Energía eléctrica: conceptos y principios básicos [501366020]. ElenaK78 /Shutterstock
Práctica de laboratorio remoto 2 Balance de potencias en los circuitos eléctricos Objetivo de la práctica Determinar la potencia entregada o consumida en los elementos de un circuito, a partir de las mediciones de voltaje y corriente en circuitos serie y paralelo, para comprobar el principio de Balance de Potencia en un circuito eléctrico. Introducción Para esta práctica se continuará trabajando con circuitos eléctricos de CD para determinar la potencia en el circuito. La interface de trabajo del Laboratorio Remoto te permitirá trabajar con una serie de circuitos eléctricos de CD. La interface se complementa con una fuente de voltaje de CD variable, un amperímetro y un osciloscopio para realizar mediciones de voltaje y corriente. 2
Este circuito eléctrico está formado por una serie de cargas eléctricas, las cuales pueden ser conectadas en serie o paralelo. Para esta práctica se consideraron lámparas incandescentes como cargas eléctricas que pueden ser modeladas como simples resistencias. El panel de control al lado derecho (Circuito Eléctrico) te permite cambiar entre un circuito eléctrico simple con una sola lámpara, un circuito con 2 lámparas conectadas en paralelo, o bien, un circuito con 2 lámparas conectadas en serie. El panel de control del lado izquierdo permite establecer el voltaje de la fuente de alimentación del circuito. Para ello puedes desplazar el pequeño selector con el ratón o bien introducir directamente en el control numérico el valor de voltaje deseado. Para la medición de corriente, en el circuito eléctrico hay un amperímetro, el cual arroja en todo momento la medición de corriente que entrega la fuente. Finalmente, el osciloscopio en la parte inferior permite analizar hasta 4 mediciones de voltaje a la vez, y cuenta con un par de cursores que permiten realizar una medición detallada de la amplitud de los voltajes que se están desplegando en el osciloscopio. Para desplegar un voltaje en el osciloscopio, hay que seleccionar un Trazo, los nodos donde se desea medir el voltaje y, por último, activar el trazo haciendo clic en él. Por ejemplo: Selecciono el Trazo 1 e indico una medición de voltaje del Nodo 1 a Gnd (tierra) y lo activo. Para medir el voltaje se cuenta con dos cursores que son habilitados dando clic a los siguientes botones a la izquierda del osciloscopio: 3
Una vez habilitados, los puedes identificar por el color del cursor (una línea segmentada) sobre el osciloscopio. Si no están visibles, pulsa el siguiente botón para traerlos al centro del osciloscopio. Una vez habilitados, los cursores se pueden mover con el ratón al punto de medición sobre el osciloscopio. El punto de medición a su vez se puede leer en la parte inferior del osciloscopio, donde la primera medición es el tiempo y la segunda el voltaje. En las prácticas 1 y 2, por ser de CD, la medición del tiempo en el osciloscopio no tiene relevancia y solo aplica la medición del voltaje, la segunda medición. Procedimiento En esta práctica vas a medir la potencia que está siendo entregada o consumida por cada elemento en el circuito eléctrico y, de esta manera validarás el principio de Balance Potencia que establece que En un circuito eléctrico la potencia entregada es en todo momento igual a la potencia consumida. A través de la interface de trabajo del Laboratorio Remoto podrás realizar las mediciones de voltaje y de corriente se requieren para determinar la potencia de los componentes en los circuitos eléctricos que se te presentan. Sigue las instrucciones de la práctica, realiza y registra las mediciones que se te solicitan y contesta las preguntas que se te plantean en base al comportamiento observado y las mediciones realizadas. Balance de potencias en un circuito simple En un circuito básico con una sola fuente y una sola carga, resulta muy obvio pensar que la potencia que está entregando la fuente será la misma que está consumiendo la carga. A fin de cuentas, no hay nadie más que entregue y nadie más que consuma. Pero vamos a demostrarlo! Asegúrate de que este seleccionado el circuito Simple en el panel de control del Circuito Eléctrico a la derecha. Empleando el control deslizable del panel de control a la izquierda, ajusta la fuente de voltaje Vs a un valor de 10 V. Empleando el 4
osciloscopio puedes medir el voltaje en la fuente (Nodo 1 a Tierra) y el voltaje en la lámpara (Nodo 2 a Tierra). Debemos encontrar que ambos voltajes son idénticos ya que la lámpara está conectada directamente a la fuente. La corriente que entrega la fuente la podemos obtener directamente de la medición de Is en la interface de trabajo. 1. Con base en las mediciones de voltaje y de corriente en la fuente, calcula la potencia que esta está entregando. Recuerda que la potencia en cualquier elemento de circuito se puede calcular como el producto del voltaje por la corriente( P=VI). Voltaje en la Fuente, Vs =. Corriente en la Fuente, Is =, Potencia que entrega la Fuente, Ps = Vs x Is =. 2. Ahora con base en la medición del voltaje en la carga (lámpara), calcula la potencia que esta está consumiendo. Recuerda que la potencia en una resistencia se puede calcular como el cuadrado de su voltaje entre el valor de la resistencia (PP = VV2 RR ). Voltaje de la Carga, V2 =, Potencia que consume la Carga, PR2 = V2 2 / R2 =. 3. Cómo son las dos potencias, la potencia que entrega la fuente y la potencia que consume la carga? 4. Se puede afirmar que la potencia entregada por la fuente es igual a la potencia que consume la carga? Balance de potencia en un circuito en serie 5
