UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE PANAMÁ Facultad de Ingeniería Mecánica Licenciatura en Ingeniería Mecánica Ingeniería Eléctrica Profesor Gabriel Flores Barsallo Informe de Laboratorio #3 EXPERIMENTO #7: Solución de Un Circuito Parte II EXPERIMENTO #9: Potencia en Circuitos de CD, Parte II Presentado por: Vasco Duke Pe-12-2201 Pe-12-2201 Ilka Quintero Vega 8-849-961 Aaron Tuñon 8-850-1846 8-850-1846 Jerald Camargo 9-738-2233 Cesar Valle 20-58-1711 Erick Ávila 8-849-144 Carlos Figeroa E-8-100501 E-8-100501 Grupo: 1-IM-131 Año Lectivo: 2012
Introducción En este laboratorio veremos la parte experimental de cómo conectar los diversos componentes de un circuito y cómo estos, están dispuestos respecto a la fuente (Circuitos en Serie y Circuitos en Paralelo), en palabras más simples, como resolver o dar solución a un circuito reduciéndolo de su forma más compleja a su forma más simple. Tomando en cuenta conceptos previos como lo son: En un circuito en serie, el voltaje de un grupo de resistencia es igual a la suma de los voltajes que pasan por cada una de ellas; mientras que en un circuito en paralelo la corriente total que entra al circuito es igual a la suma de las corrientes de cada brazo en paralelo. Por otra parte también podemos decir, que la corriente que sale de un punto en el circuito debe ser igual a la corriente que llega a dicho punto.
Objetivo 1. Verificar en forma experimental los cálculos teóricos efectuados en el Experimento de Laboratorio No. 6. Exposición Frecuentemente en los circuitos hay uniones o puntos comunes en donde se juntan varios cables o alambres. La característica interesante de estos puntos de cruce o unión consiste en que la suma de todas las corrientes que llegan a tal punto es igual a la suma de todas las corrientes que salen del mismo. La razón de esto es que los electrones no se pueden acumular en dicho punto o unión, sino que deben salir tan rápidamente como van llegando. La unión que se ilustra en el diagrama esquemático de la figura 7-1, tiene cuatro cables que terminan en ella y en la misma figura se indican las corrientes que llevan.
La suma de las corrientes que llegan (3A + 4A) es igual a la suma de las corrientes que salen (5A + 2A), de manera que la regla se cumple. Esta regla se puede aprovechar, ya que permite calcular la corriente de un cable o conductor sin necesidad de medirla. Por ejemplo, sea el dibujo esquemático de la figura 7-2.
Los conductores X y Y llevan respectivamente 140 amps y 30 amps, con las direcciones indicadas. Puesto que hay 140 amps que llegan a la unión Y y solo salen 30 por el alambre Y, es evidente que el conductor Z debe portar los 110 amps restantes. Por lo tanto, se conoce el valor de la corriente del conductor Z sin haberla medido. Instrumentos y equipo
Módulo de fuente de energía (0-120V c-d) EMS 8821 Módulo de resistencia EMS 8311 Módulo de medición de CD (200V, 500mA, 2.5A) EMS 8412 Cables de conexión EMS 8941 Procedimientos Advertencia: ¡En este experimento de laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente está conectada! ¡Debe desconectar la fuente después de efectuar cada medición! 1. Los circuitos de los siguientes procedimientos son idénticos a los que calculó en el Experimento de laboratorio No. 6. Para cada uno de los siguientes procedimientos: a) Anote los valores calculados (tomándolos del experimento de laboratorio No. 6) en los espacios correspondientes de cada procedimiento. b) Use los Módulos EMS de Resistencia, Medición de CD y de Fuente de Energía, conecte el circuito mostrado en cada procedimiento y tenga sumo cuidado de no invertir las polaridades indicadas en el medidor. El Voltímetro de la fuente de energía se usará para medir el voltaje aplicado. Cerciórese cuando haga las conexiones de que el interruptor de la fuente de energía está en la posición off y que a la perilla de control del voltaje de salida se le ha dado la vuelta en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Nota: en muchos de los circuitos, no todas las corrientes y los voltajes se pueden medir de un modo simultáneo. En consecuencia, termine las mediciones correspondientes a una sola resistencia, reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de energía. Desconecte los medidores de esa resistencia en particular y conéctelos a la siguiente porción del circuito que se debe medir. Repita esta operación si es necesario y recuerde siempre que debe reducir el voltaje a cero y desconectar el interruptor de la fuente de energía cuando vaya a conectar de nuevo los medidores.
