Potencia-electrica 1p6r4h

UNIVERSIDAD NACIONAL MAYOR DE SAN MARCOS (Universidad del Perú, DECANA DE AMERICA)

FACULTAD DE INGENIERÍA DE SISTEMAS ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE SISTEMAS ELECTROMAGNETISMO - LABORATORIO PRACTICA Nº 4: POTENCIA ELÉCTRICA

INTRODUCCIÓN

1

Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se representa con la letra “J”. Potencia sea eléctrica o mecánica significa la rapidez con la que se realiza un trabajo. Siempre se realiza trabajo cuando una fuerza provoca movimiento. Si se emplea una fuerza mecánica para levantar o mover una pesa, se hace trabajo. Sin embargo, la fuerza ejercida sin causar movimiento como la fuerza de un resorte en tensión entre dos objetos inmóviles no es trabajo Anteriormente se ha aprendido que la fuerza eléctrica ejercida es tensión o voltaje y que esa tensión o voltaje produce el flujo de corriente, o sea el movimiento de electrones. Una tensión entre dos puntos que no causa flujo de corriente es similar al resorte tenso que no se mueve y, por lo tanto, no produce trabajo. Siempre que la tensión provoca movimiento de electrones, se realiza un trabajo al desplazar a los electrones de un punto a otro. La rapidez con que este trabajo se realiza se denomina como POTENCIA ELÉCTRICA. Para realizar la misma cantidad total de trabajo puede emplearse distinto tiempo. Por ejemplo, se puede mover de un punto a otro un número dado de electrones en un segundo o en una hora, dependiendo de la velocidad con que se los mueva; el trabajo total realizado será el mismo en ambos casos. Si se hace todo el trabajo total realizado será el mismo en ambos casos. Si se hace todo el trabajo en un segundo, mas energía eléctrica se transformara por segundo en calor o luz si esa cantidad total de trabajo se hiciese en una hora.

POTENCIA ELÉCTRICA 2

I. OBJETIVOS •

Mostrar que la potencia eléctrica es una función del voltaje y de la corriente.

•

Determinar que la resistencia eléctrica del filamento de una lámpara varía con la temperatura.

•

Medir la resistencia en “frío” del filamento y verificar que la resistencia del filamento (foco) no varía linealmente con el voltaje aplicado.

II. MATERIALES • • • • • • • •

Fuente de voltaje de 6 V en C.C. Amperímetro Foco de 6V Alambres conectores Reóstato Voltímetro Resistencia de 100 Ω , 1 W (2)

3

III. FUNDAMENTO TEÓRICO

CONCEPTO DE ENERGÍA Para entender qué es la potencia eléctrica es necesario conocer primeramente el concepto de “energía”, que no es más que la capacidad que tiene un mecanismo o dispositivo eléctrico cualquiera para realizar un trabajo. Cuando conectamos un equipo o consumidor eléctrico a un circuito alimentado por una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M), como puede ser una batería, la energía eléctrica que suministra fluye por el conductor, permitiendo que, por ejemplo, una bombilla de alumbrado, transforme esa energía en luz y calor, o un motor pueda mover una maquinaria. De acuerdo con la definición de la física, “la energía ni se crea ni se destruye, se transforma”. En el caso de la energía eléctrica esa transformación se manifiesta en la obtención de luz, calor, frío, movimiento (en un motor), o en otro trabajo útil que realice cualquier dispositivo conectado a un circuito eléctrico cerrado. La energía utilizada para realizar un trabajo cualquiera, se mide en “joule” y se representa con la letra “J”.

POTENCIA ELÉCTRICA Potencia es la velocidad a la que se consume la energía. Si la energía fuese un líquido, la potencia sería los litros por segundo que vierte el depósito que lo contiene. La potencia se mide en joule por segundo (J/seg) y se representa con la letra “P”. Un J/seg equivale a 1 watt (W), por tanto, cuando se consume 1 joule de potencia en un segundo, estamos gastando o consumiendo 1 watt de energía eléctrica. La unidad de medida de la potencia eléctrica “P” es el “watt”, y se representa con la letra “W”. CÁLCULO DE LA POTENCIA DE UNA CARGA ACTIVA (RESISTIVA) La forma más simple de calcular la potencia que consume una carga activa o resistiva conectada a un circuito eléctrico es multiplicando el valor de la tensión en volt (V) aplicada por el valor de la intensidad (I) de la corriente que lo recorre, expresada en amper. Para realizar ese cálculo matemático se utiliza la siguiente fórmula:

(Fórmula 1)

El resultado de esa operación matemática para un circuito eléctrico monofásico de corriente directa o de corriente alterna estará dado en watt (W). Por tanto, si sustituimos la “P” que identifica la potencia por su equivalente, es decir, la “W” de watt, tenemos también que: P = W, por tanto,