A continuación, analizarás la relación de potencias en un circuito eléctrico con 2 cargas conectado en serie. Para ello asegúrate de seleccionar el circuito Serie en el panel de control del Circuito Eléctrico. Utilizarás el mismo valor de 10 V de la fuente de voltaje que establecimos en el apartado anterior. Recuerda que, en un circuito conectado en serie, la corriente a través de cada uno de los elementos debe ser la misma. Esto sucede básicamente porque solo hay una trayectoria posible para la corriente. 5. Calcula de nueva cuenta la potencia que esta está entregando la fuente (producto del voltaje por la corriente). Voltaje en la Fuente, Vs =, Corriente en la Fuente, Is =, Potencia que entrega la Fuente, Ps = Vs x Is = 6. La potencia que está entregando ahora la fuente es menor o mayor a la que entrega en el circuito anterior? Por qué si el valor de la fuente es el mismo? 7. Mide ahora el voltaje de cada una de las lámparas y calcula la potencia que consume cada una como el producto de su voltaje por su corriente. Para ello, con el osciloscopio mide el voltaje en la lámpara 1 (Nodo 1 a Nodo 2) y el voltaje en la lámpara 2 (Nodo 2 a Tierra). La corriente la podemos obtener directamente de la medición de Is. Voltaje de la lámpara 1, V1 =, Voltaje de la Lámpara 2, V2 =, 6
Potencia de la lámpara 1, PR1 =, Potencia de la Lámpara 2, PR2 =. 8. Para calcular la potencia total consumida en el circuito, simplemente suma la potencia que consumen las cargas: Potencia total consumida, PCARGAS = PR1 + PR2 = 9. Compara la potencia que entrega la fuente con la potencia total consumida, cómo son? Como ves, has demostrado que en un circuito conectado en serie, el principio de balance de potencia se cumple: La potencia entregada es igual a la potencia total consumida en el circuito. Balance de potencia en un circuito en paralelo Ahora analizarás la relación de potencias en un circuito conectado en paralelo. De nueva cuenta utilizarás el mismo valor de 10 V de la fuente de voltaje que se estableció en los ejercicios anteriores. En el panel de control del Circuito Eléctrico selecciona el circuito en Paralelo. Recuerda que en un circuito conectado en paralelo el voltaje a través de cada uno de los elementos debe ser el mismo. Esto sucede porque todos los elementos están conectados al mismo par de nodos. 7
10. De nueva cuenta, mide la potencia que esta está entregando la fuente (producto del voltaje por la corriente): Voltaje en la Fuente, Vs =, Corriente en la Fuente, Is =, Potencia que entrega la Fuente, Ps = Vs x Is =. 11. La potencia que está entregando ahora la fuente es menor o mayor a la potencia que entrega en los circuitos anteriores? Por qué? 12. Mide ahora el voltaje de cada una de las lámparas y calcula la potencia que consume cada una como el cuadrado de su voltaje entre el valor de la resistencia. Para ello, con el osciloscopio mide el voltaje en la lámpara 2 (Nodo 2 a Tierra) y el voltaje en la lámpara 3 (Nodo 3 a Tierra). Observa que ambos voltajes deben ser iguales, dando que están conectadas en paralelo. Voltaje de la lámpara 2, V2 =, Voltaje de la Lámpara 3, V3 =. Potencia de la lámpara 2, PR2 =, Potencia de la Lámpara 3, PR3 =. 13. Para calcular la potencia total consumida en el circuito, simplemente se suma la potencia que consume cada carga: Potencia total consumida, PCARGAS = PR2 + PR3 = 14. Compara la potencia que entrega la fuente con la potencia total consumida, cómo es? Ahora has demostrado que en una conexión en paralelo igualmente se cumple el principio de balance de potencia en un circuito eléctrico y la potencia entregada es igual a la potencia total consumida. 8
Conclusión De acuerdo a los resultados experimentales de la práctica se puede concluir que el Balance de Potencias en un circuito eléctrico siempre se debe cumplir, esto es, sin importar el tipo de conexión ni el número de cargas eléctricas o el valor de las mismas, en todo momento la potencia entregada por la fuente será igual a la suma de las potencias consumidas por las cargas. 9
Trabajo realizado en el marco del Proyecto 266632 Laboratorio Binacional para la Gestión Inteligente de la Sustentabilidad Energética y la Formación Tecnológica, con financiamiento del Fondo de Sustentabilidad Energética CONACYT-SENER (Convocatoria: S001920101). El trabajo intelectual contenido en este material, se comparte por medio de una licencia de Creative Commons (CC BY-NC-ND 2.5 MX) del tipo Atribución-No Comercial Sin Derivadas, para conocer a detalle los usos permitidos consulte el sitio web en http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.5/mx Se permite copiar, distribuir, reproducir y comunicar públicamente la obra sin costo económico bajo la condición de no modificar o alterar el material y reconociendo la autoría intelectual del trabajo en los términos específicos por el propio autor. No se puede utilizar esta obra para fines comerciales, y si se desea alterar, transformar o crear una obra derivada de la original, se deberá solicitar autorización por escrito al Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Colaboran: