potencia elÉctrica

LABORATORIO FÍSICA III FAC. CIENCIAS FÍSICAS

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 portadores de carga en movimiento esto es a una corriente eléctrica y veremos el comportamiento de una bobina

Marco teórico

Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”.

Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica.

La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”.La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en volt (V) aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre, expresada en ampere. Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente formula.

P=U.I

Si observamos la fórmula 1 expuesta al inicio, veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente proporcionales a la potencia, es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. De ahí se deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado, tal como se representa a continuación. 1 watt = 1 volt · 1 ampere

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

P= .R P=

Lab6: Potencia Eléctrica-Condensadores 1


PROCESO DE MEDICION DE POTENCIA

En este experimento se debe examinar la medición indirecta de la potencia eléctrica para ello montamos el circuito experimental como se presenta en el libro y encendemos el instrumento.

TABLA Nº1

EXP. UPS [V] U1[V] I1[mA] P1 [mW]

1 1 V. 1 V. 3 mA. 3 mW.

2 2 V. 2 V. 6 mA. 12 mW.

3 5 V. 5 V. 15 mA. 75 mW.

4 10 V. 10 V. 31 mA. 310 mW.



TABLA Nº2

EXP. UPS [V] U1[V] I1[mA] P1 [mW]

1 1 V. 1 V. 2,2 mA. 2,2 mW.

2 2 V. 2 V. 4,5 mA. 9 mW.

3 5 V. 5 V. 11 mA. 55 mW.

4 10 V. 10 V. 22 mA. 220 mW.

Cuestionario

¿Cuáles de las siguientes proposiciones son correctas?

Respuesta:

La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma tensión. Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida.

¿Cuáles de las siguientes proposiciones son correctas?

Respuesta:

La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica. La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor que la potencia.

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 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, ε r

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 de la derecha).

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 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 una cierta 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.

PROCESO DE CARGA DEL CONDENSADOR EN

EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

Sustentación Teórica:

Cuando el interruptor se mueve a A, la corriente I sube bruscamente (como un cortocircuito) y tiene el valor de I = E / R amperios (como si el condensador no existiera momentáneamente en este circuito serie RC), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valor de cero (ver el diagrama inferior).El voltaje en el condensador no varía instantáneamente y sube desde 0 voltios hasta E voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie con R y C, ver diagrama 1).El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador (Vc) en pasar de 0 voltios hasta el 63.2 % del voltaje de la fuente está dato por la fórmula T = R x C donde R está en Ohmios y C en Milifaradios y el resultado estará en milisegundos.Después de 5 x T (5 veces T) el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final (en nuestro caso el valor final es 10 V), al valor de T se le llama "Constante de tiempo" analizando los dos gráficos se puede ver que están divididos en una parte transitoria y una parte estable. Los valores de Ic y Vc varían sus valores en la parte transitoria (aproximadamente 5 veces la constante de tiempo T), pero no así en la parte estable.

Los valores de Vc e Ic en cualquier momento se pueden obtener con las siguientes fórmulas:

Vc = E + (Vo - E) x e-T/ t ,



Vo es el voltaje inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)Ic = (E - Vo) x e-T/ t/ RVo es el voltaje inicial del condensador (en muchos casos es 0 Voltios)VR = E x e-T/ t Donde: T = R x C

Cuestionario

¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se conecta la tensión continua?Respuesta: Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en ese valor.



¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la tensión continua?Respuesta: En primer lugar, salta a un valor máximo y a continuación desciende exponencialmente hasta llegar a cero.

¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor Máximo de la corriente de carga?Respuesta: La corriente de carga ascendería

Proceso de descarga del condensador en el circuito de corriente continúa.

Montamos el circuito experimental como se presenta en el libro y encendemos el instrumento.

TENSIÓN CONTINUA

Ajustes de la fuente de tensión continuaRango 10VTensión de salida 10V

También abrimos el instrumento virtual Voltímetro

VOLTÍMETRO

Ajustes del voltímetro ARango de medición 20V DCModo de operación AV

El voltímetro nos indica 9.7V

Cuestionario

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



¿Qué sucede con la tensión del condensador?

Respuesta: Desciende paulatinamente hasta llegar hasta 0 V.

¿Cómo se puede explicar esta reacción?

Respuesta: El condensador se descarga a través de la resistencia de medición.

Si conectamos la fuente de tensión continua y soltamos el A+ y el clavijero X43.

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

Respuesta: La tensión desciende más lentamente.

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 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 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.

Proceso de bobina en el circuito de corriente continúa

Se analizara el proceso de desconexión de una bobina .Para ello en primer lugar se cargara la bobina con una tensión continua de 5v y a continuación se abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.

Abrimos el instrumento fuente de tensión continua y lo encendemos.

Luego abrimos el instrumento virtual osciloscopio y seleccionamos los ajustes de la siguiente tabla:

Ajustes del osciloscopioCanal A 2V/divBase de tiempo 10μs/divModo de operación X/T , DCTrigger: canal A / flanco ascendente / pretrigger 25%

Cuestionario



Cortocircuité brevemente el relé 1 del panel para desconectar la bobina de la alimentación de tensión.

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

Respuesta:

Salta a un elevado positivo y desciende a continuación lentamente acercándose s 0V

Ahora reemplace la resistencia de descarga R2=500Ω por la resistencia R3=1500Ω y repita el experimento

¿Cómo varia la curva de tensión?

Respuesta:

La tensión permanece constante

Sugerencias

Antes de comenzar su experimento debe revisar que tenga todos sus materiales.

Cuando tome las medidas del voltímetro debe tener en cuenta la escala a la que trabaja.



Verificar el buen funcionamiento de lo conectores

Mantener la calma ante cualquier falla en el experimento.

Cualquier interrogante será dada al docente encargado.

Tener una guía para el uso de los instrumentos virtuales.

El tiempo de la práctica debería realizarse en un tiempo mayor a dos horas para que sea mejor

entendida.

Al terminar su experimento deje su mesa de trabajo limpia y ordenada.

Conclusiones

La potencia eléctrica puede ser expresada como una función dependiente en forma directa de

la diferencia de potencial aplicada a un elemento, así como de la resistividad de dicho elemento.

La potencia eléctrica puede ser expresada como una función dependiente en forma directa de

la diferencia de potencial aplicada a un elemento, así como de la resistividad de dicho elemento.

Bibliografía

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



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

Manual de laboratorio de física III.

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


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