Si ahora queremos hallar la intensidad de corriente ( I ) que fluye por un circuito conociendo la potencia en watt que posee el dispositivo que tiene conectado y la tensión o voltaje aplicada, podemos despejar la fórmula anterior de la siguiente forma y realizar la operación matemática correspondiente: (Fórmula 2)

Si observamos la fórmula 1 expuesta al inicio, veremos que el voltaje y la intensidad de la corriente que fluye por un circuito eléctrico, son directamente proporcionales a la potencia, es decir, si uno de ellos aumenta o disminuye su valor, la potencia también aumenta o disminuye de forma proporcional. De ahí se deduce que, 1 watt (W) es igual a 1 ampere de corriente ( I ) que fluye por un circuito, multiplicado por 1 volt (V) de tensión o voltaje aplicado, tal como se representa a continuación. 1 watt = 1 volt · 1 ampere Veamos, por ejemplo, cuál será la potencia o consumo en watt de una bombilla conectada a una red de energía eléctrica doméstica monofásica de 220 volt, si la corriente que circula por el circuito de la bombilla es de 0,45 ampere. Sustituyendo P=V·I P=220·0,45 P=100watt

los

valores

en

la

fórmula

1

tenemos:

Es decir, la potencia de consumo de la bombilla será de 100 W . De igual forma, si queremos hallar la intensidad de la corriente que fluye por la bombilla conociendo su potencia y la tensión o voltaje aplicada al circuito, podemos utilizar la fórmula 2, que vimos al principio. Si realizamos la operación utilizando los mismos datos del ejemplo anterior, tendremos:

De acuerdo con esta fórmula, mientras mayor sea la potencia de un dispositivo o equipo eléctrico conectado a un circuito consumiendo energía eléctrica, mayor será la intensidad de corriente que fluye por dicho circuito, siempre y cuando el valor del voltaje o tensión se mantenga constante. El consumo de energía de un dispositivo eléctrico se mide en watt/hora (vatio/hora) o en kilowatt-hora (kW/h). Normalmente las empresas que suministran energía eléctrica a la industria y el hogar, en lugar de facturar el consumo en watt/hora, lo hacen en kilowatt/hora (kW/h). Si, por ejemplo, tenemos encendidas en nuestra casa dos lámparas de 500 watt durante una hora, el reloj registrador del consumo eléctrico registrará 1 kW/h consumido en ese período de tiempo, que se sumará después al resto del consumo anterior. Una bombilla de 40 W consume o gasta menos energía que otra de 100 W. Por eso, mientras más equipos conectemos a la red eléctrica, mayor será el consumo y más dinero habrá que abonar después a la empresa de servicios a la que contratamos la prestación del suministro de energía eléctrica. Para hallar la potencia de consumo en watt de un dispositivo, también se pueden utilizar las dos fórmulas que aparecen a continuación:

En el primer caso, el valor de la potencia se obtiene elevando al cuadrado el valor de la intensidad de corriente en ampere (A) que fluye por el circuito,

multiplicando a continuación ese resultado por el valor de la resistencia en ohm ( ) que posee la carga o consumidor conectado al propio circuito. En el segundo caso obtenemos el mismo resultado elevando al cuadrado el valor del voltaje y dividiéndolo a continuación por el valor en ohm ( ) que posee la resistencia de la carga conectada.

Placa colocada al costado de un motor monofásico de corriente alterna, donde aparece, entre otros datos, su potencia en kilowatt (kW), o en C.V. (H.P.). El consumo en watt (W) o kilowatt (kW) de cualquier carga, ya sea ésta una resistencia o un consumidor cualquiera de corriente conectado a un circuito eléctrico, como pudieran ser motores, calentadores, equipos de aire acondicionado, televisores u otro dispositivo similar, en la mayoría de los casos se puede conocer leyéndolo directamente en una placa metálica ubicada, generalmente, en la parte trasera de dichos equipos. En los motores esa placa se halla colocada en uno de sus costados y en el caso de las bombillas de alumbrado el dato viene impreso en el cristal o en su base. CÁLCULO DE LA POTENCIA DE CARGAS REACTIVAS (INDUCTIVAS) Para calcular la potencia de algunos tipos de equipos que trabajan con corriente alterna, es necesario tener en cuenta también el valor del factor de potencia o coseno de “phi” (Cos ö) que poseen. En ese caso se encuentran los equipos que trabajan con carga reactiva o inductiva, es decir, consumidores de energía eléctrica que para funcionar utilizan una o más bobinas o enrollado de alambre de cobre, como ocurre, por ejemplo, con los motores. Las resistencias puras, como la de las bombillas de alumbrado incandescente y halógena, y los calentadores eléctricos que emplean resistencia de alambre nicromo (NiCr), tienen carga activa o resistiva y su factor de potencia es igual a “1”, que es el valor considerado ideal para un circuito eléctrico; por tanto ese valor no se toma en cuenta a la hora de calcular la potencia de consumo de esos dispositivos. Sin embargo, las cargas reactivas o inductivas, como la que poseen los motores eléctricos, tienen un factor de potencia menor que “1” (generalmente su valor varía entre 0,85 y 0,98), por lo cual la eficiencia de trabajo del equipo en cuestión y de la red de suministro eléctrico varía cuando el factor se aleja mucho de la unidad, traduciéndose en un mayor gasto de energía y en un mayor desembolso económico. No obstante, tanto las industrias que tiene muchos motores eléctricos de corriente alterna trabajando, así como las centrales eléctricas, tratan siempre

