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Informe 10 Física II (Universidad de Cuenca)

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CORRIENTE ALTERNA, HISTORIA Y GENERACION CORRIENTE ALTERNA: VALORES CARACTERÍSTICOS Daniel Gómez Jaramillo [email protected]  Alex Guamán Carpio [email protected] Andres Piña Rodriguez [email protected] Kamila Molina Orellana [email protected]  UNIVERSIDAD DE CUENCA INFORME DE LABORATORIO DE FÍSICA ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO N°10

RESUMEN En esta práctica de laboratorio se analiza la historia, generación y valores característicos de la corriente alterna. En la segunda parte, se emplea un osciloscopio que muestra el comportamiento sinusoidal de los distintos voltajes aplicados y asimismo, diferenciar entre la corriente alterna y la corriente continua. Palabras clave:​ … PARTE 1 CORRIENTE ALTERNA, HISTORIA Y GENERACION

dependientes del tiempo. Observó la aparición de corrientes transitorias en circuitos en las tres situaciones siguientes: (i) cuando se establecía o se suspendía una corriente estacionaria en otro circuito próximo; (ii) si un circuito cercano por el que circulaba una corriente estacionaria se movía respecto del primero; y (iii) si se introducía o retiraba del circuito un imán permanente. La Ley de Faraday ayuda a predecir cómo interactúan los campos magnéticos con los circuitos eléctricos para producir fuerzas electromagnéticas, o inducción electromagnética. Esta ley nos dice: La fuerza electromotriz inducida en un circuito es directamente proporcional a la rapidez con que cambia el flujo magnético a través del circuito.

OBJETIVOS donde

Objetivo General ❏ Conocer el principio de generación de la corriente alterna Objetivos Específicos: ❏ Reconocer la ventaja de la corriente alterna sobre la corriente continua para su distribución y utilización. ❏ Conocer la historia acerca de la invención, y generación de corriente alterna. ❏ Conocer la capacidad de generación de una central hidroeléctrica SUSTENTO TEÓRICO Michael Faraday comunicó en 1831 sus primeras observaciones cuantitativas sobre fenómenos relacionados con campos eléctricos y magnéticos

es el flujo magnético a través del circuito.

MATERIALES ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Núcleo Magnético Bobinas: 12000, 1200, 600 y 300 espiras Cables de Conexión Fuente de Corriente Alterna Multímetro

PROCEDIMIENTO a) ¿Porqué un sistema de transmisión de energía eléctrica de corriente continua tiene una gran cantidad de pérdidas en comparación con un sistema de transmisión de corriente alterna?. En la corriente continua se aplica directamente la ley de Ohm (V = IR). Para calcular la pérdida de energía

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determinamos la potencia en Vatios P = (I^2)*R. La potencia que se pierde en la corriente alterna es menor. P(t) = V*I cos(θ) – V*I*cos(wt - θ). Con lo cual podemos observar que la pérdida de potencia no es continua. b) ¿Qué elemento o sistema posibilita la reducción significativa de pérdidas en la transmisión de corriente alterna?. El transformador, ya que nos permite reducir significativamente la transmisión de corriente por medio de un sistema trifásico. c) Explique de manera breve ¿ Cómo funciona una central hidroeléctrica?. Por medio de una presa se acumula cierta cantidad de agua formando un embalse. Con el fin de generar un salto cuya energía pueda transformarse en electricidad, se sitúan aguas arriba de la presa unas tomas de admisión protegidas por una rejilla metálica. Esta toma de admisión tiene una cámara de compuertas que controla la admisión del agua a una tubería forzada que tiene por fin llevar el agua desde las tomas hasta las máquinas de la central. El agua en la tubería forzada transforma su energía potencial en cinética, es decir, adquiere velocidad.