Nunca haga conexiones en el circuito cuando la fuente de energía está conectada! e) conecte la fuente de energía haga girar lentamente el control del voltaje de saluda hasta que el voltímetro de la fuente de energía de c-d indique el voltaje requerido. Haga las mediciones y anótelas en los espacios correspondientes. d) reduzca a cero el voltaje y desconté la fuente de energía e) compare los valores calculados y los experimentales, e indique si concuerdan o no. f) repita el procedimiento anterior para cada uno de los nueve circuitos que se ilustran.
Vea Figura 7-3
V1 I2 IT
Valores Medidos 105v 0.4ma 0.4A
Valores calculados 120v 0.4ma 0.4A
Observaciones No concuerdan Si concuerdan Si concuerdan
Vea Figura 7-4
V1 V2 I1 I2 IT
Valores Medidos 60v 60v 200v 100 300
Valores Calculados 60v 60v 200 100 300
Observaciones Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan
Vea la Figura 7-5
V1 V2 V3 I1 I2 I3 IT
Valores Medidos 120v 120v 120v 480ma 180ma 100ma 750ma
Valores Calculados 120v 120v 120v 400ma 200ma 100ma 700ma
Observaciones Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan No concuerdan No concuerdan Si concuerdan No concuerdan
Vea Figura 7-6
IT I1 12 V1 V2
Valores medidos 0.1A 100ma 100ma 31v 62v
Valores calculados 0.1A 100ma 100ma 30v 60v
Observaciones Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan No concuerdan No concuerdan
Vea Figura 7-7
IT I1 I2 V1 V2
Valores medidos 0.1A 100ma 100ma 42.5v 62v
Valores calculados 0.1 A 100ma 100ma 40v 60v
Observaciones Si concuerdan Si concuerdan Si concuerdan No concuerdan No concuerdan
6. Vea la figura 7-7
VALORES MEDIOS IT= 95 mA I1= 98 mA I2= 80 mA V1= 36 V V2= 60 V
VALORES CALCULADOS IT= 100mA I1=100mA I2=100mA V1= 40 V V2= 60 V
OBSERVACIONES No concuerda No concuerda No concuerda No concuerda Concuerda
7. Vea la figura 7-8
VALORES MEDIOS IT= 100 mA I1= 100 mA I2= 80 mA I3= 100 mA V1= 27 V V2= 60 V V3= 21 V
VALORES CALCULADOS IT= 100mA I1= 100mA I2= 100mA I3= 100mA V1= 30 V V2= 60 V V3= 20 V
OBSERVACIONES Concuerda Concuerda No concuerda Concuerda No concuerda Concuerda No concuerda