que el valor del factor de potencia, llamado también coseno de “fi” (Cos ), se acerque lo más posible a la unidad en los equipos que consumen carga eléctrica reactiva. Normalmente el valor correspondiente al factor de potencia viene señalado en una placa metálica junto con otras características del equipo. En los motores eléctricos esa placa se encuentra situada generalmente en uno de los costados, donde aparecen también otros datos de importancia, como el consumo eléctrico en watt (W), voltaje de trabajo en volt (V), frecuencia de la corriente en hertz (Hz), amperaje de trabajo en ampere (A), si es monofásico o trifásico y las revoluciones por minuto (rpm o min-1) que desarrolla. La fórmula para hallar la potencia de los equipos que trabajan con corriente alterna monofásica, teniendo en cuenta su factor de potencia o Cos es la siguiente:

De donde: P.- Potencia en watt (W) V.- Voltaje o tensión aplicado en volt (V) I..- Valor de la corriente en amper (A) Cos .- Coseno de "fi" o factor de potencia (menor que "1") Si queremos conocer la potencia que desarrolla un motor eléctrico monofásico, cuyo consumo de corriente es de 10,4 amper (A), posee un factor de potencia o Cos = 0,96 y está conectado a una red eléctrica de corriente alterna también monofásica, de 220 volt (V), sustituyendo estos valores en la fórmula anterior tendremos: P = 220 • 10,4 • 0,96 = 2 196,48 watt Como vemos, la potencia de ese motor eléctrico será de 2 196,48 watt. Si convertimos a continuación los watt obtenidos como resultado en kilowatt dividiendo esa cifra entre 1 000, tendremos: 2 196,48 ÷ 1 000 = 2,2 kW aproximadamente.

MÚLTIPLOS Y SUBMÚLTIPLOS DE LA POTENCIA EN WATT Múltiplos kilowatt(kW)=103watt=1000watt kilowatt-hora (kW/h) – Trabajo realizado por mil watt de potencia en una hora. Un kW/h es igual a 1 000 watt x 3 600 segundos, o sea, 3 600 000 joule (J).

Submúltiplos miliwatt(mW)=10-3watt=0,001watt microwatt( W)=10-6watt=0,000001watt Caballo de fuerza (HP) o caballo de Vapor (C.V.) Los países anglosajones utilizan como unidad de medida de la potencia el caballo de vapor (C.V.) o Horse Power (H.P.) (caballo de fuerza). 1H.P.(oC.V.)=736watt=0,736kW 1 kW = 1 / 0,736 H.P. = 1,36 H.P.

ASÍ FUNCIONA EL CIRCUITO ELÉCTRICO COMPONENTES FUNDAMENTALES DE UN CIRCUITO ELÉCTRICO Para decir que existe un circuito eléctrico cualquiera, es necesario disponer siempre de tres componentes o elementos fundamentales: 1. Una fuente (E) de fuerza electromotriz (FEM), que suministre la energía eléctrica necesaria en volt. 2. El flujo de una intensidad (I) de corriente de electrones en ampere. 3. Existencia de una resistencia o carga (R) en ohm, conectada al circuito, que consuma la energía que proporciona la fuente de fuerza electromotriz y la transforme en energía útil, como puede ser, encender una lámpara, proporcionar frío o calor, poner en movimiento un motor, amplificar sonidos por un altavoz, reproducir imágenes en una pantalla, etc.

Izquierda: circuito eléctrico compuesto por una fuente de fuerza electromotriz (FEM), representada por una pila; un flujo de corriente (I) y una resistencia o carga eléctrica (R). Derecha: el mismo circuito eléctrico representado de forma esquemática.

Si no se cuentan con esos tres componentes, no se puede decir que exista un circuito eléctrico. Los circuitos pueden ser simples, como el de una bombilla de alumbrado o complejo como los que emplean los dispositivos electrónicos.

Izquierda: circuito eléctrico simple compuesto por una bombilla incandescente conectada a una fuente de FEM doméstica. Derecha: circuito eléctrico complejo integrado por componentes electrónicos.

