potencia eléctrica-condensadores y bobinas en circuitos de cc

Informe del Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Fsica IIIPotencia Elctrica-Condensadores y Bobinas en Circuitos de CC. Experiencia N6

Integrantes: Ortega Cotrina Daniel Gonzales Gallegos Geraldine Malpica Caldern Jess Ulloa Mullisaca Jorge

Sandoval Baca Gean Franco

Informe del Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Fsica III

POTENCIA ELECTRICA CONDENSADORES Y BOBINAS EN CIRCUITOS DE CC

Experiencia N6

OBJETIVOS

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

2. Determinar que la resistencia de un filamento de una lmpara vara con la temperatura.

3.

Verificar

que la resistencia del filamento (foco) no vara linealmente con el voltaje aplicado.

Fundamento terica Potencia elctrica

La potencia elctrica es mayor mientras mayor sea la tensin y mayor sea la corriente. Para la potencia P es vlida la relacin:

La unidad de la potencia elctrica recibe el nombre de Watt (W), el ingls que la defini. 1 W es la potencia de una corriente continua de 1 A con una tensin continua de 1 V. La potencia absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un voltmetro y un ampermetro. Una medicin directa de potencia se puede realizar por medio de un vatmetro, el cual posee dos conexiones para la medicin de corriente y la de tensin, es decir, presenta en total cuatro conexiones. La parte del vatmetro a la que se aplica la tensin que se quiere medir, se denomina ramal de tensin, y la parte a la que se aplica la corriente, correspondientemente, ramal de corriente. En el caso de las lmparas incandescentes y otros medios elctricos de servicio (por ejemplo, motores) se indica frecuentemente lo que se denomina como potencia nominal. sta indica la potencia que puede soportar un componente dentro de las condiciones de servicio indicadas. Si en la frmula anterior, de acuerdo con la ley de Ohm, para la potencia, se reemplaza la tensin U por el producto I R, se obtiene la ecuacin:

Si en la ecuacin inicial, por el contrario, se reemplaza la corriente I por el

cuociente U/R, se obtiene la relacin:

1

1


Experimento: Medicin de potencia

En el experimento siguiente se debe examinar la medicin indirecta de la potencia elctrica por medio de una medicin paralela de corriente y tensin.

Monte el circuito experimental representado a continuacin:

En

el

caso

de

que

dese

e

reali

zar

la

medicin por medio de un ampermetro virtual, la siguiente animacin ilustra el cableado. Si desea realizar la medicin por medio del Multmetro MetraHit, podr observar el cableado en la animacin siguiente.

Abra el instrumento virtual Voltmetro A, y el instrumento Ampermetro B, y seleccione los ajustes

Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensin continua una tensin UPS de 1 V. Mida la tensin U1 a travs 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

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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 lneas correspondientes de la tabla.

TABLA 1: SE TRABAJO CON 10

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Exp 1 2 3 4

Ups (V) 1 2 5

10

U1 (V) 1 2 5 10

I1 (mA) 0.9 1.8 4.4 8.8

P1 (mW) 0.9 3.6

22.0 88

Ahora, en el montaje experimental, reemplace la resistencia R1 de 1 k por la resistencia R2 de 500 y 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).

TABLA 2: SE TRABAJO CON 5

Exp 1 2 3 4

Ups (V) 1 2 5

10

U1 (V) 1 2 5 10

I1 (mA) 1.75 3.55 8.85 17.65

P1 (mW) 1.75 7.1

44.25 176.5

CUESTIONARIO. (POTENCIA)

1. Cules de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La resistencia pequea absorbe escasa potencia con la misma tensin. B) La resistencia pequea absorbe una potencia elevada con la misma

tensin. C) Si se duplica la tensin, se duplica tambin la potencia absorbida. D) Si se duplica la tensin, se reduce a la mitad la potencia absorbida.

2. Cules de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La potencia total es independiente de la tensin que se aplica. B) La potencia total disminuye si se eleva la tensin que se aplica. C) La potencia total aumenta si se eleva la tensin que se aplica. D) La resistencia pequea absorbe una cantidad mayor de potencia. E) La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia.

