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 12 ava edición 43
Amperímetro B, y seleccione los ajustes. Ahora, ajuste en el instrumento Fuente de tensión continua una tensión U PS de 1 V. Mida la tensión U 1 a través de la resistencia R1 al igual que la corriente resultante I 1 en miliamperios y anote los valores obtenidos en la correspondiente columna de la tabla siguiente. A partir de ello, determine la potencia P 1 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 Ups ( V ) U 1 ( V ) I 1 (ma) P 1 (mw) 1 1 2 2 3 5 4 10 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 Ups ( V ) U 2 ( V ) I 2 (ma) P 2 (mw) 1 1 2 2 3 5 4 10 CUESTIONARIO. (POTENCIA) 1.- Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La resistencia pequeña absorbe escasa potencia con la misma tensión. B) La resistencia pequeña absorbe una potencia elevada con la misma tensión. C) Si se duplica la tensión, se duplica también la potencia absorbida. D) Si se duplica la tensión, se reduce a la mitad la potencia absorbida. 2.- Cuáles de las siguientes afirmaciones son correctas? A) La potencia total es independiente de la tensión que se aplica. B) La potencia total disminuye si se eleva la tensión que se aplica. C) La potencia total aumenta si se eleva la tensión que se aplica. D) La resistencia pequeña absorbe una cantidad mayor de potencia. E) La resistencia mayor absorbe una cantidad mayor de potencia. 12 ava edición 44
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, ε 0 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 U 0 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 U 0 (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). 12 ava edición 45
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 de salida: 10 V 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 Base de tiempo: Modo de operación: Trigger: 200 mv / div 200 ms / div X/T, DC 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 12 ava edición 46
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. 12 ava edición 47
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, µ 0 es la constante magnética de campo, µ r 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. 12 ava edición 48
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 Base de tiempo: Modo de operación: Trigger: 2 V / div 10 µs / div X/T, DC 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. 12 ava edición 49
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 muestra una ligera pronunciación. C) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una pronunciación marcada. D) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una ligera pronunciación. E) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una pronunciación marcada. F) La tensión permanece constante. 12 ava edición 50