Pontificia Universidad Javeriana-Cali Facultad de Ingeniería Departamento de Ciencias Naturales y Matemáticas-Área de Física

Transcripción

1 ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 7a CIRCUITO RC 1. INTRODUCCIÓN El condensador es un dispositivo de gran utilidad en circuitos eléctricos y electrónicos. Una de sus características más importantes es que permite acumular carga y energía eléctrica. Muchas de sus interesantes aplicaciones tienen que ver con la forma en que el condensador se carga y descarga. En este laboratorio se estudiarán los procesos de carga y descarga de un condensador conectado a una resistencia. En particular, se va a estudiar la manera en que la corriente en el circuito y la carga en el condensador varían con el tiempo para ambos procesos (carga y descarga). De otro lado es bueno anotar que en el circuito que se va a estudiar las corrientes y voltajes varían con el tiempo, a diferencia de los circuitos estudiados hasta ahora en los cuales las corrientes y voltajes permanecían constantes, es decir, en estado estacionario. Puede probarse que para el proceso de carga, cuando el conmutador (interruptor) de la Figura 1 está conectado en a, la carga en el condensador y la corriente en el circuito varían, respectivamente, de acuerdo a las siguientes expresiones: RC Q( t) C (1 e ) t I( t) e R t RC (1) Donde es el voltaje en la batería, C la capacitancia del condensador y R la resistencia. De otro lado, para el proceso de descarga, cuando el conmutador (interruptor) está en la posición b, las funciones para estas cantidades son: Q t t t t CV e V RC o RC RC ( ) o I( t) e Ioe R (2) donde V o es el voltaje en el condensador en el momento de en que se conecta el conmutador al punto b. 1

2 2. PROCEDIMIENTO 2.1 Proceso de Carga Realice el montaje de la Figura 1 y pida la aprobación de su profesor para encender la fuente de voltaje. Escoja un voltaje d.c. de unos 15 V Conecte el conmutador en la posición a y encienda simultáneamente el cronómetro. Lea y registre los valores de corriente y voltaje iniciales y luego cada 5 o 10 segundos, hasta cuando las lecturas de los instrumentos permanezcan invariables en dos o tres observaciones consecutivas. 2.2 Proceso de Descarga. Ahora cambie el conmutador a la posición b. En el momento en que realice el cambio lea el voltaje en el condensador y la corriente del circuito. Simultáneamente encienda el cronómetro. Nuevamente lea y registre el voltaje y la corriente cada 5 o 10 segundos hasta que estos valores se estabilicen. 2.3 Con los datos de 2.1 y 2.2 realice las gráficas de I en función de t y Q en función de t (o equivalentemente, V en función de t), tanto para el proceso de carga como para el proceso de descarga. En cada gráfica determine el valor de la constante de tiempo 2.4 Compare los gráficos y valores de obtenidos en este experimento con los que predice la teoría. 3. PREPARACIÓN Revise los siguientes temas: Capacitancia, Leyes de Kirchhoff, circuito RC, constante de tiempo del circuito RC. 2

3 PRÁCTICA DE LABORATORIO No. 7b TRANSFORMADORES 1. OBJETIVOS 1.1 Observar experimentalmente el transformador como una aplicación de la Ley de Inducción de Faraday. 1.2 Conocer las reglas que describen el comportamiento de los transformadores. 1.3 Conocer los diferentes usos y aplicaciones que puede tener un transformador. 1.4 Observar los efectos de distintos medios materiales en la intensidad de un campo magnético. 2. CONCEPTOS A AFIANZAR 2.1 Ley de Inducción de Faraday. 2.2 f.e.m. Inducida. 2.3 Ley de Lenz. 2.4 Flujo Magnético. 2.5 Inductancia Mutua. 2.6 Polarización Magnética y Materiales Ferromagnéticos. 2.7 Corrientes Parásitas. 2.8 Ley de Transformadores. 2.9 Conceptos previos: Corriente Eléctrica y Resistencia Potencia Eléctrica, Efecto Joule Eficiencia Campo Magnético, Líneas de Campo Ley de Biot Savart. 3. TÉCNICAS EXPERIMENTALES 3.1 Uso de Medidores Eléctricos. 3.2 Montaje de Circuitos Eléctricos. 3.3 Medición de Variables Eléctricas en Circuitos AC. 4. TIEMPO NECESARIO PARA EL DESARROLLO DE LA PRÁCTICA: 1 Hora. 5. EQUIPO REQUERIDO 5.1 Fuente de Voltaje AC de 0 a 6 V. 5.2 Juego de Resistencias. 5.3 Dos Multímetros. 5.4 Juego de Bobinas con Diferente Número de Vueltas. 5.5 Conectores. 5.6 Núcleos de Hierro. 3