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FUNDAMENTO TEORICO DE CONDENSADORES

Los condensadores son estructuras en las que se puede almacenar cargas elctricas en reposo. En su estructura bsica, un condensador consta de dos placas metlicas que representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma una diferencia de potencial elctrico (tensin) 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 elctrico 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 dielctrico (no representado en la parte superior). Entre la carga y la tensin existe una relacin lineal; es vlida la siguiente relacin.

La magnitud C representa la capacidad del condensador, y seexpresaconla unidadfaradio (smbolo

: F). Mientras mayor sea la capacidad de un condensador, se debe aplicar un volumen mayor de carga para generar una tensin determinada entre sus electrodos. Anlogamente, 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 tensin la altura de llenado: Mientras ms grande sea la superficie de la base (capacidad) de la piscina, se necesitar ms agua (carga) para conseguir una determinada altura de llenado (tensin).

La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende nicamente de la estructura geomtrica y del dielctrico empleado. Para un condensador de placas es vlida la siguiente relacin:

En esta ecuacin, 0 es la constante elctrica de campo y posee un valor de 8.854210-12 AS/Vm, r es el ndice dielctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distancia entre placas. Si un condensador se conecta a una tensin continua U0 a travs de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensin, proceso durante el cual

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la tensin del condensador, de acuerdo con una funcin exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U0 (100%) (Curva de carga de un condensador, vase la imagen de la izquierda). Si, a continuacin, se desconecta el condensador de la fuente de tensin y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (vase la imagen de la derecha).

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PROCESO DE CARGA DEL CONDENSADOR EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un

condensador de 100 F (curva de la tensin del condensador y corriente de carga). Monte el circuito experimental representado a continuacin.

La siguiente figura ilustra el montaje experimental:

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Abra el instrumento virtual Fuente de tensin continua a travs de la opcin de men Instrumentos | Fuentes de tensin | Fuente de tensin continua, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento. Abra el instrumento virtual Osciloscopio a travs de la opcin de men Instrumentos | Instrumentos de medicin | Osciloscopio, o tambin pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Aplique ahora un salto de tensin al condensador, conectando la fuente de tensin continua por medio de la tecla POWER. Arrastre el oscilo grama obtenido hacia la siguiente ventana

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PROCESO DE DESCARGA DEL CONDENSADOR EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

En el experimento siguiente se debe analizar la respuesta de almacenamiento de un condensador. Para ello se observar el proceso de descarga del condensador.

Monte el circuito experimental que se representa a continuacin en la tarjeta de experimentacin SO4203-6A:

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La siguiente animacin ilustra el montaje experimental:

Ajustes de la fuente de tensin continua

Rango: 10 V

Tensin de salida: 10 V

Ajustes del voltmetro A

Rango de

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medicin:

Modo de operacin:

20 V DC

AV

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

CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)

1. Cul es la trayectoria de la curva de la tensin del condensador despus de que se conecta la tensin contina? 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.

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D) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuacin, vuelve a descender a OV.

2. Cul es la trayectoria de la curva de corriente de carga despus de que se

conecta la tensin continua? A) Durante todo el proceso de carga Se mantiene constante. B) En primer lugar, Salta a un valor mximo y luego desciende linealmente

hasta llegar a cero. C) Asciende exponencialmente de cero a un valor mximo. D) En primer lugar, salta a un valor mximo y, a continuacin, desciende

exponencialmente hasta llegar acero.

3. Qu reaccin ocasionara una disminucin de la resistencia de carga R13 en el valor mximo de la corriente de carga? A) Ninguna. B) La corriente de carga disminuira. C) La corriente de carga ascendera.

Separe el condensador de la tensin de alimentacin retirando el cable del

clavijero V43 y observe la tensin del condensador durante un tiempo prolongado.

4. Qu sucede con la tensin del condensador?

A)

Permanece constante.B)

Aumenta.C)

Desciende paulati

namente hasta llegar a 0 V. D) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

5. Cmo Se puede explicar esta reaccin? A) El condensador, una vez que se ha retirado la tensin de alimentacin,

representa una resistencia hmica. B) El condensador Se descarga a travs de la resistencia interna de la

medicin. C) El condensador mantiene su tensin puesto que la carga no puede Salir al

exterior.