Al llegar a las máquinas, actúa sobre los álabes del rodete de la turbina, haciéndolo girar y perdiendo energía. El rodete de la turbina está unido por un eje al rotor del alternador que, al girar con los polos excitados por una corriente continua, induce una corriente alterna en las bobinas del estator del alternador. Solidario con el eje de la turbina y el alternador, gira un generador de corriente continua llamado excitatriz, que es el que

excita los polos del rotor del alternador. El agua, una vez que ha cedido su energía, es restituida al río, aguas debajo de la central. d) ¿Cuál es la central hidroeléctrica más grande del mundo y cuál es su capacidad de generación en Mega Watts? La Central hidroeléctrica Tres Gargantas en China con una generación de 22.500 MW y una producción anual de 80.8 TWh. e) ¿Cuál es la central hidroeléctrica más grande de América del Sur y cuál es su capacidad de generación en Mega Watts? La represa Itaipú en el Río Paraná que se encuentra en la frontera entre Brasil y Paraguay, genera 14000 MW, y una producción anual de 98.6 TWh. f) ¿ Cuál es la capacidad de generación en Mega Watts de la central hidroeléctrica Paute?. Su capacidad es de 170MW. g) ¿ Investigar cual es el consumo mensual de energía en su vivienda expresado en Kilo Watts?. De forma general: Equipo

Consumo

Horas diarias

Consumo total

Valor consumido

Cocina electric a

0.325 kWh

5

1.625

$0.162

TV

0.200 kWh

4

0.8

$0.08

Microo ndas

0.75 kWh

1

0.75

$0.075

Comput adora

0.3 kWh

6

2.4

$0.24

Focos

0.3 kWh

3

0.9

$0.09

CONCLUSIONES: En la primera parte de esta práctica de laboratorio, puede concluirse que en la corriente alterna se tiene

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varias ventajas una de ellas es que es fácilmente transformable a mayor y menor tensión, permitiendo la transmisión a grandes distancias. Asimismo, este tipo de corriente, es la que generalmente llega a las viviendas, locales, instituciones, etc. PARTE 2 CORRIENTE ALTERNA: VALORES CARACTERÍSTICOS OBJETIVOS Objetivo General ❏ Conocer el principio de generación de una señal de corriente alterna senoidal. ❏ Calcular y medir los valores característicos de una forma de onda alterna. Objetivos Específicos: ❏ Diferenciar los tipos de corrientes existentes: continua y alterna. ❏ Reconocer y diferenciar, los valores fundamentales de una forma de onda, proporcionados mediante: el multímetro y el osciloscopio. ❏ Conocer el manejo del osciloscopio. ❏ Emplear correctamente el osciloscopio para mediciones de formas de onda. SUSTENTO TEÓRICO El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical, a partir de ahora denominado Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal, denominado X, representa el tiempo. ¿Qué podemos hacer con un osciloscopio?. Básicamente esto: ● Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. ● Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. ● Determinar que parte de la señal es DC y cual AC. ● Localizar averías en un circuito.

● ●

Medir la fase entre dos señales. Determinar que parte de la señal es ruido y como varia este en el tiempo.

Los osciloscopios son de los instrumentos más versátiles que existen y lo utilizan desde técnicos de reparación de televisores a médicos. Un osciloscopio puede medir un gran número de fenómenos, provisto del transductor adecuado (un elemento que convierte una magnitud física en señal eléctrica) será capaz de darnos el valor de una presión, ritmo cardiaco, potencia de sonido, nivel de vibraciones en un coche, etc. Para usar de manera correcta un osciloscopio se debe tener en cuenta las siguientes recomendaciones: Poner a tierra Una buena conexión a tierra es muy importante para realizar medidas con un osciloscopio. Por seguridad es obligatorio colocar a tierra el osciloscopio. Si se produce un contacto entre un alto voltaje y la carcasa de un osciloscopio no puesto a tierra, cualquier parte de la carcasa, incluidos los mandos, puede producirle un peligroso shock. Mientras que un osciloscopio bien colocado a tierra, la corriente, que en el anterior caso atravesaría al usuario, se desvía a la conexión de tierra. Para conectar a tierra un osciloscopio se necesita unir el chasis del osciloscopio con el punto de referencia neutro de tensión. El osciloscopio necesita, por otra parte, compartir la misma masa con todos los circuitos bajo prueba a los que se conecta. Algunos osciloscopios pueden funcionar a diferentes tensiones de red y es muy importante asegurarse que está ajustado a la misma de la que disponemos en las tomas de tensión. Ponerse a tierra uno mismo Si se trabaja en circuitos integrados, especialmente del tipo CMOS, es necesario colocarse a tierra uno mismo debido a que ciertas partes de estos circuitos integrados son susceptibles de estropearse con la tensión estática que almacena nuestro propio cuerpo. Para resolver este problema se puede emplear una correa conductora que se conectará debidamente a tierra, descargando la electricidad estática que posea su cuerpo.