Unidades de medida de los componentes que afectan al circuito eléctrico La tensión que la fuente de energía eléctrica proporciona al circuito, se mide en volt y se representa con la letra (V). La intensidad del flujo de la corriente (I), se mide en ampere y se representa con la letra (A). La resistencia (R) de la carga o consumidor conectado al propio circuito, se mide en ohm y se representa con la letra griega omega ( ). Estos tres componentes están muy íntimamente relacionados entre sí y los valores de sus parámetros varían proporcionalmente de acuerdo con la Ley de Ohm. El cambio del parámetro de uno de ellos, implica el cambio inmediato de parámetro de los demás. Las unidades de medidas del circuito eléctrico tienen también múltiplos y submúltiplos como, por ejemplo, el kilovolt (kV), milivolt (mV), miliamper (mA), kilohm (k ) y megohm (M ). FUNCIONAMIENTO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO El funcionamiento de un circuito eléctrico es siempre el mismo ya sea éste simple o complejo. El voltaje, tensión o diferencia de potencial (V) que suministra la fuente de fuerza electromotriz (FEM) a un circuito se caracteriza por tener normalmente un valor fijo. En dependencia de la mayor o menor resistencia en ohm ( ) que encuentre el flujo de corriente de electrones al recorrer el circuito, así será su intensidad en ampere (A). Una vez que la corriente de electrones logra vencer la resistencia (R) que ofrece a su paso el consumidor o carga conectada al circuito, retorna a la

fuente de fuerza electromotriz por su polo positivo. El flujo de corriente eléctrica o de electrones se mantendrá circulando por el circuito hasta tanto no se accione el interruptor que permite detenerlo. Tensión de trabajo de un dispositivo o equipo La tensión o voltaje de una fuente de fuerza electromotriz (FEM), depende de las características que tenga cada una de ellas en particular. Existen equipos o dispositivos cuyos circuitos se diseñan para trabajar con voltajes muy bajos, como los que emplean baterías, mientras otros se diseñan para que funcionen conectados en un enchufe de la red eléctrica industrial o doméstica. Por tanto, podemos encontrar equipos o dispositivos electrodomésticos y herramientas de mano que funcionan con baterías de 1,5; 3, 6, 9, 12, 18, 24 volt, etc. Un ejemplo lo tenemos en el taladro de la foto derecha que funciona con corriente eléctrica directa suministrada por batería, sin que tenga que estar conectado a una red de corriente eléctrica externa. Existen también otros dispositivos y equipos para vehículos automotores, que funcionan con bateríade 12 ó 24 volt. Taladro eléctrico de mano que funciona con batería.

En la industria se utilizan otros equipos y dispositivos, cuyos circuitos eléctricos funcionan con 220, 380 ó 440 volt de corriente alterna (según el país de que se trate). En los hogares empleamos aparatos electrodomésticos que funcionan con 110-120 ó 220 volt de corriente alterna (también en dependencia del país de que se trate). Carga o consumidor de energía eléctrica Cualquier circuito de alumbrado, motor, equipo electrodoméstico, aparato electrónico, etc., ofrece siempre una mayor o menor resistencia al paso de la corriente, por lo que al conectarse a una fuente de fuerza electromotriz se considera como una carga o consumidor de energía eléctrica. La resistencia que ofrece un consumidor al flujo de la corriente de electrones se puede comparar con lo que ocurre cuando los tubos de una instalación hidráulica sufren la reducción de su diámetro interior debido a la acumulación de sedimentos. Al quedar reducido su diámetro, el fluido hidráulico encuentra más resistencia para pasar, disminuyendo el caudal que fluye por su interior.

De la misma forma, mientras más alto sea el valor en ohm de una resistencia o carga conectada en el circuito eléctrico, la circulación de electrones o amperaje de la corriente eléctrica disminuye, siempre y cuando la tensión o voltaje aplicado se mantenga constante.

Sentido de la circulación de la corriente de electrones en el circuito eléctrico En un circuito eléctrico de corriente directa o continua, como el que proporciona una pila, batería, dinamo, generador, etc., el flujo de corriente de electrones circulará siempre del polo negativo de la fuente de fuerza electromotriz (FEM) al polo positivo de la propia fuente. En los circuitos de corriente alterna que proporcionan los generadores de las centrales eléctricas, por ejemplo, la polaridad y el flujo de la corriente cambia constantemente de sentido tantas veces en un segundo como frecuencia posea. En América la frecuencia de la corriente alterna es de 60 ciclos o hertz (Hz) por segundo, mientras que en Europa es de 50 Hz. No obstante, tanto para la corriente directa como para la alterna, el sentido del flujo de la corriente de electrones será siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de FEM. Componentes adicionales de un circuito Para que un circuito eléctrico se considere completo, además de incluir la imprescindible tensión o voltaje que proporciona la fuente de FEM y tener conectada una carga o resistencia, generalmente se le incorpora también otros elementos adicionales como, por ejemplo, un interruptor que permita que al cerrarlo circule la corriente o al abrirlo deje de circular, así como un fusible que lo proteja de cortocircuitos.