4 6 PROCEDIMIENTO Precaución: Por recomendación del fabricante del equipo el voltaje en las bobinas no debe superar los 6 V AC. Sin embargo, las fuentes de que disponemos en nuestro laboratorio son fuentes AC de 0 a 20 V. Así, para proteger las bobinas, éstas deben conectarse a la fuente en serie con una resistencia. El Anexo 1 especifica los valores máximos de corriente que puede soportar cada bobina sin deteriorarse, así como sus resistencias e impedancias. 6.1 Realice el montaje de la Figura 2 con las dos bobinas de 400 vueltas. La bobina que está conectada a la fuente se llamará bobina primaria o el primario y la otra bobina se llamará bobina secundaria o el secundario. Conectando la resistencia R adecuada, encienda la fuente y gire la perilla lentamente hasta alcanzar un voltaje de 6 V en el primario. Mida el voltaje de salida en el secundario y registre su resultado en la Tabla Repita la medida anterior moviendo el secundario a otras posiciones (tres al menos) y en cada una mida el voltaje de salida. Registre sus resultados en la Tabla 1. Nota: Para cambiar la posición del secundario puede rotarlo o apartarlo del primario algunos cm. Su profesor le dará algunas indicaciones al respecto. Voltímetro Voltímetro FUENTE AC R Figura Repita el paso 6.1 insertando un núcleo de hierro al conjunto de bobinas, tal como se muestra en las configuraciones (a), (b) y (c) de la Figura 3. Para cada caso ajuste un voltaje de entrada de 6 V AC, del mismo modo que lo hizo en 6.1. Registre los resultados de cada configuración en la Tabla 2. (a) (b) (c) Figura 3 4

5 6.4 Usando la configuración que dio el mayor voltaje de salida en el paso 6.3, monte diferentes pares de bobinas con diferente número de vueltas. En cada caso mida los voltajes del primario y el secundario y determine las razones V 2 /V 1 y N 2 /N 1. Registre sus resultados en la Tabla PREGUNTAS, ANÁLISIS Y RESULTADOS Nota: Prepare en casa las respuestas a las preguntas 7.1 y Deduzca, a partir de la Ley de Inducción de Faraday, la relación teórica que debe existir entre las razones V 1 /V 2 y N 1 /N Qué son corrientes de Eddy (o corrientes parásitas)? Por qué el núcleo del transformador no es un bloque macizo de hierro sino que está construido a partir de láminas o de varillas? 7.3 Observe los resultados obtenidos en 6.1 y 6.2 y trate de explicar, con base en las Leyes de Inducción, las razones por las que hubo variación en el voltaje de salida al variar las posiciones del secundario. 7.4 De los resultados obtenidos en 6.1, Qué puede concluirse acerca de la inductancia mutua M entre estas dos bobinas, y en general, entre cualquier par de bobinas? 7.5 De acuerdo con los resultados observados en 6.3 para el voltaje de salida explique, en forma cualitativa, el efecto del núcleo de hierro en el campo magnético generado por la bobina primaria. En general, como debe disponerse este núcleo para optimizar el desempeño del transformador? 7.6 Observe los resultados obtenidos en 6.4 para V 2 /V 1 y N 2 /N 1. Discuta y justifique los acuerdos o desacuerdos con el resultado de TIPO DE INFORME REQUERIDO Formatos de tablas diligenciados, anexando las respuestas a 7.1 y 7.2. Este informe debe entregarse al finalizar la práctica. 5

6 # de vueltas Diámetro del alambre (mm) Anexo 1 Especificaciones de las Bobinas Corriente RMS (A) Resistencia DC de la Bobina ( ) Auto Inductancia (mh) Impedancia AC a 60 Hz ( ) 200 0,9 2 0,6 0,67 0, ,65 1 2,2 3,2 2, ,45 0,5 7,7 13,5 9, ,33 0,25 35, , ,22 0, BIBLIOGRAFÍA. S. Lea and J. Burke, PHYSICS, The Nature of Things, Brooks/Cole Publishing Company, 1997, secciones 29.4, 30.1, 30.2, 30.3, R. A. Serway, R. J. Beichner, Fisica, Tomo II, 5ª Edición, Mc Graw Hill, 2000, secciones 31.1, 31.2, 31.3, 31.4, 31.6, 32.1, W. E. Gettys, F. J. Keller, M. J. Skove, FÍSICA: Clásica y Moderna, Mc Graw Hill, 1991, secciones 28.1 a 28.5 y secciones 29.1 a

7 PROFESOR CURSO FECHA INTEGRANTES DEL GRUPO DATOS DEL CIRCUITO RC EN CARGA ( fuente I (A) V(V) t (s) V ;R = ; C = ) 7

8 DATOS DEL CIRCUITO RC EN DESCARGA ( V ; I ) I (A) V(V) t (s) o o 7.4 RESPUESTA A LAS PREGUNTAS 8

9 Configuración Tabla 1 Número de Vueltas Primario Secundario Entrada (Primario) Voltaje (V) Salida (Secundario) 9

10 Tabla 2 Núcleo Número de Vueltas Voltaje (V) Primario Secundario Primario Secundario Tabla 3 Número de Vueltas Voltaje (V) Primario Secundario Primario Secundario N 1 /N 2 V 1 /V 2 CONCLUSIONES 1) 2) 3) 4) 5) 10