Informe N° 6: Fuerza Electromotriz

1. OBJETIVOS: Determinar la fuerza electromotriz y la resistencia interna de una fuente de corriente

continua. Calcular el valor de la resistencia externa que conecta a la fuente y que disipa una

potencia máxima. Desarrollar gráficos que nos indican el comportamiento del voltaje leído por el

voltímetro en función a la lectura del amperímetro. Calcular la potencia del reóstato de esa manera comparar resultados experimentales

con los de la ley de ohm.

2. EXPERIMENTO:A. MODELO FISICO:

La fuerza electromotriz (FEM) es toda causa capaz de mantener una diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito abierto o de producir una corriente eléctrica en un circuito cerrado. Es una característica de cada generador eléctrico. Con carácter

general puede explicarse por la existencia de un campo electromotor cuya circulación,

, define la fuerza electromotriz del generador.

Se define como el trabajo que el generador realiza para pasar por su interior la unidad de carga positiva del polo negativo al positivo, dividido por el valor en Culombios de dicha carga.

Esto se justifica en el hecho de que cuando circula esta unidad de carga por el circuito exterior al generador, desde el polo positivo al negativo, es necesario realizar un trabajo o consumo de energía (mecánica, química, etcétera) para transportarla por el interior desde un punto de menor potencial (el polo negativo al cual llega) a otro de mayor potencial (el polo positivo por el cual sale).

La FEM se mide en voltios, al igual que el potencial eléctrico.

Por lo que queda que:

Se relaciona con la diferencia de potencial entre los bornes y la resistencia interna del generador mediante la fórmula (el producto es la caída de potencial que se produce en el interior del generador a causa de la resistencia óhmica que ofrece al paso de la corriente). La FEM de un generador coincide con la diferencia de potencial en circuito abierto.

La fuerza electromotriz de inducción (o inducida) en un circuito cerrado es igual a la

variación del flujo de inducción del campo magnético que lo atraviesa en la unidad de

tiempo, lo que se expresa por la fórmula (Ley de Faraday). El signo - (Ley de

Lenz) indica que el sentido de la FEM inducida es tal que se opone al descrito por la ley

de Faraday ( ).

B. DISEÑO

IMAGEN N ° 1: REFERENCIAL AL DISEÑO ORIGINAL

C. EQUIPOS Y MATERIALES

FOTOGRAFIA N° 1: REOSTATO

FOTOGRAFIA N° 2: VOLTIMETRO

FOTOGRAFIA N° 4 : FUENTE DE ALIMENTACION

FOTOGRAFIA N° 3: CABLES DE CONEXIÓN

D. VARIABLES INDEPENDIENES. La lectura del voltímetro y del amperímetro. El valor de la fuerza electromotriz.

E. VARIABLES DEPENDIENTES. La resistencia departe del reóstato. La potencia disipada del reóstato. La corriente eléctrica que circula en el circuito.

F. RANGO DE TRABAJO. Al voltímetro lo colocamos en rango de 0 a 50 v en corriente continua. Al amperímetro lo colocamos en rango de 0 a 3 A. Para las resistencias lo colocamos al multimetro de 0 a 100 Ω.

G. PROCEDIMIENTO.1. Armamos el circuito de la figura puesta en la guía de laboratorio, teniendo cuidado con la

polaridad adecuada para cada instrumento que componen el circuito y además colocamos a la fuente una salida de 5 voltios ese dato es brindado por el profesor.

2. Conectamos la fuente de voltaje y variar el cursor del reóstato a pequeños intervalos para cada voltaje dado en la tabla n°1 , anotar las intensidades de corriente leídas en el amperímetro completar las mediciones en la tabla.

A) MEDICIONES DIRECTAS

TABLA N° 1

IMAGEN N° 3: AMPERIMETROIMAGEN N° 2: MULTIMETRO

N° Med

01 02 03 04 05 06 07 08 09 10

V(V) 4,20 4 3,9 3,80 3,8 3,9 3,85 3,65 3,7 3,40I(I) 0,2 0,22 0,24 0,25 0,24 0,27 0,28 0,29 0,30 0,32R(ς) 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11P(W) 0.84 O,88 0,936 0,950 0,912 1,057 1,078 1,0585 1,11 1,088

N° Med

11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

V(V) 3,5 3,4 3,15 2,9 2,6 2,45 2,1 1,8 1,5 1I(I) 0,36 0,38 0,4 0,42 0,42 0,47 0,5 0,54 0,66 0,70R(ς) 9,7 9 8 7 6 5 4 3 2 1P(W) 1,26 1,292 1,26 1,218 1,092 1,1515 1,05 0,972 0,99 0,7

H. ANALISIS EXPERIMENTAL:

a) Graficas y ajustes.1. De la ecuación de la grafica n° 1.

