Potencia Electrica

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Introducción

Potencia Eléctrica La energía es la clave del universo físico, por eso, apoyamos todo el peso de los conceptos físicos, en la intervención que en ellos tiene la energía. En todos los procesos: mecánicos, calorícos, eléctricas, magnéticas, lo más importante es la energía; y el poder transformar la energía de una clase en otra, es lo que ha transformado la vida del hombre moderno. Si unimos el polo de una máquina electrostática a un conductor descargado y conectado a un electroscopio, observaremos que a medida que se hace funcionar la máquina, las hojuelas del electroscopio se van abriendo, lo que indica que a través del alambre que lo conecta con la máquina están llegando cargas eléctricas al conductor. Cuando por un caño pasa una cantidad de agua durante cierto tiempo, se dice que por él circula una corriente de agua. De la misma manera cuando por un alambre conductor pasa electricidad durante cierto tiempo, diremos que por él cirucla una corriente eléctrica. De modo que : “Una corriente eléctrica es un flujo de electrones que pasan a través de un conductor”.

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Objetivos

1. Mostrar que la potencia eléctrica es una función del voltaje y de la corriente. 2. Determinar que la resistencia eléctrica del filamento de una lámpara varía con la temperatura. 3. Medir la resistencia en “frío” del filamento y verificar que la resistencia del filamento (foco) no varía linealmente con el voltaje aplicado.

Materiales

1. Fuente de voltaje de 6 V en C.C. 2. Amperímetro. 3. Foco de 6V. 4. Alambres conectores. 5. Reóstato. 6. Voltímetro. 7. Resistencia de 100 Ω, 1 W (2). 4

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Fundamento Teórico Generadores eléctricos: Grupo de aparatos que se utilizan para convertir la energía mecánica en eléctrica, o a la inversa, con medios electromagnéticos. A una máquina que convierte la energía mecánica en eléctrica se le denomina generador, alternador o dínamo, y a una máquina que convierte la energía eléctrica en mecánica se le denomina motor. Dos principios físicos relacionados entre sí sirven de base al funcionamiento de los generadores y de los motores. El primero es el principio de la inducción descubierto por el científico e inventor británico Michael Faraday en 1831.

Si un conductor se mueve a través de un campo magnético, o si está situado en las proximidades de un circuito de conducción fijo cuya intensidad puede variar, se establece o se induce una corriente en el conductor.

El principio opuesto a éste fue observado en 1820 por el físico francés André Marie Ampère. Si una corriente pasaba a través de un conductor dentro de un campo magnético, éste ejercía una fuerza mecánica sobre el conductor. Potencia de un Aparato Eléctrico La potencia eléctrica es una medida del trabajo realizado en un intervalo de tiempo. La potencia mide la rapidez con que se realiza el trabajo. En términos matemáticos, la potencia es igual al trabajo realizado dividido entre el intervalo de tiempo a lo largo de lo cual se efectúa dicho trabajo. El concepto de potencia no se explica exclusivamente en situaciones en las que se desplazan objetos mecanicamente, en electricidad. Imaginemos un circuito eléctrico con una resistencia. 5

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Hay que realizar una determinada cantidad de trabajo para mover las cargas eléctricas a través de la resistencia. Para moverlas más rapidamente – en otras palabras, para aumentar la corriente que fluye por la resistencia – se necesita más potencia.

Entonces en un aparato eléctrico diremos que: Un watt o vatio de potencia es el trabajo realizado en un segundo por un voltio de tensión eléctrica para mover un coulomb de carga y ya que un coulomb por segundo es un amperio, la potencia en voltios será: P=VxI Cuando fluye corriente a través de una resistencia, la energía eléctrica se transforma en calor. Si la diferencia de potencial entre los terminales de una resistencia R es V, el campo eléctrico realiza un trabajo dW para transportar una carga positiva dq desde el extremo de mayor potencial al de menor potencial, dW = Vdq La potencia es: P = dW/dt= V (dq / dt) = V I = V²/R = RI²

Esta ecuación refleja la perdida de potencia que resulta del flujo de la corriente a través de la resistencia de un circuito. La potencia siempre se expresa en unidades de energía divididas entre unidades de tiempo. La unidad de potencia en el sistema internacional es el vatio, que equivale a la potencia necesaria para efectuar un joul de trabajo por segundo.