1. Fuente de fuerza electromotriz (batería). 2. Carga o resistencia ( lámpara). 3. Flujo de la corriente eléctrica. 4. Interruptor. 5. Fusible.

EL CORTOCIRCUITO

Si por casualidad en un circuito eléctrico unimos o se unen accidentalmente los extremos o cualquier parte metálica de dos conductores de diferente polaridad que hayan perdido su recubrimiento aislante, la resistencia en el circuito se anula y el equilibrio que proporciona la Ley de Ohm se pierde. El resultado se traduce en una elevación brusca de la intensidad de la corriente, un incremento violentamente excesivo de calor en el cable y la producción de lo que se denomina “cortocircuito”. La temperatura que produce el incremento de la intensidad de corriente en ampere cuando ocurre un cortocircuito es tan grande que puede llegar a derretir el forro aislante de los cables o conductores, quemar el dispositivo o equipo de que se trate si éste se produce en su interior, o llegar, incluso, a

producir un incendio. Cortocircuito producido por la unión accidental de dos cables o conductores de polaridades diferentes. Dispositivos de protección contra los cortocircuitos Para proteger los circuitos eléctricos de los “cortocircuitos” existen diferentes dispositivos de protección. El más común es el fusible. Este dispositivo normalmente posee en su interior una lámina metálica o un hilo de metal fusible como, por ejemplo, plomo. Cuando el fusible tiene que soportar la elevación brusca de una corriente en ampere, superior a la que puede resistir en condiciones normales de trabajo, el hilo o la lámina se funde y el circuito se abre inmediatamente, protegiéndolo de que surjan males mayores. El resultado de esa acción es similar a la función que realiza un interruptor, que cuando lo accionamos deja de fluir de inmediato la corriente.

Diferentes tipos de fusibles comparados su tamaño con una moneda de un euro. De izquierda a derecha, fusible de cristal con un fino alambre en su interior que se funde cuando ocurre un cortocircuito. A continuación un fusible de cerámica. A su lado se puede observar la lámina fusible que contiene en su interior. Le sigue un fusible de cerámica tipo tapón con rosca y lámina de plomo en su interior. Finalmente un cartucho de cerámica empleado para soportar corrientes más altas que los anteriores. Los fusibles se utilizan, principalmente, para proteger circuitos de equipos electrónicos y en las redes eléctricas de las industrias. Para proteger la línea de corriente eléctrica que llega hasta nuestras casas, en muchos lugares estos sencillos dispositivos se han sustituido por interruptores diferenciales e interruptores automáticos, que realizan la misma función que el fusible, pero que no hay que sustituirlos por otro nuevo cuando ocurre un cortocircuito. En la foto de la derecha se puede ver un interruptor automático de protección contra cortocircuitos.

Cuando los circuitos están protegidos por un diferencial y por interruptores automáticos, una vez que queda resuelta la avería que ocasionó que se abriera el circuito, solamente será necesario accionar su palanquita, tal como se hace con cualquier interruptor común, y se restablecerá de nuevo el suministro de corriente. Tanto los fusibles como los dispositivos automáticos se ajustan de fábrica para trabajar a una tensión o voltaje y a una carga en amper determinada, para lo cual incorporan un dispositivo térmico que abre el mecanismo de conexión al circuito cuando la intensidad de la corriente sobrepasa los límites previamente establecidos. PRECAUCIONES AL TRABAJAR EN CIRCUITOS CON CORRIENTE Se debe aclarar que las tensiones o voltajes que suministran los equipos o dispositivos que trabajan con baterías no representan ningún riesgo para la vida humana; sin embargo cuando se realizan trabajos en una red eléctrica industrial o doméstica, la cosa cambia, pues un “shock” eléctrico que se reciba por descuido, más conocido como corrientazo o calambre, puede llegar a electrocutar a una persona y costarle la vida, incluso tratándose de voltajes bajos como 110 volt. Por esa razón nunca serán excesivas todas las

precauciones que se tomen cuando asumamos la tarea de realizar una reparación en el circuito eléctrico de la casa. La primera regla que nunca se debe violar antes de acometer un trabajo de electricidad es cortar el suministro eléctrico accionando manualmente el dispositivo principal de entrada de la corriente a la casa, sea éste un diferencial, un interruptor automático, un interruptor de cuchillas con fusibles o cualquier otro mediante el cual se pueda interrumpir el paso de la corriente eléctrica hacia el resto de la casa. No obstante, siempre se debe verificar con una lámpara neón si realmente no llega ya corriente al lugar donde vamos a trabajar, porque en ocasiones hay líneas eléctricas divididas por secciones, por lo que al desconectar una el resto queda todavía con corriente.

