Experiencia Nº 6
Laboratorio de Física III
POTENCIA ELÉCTRICA CONDENSADORES Y BOBINAS EN CIRCUITOS DE C.C. EXPERIENCIA Nº 6
OBJETIVOS: -
-
Mos Mostrar trar la pot potenci enciaa elé eléctri ctrica ca como como func funció ión n del del volt voltaj ajee y de la corr corrie ien nte, calcu calculan lando do y midien midiendo do la potenc potencia ia disipa disipada da en una resis resiste tenc ncia ia confo conforme rme aumenta el voltaje. Demostr Demostrar ar el volta voltaje je y corrie corriente nte de de carga carga y descarg descargaa de un conde condensado nsadorr. Mient Mientra rass que el campo campo eléct eléctric rico o aparece aparece en el ento entorno rno de carg cargas as en reposo reposo,, el campo magnéco está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica y veremos el comportamiento de una bobina.
POTENCIA ELÉCTRICA FUNDAMENTO TEÓRICO a turbin turbinaa de una centr central al !idro !idroelé eléct ctric ricaa "véase "véase la siguie siguient ntee image imagen n a la i#quierda$ es más potente mientras mayor sea la energ%a almacenada en un & 'g de agua "esto es, mientras mayor sea la altura desde la que cae el agua$ y mientras mientras mayor sea la candad de agua que (uye a través de la turbina por segundo. a energ%a almacenada en & 'g de agua corresponde, en el caso de la carga eléctrica "por ejemplo, en el siguiente diagrama de circuito el motor M$ a la energ%a almacenada por unidad de carga, esto es, la tensión eléctrica. a corriente de agua corresponde a la corriente eléctrica.
a potencia eléctrica es mayor mientras mayor sea la tensión y mayor sea la corriente. )ara la potencia P es válida la relación* P
=
U ∙ I
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a unidad de la potencia eléctrica recibe el nombre de Wat "+$, el inglés que la denió. & + es la potencia de una corriente connua de & con una tensión connua de & . a potencia absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un vol/metro y un amper%metro. 0na medición directa de potencia se puede reali#ar por medio de un vamero, el cual posee dos cone1iones para la medición de corriente y la de tensión, es decir, presenta en total cuatro cone1iones. a parte del va/metro a la que se aplica la tensión que se quiere medir, se denomina ramal de ensión , y la parte a la que se aplica la corriente, correspondientemente, ramal de corriene. 2n el caso de las lámparas incandescentes y otros medios eléctricos de servicio "por ejemplo, motores$ se indica frecuentemente lo que se denomina como poencia nominal . 3sta indica la potencia que puede soportar un componente dentro de las condiciones de servicio indicadas. 4i en la fórmula anterior, de acuerdo con la ley de 5!m, para la potencia, se reempla#a la tensión U por el producto I 6 R, se obene la ecuación* 2
P I ∙ R =
4i en la ecuación inicial, por el contrario, se reempla#a la corriente I por el cociente U/R, se obene la relación* 2
P
=
U R
Ejemp! ": 0na calefacción consume una corriente de &7 con una tensión de 889 . )or tanto, el consumo de potencia es de P : U 6 I : 889 6 &7 : ;;99 + : ;.; '+. Ejemp! #: 0na resistencia de alambre posee una rotulación de &9 +, < ' Ω . )or tanto, se obene la intensidad má1ima de corriente permida a parr de la ecuación P:I86R, esto es, 9.7 y la má1ima tensión permida a parr de la ecuación P:U8=R, esto es, 899 .
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PROCEDIMIENTO: $Me%&'&() %e P!*e)'&+,
>omando las medidas para el voltaje y la intensidad de corriente que circula en la resistencia ? &:&@ ">abla&$ y ? 8:9.7@ ">abla8$ se calcula la potencia absorbida )& y )8, respecvamente, por el resistor como el producto del voltaje aplicado por la intensidad de corriente. Tabla 1:
E-p. & 8 ; <
UPS V/ & 8 7 &9
U" V/ &.9 8.9 <.C .A
UPS V/ & 8 7 &9
U# V/ &.9 8.9 <.C .A
I" mA/ 9.A &.B <.7 .<
P" m0/ 9.A ;.8 8&.B &.&C
Tabla 2:
E-p. & 8 ; <
I# mA/ &.7 ;.< .& &9.9
P# m0/ &.7 B.C <;.BC A.9
Donde* P =U.I
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CUESTIONARIO: ". 1C23e4 %e +4 4&52&e)*e4 +7m+'&!)e4 4!) '!77e'*+48 "E$ a resistencia pequeFa absorbe escasa potencia con la misma tensión. "V$ a resistencia pequeFa absorbe una potencia elevada con la misma tensión. "E$ 4i se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida. "E$ 4i se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbida. #. 1C23e4 %e +4 4&52&e)*e4 +7m+'&!)e4 4!) '!77e'*+48 "E$ a potencia total es independiente de la tensión que se aplica. "E$ a potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplica. "V$ a potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica. "E$ a resistencia pequeFa absorbe una candad mayor de potencia. "V$ a resistencia mayor absorbe una candad mayor de potencia.