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La unidad de potencia en el sistema internacional como ya se sabe es el vatio o watt, se le puso este nombre en honor a James Watt (1736-1819), inventor e

ingeniero mecánico escocés de gran renombre por sus mejoras de la máquina de vapor. Nació el 19 de enero de 1736, en Greenock, Escocia. Trabajó como constructor de instrumentos matemáticos desde los 19 años y pronto empezó a interesarse en el perfeccionamiento de las máquinas de vapor, inventadas por los ingenieros ingleses Thomas Savery y Thomas Newcomen, que se utilizaban en aquel momento para extraer agua de las minas.

Watt determinó las propiedades del vapor, en especial la relación de su densidad con la temperatura y la presión, y diseñó una cámara de condensación independiente para la máquina de vapor que evitaba las enormes pérdidas de vapor en el cilindro e intensificaba las condiciones de vacío.

La primera patente de Watt, en 1769, cubría este dispositivo y otras mejoras de la máquina de Newcomen, como la camisa de vapor, el engrase de aceite y el aislamiento del cilindro con el fin de mantener las altas temperaturas necesarias para una máxima eficacia. En esa época, Watt era socio del inventor británico John Roebuck, que financió sus investigaciones. En 1775, sin embargo, Roebuck entró en contacto con el fabricante británico Matthew Boulton, propietario en Birminghan del Soho Engineering Works, y Watt y él comenzaron a fabricar máquinas de vapor. Watt continuó con sus investigaciones y patentó otros muchos e importantes inventos, como el motor rotativo para impulsar varios tipos de maquinaria; el motor de doble efecto, en el que el vapor puede distribuirse a uno y otro lado del cilindro, y el indicador de vapor que registra la presión de vapor del motor. Se 7

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retiró de la empresa en 1800 y desde entonces se dedicó por completo al trabajo de investigación.

La idea extendida pero equivocada de considerar a Watt como el verdadero inventor de la máquina de vapor se debe al gran número de aportaciones que hizo para su desarrollo. El regulador centrífugo o de bolas que inventó en 1788,

y que regulaba automáticamente la velocidad de una máquina, tiene especial interés en nuestros días. Incorpora el principio de retroalimentación de un servomecanismo, al articular el circuito de salida con el de entrada, que es el concepto básico de la automatización. Fue también un afamado ingeniero civil, que hizo varios estudios sobre vías de canales. En 1767 inventó un accesorio para adaptarlo a los telescopios que se utilizaba en la medición de distancias. Murió el 19 de agosto de 1819 en Heathfield, Inglaterra.

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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 2W. La resistencia en paralelo es de 50 Ω.

R1

=

100 Ω

R2

=

100 Ω

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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. Para las tablas 1 y 2 el valor de la resistencia es constante = 50 Ω.

Tabla 1

VOLTAJE

CORRIENTE

POTENCIA

0.5 V

0.009 A

0.0045 W

1.0 V

0.019 A

0.019 W

1.5 V

0.028 A

0.042 W

2.0 V

0.0375 A

0.075 W

2.5 V

0.048 A

0.120 W

3.0 V

0.057 A

0.171 W

3.5 V

0.065 A

0.2275 W

4.0 V

0.075 A

0.300 W

Tabulación de Datos para la Tabla 1: Hallaremos la potencia usando la siguiente fórmula: P=VxI

-

P1

=

V1 x I1

=

(0.5)(0.009)

=

0.0045 W

-

P2

=

V2 x I 2

=

(1.0)(0.019)

=

0.019 W

-

P3

=

V3 x I 3

=

(1.5)(0.028)

=

0.042 W

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-

P4

=

V4 x I 4

=

(2.0)(0.0375)

=

0.075 W

-

P5

=

V5 x I 5

=

(2.5)(0.048)

=

0.120 W

-

P6

=

V6 x I 6

=

(3.0)(0.057)

=

0.171 W

-

P7

=

V7 x I 7

=

(3.5)(0.065)

=

0.2275 W

-

P8

=

V8 x I 8

=

(4.0)(0.075)

=

0.300 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

0.45 V

0.009 A

0.00405 W

0.99 V

0.019 A

0.0188 W

1.46 V

0.028 A

0.0408 W

1.97 V

0.0375 A

0.0738 W

2.55 V

0.048 A

0.1224 W

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Tabulación de Datos para la Tabla 2

Hallaremos la potencia usando la siguiente fórmula:

P=VxI

-

P1

=

V1 x I1

=

(0.45)(0.009) =

0.00405 W

-

P2

=

V2 x I 2

=

(0.99)(0.019) =

0.0188 W

-

P3

=

V3 x I 3

=

(1.46)(0.028) =

0.0408 W

-

P4

=

V4 x I 4

=

(1.97)(0.0375)=

0.0738 W

-

P5

=

V5 x I 5

=

(2.55)(0.048) =

0.1224 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?