Cuando trabajamos con corriente eléctrica nunca está de más tomar el máximo de precauciones. Siempre es recomendable comprobar después que hayamos desconectado la línea de suministro eléctrico, que no llega ya la corriente al lugar donde vamos a trabajar utilizando para ello una lámpara neón, como se puede apreciar en la foto. En este ejemplo la lámpara neón se encuentra incorporada dentro del cabo plástico de un destornillador. Si al tocar cualquier punto de conexión o extremo de un cable desnudo con la punta del destornillador se enciende la lámpara, será una señal de que ahí hay corriente eléctrica todavía. Para que la lámpara se encienda cuando hay corriente debemos tocar también con el dedo índice el extremo metálico del mango del destornillador. Cuando se trata de reparar un equipo eléctrico o un electrodoméstico cualquiera, igualmente la primera precaución que será necesario tomar es desconectarlo de su enchufe a la corriente eléctrica antes de proceder a abrirlo. Pero si, además, se trata de un equipo electrónico, sobre todo un televisor, habrá que esperar varios minutos antes de abrir la caja, porque en esos equipos existen determinados puntos o conexiones en los circuitos correspondientes al tubo de rayos catódicos (pantalla), que conservan una carga de tensión o voltaje muy alto, pudiendo electrocutar a una persona si se

tocan accidentalmente antes de que los filtros electrolíticos se autodescarguen por completo.

QUÉ ES LA FUERZA ELECTROMOTRIZ (FEM) Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.

A. Circuito eléctrico abierto (sin carga o resistencia). Por tanto, no se establece la circulación de la corriente eléctrica desde la fuente de FEM (la batería en este caso). B. Circuito eléctrico cerrado, con una carga o resistencia acoplada, a través de la cual se establece la circulación de un flujo de corriente eléctrica desde el polo negativo hacia el polo positivo de la fuente de FEM o batería. Existen diferentes dispositivos capaces de suministrar energía eléctrica, entre los que podemos citar: Pilas o baterías. Son las fuentes de FEM más conocidas del gran público. Generan energía eléctrica por medios químicos. Las más comunes y corrientes son las de carbón-zinc y las alcalinas, que cuando se agotan no iten recarga. Las hay también de níquel-cio (NiCd), de níquel e hidruro metálico (Ni-MH) y de ión de litio (Li-ion), recargables. En los automóviles se utilizan baterías de plomo-ácido, que emplean como electrodos placas de plomo y como electrolito ácido sulfúrico mezclado con agua destilada.

Pequeño aerogenerador

Máquinas electromagnéticas. Generan energía eléctrica utilizando medios magnéticos y mecánicos. Es el caso de las dinamos y generadores pequeños utilizados en vehículos automotores, plantas eléctricas portátiles y otros usos diversos, así como los de gran tamaño empleados en las centrales hidráulicas, térmicas y atómicas, que suministran energía eléctrica a industrias y ciudades. Celdas fotovoltaicas o fotoeléctricas. Llamadas también celdas solares, transforman en energía eléctrica la luz natural del Sol o la de una fuente de luz artificial que incida sobre éstas. Su principal componente es el silicio (Si). Uno de los empleos más generalizados en todo el mundo de las celdas voltaicas es en el encendido automático de las luces del alumbrado público en las ciudades.

También se utilizan en el suministro de pequeñas cantidades de energía eléctrica para satisfacer diferentes necesidades en zonas apartadas hasta donde no llegan las redes del tendido de las grandes plantas generadoras. Las celdas fotovoltaicas se emplean también como fuente principal de abastecimiento de energía eléctrica en los satélites y módulos espaciales. Las hay desde el tamaño de una moneda hasta las del tamaño aproximado de un plato. Para obtener una tensión o voltaje más alto que el que proporciona una sola celda, se unen varias para formar un .

Termopar de hierro-constantán (Fe-CuNi)

Termopares. Se componen de dos alambres de diferentes metales unidos por uno de sus extremos. Cuando reciben calor en el punto donde se unen los dos alambres, se genera una pequeña tensión o voltaje en sus dos extremos libres. Entre algunas de las combinaciones de metales utilizadas para la fabricación de termopares podemos encontrar las siguientes: chromel-alumel (NiCr-NiAl), hierro-constantán (Fe-CuNi), chromel-constantán (NiCr-CuNi), cobreconstantán (Cu-CuNi), platino-rodio (Pt-Rh), etc. Los termopares se utilizan mucho como sensores en diferentes equipos destinados a medir, fundamentalmente, temperaturas muy altas, donde se hace imposible utilizar termómetros comunes no aptos para soportar temperaturas que alcanzan los miles de grados. Efecto piezoeléctrico. Propiedad de algunos materiales como el cristal de cuarzo de generar una pequeña diferencia de potencial cuando se ejerce presión sobre ellos. Una de las aplicaciones prácticas de esa propiedad es captar el sonido grabado en los antiguos discos de vinilo por medio de una aguja de zafiro, que al deslizarse por los surcos del disco en movimiento convierten sus variaciones de vaivén en corriente eléctrica de audiofrecuencia de muy baja tensión o voltaje, que se puede amplificar y oír a un nivel mucho más alto.

