determine la potencia P 1 a%sor%ida por la resistencia en m7 anote de i"ual manera el resultado en la ta%la. (epita el e;perimento para las tensiones de entrada de &V KV 1A V anote los valores en las l,neas correspondientes de la ta%la.
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T+, E.P" 3 4 5
/PS 0V1 1 & K 1A
/-0V1
I-0%1
A.CG 1.CA . C.GA
A. 1. K.A 1A.K
P0%21 A.K1 G.&A &G.GKA C.KA
'2ora en el montaje e;perimental reemplace la resistencia (1 de 1 8 por la resistencia (& de KAA repita la serie de mediciones. 'note los resultados de las mediciones al i"ual #ue los valores de potencia calculados en la si"uiente ta%la 0ta%la &. T+, 3
E.P" 3 4 5
/PS 0V1 1 &. K 1A
/-0V1
I-0%1
A.C1 1. . C.GA
1. G. C. 1C.
)/ESTIO9'(IO 05otencia 1.6 N)u$les de las si"uientes afirmaciones son correctas
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P0%21 1.K .G& .G& 1&.&
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' +a resistencia pe#uePa a%sor%e escasa potencia con la misma tensión. B +a resistencia pe#uePa a%sor%e una potencia elevada con la misma tensión. ) Si se duplica la tensión se duplica tam%ién la potencia a%sor%ida. ! Si se duplica la tensión se reduce a la mitad la potencia a%sor%ida. &.6 N)u$les de las si"uientes afirmaciones son correctas ' +a potencia total es independiente de la tensión #ue se aplica. B +a potencia total disminue si se eleva la tensión #ue se aplica. ) +a potencia total aumenta si se eleva la tensión #ue se aplica. ! +a resistencia pe#uePa a%sor%e una cantidad maor de potencia. E +a resistencia maor a%sor%e una cantidad maor de potencia.
Proceso de car6a del condensador en el circuito de corriente contin7a Sustentación Teórica)
)uando el interruptor se mueve a ' la corriente I su%e %ruscamente 0como un cortocircuito tiene el valor de I @ E D ( amperios 0como si el condensador no e;istiera moment$neamente en este circuito serie () poco a poco esta corriente va disminuendo 2asta tener un valor de cero 0ver el dia"rama inferior. El voltaje en el condensador no var,a instant$neamente su%e desde A voltios 2asta E voltios 0E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie con ( ) ver dia"rama 1. El tiempo #ue se tarda el voltaje en el condensador 0Vc en pasar de A voltios 2asta el G.& Q del voltaje de la fuente est$ dato por la fórmula T @ ( ; ) donde ( est$ en O2mios ) en Milifaradios el resultado estar$ en milise"undos. !espués de K ; T 0K veces T el voltaje 2a su%ido 2asta un CC.G Q de su valor final 0en nuestro caso el valor final es 1A V al valor de T se le llama H)onstante de tiempoH anali4ando los dos "r$ficos se puede ver #ue est$n divididos en una parte transitoria una Página "
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parte esta%le. +os valores de Ic Vc var,an sus valores en la parte transitoria 0apro;imadamente K veces la constante de tiempo T pero no as, en la parte esta%le.