Vuelva a conectar la fuente de tensin continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medicin (ANALOG IN). Separe ahora la conexin con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuacin, conecte A+, slo brevemente, para Comprobar la tensin del condensador y mida la tensin en largos

intervalos de tiempo.

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6. Qu Se puede observar en contraposicin a la medicin continua? A) No se observa ninguna diferencia con la medicin continua. B) La tensin desciende ahora ms rpidamente. C) La tensin desciende ahora ms lentamente. D) La tensin permanece ahora constante.

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FUNDAMENTO TEORICO DE LA BOBINA EN EL CIRCUITO DE CORRIENTE CONTINUA

Inductancia de una bobina: Junto al campo elctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador Cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magntico. Mientras que el campo elctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magntico esta ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente elctrica. La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su Capacidad para generar una tensin de autoinduccin. Para una bobina alargada es vlida la siguiente relacin: N2 A

L= 0 r I

En esta ecuacin, 0 es la constante magntica de campo, r la permeabilidad relativa del ncleo de la bobina, N el numero de espiras, l la longitud de la bobina y A su seccin transversal (vase la imagen siguiente). La unidad de la inductancia es el henrio (smbolo H, 1 H = 1Vs/A). _Una bobina tiene una inductancia igual a 1 H Si durante la modificacin uniforme de la corriente que fluye por ella en 1 A por segundo, se induce una tensin de autoinduccin igual a 1

V.

Conexin y desconexin de una bobina Si una bobina se encuentra en un circuito de Corriente continua, la corriente que fluye por elle es constante tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexin - de manera que no se genera ninguna tensin de autoinduccin. La bobina acta, por tanto, en este caso, como una resistencia hmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeo), resulta del valor de resistencia especfico del material de la bobina al igual que de la longitud y seccin transversal del alambre.

Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magntico; debido

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a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensin de autoinduccin que acta opuestamente a la tensin aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito elctrico (como ocurrira 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 magntico se origina una tensin de autoinduccin, que tiene el mismo sentido que la tensin que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnticos puede adoptar valores ms elevados. La tensin de autoinduccin, en principio, mantiene el flujo de corriente que atraviesa ia bobina, de manera que la corriente no vara abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar a cero.

La siguiente imagen ilustra los procesos que se producen durante la desconexin.

EXPERIMENTO: La bobina en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente Se analizar el proceso de desconexin de una bobina. Para ello, en primer lugar, se cargar la bobina con una tensin continua de 5 V y, a continuacin, Se abrir el Circuito de corriente por medio de un rele.

Monte el circuito experimental que se representa a Continuacin en la tarjeta de experimentacin 304203-SA; Aqu se debe cablear el rele 1 de manera que el

clavijero X48de la tarjeta de experimentacin, en estado de reposo, se encuentre

conectado al rel con la Salida S (ANALOG OUT) de la interfaz.

La siguiente animacin ilustra el montaje experimental: Abra el instrumento virtual Fuente de tensin Continua, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuacin el instrumento por medio de ia tecla POWER.

Abra el instrumento virtual Osciloscopio, y seleccione los ajustes que Se detallan en la tabla siguiente. Abra el panel de rels por medio de la opcin de men Instrumentos Rel o pulsando la imagen.

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CUESTIONARIO (LA BOBINA)

1. Cul es la trayectoria de la curva de tensin en la resistencia de descarga R2? A) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuacin lentamente

acercndose a O V. B) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuacin lentamente

acercndose a 0 V. C) Salta inmediatamente a O V Permanece constante.

. 2.

Cmo vara la curva

de tensin? A) No vara en lo absoluto. B) La tensin desciende ahora rpidamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciacin. C) La tensin desciende ahora rpidamente y el pico negativo muestra una

pronunciacin marcada. D) La tensin desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciacin. E) La tensin desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

pronunciacin marcada. F) La tensin permanece constante.

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