V=E-rR comparamos con esta ecuación V=5,016-(6,161) R De estas dos ecuaciones compramos y nos saldría el (E) Y (r)E=5,016 VR=6,161 Ω

2. La potencia máxima es P=0,986 w3. Los valores extremos de R son 0 Ω y 20 Ω y sus potencias disipadas

respectivas son 0,315 w y 0,966 w.

b) Análisis de datos1. Sale una pendiente negativa porque lo que hayamos es la lectura del

voltímetro y ese valor obtendremos de la resta de de la fuerza electromotriz con el producto de la intensidad de corriente por la resistencia interna de la fuente.

2. El valor de la resistencia máxima R Max es: 20 ohmios.3. Los valores extremos de R son 0 Ω y 20 Ω y sus potencias disipadas

respectivas son 0,315 w y 0,966 w.

3. CUESTIONARIO

1. Usando la ecuación (7), determinar analíticamente el valor de R para el cual la potencia sea máxima

Derivando se obtiene la ecuación

dP = E 2 (( r + R ) 2 – 2 R ( r + R ))

( R + r )4

Para que sea máxima igualamos a cero la diferencial de la potenciaCon la cual obtenemos R=r

2. La ecuación (5) para sugerir que la rapidez de calefacción por el efecto Joule en una resistencia se reducir si su valor se hace menos, la ecuación P=V2/R parece sugerir precisamente lo contrario ¡cómo puede explicar esta aparente contradicción?

P=V2/R

Debido a que la intensidad es inversamente proporcional a la R si R reduce, I aumenta.

3. ¿Cual es la distinción entre la f.e.m de una batería y la diferencia de potencial eléctrico entre sus terminales?

Una fuente de fem. realiza trabajo sobre la carga que pasa por él elevando la energía potencial de la carga . Una batería ideal es una fuente de fem. que mantiene una diferencia de potencial constante entre sus dos terminales, independientemente del flujo de carga que existe entre ellos.

En una batería real la diferencia de potencial entre los bornes, denominada tensión de bornes, no es igual al valor de la fem. de la batería. Así pues, una batería real

puede considerarse como una batería ideal más una pequeña resistencia r denominada resistencia interna de la batería.

4. ¿Bajo que circunstancias el voltaje entre los terminales de una batería es igual que la f.e.m ? ¿En que casos el voltaje entre los terminales es menor que la f.e.m?

Esto ocurre cuando la I=0 entonces la diferencia de potencial es máxima, y esto sucede cuando el circuito esta abierto y en estas condiciones la f.e.m es igual a la diferencia de potencial.

5. ¿En que circunstancias puede ser mayor que su f.e.m, la diferencia de potencial entre los terminales de una batería?En los terminales de una batería existe la fuerza electromotriz (FEM) cuando no se toma corriente. Esta fuerza electromotriz, es considerada en ocasiones como una presión eléctrica y se debe a un sobrante de electrones en uno de los terminales, y a la falta de electrones en la otra. El sobrante y la falta de electrones, es causado por la acción química de la batería. En tanto por un lado exista exceso y por la otra falta de electrones habrá una atracción entre las cargas. En el momento oportuno, el exceso de electrones del terminal negativo se precipitará para combinarse con los átomos deficientes de electrones en el terminal positivo y se considera que dichos electrones están bajo presión. los electrones y los iones se generan bajo presión y no pueden volver a la batería tanto como el agua que no puede retroceder a la bomba para igualar la presión creada por la misma. Así como el agua fluye por tuberías exteriores para neutralizar la presión de la bomba, también los electrones fluyen por los conductores para neutralizar los iones. Al recorrido que ofrecen los conductores a la corriente de la batería se le llama circuito. Cuando se conectan uno más conductores a la batería, pero sin completar el recorrido para que circulen los electrones, se le llama circuito abierto, por el contrario, si se completa el camino se le llama circuito cerrado, estos términos se aplican a cualquier fuente de fuerza electromotriz Cuando se conecta un conductor al terminal negativo de una fuente de fuerza electromotriz, el exceso de electrones se distribuye por sí mismo a los largo del conductor, y cuando se conecta al terminal positivo, los átomos se ionizan en el conductor, aunque el circuito no se complete(se cierre) los extremos de los conductores tienen exceso o falta de electrones. Si se aplica una fuente de fuerza electromotriz mayor la ionización será más completa.

