Potencia eléctrica––Condensadores y Bobinas en Circuitos de C.C.

Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III
Potencia eléctrica–Condensadores y
Bobinas en Circuitos de C.C.
Experiencia N° 6
1.- OBJETIVOS
1. 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.
2. Demostrar el Voltaje y Corriente de carga y descarga de un condensador
3. 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 y veremos el comportamiento de una bobina
Fundamento Teórico - Potencia Eléctrica
La potencia eléctrica es mayor mientras mayor sea la tensión y mayor sea la corriente. Para la
potencia P es válida la relación:
La unidad de la potencia eléctrica recibe el nombre de Watt (W), el inglés que la definió. 1 W es
la potencia de una corriente continua de 1 A con una tensión continua de 1 V. La potencia
absorbida por una carga se puede medir, por tanto, de manera indirecta con un voltímetro y un
amperímetro. Una medición directa de potencia se puede realizar por medio de un vatímetro.
Si en la fórmula anterior, de acuerdo con la ley de Ohm, para la potencia, se reemplaza la
tensión U por el producto I · R, se obtiene la ecuación:
Si en la ecuación inicial, por el contrario, se reemplaza
la corriente I por el cociente U/R, se obtiene la
relación:
Experimento: Medición de potencia
En el experimento siguiente se debe examinar la
medición indirecta de la potencia eléctrica por medio
de una medición paralela de corriente y tensión.
Monte el circuito experimental representado a
continuación:
Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua,
y seleccione los ajustes. Encienda a continuación el
instrumento por medio de la tecla POWER. Abra el
instrumento virtual Voltímetro A, y el instrumento
ava
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Amperímetro B, y seleccione los ajustes.
Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión UPS de 1 V. Mida la
tensión U1 a través 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 resistencia en mW y anote de igual manera el
resultado en la tabla. Repita el experimento para las tensiones de entrada de 2V, 5V y 10 V y
anote los valores en las líneas correspondientes de la tabla.
Tabla 1:
Exp
1
2
3
4
Ups ( V )
1
2
5
10
U1 ( V )
I1 (mA)
P1 (mW)
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
Exp
1
2
3
4
Ups ( V )
1
2
5
10
U2 ( V )
I2 (mA)
P2 (mW)
CUESTIONARIO. (POTENCIA)
1.A)
B)
C)
D)
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?
La resistencia pequeña absorbe escasa potencia con la misma tensión.
La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma tensión.
Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida.
Si se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbida.
2.A)
B)
C)
D)
E)
¿Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas?
La potencia total es independiente de la tensión que se aplica.
La potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplica.
La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica.
La resistencia pequeña absorbe una cantidad mayor de potencia.
La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia.
ava
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Fundamento Teórico - CONDENSADORES
Los condensadores son estructuras en las que se pueden 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).
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
-12
8.8542·10
AS/Vm, εr 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).
ava
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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 µF (curva de la
tensión del condensador y corriente de
carga). Monte el circuito experimental
representado a continuación.
La siguiente figura ilustra el montaje
experimental:
Abra el instrumento virtual Fuente de
tensión continua, y seleccione los
ajustes que se detallan en la tabla
siguiente. En primer lugar, no conecte el
instrumento.
Ajustes de la
fuente de
tensión continua
Rango:
10 V
Tensión
10 V
de salida:
Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos |
Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también
pulsando la siguiente imagen, y seleccione los Ajustes del osciloscopio
ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Canal A
5 V / div
Canal B
200 mV / div
Base de
tiempo:
200 ms / div
Modo de
X/T, DC
operación:
Trigger:
Canal A / flanco
ascendente / SINGLE /
pre-Trigger 25%
Aplique ahora un salto de tensión
al condensador, conectando la
fuente de tensión continua por
medio de la tecla POWER.
Arrastre el oscilo grama obtenido
hacia la siguiente ventana
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CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)
1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se
conecta la tensión continua?
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.
D) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a
continuación, vuelve a descender a 0V
2.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la
tensión continua?
A) Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.
B) En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta llegar a
cero.
C) Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo.
D) En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende
exponencialmente hasta llegar a cero.
3.- ¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor
máximo de la corriente de carga?
A) Ninguna.
B) La corriente de carga disminuiría.
C) La corriente de carga ascendería.
Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y
observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado.
4.- ¿Qué sucede con la tensión del condensador?
A) Permanece constante.
B) Aumenta.
C) Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.
D) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.
5.- ¿Cómo se puede explicar esta reacción?
A) El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa una
resistencia óhmica.
A) El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición.
B) El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al exterior.
Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para
analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANALOG IN),
separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al
clavijero X43. A continuación, conecte A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del
condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo.
6.- ¿Qué se puede observar en contraposición a la medición continua?
A) No se observa ninguna diferencia con la medición continua.
B) La tensión desciende ahora más rápidamente.
C) La tensión desciende ahora más lentamente.
D) La tensión permanece ahora constante.
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Fundamento Teórico DE LA 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.
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.
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Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua
En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de una bobina. Para ello,
en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se
abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.
Monte el circuito experimental que
se representa a continuación en la
tarjeta
de
experimentación
SO4203-6A: Aquí se debe cablear
el relé 1 de manera que el clavijero
X48
de
la
tarjeta
de
experimentación, en estado de
reposo, se encuentre conectado al
relé con la salida S (ANALOG OUT)
de la interfaz.
La siguiente animación ilustra el
montaje experimental:
Abra el instrumento virtual Fuente
de tensión continua,y seleccione
los ajustes que se detallan en la
tabla
siguiente.
Encienda
a
continuación el instrumento por
medio de la tecla POWER.
Abra
el
instrumento
virtual
Osciloscopio, y seleccione los
ajustes que se detallan en la tabla siguiente.
Ajustes del osciloscopio
Canal A
2 V / div
Base de
tiempo:
10 µs / div
Modo de
X/T, DC
operación:
Trigger:
Canal A / flanco
ascendente / pretrigger 25%
Abra el panel de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la
imagen que se encuentra a continuación.
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Cortocircuite brevemente el relé
1 del panel para desconectar la
bobina de la alimentación de
tensión. Arrastre con el ratón el
oscilograma obtenido en la
siguiente ventana, y vuelva a
conectar el relé en la posición
inicial.
CUESTIONARIO (LA BOBINA)
1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2?
A) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V
B) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V.
C) Salta inmediatamente a 0 V Permanece constante
Ahora,
reemplace
la
resistencia de descarga:
R2 = 500 Ώ por la
resistencia R3 = 1500 Ώ y
repita el experimento.
Lleve el oscilograma a la
siguiente ventana.
2.- ¿Cómo varía la curva de tensión?
A) No varía en lo absoluto.
B) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo
ligera pronunciación.
C) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una
marcada.
D) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo
ligera pronunciación.
E) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una
marcada.
F) La tensión permanece constante.
ava
12
edición
muestra una
pronunciación
muestra una
pronunciación
50