UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIAFISICA III 6° INFORME DE LABORATORIO CORRIENTE ALTERNA APELLIDOS Y NOMBRES MAZIZO BELTRAN PIERO CULQUICONDOR RUIZ DUVERLI ANDREE CODIGO UNI 20102627G 20102661K FIRMA UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III PRÓLOGO Para llevar a cabo esta experiencia en el laboratorio tuvimos que utilizar los siguientes materiales: Una caja que contiene: Una lámpara fluorescente Un arrancador Un reactor Un voltímetro de corriente alterna (220 V) Un amperímetro de corriente alterna (0 – 1A) Un multímetro digital Esta experiencia de divide en tres partes: La primera parte consistió en observar y entender el funcionamiento de la lámpara fluorescente. Esto fue posible colocando el fusible y posteriormente conectando la caja con el fluorescente a la energía eléctrica. Luego de unieron los cables Q y S para finalmente desconectarlos de manera súbita. Una vez hecho esto se produjo el encendido de la lámpara. La segunda parte consistió en medir la resistencia del reactor con el multímetro, luego se estableció en circuito de la figura 12 (experimento 36 de la guía de laboratorios de física) y se midió el Vef y la Ief con la ayuda del voltímetro y del amperímetro, todo con el fin de hallar la industancia L del reactor. Finalmente la tercera parte se estableció el circuito de la figura 13 y se midió el potencial eléctrico entre los punto MN, MP y PN, con el fin de determinar la potencia que disipa la lámpara fluorescente. Con el amperímetro también se midió la intensidad de corriente eléctrica en los puntos ya mencionados antes. 2 ........................ 3 ............ CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................................... Error! Bookmark not defined................................................... CALCULOS Y RESULTADOS ............................................................................. Error! Bookmark not defined.............. BIBLIOGRAFIA ............................. 6 HOJA DE DATOS ......UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III INDICE OBJETIVOS: .......................... 5 FUNDAMENTO TEÓRICO: ................................... 4 PRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA: .................. Error! Bookmark not defined. Error! Bookmark not defined.......... APENDICE ..................................................... Error! Bookmark not defined...................................... Mejorar el uso del amperímetro y el voltímetro.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III OBJETIVOS: Entender el funcionamiento de una lámpara fluorescente. Calcular el Vef y la Ief de la lámpara así como la potencia que disipa. además de las relaciones vectoriales que hay entre ellos. 4 . UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III REPRESENTACIÓN ESQUEMÁTICA: PARTE GRÁFICO 1 2 3 5 . lo cual no es muy práctico. En estos usos. b) Valores eficaces de voltaje e intensidad de corriente Algunos tipos de ondas periódicas tienen el inconveniente de no tener definida su expresión matemática. Sin embargo. las señales de audio y de radio transmitidas por los cables eléctricos. por lo que no se puede operar analíticamente con ellas.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III FUNDAMENTO TEÓRICO 1. Sin embargo. el fin más importante suele ser la transmisión y recuperación de la información codificada (o modulada) sobre la señal de la CA. Corriente alterna Se denomina corriente alterna (abreviada CA en español y AC en inglés. cualidad de la que carece la corriente continua. tales como la triangular o la cuadrada. en ciertas aplicaciones se utilizan otras formas de onda periódicas. a) Diferencias con la corriente continua La razón del amplio uso de la corriente alterna viene determinada por su facilidad de transformación. Por el contrario. son también ejemplos de corriente alterna. la CA se refiere a la forma en la cual la electricidad llega a los hogares y a las empresas. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una onda senoidal. la onda senoidal no tiene esta indeterminación matemática y presenta las siguientes ventajas: 6 . puesto que se consigue una transmisión más eficiente de la energía. En el caso de la corriente continua la elevación de la tensión se logra conectando dínamos en serie. de alternating current) a la corriente eléctrica en la que la magnitud y el sentido varían cíclicamente. Utilizada genéricamente. al contrario en corriente alterna se cuenta con un dispositivo: el transformador. que permite elevar la tensión de una forma eficiente. a(t). Onda sinusoidal Una señal sinusoidal. i(t). v(t). 7 . tensión. Esto es una aplicación directa de las series de Fourier. se puede expresar matemáticamente según sus parámetros característicos. Mediante la teoría de los números complejos se analizan con suma facilidad los circuitos de alterna. o corriente. como una función del tiempo por medio de la siguiente ecuación: Donde: A0: es la amplitud en voltios o amperios (también llamado valor máximo o de pico). Las ondas periódicas no senoidales se pueden descomponer en suma de una serie de ondas senoidales de diferentes frecuencias que reciben el nombre de armónicos.