8. Vea la figura 7-9. Aumente el voltaje aplicado V A hasta que V2=80 V y luego haga las mediciones.
VALORES MEDIOS I2= 110 mA I1= 102 mA V1= 87,5 mA V A= 120 V IT= 120 mA
VALORES CALCULADOS I2= 133,33 mA I1= 133,33 mA V1= 40 V V A= 120 V IT= 133.33 mA
OBSERVACIONES No concuerda No concuerda No concuerda Concuerda No concuerda
9. Vea la figura 7-10. Aumente el voltaje aplicado V A hasta que I1=0.2 A, luego efectué las mediciones.
VALORES MEDIOS V1= 72 V V2= 62,5 V V3= 60 V V A= 60 V I2= 110 mA I3= 60 mA IT= 392 mA
VALORES CALCULADOS V1= 60 V V2= 60 V V3= 60 V V A= 60 V I2= 100 mA I3= 50 mA IT= 350 mA
OBSERVACIONES No concuerda No concuerda No concuerda Concuerda No concuerda No concuerda No concuerda
10. Vea la figura 7-11. Aumente el voltaje aplicado V A hasta que I3=0.2 A y luego haga las mediciones
VALORES MEDIOS V3=55 V V2= 62,5 V I2=80 mA I1= 300 mA V1= 62,5 V V A= 120 V
VALORES CALCULADOS V3= 60 V V2= 60 V I2= 100 mA I1= 300 mA V1= 60 V V A= 120 V
OBSERVACIONES No concuerda No concuerda No concuerda Concuerda No concuerda Concuerda
Prueba de conocimientos 1. Indique la intensidad de la corriente que fluye (señale también el sentido) por el conductor W en cada uno de los circuitos.
a. Entran 2 amperios. b. Entran 8 amperios. c. Salen 4 amperios. d. Entran 4 amperios. 2. Muestre en la Figura 7-13, cómo conectaría el voltímetro, el amperímetro, la fuente de energía y la resistencia de carga para obtener un circuito completo en pleno funcionamiento.
A V
FUENTE DE R
ALIMENTACIÓN
3. ¿Se quemará el amperímetro del circuito de la Figura 7-13 si se invirtiera su polaridad?
a. El amperímetro no debiera quemarse, simplemente marcaría valores negativos ya que se está cambiando el sentido con el que se mide la corriente. 4. De los medidores de la Pregunta 2, ¿cuál tendría más probabilidades de quemarse si se conectara directamente a través de la fuente de energía? ¿Por qué? a. Es difícil responder esta pregunta sin saber los valores nominales de cada elemento. Es decir si los valores nominales de la fuente sobrepasan aquellos de los medidores, ambos corren peligro de quemarse. Sin embargo, es más probable que el amperímetro se queme al conectarlo directamente. Esto se debe a que el amperímetro, por se medidor de corriente, tiene una resistencia muy pequeña, de modo que formaría un corto circuito con la fuente. 5. ¿Podría medir el voltaje de una pila para lámpara de mano con un voltímetro que tuviera una escala de 0-150V c-d? ¿Podría confiar en tal medición? a. Sería posible hacer esta medida ya que las pilas que se utilizan para lámparas de mano no sobrepasan los 5 V. Sin embargo, no sería una medida muy exacta, ya que el rango de trabajo del voltímetro es muy alto. 6. Indique el valor del voltaje (y su polaridad) entre las terminales A y B de los tres siguientes circuitos de la Figura 7-14. a. -300 V b. -130 V c. 3 V
Conclusión Con la realización de este experimento podemos concluir que la corriente es igual en cada resistencia en un circuito en serie y que el voltaje es el mismo en todas las ramas de un circuito en paralelo. Por otra parte podemos inferir que todas las corrientes que salen de un punto en un circuito, debe ser igual a la corriente que entra o que llega a dicho punto; es decir, que la corriente que circula por un circuito no se disipa o se pierde, sino es porque el circuito está abierto o algún componente de dicho circuito está en mal estado o presenta mal funcionamiento como es el caso de los Transformadores que pueden generar dos tipos de pérdidas de energía y potencia en un circuito: Pérdida en el Fierro y Pérdida en el Cobre.
Introducción En eléctrica, el trabajo se realiza mediante el movimiento de electrones mientras que la potencia es considerada como la velocidad con que se realiza dicho trabajo, o en otras palabras como la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo determinado; esta potencia proporcionada a una carga es siempre igual al producto del voltaje por la corriente que pasa por ella, ambos en corriente directa. Si a un motor de corriente directa se le suministra potencia eléctrica, ésta se convertirá en energía mecánica y el resto se disipará en calor o en luz, lo que se conoce como energía térmica. En este experimento, determinaremos la potencia disipada en un circuito resistivo de corriente directa; también verificaremos la ley de conservación de la energía en la cual la potencia disipada por cualquier número de elementos de resistencia es igual a la potencia proporcionada.