+os valores de Vc e Ic en cual#uier momento se pueden o%tener con las si"uientes fórmulas: Vc @ E R 0Vo 6 E ; e6TD t Vo es el voltaje inicial del condensador 0en muc2os casos es A Voltios Ic @ 0E 6 Vo ; e6TD tD ( Vo es el voltaje inicial del condensador 0en muc2os casos es A Voltios V( @ E ; e6TD t !onde: T @ ( ; )
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)/ESTIO9'(IO 0El condensador 1.6 N)u$l es la traectoria de la curva de la tensión del condensador después de #ue se conecta la tensión continua ' Salta inmediatamente a un valor de apro;imadamente 1A V se mantiene en este valor. B 'sciende linealmente 2asta alcan4ar un valor apro;imado de 1A V se mantiene en este valor. ) 'sciende e;ponencialmente 2asta alcan4ar un valor apro;imado de 1A V se mantiene en este valor. ! 'sciende e;ponencialmente 2asta alcan4ar un valor apro;imado de 1A V a continuación vuelve a descender a AV &.6 N)u$l es la traectoria de la curva de corriente de car"a después de #ue se conecta la tensión continua ' !urante todo el proceso de car"a se mantiene constante. B En primer lu"ar salta a un valor m$;imo lue"o desciende linealmente 2asta lle"ar a cero. ) 'sciende e;ponencialmente de cero a un valor m$;imo. ! En primer lu"ar salta a un valor m$;imo a continuación desciende e;ponencialmente 2asta lle"ar a cero. G.6 N=ué reacción ocasionar,a una disminución de la resistencia de car"a (1G en el valor m$;imo de la corriente de car"a ' 9in"una. B +a corriente de car"a disminuir,a. ) +a corriente de car"a ascender,a. Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el ca%le del clavijero VG o%serve la tensión del condensador durante un tiempo prolon"ado. .6 N=ué sucede con la tensión del condensador ' 5ermanece constante. B 'umenta. ) !esciende paulatinamente 2asta lle"ar a A V. ! 5rimeramente asciende lue"o desciende 2asta A V.
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K.6 N)ómo se puede e;plicar esta reacción ' El condensador una ve4 #ue se 2a retirado la tensión de alimentación representa una resistencia ó2mica. ' El condensador se descar"a a través de la resistencia interna de la medición. B El condensador mantiene su tensión puesto #ue la car"a no puede salir al e;terior. Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a car"ar el condensador. 5ara anali4ar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición 0'9'+O I9 separe a2ora la cone;ión con el clavijero 'R. Vuelva a separar a2ora el ca%le #ue va al clavijero LG. ' continuación conecte 'R sólo %revemente para compro%ar la tensión del condensador mida la tensión en lar"os intervalos de tiempo. .6 N=ué se puede o%servar en contraposición a la medición continua ' 9o se o%serva nin"una diferencia con la medición continua. B +a tensión desciende a2ora m$s r$pidamente. ) +a tensión desciende a2ora m$s lentamente. ! +a tensión permanece a2ora constante.
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CONC,/SIONES •
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+a potencia eléctrica es una ma"nitud escalar #ue nos per%ite %edir la cantidad de trabajo el$ctrico 8ue reali&a un 9lujo de electrones sobre un dispositivo o ele%ento resistivo" +a potencia eléctrica puede ser e;presada como una función cuadr$tica dependiente del flujo de electrones de la resistividad del elemento por el #ue dic2o flujo pasa. la potencia eléctrica puede ser e;presada como una función dependiente en forma directa de la diferencia de potencial aplicada a un elemento as, como de la resistividad de dic2o elemento. +a %#(i%a disipación de la ener6!a en forma de calor producida por el paso de un flujo de electrones se presenta en un circuito el$ctrico serie" +a potencia eléctrica es una consecuencia 9!sica de la le: de O;%< pero no se necesaria%ente cu%ple %ate%#tica%ente con dic2a le. +a potencia eléctrica es casi como una propiedad de ciertos elementos por la cual la ener",a #ue se "enera con el paso de un flujo electrones se manifiesta en forma de disipación de calor o lu4 lo #ue indica #ue esta clase de ener",a #ue desprende lo enmarca dentro las fuer4as conservativas a #ue dic2a ener",a 0flujo de electrones pasa del elemento resistivo 2acia el medio e;terior en forma de calor Do lu4 esto es- la ener",a no se destrue cuando sale al medio sino #ue se transforma 0este es el caso t,pico de una planc2a eléctrica otros elementos calefactores.
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?,sica para ciencias e in"enier,a con f,sica moderna volumen & Séptima edición.
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5'/+ E7ITT. Fundamentos de la Física Conceptual . 5earson Educación. Mé;ico. &AAC
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Manual de la%oratorio de f,sica III. 1&ava edición
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