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Ajuste inicial de los controles Después de conectar el osciloscopio a la toma de red y de alimentarlo pulsando en el interruptor de encendido: Todos los osciloscopios disponen de tres secciones básicas que llamaremos: Vertical, Horizontal, y Disparo, el cual varía dependiendo del tipo de osciloscopio que se esté empleando. Existen unos conectores BNC, donde se colocan las sondas de medida. La mayoría de los osciloscopios actuales disponen de dos canales etiquetados normalmente como I y II (ó A y B). El disponer de dos canales nos permite comparar señales. Algunos osciloscopios poseen un interruptor etiquetado como AUTOSET ó PRESET que ajustan los controles en un solo paso para ajustar perfectamente la señal a la pantalla. Caso contrario es importante ajustar los diferentes controles del aparato a su posición standard antes de proceder a medir. Estos son los pasos más recomendables: • Ajustar el osciloscopio para visualizar el canal I. (Al mismo tiempo se colocará como canal de disparo el I). • Ajustar a una posición intermedia la escala voltios/división del canal I (por ejemplo 1v/cm). • Colocar en posición calibrada el mando variable de voltios/división (potenciómetro central). • Desactivar cualquier tipo de multiplicadores verticales. • Colocar el conmutador de entrada para el canal I en acoplamiento DC. • Colocar el modo de disparo en automático. • Desactivar el disparo retardado al mínimo o desactivado. • Situar el control de intensidad al mínimo que permita apreciar el trazo en la pantalla, y el trazo de focus ajustado para una visualización lo más nítida posible.

generalmente de x10. Este tipo de sonda se proporciona generalmente con el osciloscopio y es una excelente sonda de utilización general. Para otros tipos de medidas se utilizan sondas especiales, como pueden ser las sondas de corriente o las activas.

Sondas pasivas La mayoría de las sondas pasivas están marcadas con un factor de atenuación, normalmente 10X o 100X. Por convenio los factores de atenuación aparecen con el signo X detrás del factor de división. En contraste los factores de amplificación aparecen con el signo X delante (X10 o X100). La sonda más utilizada posiblemente sea la 10X, reduciendo la amplitud de la señal en un factor de 10. Su utilización se extiende a partir de frecuencias superiores a 5 KHz y con niveles de señal superiores a 10 mV. La sonda 1X es similar a la anterior pero introduce más carga en el circuito de prueba, pero puede medir señales con menor nivel. Compensación de la sonda Antes de utilizar una sonda atenuadora 10X es necesario realizar un ajuste en frecuencia para el osciloscopio en particular sobre el que se vaya a trabajar. Este ajuste se denomina compensación de la sonda y consta de los siguientes pasos: • Conectar la sonda a la entrada del canal I. • Conectar la punta de la sonda al punto de señal de compensación (La mayoría de los osciloscopios disponen de una toma para ajustar las sondas, en caso contrario será necesario utilizar un generador de onda cuadrada).

Sondas de medida Es importante utilizar las sondas diseñadas para trabajar específicamente con el osciloscopio. Una sonda no es un cable con una pinza, sino que es un conector diseñado para evitar ruidos que puedan perturbar la medida. Además, las sondas se construyen para que tengan un efecto mínimo sobre el circuito de medida. Esta facultad de la sondas recibe el nombre de efecto de carga, para minimizarla se utiliza un atenuador pasivo,

• Conectar la pinza de cocodrilo de la sonda a masa. • Observar la señal cuadrada de referencia en la pantalla. • Con el destornillador de ajuste, actuar sobre el condensador de ajuste hasta observar una señal cuadrada perfecta. Sondas activas Proporcionan una amplificación antes de aplicar la señal

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a la entrada del osciloscopio. Pueden ser necesarias en circuitos con una potencia de salida muy baja. Este tipo de sondas necesitan para operar una fuente de alimentación.

Sondas de corriente Posibilitan la medida directa de las corrientes en un circuito. Las hay para medida de corriente alterna y continua. Poseen una pinza que abarca el cable a través del cual se desea medir la corriente. Al no situarse en serie con el circuito causan muy poca interferencia en él. MATERIALES ❏ ❏ ❏ ❏ ❏

Osciloscopio Cables de Conexión Sondas Inductancias de carga Multímetro

x=10ms tiempo y=5V voltios Canal: 1 Mediciones

PROCEDIMIENTO

V​max​= 15.2 Período (T)= 16.7

a) Armar la estructura del transformador de la figura 1.

b) Empleando la opción Measure del determine los valores fundamentales de onda en el secundario del transformador. medición automática con la visualizada anterior. Figura1. Transformador Reductor

Utilice el osciloscopio para visualizar la forma de onda en el secundario del transformador, realice una gráfica de la misma. Acotar las escalas de tiempo y voltaje seleccionadas. Así como las mediciones correspondientes

c)

Osciloscopio la forma de Comparar la en el punto

Complete la Tabla I.