OBJETIVOS 1. Determinar la potencia disipada en un circuito resistivo de c-d. 2. Demostrar que esta potencia se puede encontrar mediante tres métodos diferentes.
EXPOSICIÓN La potencia eléctrica de un circuito de c-d se puede encontrar utilizando la ecuación: P=ExI En donde,
P = potencia en watts E = voltaje en volts I = corriente en amperes Puesto que el voltaje E y la corriente I están relacionadas por la resistencia R (de acuerdo con la ley de Ohm), se pueden derivar dos nuevas expresiones. Cuando se sustituye E por IR, la ecuación se convierte en: P = IR x I P = I2R Y, puesto que,
También se puede substituir I con E/R en la ecuación P = x E P = I=
Por lo tanto, ahora se puede calcular la potencia de cualquier circuito de c-d, usando el término de R y E o I (no es necesario conocer el valor de ambos a la vez). NOTA: El dispositivo que disipa la potencia calculada debe ser una resistencia pura y no debe tener ninguna impedancia. (La impedancia es otra forma de resistencia que se usa en circuitos de c-a y que se estudiará en un Experimento de Laboratorio posterior.) La ley de conservación de la energía requiere que la potencia disipada por cualquier número de elementos de resistencia, sea igual a la potencia
proporcionada por la fuente. Este hecho se verificará experimentalmente en este Experimento de laboratorio. Cuando la energía eléctrica llega a una resistencia, se convierte inmediatamente en calor, con el resultado de que la resistencia se calienta. Mientras mayor es la potencia eléctrica proporcionada, tanto mayor será la temperatura, hasta que se llega a un punto en que la resistencia o cualquier componente cercano se queman. Para mantener una temperatura aceptable, las resistencias que deben disipar grandes cantidades de potencia, se fabrican en mayor tamaño, en tanto que las que disipan menos potencia, tienen dimensiones más reducidas. INSTRUMENTOS Y EQUIPO Módulo de fuente de energía (0-120V c-d) EMS 8821 Módulo de resistencia EMS 8311 Módulo de medición de c-d (200V, 500mA) EMS 8412 Cables de conexión EMS 8941 PROCEDIMIENTOS Advertencia: ¡En este Experimento de Laboratorio se manejan altos voltajes! ¡No haga ninguna conexión cuando la fuente esté conectada! ¡Debe desconectar la corriente después de efectuar cada medición! 1. Examine las resistencias 300, 600 y 1200 ohm, en el Módulo de Resistencia EMS 8311. a) Escríbalas de acuerdo con su orden de capacidad para disipar calor. 1200, 600 y 300. b) ¿Cuál resistencia puede manejar con seguridad la mayor potencia? 1200.
2. Usando los Módulos EMS de Resistencia, Medición de CD y de Fuente de Energía, conecte el circuito ilustrado teniendo cuidado de que concuerden las polaridades con las indicadas en los medidores. Cerciórese de que el
3.
4.
5. 6. 7.
interruptor de la fuente de alimentación esté en la posición off y que a la perilla de control de voltaje de salida se le ha dado toda la vuelta en sentido contrario al de las manecillas del reloj. Conecte la fuente de energía. Haga girar la perilla de control del voltaje de salida hasta que el voltímetro de R 1 indique 120V c-d. Mida la corriente que pasa por R 1. = 0.42 A Deje que el circuito funciones durante tres minutos aproximadamente. Mientras tanto, calcule y escriba la potencia que disipa R 1. ( 0.42 A) x ( 120 V) = 50.4 W Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de energía. Quite el Módulo de Resistencia de la consola. Coloque la mano cerca de la resistencia de 300 ohm, R 1, teniendo cuidado de no tocarla. Observará que dicha resistencia está caliente. (Está diseñada para operar a una temperatura continua de 350ºC). Calcule las Btu que disipa R 1 por hora. 3.43 x W = 172.87 Btu. Cambie el valor de R 1 a 600 ohm. Repita los Procedimientos 2 y 3. = 0.2 A Calcule la potencia que disipa R 1 (600 ohm), utilizando las tres ecuaciones dadas en la sección de la EXPOSICIÓN. 1) (P = E x I) (120) (0.2) = 24 W 2) (P = I2 x R) (0.2)2 (600) = 24 W 3) (P = E2 / R) (120)2 / 600 = 24 W
¿Coinciden todos los resultados? Sí Explique su respuesta. Coincide, los resultados, ya que no importa que formula se utilice para obtener el valor de la Potencia, ya que la potencia disipada por R1, siempre será la misma. 8. Conecte de nuevo el circuito como se ilustra en la Figura. Observe que las tres resistencias de carga están conectadas en serie. (Se utilizará el mismo voltímetro para medir el voltaje en cada una de estas tres resistencias.)