6. ¿Por qué una pila seca vieja produce una corriente menor que una nueva, teniendo ambas la misma fem?

Sucede debido a que con el tiempo una batería aumenta su resistencia interna, al suceder esto la intensidad es menor por esta razon que una pila vieja produce una menor corriente.

7. ¿Paga usted a la compañía eléctrica local por usar potencia o usar energía?La compañía eléctrica cobra por energía suministrada (kwh/h), y dependiendo del tipo de consumidor por ejemplo uno de tipo industrial también le miden los kvarh/h.

8. Si se duplica el voltaje aplicado a una resistencia y el valor de la resistencia no varia, ¿En que factor se incrementa la potencia disipada en la resistencia?

La potencia disipada al duplicar el voltaje aplicado a la resistencia se aumenta a su valor multiplicado por cuatro.

9. ¿Por qué nunca las baterías se deben conectar en paralelo a menos que sean casi idénticas?

Porque cada batería tiene su propia resistencia interna y como sabemos una batería con más resistencia cargara menos y cuando la carga cesa, la batería con mas voltaje comenzara a vaciarse sobre la que tiene menos para igualar voltajes esto hace que no sea recomendable conectar en paralelo dos baterías de diferente fabricante, pues los voltajes de trabajo, tanto en reposo como en carga, y como en descarga, sean diferentes.

10. Cuando una batería está siendo cargada, su diferencia de potencial es superior a su f.e.m. En cambio si esta siendo descargada sucede lo contrario ¿Por qué?

Porqué el voltaje de la f.e.m es constante (aun si es variable podemos hacer que permanezca en un mismo voltaje). Cuando cargamos la batería, la diferencia de potencial respecto al f.e.m se elevará. Al ser descargado esta diferencia en comparación al voltaje que se mantiene constante nos hace observar que la diferencia de potencial es inferior a la de la f.e.m

11. ¿Cómo se pueden comparar los conceptos: potencia eléctrica y potencial mecánica? Explique detalladamente.

La forma mas sencilla de describir la energía es expresándola como capacidad para realizar un trabajo. Cuando se toma un ladrillo y se empuja o eleva, se esta moviendo el objeto una distancia y por lo tanto realizando un trabajo. El concepto de trabajo esta implícito en la propia acción del movimiento. ¿La diferencia entre potencia y mecánica? El concepto de energía se mantiene inalterado independiente del ambiente donde se este realizando un trabajo. Si

empujas una carretilla estas utilizando una forma de energía (La cual normalmente le llaman mecánica); si activas un foco para alumbrarte, aplicas una fuerza que de alguna forma empuja electrones de un punto a otro dentro de un conductor y por lo tanto se realizas trabajo. No existe diferencia en la energía, sino en el entorno donde aplicas esta energía. O sea, que la energía potencial o eléctrica o cinética es lo mismo, la diferencia esta en la aplicación y que esta aplicando la fuerza. La energía no se crea ni se destruye, se transforma.

Con respecto a la potencia. Normalmente es definida como el gasto de energía por unidad de tiempo. Como ejemplo. Si al caminar gastas 4000 Joules por segundo entonces esa es la potencia. En cuanto a la diferencia Potencia mecánica vs potencia eléctrica: Normalmente la mecánica es utilizada para expresar el gasto energético por unidad de tiempo, al mover un objeto mecánico a través de un superficie o en contacto con otro objeto. La eléctrica es la cantidad de energía eléctrica utilizada o generada por un elemento por unidad de tiempo.

12. Localice el medidor eléctrico de su casa. Note que tiene un disco metálico circular que gira. A medida que es mayor la potencia eléctrica que usa, el disco gira más aprisa. Apague todos los aparatos eléctricos de su casa dejando encendido alguno que consuma una potencia pequeña. El disco girará muy lentamente. Prenda un foco de 100W y mida el tiempo que tarda en girar 10 veces. Apague el foco y prenda ahora el televisor que tiene su casa ¿Podría usted estimar la potencia del televisor en watts?