Tabla I. Medición de Valores Fundamentales. Onda Senoidal Valor Fundamental

Medición

V​max

15,2

V​rms​ ó V​ef

10,6

Periodo (T)

16,7

Frecuencia (f)

59,95

d) A partir del valor máximo V​max​, obtenido en la medición, calcular el valor eficaz de la forma de onda.

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Compare el resultado obtenido con las mediciones realizadas.

V​ef​ = 10.748 ​V e) Empleando el concepto de valor eficaz dado por la siguiente expresión matemática

=

√

√

8 3*π3

π/2

2

8 π3

∫

* (V max ) *

0

[

Θ2 dΘ

3

]

2 π * (V max ) * ( 2 ) − 0

V rms =

V max √3

Para la onda cuadrada: Con:

f (x) = 15.2 * sen(59.95x)

A =

16.7

∫

0

(sen(59.95x)) 2 dx = 8.44

V ef =

√

1 16.68

2 * (15.2) * 8.44 = 10.80

f) Deducir expresiones generales para el valor eficaz de las siguientes formas de onda:

=

√

√ (Amas )2 T

1 T

T

∫ a2 (t) * dt

0

T

* ∫ dt = 0

√

(Amax )2 T

* T = Amax

ANÁLISIS DE RESULTADOS Dados los resultados, podemos confirmar que la forma de una señal sinusoidal se puede representar mediante una amplitud y frecuencia, además de la existencia de representaciones cuadradas y triangulares. Asimismo, al momento de realizar una comparativa entre los valores calculados y los valores medidos, se observa que dichos valores son bastante aproximados ya que siempre nos vamos a encontrar con errores experimentales, pero para este caso, la aproximación es casi despreciable.

Para la onda triangular: V rms =

√

1 π/2

π/2

*

2

∫ ( 2π * V max * Θ) dΘ

0

CONCLUSIONES: En la segunda parte de esta práctica de laboratorio, puede concluirse:

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●

En la presente práctica se pudo aprender a usar el osciloscopio, siendo este un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. Con este aprendizaje, es necesario recomendar el tener mucho cuidado al momento de manipular estos dispositicos, sobre todo al momento de mandar el nivel de corriente, ya que podría darse una sobrecarga y por ende, el daño de este instrumento.

●

Después de realizados los experimentos realizados y mediante la manipulación del osciloscopio decimos que una onda de corriente alterna puede adquirir diversas formas no necesariamente tiene una forma senoidal, por ejemplo la onda cuadrada, triangular, etc.

●

A partir de las gráficas obtenidas en el osciloscopio se pudo evidenciar el comportamiento de la corriente continua y la alterna. La corriente continua se representa con un voltaje constante a lo largo del tiempo, mientras que la corriente sinusoidal presentaba una amplitud máxima y mínima que se repetía en un periodo constante tomando la forma de una función seno. El oscilómetro nos permitió conocer el voltaje máximo que representa la amplitud y la frecuencia que se describe anteriormente, junto con el período en Hercios.

●

Asimismo, el osciloscopio nos permite observar el valor eficaz o rms que representa el valor de una corriente rigurosamente constante que al circular por una determinada resistencia óhmica pura que genera los mismos efectos caloríficos que dicha corriente alterna.

[4] “Tutorial del Osciloscopio” .[En Línea]. ProfesorMolina Disponible en: http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/osciloscopi o.htm

BIBLIOGRAFÍA [1]. Sears, Zemansky. (2009). “Física Universitaria, volumen 2”. Pearson. [2]. Tippens P. (2011). “Física, conceptos aplicaciones, 7ma edición”. Mc Graw Hill.

y

[3]. Redondo, D. (2012). “¿Cómo funciona una central hidroeléctrica?”.[En Línea]. Disponible en: http://tecnologianivel2.blogspot.com/2012/05/como-fun ciona-una-central.html

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