CONDENSADORES FUNDAMENTO TEÓRICO os condensadores son estructuras en las que se puede almacenar cargas eléctricas en reposo. 2n su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que representan los electrodos del condensador. )or medio del aislamiento de las cargas se forma una diferencia de potencial eléctrico "tensión$ U entre los electrodos. a imagen siguiente muestra como ejemplo un condensador de placas, con la supercie y la distancia entre placas d , que porta la carga G. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo eléctrico entre las placas "no representado en esta imagen$.
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2ntre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se conoce como dielécrico "no representado en la parte superior$. 2ntre la carga y la tensión e1iste una relación linealH es válida la siguiente relación Q
C ∙ U
=
a magnitud I representa la capacidad del condensador, y se e1presa con la unidad aradio "s%mbolo* E$. Mientras mayor sea la capacidad de un condensador, se debe aplicar un volumen mayor de carga para generar una tensión determinada entre sus electrodos. nálogamente, podemos tomar como ejemplo una piscina, en donde la capacidad es la supercie de su fondo, la carga el volumen de agua de la piscina y la tensión la altura de llenado* Mientras más grande sea la supercie de la base "capacidad$ de la piscina, se necesitará más agua "carga$ para conseguir una determinada altura de llenado "tensión$. a capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende Jnicamente de la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. )ara un condensador de placas es válida la siguiente relación* C ε 0 ∙ ε r ∙ =
A d
2n esta ecuación, ε 0 es la constante eléctrica de campo y posee un valor de C.C7<86&9-&8 4=m, ε r es el %ndice dieléctrico "carente de unidad$, ! la supercie de una placa y d la distancia entre placas. 4i un condensador se conecta a una tensión connua U9 a través de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dic!a tensión, proceso durante el cual la tensión del condensador, de acuerdo con una función e1ponencial, aumenta de 9 !asta alcan#ar su valor nal 0 9 "&99K$ "curva de carga de un condensador, véase la imagen de la i#quierda$. 4i, a connuación, se desconecta el condensador de la fuente de tensión y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga "véase la imagen de la derec!a$.
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as corrientes de carga y de descarga (uyen aqu% en sendos contrarios. a velocidad de descarga del condensador depende de su capacidad y del valor de la resistencia R y se caracteri#a por medio de la consane de "empo T : R6# . 0na ve# que !a transcurrido este empo, durante la carga, el condensador !a alcan#ado el B;K de su valor de tensión o bien, durante la descarga, !a perdido el B;K de su tensión inicial. 4i el condensador está completamente cargado, ya no (uye ninguna corriente de cargaH por tanto, un condensador blo$%ea la corriene con"n%a. 4i después del proceso de carga del condensador se produce una descone1ión de la fuente de tensión, sin que el circuito de corriente se cortocircuite, teóricamente, el condensador manene toda su carga y, con ello, su tensión por empo indenido. Laturalmente, en la realidad, se produce siempre una cierta autodescarga. 4e dispone de condensadores para diferentes nes de aplicación en una mulplicidad de diseFos. 2ntre las más importantes formas de construcción se cuentan los condensadores de metal y papel, los de electrolitos, de tántalo, de láminas de plásco y los pequeFos condensadores cerámicos.
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PROCEDIMIENTO Proceso de Carga del Condensador en el circuito de corriente connua
2n el e1perimento siguiente se debe anali#ar el proceso de carga de un condensador de &99 μF "curva de la tensión del condesador y corriente de carga$ Monte el circuito e1perimental representaod a connuación*
brimos el instrumento 5sciloscopio, y seleccionamos los ajustes que se detallaron en la gu%a de laboratorio*
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rrastramos el oscilograma obtenido !acia la siguiente ventana como lo indicó la gu%a de laboratorio*
%nea verde* tensión. %nea amarilla* corriente de carga
CUESTIONARIO: ". 1C23 e4 + *7+9e'*!7&+ %e + '27+ %e + *e)4&() %e '!)%e)4+%!7 %e4p2;4 %e <2e 4e '!)e'*+ + *e)4&() '!)=)2+8 -
4alta inmediatamente a un valor de apro1imadamente &9 y se manene en este valor.