9. Conecte la fuente de energía, ajuste el voltaje a 90V c-d según la lectura del voltímetro de dicha fuente. a) Mida y anote la corriente I y el voltaje E en R 1. I = 0.097 A = 18.2V Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. b) Desconecte los cables del voltímetro de R 1 y conéctelos a R 2. Conecte la fuente de energía y ajuste el voltaje aplicado a R 2. = 28.3V Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. c) Repita (b), midiendo en esta ocasión el voltaje de R 3. = 41.3V Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. 10. Calcule la potencia que se disipa en cada resistencia utilizando la ecuación P = EI. Determine la potencia total disipada sumando las tres potencias disipadas individualmente. Encuentre la potencia suministrada. a) = = (19.2V) (0.097A) =1.862 W b) = = (29.3V) (0.097A) = 2.842W c) = = (41.3V) (0.097A) = 4.010W d) POTENCIA TOTAL DISIPADA = 8.714W e) PS = ES IS = (90V) (0.097) = 8.73W ¿Concuerdan (d) y (e)?
Sí, concuerda, y es lógico, debido a que la suma de las potencias consumidas, debe ser igual a la potencia suministrada por la fuente, o muy cercana. 11. A continuación deberá determinar las potencias disipadas cuando no se conocen las caídas de voltaje en las resistencias. Conecte el circuito ilustrado en la Figura.
Conecte la fuente de energía y ajuste el voltaje a 120 V c-d, guiándose por las lecturas tomadas en el voltímetro de la fuente. Mida y anote la corriente. I = 0.120 A Reduzca el voltaje a cero y desconecte la fuente de alimentación. Calcule la potencia que se disipa en cada resistencia. Encuentre la suma de la potencia total disipada y luego determine la potencia total suministrada. a) = I2 R 1 = (0.120A)2 (200 Ohm) = 2.88W b) = I2 R 2 = (0.120A)2 (300 Ohm) = 4.32W c) = I2 R 3 = (0.120A)2 (400 Ohm) = 5.76W d) POTENCIA TOTAL DISIPADA = 12.96W e) PS = ES IS = (120V) (0.120A) = 14.4 W ¿Concuerdan (d) y (e)? Sí concuerdan. Porque puede haber pérdida de potencia.
12. Conecte el circuito de la Figura. No conecte la fuente de alimentación por ahora.
Suponiendo que el voltaje de entrada es de 90V c-d, calcule la potencia disipada en cada resistencia, así como el total de potencia disipada.
= (90V) 2 /300 ohm = 27W = (90V) 2 /600 ohm = 13.5W
PT =
+
= 27 + 13.5= 40.5W
14. Si se sabe que la potencia suministrada debe dar la potencia total P T y que el voltaje de la fuente es 90V c-d, calcule el valor de la corriente de fuente IT. IT = PT / E = 40.5W/90V = 0.45A 15. Conecte el miliamperímetro al circuito, para medir la corriente total del circuito. IT (medida) = 0.42A ¿Concuerda el valor calculado con el valor medido de IT? Explique por qué. Si, este valor concuerda, ya que la corriente total que entra al circuito, debe ser la misma que salga de él. La totalidad del calor disipado por las resistencias en forma de potencia (cuando pasa corriente por ellas), entre el voltaje, debe ser igual a la suma de las corrientes individuales de cada resistencia en paralelo.