Cápsula piezoeléctrica de tocadiscos con aguja de zafiro. Existe también un tipo de micrófono de cerámica, que igualmente convierte las variaciones de los sonidos que capta en corrientes de audiofrecuencia que pueden ser amplificadas, transmitidas o grabadas. El efecto piezoeléctico del cristal de cuarzo, por ejemplo, tiene también una función inversa, que es la de vibrar cuando en lugar de presionarlo le aplicamos una pequeña tensión o voltaje. En este caso la frecuencia de la vibración dependerá del valor de la tensión aplicada y del área que tenga el cristal sobre el cual se aplica. El uso práctico más conocido de esta variante del efecto piezoeléctrico está en los relojes de cuarzo, fijar la frecuencia de trabajo del microprocesador en los ordenadores, fijar las frecuencias de transmisión de las estaciones de radio, etc. El valor de la fuerza electromotriz (FEM) o diferencia de potencial, coincide con

la tensión o voltaje que se manifiesta en un circuito eléctrico abierto, es decir, cuando no tiene carga conectada y no existe, por tanto, circulación de corriente. La fuerza electromotriz se representa con la letra (E) y su unidad de medida es el volt (V). En algunos textos la tensión o voltaje puede aparecer representada también con la letra (U).

IV. PROCEDIMIENTO A. Verificación de la potencia eléctrica como función del voltaje y de la corriente eléctrica. Se calcula y se mide la potencia disipada en una resistencia conforme aumente el voltaje. 1. Arme el circuito de la Figura 1. Las resistencias R1 y R2 están conectadas en paralelo, de manera que se disipa una potencia de 2 W. La resistencia en paralelo es de 50 Ω .

R1 = 100 Ω R2 = 1 Ω

Figura 1.

2. Observe la Tabla 1, usando la ley de Ohm calcule la intensidad de corriente que pasa a través de las resistencias. Varíe el cursor del reóstato. Anote las lecturas en la Tabla 1. Calcule la potencia para cada valor. OBSERVACIÓN: Los valores de los voltajes se leen en el voltímetr.o Tabla 1

.

VOLTAJE

CORRIENTE

POTENCIA

0.5 V

0.050 A

0.0250 W

1.0 V

0.100 A

0.1000 W

1.5 V

0.150 A

0.2250 W

2.0 V

0.210 A

0.4200 W

2.5 V

0.275 A

0.6875 W

3.0 V

0.325 A

0.9750 W

3. Halle el voltaje para 5 valores diferentes de intensidad de corriente, obtenidos moviendo el cursor del reóstato. Anote los valores en la Tabla 2. Calcule la potencia para cada valor hallado. Tabla 2 VOLTAJE

CORRIENTE

POTENCIA

0.4 V

0.025 A

0.010 W

0.9 V

0.080 A

0.072 W

1.4 V

0.140 A

0.196 W

1.9 V

0.200 A

0.380 W

2.4 V

0.260 A

0.624 W

2.9 V

0.310 A

0.899 W

4. Compare los valores calculados de la Tabla 1 respecto a los valores obtenidos en la Tabla 2. ¿Qué factores implican las diferencias entre los dos conjuntos de valores? NOTA: Estas diferencias no deben ser mayores de 5 % al 10 %. Un factor relevante es el mal uso y armado de los equipos en el experimento, pues éstos influyen, la mayoría de veces en los resultados de los experimentos; también existe error de

paralaje debido a la teoría de lectura en posiciones diferentes. La diferencia entre potencias va a estar dada por: %∆ P = (P1 – P2) x 100 Cuadro anexo del porcentaje de error de la potencia hallado usando la fórmula anterior: POTENCIA(Tabla 1) ”Teórico”

POTENCIA(Tabla 2) “Experimental”

0.0250 W

0.010 W

0.1000 W

0.072 W

0.2250 W

0.196 W

0.4200 W

0.380 W

0.6875 W

0.624 W

0.9750 W

0.899 W

De acuerdo a la fórmula: %∆ %∆ %∆ %∆ %∆ %∆

P1 = (0.0250 – 0.010) x 100 = 1.50 % P2 = (0.1000 – 0.072) x 100 = 2.80 % P3 = (0.2250 – 0.196) x 100 = 2.90 % P4 = (0.4200 – 0.380) x 100 = 4.00 % P5 = (0.6875 – 0.624) x 100 = 6.35 % P6 = (0.9750 – 0.899) x 100 = 7.60 %

El error experimental será el siguiente: Error experimental (E)= Experimental x 100%