-
sciende linealmente !asta alcan#ar un valor apro1imado de &9 y se manene en este valor.
!sciende e&ponencialmene 'asa alcan(ar %n valor apro&imado de 1) * + se man"ene en ese valor .
-
sciende e1ponencialmente !asta alcan#ar un valor apro1imado de &9 y, a connuación, vuelve a descender a 9 .
#. 1C23 e4 + *7+9e'*!7&+ %e + '27+ %e '!77&e)*e %e '+75+ %e4p2;4 %e <2e 4e '!)e'*+ + *e)4&() '!)=)2+8
Durante todo el proceso de carga se manene constante. 2n primer lugar, salta a un valor má1imo y luego desciende linealmente !asta llegar a cero. sciende e1ponencialmente de cero a un valor má1imo. n primer l%-ar, sala a %n valor m.&imo +, a con"n%ación, desciende e&ponencialmene 'asa lle-ar a cero
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>. 1?2; 7e+''&() !'+4&!)+7@+ 2)+ %&4m&)2'&() %e + 7e4&4*e)'&+ %e '+75+ R"> e) e +!7 m3-&m! %e + '!77&e)*e %e '+75+8 - Linguna. - a corriente de carga disminuir%a.
0a corriene de car-a ascendera
. 1?2; 42'e%e '!) + *e)4&() %e '!)%e)4+%!78 - )ermanece constante. - umenta.
-
esciende pa%la"namene 'asa lle-ar a ) *
)rimeramente asciende y luego desciende !asta 9 .
. 1C(m! 4e p2e%e e-p&'+7 e4*+ 7e+''&()8 - 2l condensador, una ve# que se !a rerado la tensión de alimentación, representa una resistencia ó!mica.
-
l condensador se descar-a a ravés de la resisencia inerna de la medición
2l condensador manene su tensión puesto que la carga no puede salir al e1terior.
6. 1?2; 4e p2e%e !4e7+7 e) '!)*7+p!4&'&() + + me%&'&() '!)=)2+8 - Lo se observa ninguna diferencia con la medición connua. - a tensión desciende a!ora más rápidamente.
-
0a ensión desciende a'ora m.s lenamene
a tensión permanece a!ora constante.
LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA FUNDAMENTO TEÓRICO Inductancia de una bobina
unto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, e1iste en la electrotecnia un segundo po de campo en forma de campo ma-né"co . Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnéco está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica. )or medio de la cone1ión progresiva de algunos bucles de conductores se crea una bobina que, ante la presencia del (ujo de corriente, se ve afectada por l%neas de campo magnéco. a intensidad del campo magnéco se caracteri#a por el (ujo magnéco. 4i el campo magnéco que atraviesa la bobina var%a "por ejemplo, debido a una variación de la intensidad de corriente$, en la bobina se produce el fenómeno denominado a%oind%cción, cuya magnitud depende, por una parte, de la velocidad de la variación pero también, por otra parte, del tamaFo y la constución de la bobina. a
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inductancia 0 de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensión de autoinducción. )ara una bobina alargada es válida la siguiente relación* 2
N L μ0 ∙ μ r ∙ ∙A l =
2n esta ecuación, 39 es la constante magnéca de campo, 3r la permeabilidad relava del nJcleo de la bobina, 4 el nJmero de espiras, l la longitud de la bobina y ! su sección transversal "véase la imagen siguiente$.
a unidad de la inductancia es el 'enrio "s%mbolo N, & N : & s=$. 0na bobina ene una inductancia igual a & N si durante la modicación uniforme de la corriente que (uye por ella en & por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a & . Conexión y desconexión de una bobina
4i una bobina se encuentra en un circuito de corriente connua, la corriente que (uye por ella es constante - tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de cone1ión - de manera que no se genera ninguna tensión de autoinducción. a bobina actJa, por tanto, en este caso, como una resistencia ó!mica, cuyo valor de resistencia "por lo general muy pequeFo$, resulta del valor de resistencia espec%co del material de la bobina al igual que de la longitud y sección transversal del alambre. Iuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magnécoH debido a las modicaciones resultantes del (ujo, se crea una tensión de autoinducción que actJa opuestamente a la tensión aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito eléctrico "como ocurrir%a con una carga resisva$, sino que la corriente asciende paulanamente !asta alcan#ar un determinado valor nal. 4i se desconecta la bobina, ene lugar un proceso inverso* l diluirse el campo magnéco se origina una tensión de autoinducción, que ene el mismo sendo que la tensión que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnécos puede adoptar valores más elevados. a tensión de autoinducción, en principio, manene el (ujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no var%a abruptamente sino que desciende paulanamente !asta llegar a cero.