PRUEBA DE CONOCIMIENTOS 1. Calcule la potencia disipada en cada resistencia, así como la potencia total de cada uno de los circuitos de la Figura.
a)
= I2 R 1 = (16) (5) = 80W = I2 R 2 = (1) (3) = 3W = I2 R 3 = (9) (6) = 54W
POTENCIA TOTAL DISIPADA = 137 W
b)
=
= (50) (4) = 200W
= I2 R 6 = (16) (10) = 160W
POTENCIA TOTAL DISIPADA = 360W
c)
= I2 R 7 = (64) (10) = 640W
=
= (3) (60) = 180W
=
= (60) (5) = 420W
POTENCIA TOTAL DISIPADA = 1240W
2. El alambre redondo de cobre, de calibre 12, tiene una resistencia de 1.6 ohm por mil pies. a) Calcule la potencia que se pierde en un conductor de alambre de cobre calibre 12, de 200 pies de largo, que lleva una corriente de 10 amperes.
= I2 R = (100) (0.32)
b) ¿Cuál es el voltaje entre los dos extremos del conductor de (a)?
3. El devanado de campo en derivación de un motor de c-d tiene una resistencia de 240 ohm. Calcule la potencia que se pierde cuando el voltaje aplicado es 120V c-d.
4. Un fusible de 1 ampere tiene una resistencia de 0.2 ohm. Dicho fusible se fundirá o “quemará” cuando la corriente que pasa por él
sea lo suficientemente grande para producir una pérdida de potencia de 5 watts. ¿Cuál es el valor de esta corriente “de fusión”?
⁄
5. Una “conexión a tierra”, en la base de una torre de línea de transmisión tiene una resistencia de 2 ohm. a) Si un rayo de 20,000 amperes cae en dicha torre, ¿Cuál será la potencia disipada en la “tierra”?
b) ¿Cuál será la caída de voltaje en la “tierra” en el instante en que se produce el fenómeno descrito en (a)?
√
6. Para elevar un grado de Fahrenheit la temperatura de una libra de agua se requiere un Btu. ¿Cuánto tiempo se necesita para calentar 100 libras de agua (en un tanque perfectamente aislado), de 70ºF a 160ºF, utilizando un elemento de resistencia de 12 ohm conectado a una línea de 120V?
7. Un motor de c-d toma una corriente de 50A a 230V. Si se disipan 1,200W en forma de calor en dicho motor, ¿de cuánta potencia se dispone para el trabajo mecánico?
Conclusión Después de realizar estos experimentos podemos concluir que:
En los circuitos de corriente directa, la potencia eléctrica es medida en lats y se puede obtener por el producto del voltaje por la corriente eléctrica que circulan por la carga, por lo cual, la potencia es directamente proporcional tanto al voltaje como a la corriente eléctrica en una carga, mientras mayores sean estos valores, mayor será el valor de la potencia.
La ley de la conservación de la energía aplica para los circuitos de corriente directa, de manera que, toda potencia suministrada a una serie de resistencias se disipa inmediatamente en forma de calor (energía térmica), causando que las resistencias se calienten. Esta potencia disipada tiene que ser igual a la potencia proporcionada por la fuente.
Debido a que cuando una potencia es suministrada a una resistencia, ésta se calienta, para evitar que las resistencias se quemen, el tamaño de cada una de ellas es importante, ya que de él dependerá la cantidad de potencia que deberá disipar, mientras más potencia necesite ser disipada, mayor será su tamaño.
Recomendación
Leer con anticipación los laboratorios para aprovechar el tiempo en el laboratorio. Repasar los conceptos de potencia enseñados en clase y aclarar cualquier duda con anterioridad. Seguir las indicaciones del profesor y revisar el equipo antes de comenzar (verificar que todo lo que se necesite esté). No hacer ninguna conexión cuando la fuente esté conectada y desconectar la corriente después de efectuar cada medición. Verificar siempre que todos los cables, resistencias, amperímetros, y demás, estén conectados como indican los dibujos. Confirmar los resultados obtenidos con los resultados calculados (deben ser similares).
Bibliografía
Experimentos con Equipos Electrónicos. Wilde y De Vito.