Es posible calcular la potencia del televisor haciendo una regla de tres simple con la potencia del televisor y los tiempos que tardaron para girar en ambos casos (foco y televisor), de esta forma:

PTV=P foco x TiempoTVTiempo foco

13. Un foco eléctrico de 75 W y otro de 100 W están diseñados para alimentarse con una línea de 220V ¿Por cual de ellos pasará la corriente más alta?

La corriente más alta pasara por el foco de 100W. Aplicando la formula P=VI, obtenemos que por el foco de 100W pasa una corriente de 0.45A mientras que en el de 75W solo 0.34A

14. Para determinar la resistencia interna de una fuente hay una regla experimental: dividir el voltaje en circuito abierto por la corriente en corto circuito ¿Es correcto eso?

Si es posible, podemos seguir estos pasos:1- Se mide la tensión en los ter2- minales de una fuente de voltaje sin carga (sin RL). El voltaje medido será Vsc

(voltaje sin carga)3- Se conecta una carga y se mide el voltaje en esta. El voltaje medido será Vcc

(voltaje con carga)4- Se mide la corriente al circuito con carga. La corriente medida será I

Una vez que se tienen estos valores se aplica la siguiente ecuación: R I = (Vsc–Vcc)/I

15. Las fuentes de energía de alto voltaje a veces se diseñan intencionalmente para tener resistencia interna bastante grande como medida de seguridad. ¿Por qué es más segura una fuente con resistencia interna grande que otra del mismo voltaje pero menor resistencia interna?

El voltímetro debe tener una resistencia lo mas alta posible, esto es para evitar que se produzcan consumos de corriente internos, ya que de no ser así daría lugar a mediciones erróneas en el voltaje a medir, por eso el voltímetro para medir el voltaje no debe consumir corriente eléctrica.

16. Ocho baterías de linterna conectadas en serie tienen una f.e.m de unos 12V, aproximadamente igual a la batería de un automóvil ¿Podrían utilizarse para arrancar un automóvil con la batería descargada?

Si es posible, conectando la fuente en sus respectivos polos podremos alimentar de energía para encender el carro cual si fuese su batería original, aunque estas pilas duren mucho menos tiempo que dicha batería.

17. Las fuentes de energía de alto voltaje a veces se diseñan intencionalmente para tener resistencia interna bastante grande como medida de seguridad. ¿Por qué es más segura una fuente con resistencia interna grande que otra del mismo voltaje pero menor resistencia interna?.

El voltímetro debe tener una resistencia lo mas alta posible, esto es para evitar quese produzcan consumos de corriente internos, ya que de no ser así daría lugar amediciones erróneas en el voltaje a medir, por eso el voltímetro para medir el voltajeno debe consumir corriente eléctrica.

18. Ocho baterías de linterna conectadas en serie tienen una f.e.m de unos 12V, aproximadamente igual a la batería de un automóvil ¿Podrían utilizarse para arrancar un automóvil con la batería descargada?

Si es posible, conectando la fuente en sus respectivos polos podremos alimentar deenergía para encender el carro cual si fuese su batería original, aunque estas pilasduren mucho menos tiempo que dicha batería

4. CONCLUSIONES: Al realizar esta experimentación pudimos demostrar lo expresado teóricamente en la

guía de laboratorio. Lo expresado en dicha guía se cumple. Pudimos analizar correctamente el funcionamiento de una fem, armando

adecuadamente el circuito. La graficas corroboran nuestra experimentación.

5. ENLANCES: http://www.fidena.edu.mx/biblioteca/LibrosMaquinas/libros%20curricula/3er.

%20semestre/Electricidad%20III/Electricidad_Circuitos%20electricos%20CC.pdf http://www.infoab.uclm.es/labelec/solar/Otros/Instructivo/lab/electymagne/

LABORATORIOS/L6_MED_FEM/L6_MED_FEM.htm https://word.office.live.com/wv/WordView.aspx?FBsrc=https%3A%2F

%2Fwww.facebook.com%2Fattachments%2Fdoc_preview.php%3Fmid%3Dmid.1389805683429%253A85623d48f45c1cb713%26id%3D55f649d9d37f049af8af6296ac38f778%26metadata&access_token=100002207962651%3AAQDi0puritG1soZi&title=El%20Campo%20El%C3%A9ctrico