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III La función seno está perfectamente definida mediante su expresión analítica y gráfica. Su transformación en otras ondas de distinta magnitud se consigue con facilidad mediante la utilización de transformadores. Se pueden generar con facilidad y en magnitudes de valores elevados para facilitar el transporte de la energía eléctrica. la fórmula anterior se suele expresar como: Donde: f: es la frecuencia en hercios (Hz) y equivale a la inversa del período . escrito como AP-P. su valor medio es nulo. El valor de pico a pico. determinado. t: el tiempo en segundos. 8 . Dado que el valor máximo de sen(x) es +1 y el valor mínimo es -1. Los valores más empleados en la distribución son 50 Hz y 60 Hz. Por eso el valor medio de una onda sinusoidal se refiere a un semiciclo. Como en una señal sinusoidal el semiciclo positivo es idéntico al negativo. t.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III ω: la pulsación en radianes/segundo. Valor pico a pico (App): Diferencia entre su pico o máximo positivo y su pico negativo. es por lo tanto (+A0)-(-A0) = 2×A0. Valor medio (Amed): Valor del área que forma con el eje de abcisas partido por su período. El área se considera positiva si está por encima del eje de abcisas y negativa si está por debajo. una señal sinusoidal que oscila entre +A0 y -A0. Dado que la velocidad angular es más interesante para matemáticos que para ingenieros. y β: el ángulo de fase inicial en radianes. Mediante el cálculo integral se puede demostrar que su expresión es la siguiente. A continuación se indican otros valores significativos de una señal sinusoidal: Valor instantáneo (a(t)): Es el que toma la ordenada en un instante. El valor medio se puede interpretar como la componente de continua de la onda sinusoidal. la amplitud “A” de la propia onda crece o decrece positivamente por encima del valor "0". Así. V. VCC.). valor cuadrático medio).S.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III Pico o cresta: Valor máximo. una tensión de CA de Vrms desarrollará la misma potencia P en la misma carga si Vrms = VCC. es útil para calcular la potencia consumida por una carga. a partir del punto “0”. Matemáticamente. desarrolla una cierta potencia P en una carga resistiva dada. cada medio ciclo. si una tensión de corriente continua (CC). En el campo industrial. el valor eficaz es de gran importancia ya que casi todas las operaciones con magnitudes energéticas se hacen con dicho valor. Ese valor aumenta o disminuye a medida que. Valor eficaz (A): su importancia se debe a que este valor es el que produce el mismo efecto calorífico que su equivalente en corriente continua. que toma la onda sinusoidal del espectro electromagnético. Matemáticamente se demuestra que para una corriente alterna senoidal el valor eficaz viene dado por la expresión: El valor A. se define como la raíz cuadrada de la media de los cuadrados de los valores instantáneos alcanzados durante un período: En la literatura inglesa este valor se conoce como R. de signo positivo (+). el valor eficaz de una magnitud variable con el tiempo. De ahí que por rapidez y claridad se represente con la letra mayúscula de la magnitud que se trate (I. (root mean square. tensión o intensidad. etc. y de hecho en matemáticas a veces es llamado valor cuadrático medio de una función. P. 9 .M. esto es. el tiempo y la tensión: 10 . se obtiene despejando de la ecuación antes reseñada: 2. aumentaremos considerablemente la inductancia. la inductancia aumenta. y se define como la relación entre el flujo magnético ( ) y la intensidad de corriente eléctrica (I) que circula por la bobina y el número de vueltas (N) del devanado: La inductancia depende de las características físicas del conductor y de la longitud del mismo. Esta definición es de poca utilidad porque es difícil medir el flujo abrazado por un conductor.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III Su tensión de pico (amplitud). la corriente. En cambio se pueden medir las variaciones del flujo y eso sólo a través del voltaje V inducido en el conductor por la variación del flujo. Si se enrolla un conductor. No deben incluirse flujos producidos por otras corrientes ni por imanes situados cerca ni por ondas electromagnéticas. Si a esto añadimos un núcleo de ferrita. El flujo que aparece en esta definición es el flujo producido por la corriente I exclusivamente. Con muchas espiras se tendrá más inductancia que con pocas. Inductancia Es una medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor o bobina que almacena energía en presencia de un campo magnético. Con ello llegamos a una definición de inductancia equivalente pero hecha a base de cantidades que se pueden medir. Potencia en un circuito. entonces: Donde: Zl es la reactancia inductiva y se espreza en Ohms. Aquí viene dado por la fase de . donde el flujo se expresa en weber y la intensidad en amperios. El factor de potencia es el cociente entre la potencia media y el producto de los valores eficaces de voltaje y de la corriente: 11 . . entonces la corriente también será senoidal. la unidad de la inductancia es el henrio (H). la corriente que atraviesa dicha impedancia . llamada así en honor al científico estadounidense Joseph Henry. 