Valor Teórico - Valor Valor Teórico

E1 =

 0.0250 - 0.010    ×100 = 0.0250  

60.00000000 %

E2 =

 0.1000 - 0.072  0.1000 

28.00000000 %

  ×100 = 

E3 =

 0.2250 - 0.196    ×100 = 0.2250  

12.88888889 %

E4 =

 0.4200 - 0.380  0.4200

  ×100 =

9.523809524 %

E5 =

 0.6875 - 0.624  0.6875 

  ×100 

=

E6 =

 0.0250 - 0.010  0.0250

  ×100 =

60.00000000 %

9.236363636 %

B. Determinación de la variación de la resistencia del filamento de una lámpara con la temperatura. 1.

Sabiendo que la resistencia en frío del foquito es

aproximadamente de 6 Ω , arme el circuito de la Figura 2. Figura 2. 2. Ajuste la fuente de voltaje sucesivamente a voltajes diferentes variando el cursor del reóstato. Anote sus valores en la Tabla 3. Al aumentar la corriente del filamento aumenta la potencia disipada por éste, elevando su temperatura hasta que brille. Por lo tanto se disipa la energía eléctrica en forma de calor y luz. 3. Calcule y anote en la Tabla 3, la resistencia del filamento de la lámpara para cada valor de voltaje y corriente.

Tabla 3 VOLTAJE

CORRIENTE

POTENCIA

RESISTENCIA

0.5 V

0.11 A

0.06 W

4.55 Ω

1.0 V

0.17 A

0.17 W

5.88 Ω

1.5 V

0.20 A

0.30 W

7.50 Ω

2.0 V

0.24 A

0.48 W

8.33 Ω

2.5 V

0.28 A

0.69 W

9.09 Ω

3.0 V

0.31 A

0.93 W

9.68 Ω

“Se nota que en esta experiencia la resistencia del foquito resulta menor que cuando esta en frío, para algunos voltajes, debido al cambio que se hizo en R2 que fue de 100Ω a 1Ω , pues debido a los problemas que se presentaron y la condición de los materiales, se tuvo que adoptar así; por lo que la eficiencia de este experimento no es tan alta, pero se pudieron recoger una buena cantidad de datos. En esta oportunidad pasaremos por alto las resistencias de 4.55Ω y 5.88Ω , ya que realizaremos los cálculos propuestos; claro que siempre cabe recalcar que no es lo ideal pero trataremos de tomarlo como un error de experimento”

V. CUESTIONARIO 1.- Examine las mediciones registradas en la Tabla 3 ¿Si al aumentar el voltaje, aumenta la resistencia del filamento? Si, se observa que conforme el voltaje aumenta, la resistencia del filamento también aumenta; esto debido a que la resistencia generada es directamente proporcional al voltaje. Esto se puede expresar mediante la Ley de Ohm:

Obteniendo que: V α R, siendo α la constante de proporcionalidad. ¿En qué medida fue mayor la resistencia del filamento a un voltio que cuando estaba frío? La resistencia del filamento fue mayor cuando nos encontrábamos en un voltaje de 3 voltios con una resistencia de 9.68Ω , por lo tanto si la resistencia en frío era de sólo 6Ω , en la resistencia hay un incremento de 3.68Ω . 2.- El incremento de la resistencia del foco, en los intervalos de voltaje que se dan es de: 1V

a

2V =

2.45

2V

a

3V =

1.35

3.- Con los valores obtenidos en la Tabla 3, haga un gráfico de voltaje versus resistencia.  Véase en el papel milimetrado. 4.- Explique lo observado en esta experiencia. Haga comparación con la experiencia N º4 sobre la ley de Ohm.

una

Se observó que la resistencia del foco no es constante, ya que este aumenta su luminosidad (incandescencia) conforme aumenta el voltaje. No cumple con la Ley de Ohm, pues la resistencia para cada voltaje es diferente, donde está en una posición contraria pues la resistencia debería ser constante, esto se debe a que la resistencia de la lámpara transforma la energía aumentando la temperatura, lo que produce la luz. 5.- Grafique e interprete P= P(R)  Véase en el papel milimetrado. CONCLUSIONES

 Como en la experiencia Nº4 la Ley de Ohm no se cumplió debido a muchos factores, entre ellos resaltan que no se utilizó apropiadamente los instrumentos y los recursos; a parte debemos tener en cuenta que es muy difícil lograr que la temperatura y otra condiciones físicas de un conductor metálico permanezcan constantes, debido a esto concluimos que es muy ideal que la Ley de Ohm se cumpla.  Para lo que si utilizamos el principio de Ohm y de gran manera, fue para darnos cuenta que la relación entre el Voltaje y la Resistencia Eléctrica es directamente proporcional; por lo que se afirmó que conforme aumentaba el voltaje aumenta también la resistencia del filamentos en el foquito.  En oposición al anterior ítem tenemos el caso de “Potencia eléctrica versus Resistencia eléctrica”, ya que en esta caso la relación es inversamente proporcional y directamente proporcional a la vez, al observar que:

Así que la gráfica resultará de dos manera diferentes dependiendo del caso que se adopte.