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a siguiente imagen ilustra los procesos que se producen durante la descone1ión. 2n estado de cone1ión "imagen de la i#quierda$ la corriente I circula a través de la bobina 0. 4i se abre el circuito de corriente "imagen de la derec!a$ ocurre entonces lo siguiente* Debido a la energ%a del campo magnéco formado, la bobina manene al principio la corriente. Dado que esta ya no puede (uir a través de la fuente de tensión, circula, tal como se representa en la imagen, a través de la resistencia R paralela a la bobina. a energ%a del campo magnéco se convierte aqu% en energ%a térmica, por lo que la corriente desaparece abruptamente. 2ste proceso se reali#a, al igual que en el condensador, de forma eléctrica, pero, en este caso, la constante de empo viene dada por el cociente resultante de la inductancia y la resistencia ó!mica.
4i no se dispone de una resistencia R, 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. )or esta ra#ón, en la prácca, las inductancias se conectan, la mayor%a de las veces, a diodos de v%a libre, los cuales cortocircuitan esta tensión en la bobina y, de esta manera, se encargan de que la energ%a misma de la bobina se convierta en energ%a térmica.
PROCEDIMIENTO Montamos el circuito e1perimental que se representa a connuación* qu% se debe cablear el relé & de manera que el clavijero O
$ de la interfa#.
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brimos el instrumento 5sciloscopio, y seleccionamos los ajustes que se detallaron en la gu%a de laboratorio*
rrastramos el oscilograma obtenido !acia la siguiente ventana como lo indicó la gu%a de laboratorio*
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CUESTIONARIO ". 1C23 e4 + *7+9e'*!7&+ %e + '27+ %e *e)4&() e) + 7e4&4*e)'&+ %e %e4'+75+ R#8 -
4alta a un elevado valor posivo y desciende a connuación lentamente acercándose a 9 .
5ala a %n elevado valor ne-a"vo + desciende a con"n%ación lenamene acerc.ndose a ) *
-
4alta inmediatamente a 9 .
!ora, reemplace la resistencia de descarga ?8:799 por la resistencia ?;:&799 y repita el e1perimento. leve el oscilograma a la siguiente ventana.
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#. 1C(m! +7@+ + '27+ %e *e)4&()8
Lo var%a en lo absoluto. a tensión desciende a!ora rápidamente y el pico negavo muestra una ligera pronunciación. 0a ensión desciende a'ora r.pidamene + el pico ne-a"vo m%esra %na pron%nciación marcada
a tensión desciende a!ora lentamente y el pico negavo muestra una ligera pronunciación. a tensión desciende a!ora lentamente y el pico negavo muestra una pronunciación marcada. a tensión permanece constante.
CONCLUSIONES:
a potencia eléctrica es una magnitud escalar que nos permite medir la candad de trabajo eléctrico que reali#a un (ujo de electrones sobre un disposivo o elemento resisvo.
a potencia eléctrica puede ser e1presada como una función cuadráca dependiente del (ujo de electrones y de la resisvidad del elemento por el que dic!o (ujo pasa.
a potencia eléctrica puede ser e1presada como una función dependiente en forma directa de la diferencia de potencial aplicada a un elemento, as% como de la resisvidad de dic!o elemento.
a má1ima disipación de la energ%a en forma de calor producida por el paso de un (ujo de electrones, se presenta en un circuito eléctrico serie.
a potencia eléctrica es una consecuencia Qsica de la ley de 5!m, pero no necesariamente cumple matemácamente con dic!a ley. a potencia eléctrica es casi como una propiedad de ciertos elementos por la cual la energ%a que se genera con el paso de un (ujo electrones, se maniesta en forma de disipación de calor o lu#, lo que indica que esta clase de energ%a que desprende, lo enmarca dentro las fuer#as conservavas, ya que dic!a energ%a "(ujo de electrones$ pasa del elemento resisvo !acia el medio e1terior en forma de calor y=o lu#, esto
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esH la energ%a no se destruye cuando sale al medio, sino que se transforma "este es el caso /pico de una planc!a eléctrica y otros elementos calefactores$. BIBLIORAFA*
!"ía de #aboratorio de $ísica III % &N'(' Fac"#tad de )iencias Físicas % 7*a Edici+n L,so$t para #a inter$ace &ni.r,in-Inter$ace / Programa del laboratorio0 E#ectricidad 'anetis*o - a*ond (era % .ercera Edici+n ttppro$esoren#ineac#$isicaE#ectricidad:otenciaesistt* ttpesi;ipediaori;i:otencia
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