3. Con y como. La potencia instantánea es Si tenemos una impedancia a la que se le aplica un voltaje es . 1 H = 1 Wb/A. Si el voltaje es sinusoidal. El valor medio quedará: A partir de aquí se puede definir el factor de potencia.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III En el SI. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III Si = 0º entonces tendremos un elemento resistivo puro y la potencia media (Pmed) será máxima en R. Si = ± 90º entonces nos encontramos con una impedancia imaginaria pura y la Pmed es 0 en L ó C. 12 . UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III HOJA DE DATOS 13 . el valor de R y el voltaje eficaz. Calculo de la inductancia L: Con los datos obtenidos en el laboratorio de la intensidad eficaz.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III CÁLCULOS Y RESULTADOS 1. aplicamos el teorema puesto que si medimos con regla directamente se propagaría demasiado el error. ( )( ) Como sabemos que del triángulo rectángulo ABC los catetos y la hipotenusa son respectivamente: Aplicando el teorema de Pitágoras. aplicando el teorema de Pitágoras disminuimos el error: Reemplazando los datos: ( ) ( ( ( Entonces: ) ) ) Además como: 14 . para hallar la potencia disipada utilizaremos: ( )( ) 15 . Calcular la potencia disipada a través del reactor: Debido a que el reactor posee una resistencia interna se consumirá energía cuando la corriente circule por él.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III 2. los valores de la reactancia inducctiva y capacitiva y también la resistencia. ( ) Según los valores obtenidos en el laboratorio: Pero: Entonces: De los datos anteriores: ( ) 4. Calcular el valor de : ( ) 3. entre el voltaje y la corriente a Gráficamente notamos que hay un relación matemática entre el angulo de fase. Hallar el valor del angulo de fase través del reactor. Después de haber seguido los pasos del 4-8 del manual de laboratorio podremos obtener con un transportador la medida del angulo que nos permitirá calcular la potencia disipada a través de la lámpara fluorescente. Y la potencia como sabemos esta dada por la siguiente ecuación: Reemplazando los datos: 16 . 5.2W).UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III Según el manual de laboratorio el error propiedad se halla de la siguiente manera: √[( √( ) ) ] ( √( Con en radianes: √( ) ( ) ( ( )( )) [( ) ) ] ( [( ) ] ) ) ( ) ( ) Por lo tanto : ( ) Lamentablemente por los equipos de baja calidad y debido a su uso nos estima demasiado error comparado con el nominal (2. 5º Se observa entre estos valores una diferencia muy grande.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III ( )( ) Y usamos nuevamente la formula enunciada en el inciso 4 para calcular el error propiedad. Entonces la gran diferencia entre los valores nominal y experimental de ø1 se 17 . 8. √( ) ( ) ( ) √( ) ( ) ( ( )( )) ( ) Para este caso la potencia nominal del fluorescente era de 15W . 6. En la primera parte del experimento es lógico que no s e viera ningún efecto en el circuito pues estaba abierto.E. Podemos deducir según el grafico que un mayor valor de ø1da un mayor comportamiento inductivo al reactor. inducida que provoco un campo eléctrico tan grande dentro del tubo el cual rebaso el valor de su rigidez dieléctrica de gas.35 de lo cual ø1= 69. 7. desconectar el cable se produjo una F. es menor que el que le corresponde a Ief Ref entonces vemos que el reactor presenta un comportamiento mas resistivo que inductivo. Esta emisión de electrones con energía provocaba la ionización del gas argón y neón circundante por lo cual se notaba una ligera luminosidad. en este momento el circuito estaba cerrado producto de la circulación de corriente a través de los elementos del tubo se desprendían electrones de niveles energéticos inferior es al más externo. En el triangulo ABC para calcular el primer ángulo podemos ver que el cateto correspondiente a Ief Zef .M. En la misma gráfico al comparar el valor de ø1= 16º con el valor nominal de Cosø1= 0. esta provocó su ionización y lo hizo conductor. De acuerdo al grafico 2. Tal como en el grafico nº 1 vemos que el reactor se comporta como un reductor de voltaje. la corriente disminuye bruscamente dentro del bobinado del reactor. por lo tanto hay un gran cambio de flujo en el tiempo. representa el ángulo de fase que hay entre el voltaje a través del fluorescente y la corrientedel circuito. Todo esto según la Ley de Faraday produce un FEM auto inducida que debe crear una corriente en el mismo sentido de la que se redujo para oponerse al cambio de flujo (según la Ley de Lenz) esta FEM es mucho más intensa que la de línea pues produce la total ionización del gas en el tubo. 12. vemo s entonces que el ángulo entre VNP. al dilatarse el bimetálico dentro del arrancador.