Los factores que implican las diferencias de los valores entre las 2 tablas es que los valores de la Tabla 1 son valores teóricos, en cambio los valores de la Tabla 2 son valores hallados a partir de los datos experimentales, por lo tanto estos valores están sujetos a un margen de error, ya sea un error aleatorio o un error sistemático.

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Otro factor sería el mal empleo y el armado de los equipos en el experimento, los instrumentos a su vez influyen en la mayoría de veces en los resultados de los experimentos. También existe error de paralaje debido a la teoría de lectura en posiciones diferentes. Ahora verificamos el porcentaje de error de la corriente (I) y la potencia (P). Por fórmula se sabe que:

%E =  (VTEORICO – VEXPERIMENTAL) / VTEORICO  x 100

Cuadro anexo del porcentaje de error de la potencia hallado usando la fórmula anterior: POTENCIA ( Tabla 1 )

POTENCIA ( Tabla 2 )

0.0045 W

0.00405 W

0.019 W

0.0188 W

0.042 W

0.0408 W

0.075 W

0.0738 W

0.120 W

0.1224 W

De acuerdo a la fórmula:

-

%E

=

 (0.0045 – 0.00405) / 0.0045  x 100

= 10%

-

%E

=

 (0.019 – 0.0188) / 0.019  x 100

= 1.05%

-

%E

=

 (0.042 – 0.0408) / 0.042  x 100

= 2.85%

-

%E

=

 (0.075 – 0.0738) / 0.075  x 100

= 1.6%

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%E

=

 (0.120 – 0.1224) / 0.120  x 100

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= 2%

Cuadro anexo del porcentaje de error del voltaje hallado usando la fórmula anterior:

VOLTAJE ( Tabla 1 )

VOLTAJE ( Tabla 2 )

0.5 V

0.45 V

1.0 V

0.99 V

1.5 V

1.46 V

2.0 V

1.97 V

2.5 V

2.55 V

De acuerdo a la fórmula:

-

%E

=

 (0.5 – 0.45) / 0.5  x 100

=

10%

-

%E

=

 (1.0 – 0.99) / 1.0  x 100

=

1%

-

%E

=

 (1.5 – 1.46) / 1.5  x 100

=

2.66%

-

%E

=

 (2.0 – 1.97) / 2.0  x 100

=

1.5%

-

%E

=

 (2.5 – 2.55) / 2.5  x 100

=

2%

CONCLUSIONES

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• La potencia eléctrica es una magnitud escalar que nos permite medir la cantidad de trabajo eléctrico que realiza un flujo de electrones sobre un dispositivo o elemento resistivo. • La potencia eléctrica puede ser expresada como una función cuadrática dependiente del flujo de electrones y de la resistividad del elemento por el que dicho flujo pasa. • La potencia eléctrica puede ser expresada como una función dependiente en forma directa de la diferencia de potencial aplicada a un elemento, así como de la resistividad de dicho elemento. • La máxima disipación de la energía en forma de calor producida por el paso de un flujo de electrones, se presenta en un circuito eléctrico serie. • La potencia eléctrica es una consecuencia física de la ley de Ohm, pero no necesariamente cumple matemáticamente con dicha ley. • La potencia eléctrica es casi como una propiedad de ciertos elementos por la cual la energía que se genera con el paso de un flujo electrones, se manifiesta en forma de disipación de calor o luz, lo que indica que esta clase de energía que desprende, lo enmarca dentro las fuerzas conservativas, ya que dicha energía (flujo de electrones) pasa del elemento resistivo hacia el medio exterior en forma de calor y/o luz, esto es; la energía no se destruye cuando sale al medio, sino que se transforma (este es el caso típico de una plancha eléctrica y otros elementos calefactores).

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BIBLIOGRAFÍA -

FÍSICA GENERAL TOMO II

S. FRISH, A. TIMOREVA

TRADUCIDA POR EL FILOSOFO MANUEL GISBERT TALENS -

FISICA EXPERIMENTAL GENERAL

W. ZIEGLER Y L. GOSTLING.

-

INTRODUCCIÓN A LA FÍSICA

ALBERT MAIZTEGUI ZABATO.

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