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III deba al continuo uso y desgaste del bobinado del reactor que se usó en el laboratorio. Es decir como la línea. ¿Este voltaje es mayor que el voltaje de línea? Al estar conectado el circuito. se cierra el circuito y empieza a circular una corriente a través del reactor. 11. 9. ¿Será posible hacer funcionar la lámpara fluorescente sin arrancador? Experimentalmente se ha demostrado que si es posible. es paralela al eje. se observa que hay mayor amplitud de voltaje (eficaz) entre los bornes de reactor que entre los bornes del fluorescente. Explique el hecho que al interrumpirse la corriente en el arrancador aparezca un alto voltaje a través del tubo. 18 . medido en el gráfico 2. y VMN es negativo (-70º) por este motivo el voltaje en el fluorescente está retrasado con respecto a la corriente del circuito de donde se deduce que la lámpara fluorescente tiene comportamiento capacitivo. si se tuviera el arrancador habría que conectar y desconectar los bornes libres del fluorescente para lograr la ionización del gas. con esto también se reduce la magnitud del campo magnético en su interior. 10. El ángulo ø2= 70º. El uso del arrancador es debido a que realiza esta tarea automáticamente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III 13. Sin embargo los valores de voltajes instantáneos en el circuito si se pudiera medir el valor real de los voltajes entre MN. VMP y VNP en cada instanteveríamos que la segunda regla de Kirchhoff se cumple e ntodomomento. Para esto se debe realizar una suma de las proyección es en el eje X de los favores de voltaje del circuito. 19 . De acuerdo con las mediciones efectuadas se siguen cumpliendo las leyes de Kirchhoff en el circuito? Según los grafico 1 y 2 la regla de Kirchhoff de las mallas no se cumpliría debido a que la suma de caída de potencial en el circuito no es la misma que el potencial que da la fuente. UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES De acuerdo a los resultados obtenidos se disipa mayor energía a través del reactor (≈930 w). que en comparación fluorescente (≈260w) El valor de inductancia del reactor L (≈0. En los circuitos de corriente alterna se siguen cumpliendo las reglas de Kirchhoff pero con los voltajes y corrientes instantáneas.032 V de FEM inducida (de ε=-L(di/dt) ) La lámpara fluorescente presenta un comportamiento capacitivo. 20 .0032 H) nos dice que hay un cambio de corriente de 1 A en un segundo se generaran tan solo 0. htm 21 .com.electricidadlynch. Manual de Laboratorio de Física General 2da.wikipedia. Arrancador en: http://www. Luminaria fluorescente en: http://es. WIKIPEDIA.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III BIBLIOGRAFÍA Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Ingeniería.org/wiki/Luminaria_fluorescente ELECTRICIDAD LYNCH.ar/arrancador. Edición Lima. Fc UNI 2004. 22 . Está formada por un tubo o bulbo fino de vidrio revestido interiormente con diversas sustancias químicas compuestas llamadas fósforos. es su eficiencia energética. Lámpara fluorescente: También denominada tubo fluorescente.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III APÉNDICE 1. 50 Hz). Su gran ventaja frente a otro tipo de lámparas. que al calentarse al rojo contribuye a la ionización de los gases. habitualmente argón o neón. a una presión más baja que la presión atmosférica. pero una exposición continua a esta luz puede dar dolor de cabeza. En cada extremo del tubo se encuentra un filamento hecho de tungsteno. El tubo contiene además una pequeña cantidad de vapor de mercurio y un gas inerte. como las incandescentes. Esos compuestos químicos emiten luz visible al recibir una radiación ultravioleta. Esto no se nota mucho a simple vista. aunque generalmente no contienen el elemento químico fósforo y no deben confundirse con él. es una luminaria que cuenta con una lámpara de vapor de mercurio a baja presión y que es utilizada normalmente para la iluminación doméstica e industrial. Las lámparas fluorescentes no dan una luz continua. sino que muestran un parpadeo que depende de la frecuencia de la corriente alterna aplicada (por ejemplo: en España. lo que origina en la reactancia inductiva del balasto un pico de alta tensión que inicia el arco. Esto se logra estableciendo un cortocircuito sobre la lámpara. Arrancador para lámpara fluorescente La función del arrancador en el circuito de la lámpara fluorescente es hacer que ésta encienda correctamente.UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA FISICA III 2. interrumpiendo luego bruscamente la corriente. 23 . que pre-calienta los electrodos.