“Año de la Inversion para el Desarrollo Rural y la Seguridad Alimentaria”

UNIVERSIDAD NACIONAL

“SAN LUIS GONZAGA”

FACULTAD: INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

INFORME DE LABORATORIO N° 01

TITULO:“MEDICIONES DE POTENCIA ELECTRICA,

CORRIENTE ELECTRICA Y VOLTAJE”

CURSO : LABORATORIO DE MAQUINAS ELECTRICAS

DOCENTE : MAG. CARLOS ORE HUARCAYA

ALUMNO : MANSILLA LUCAS, DEYBI

CICLO : VI ME-2

GRUPO : “B”

FECHA DE REALIZACION : 06/11/2013

FECHA DE ENTREGA : 13/11/2013

ICA – 2013.

OBJETIVOS

Aprender a usar los diversos instrumentos de medición tales como voltímetro,

vatímetro, amperímetro, etc.

Poder hallar el valor de las tensiones, corrientes y potencia eléctrica con ayuda de los

instrumentos de medición.

Verificar el cumplimiento de la relación de trasformación y reversibilidad.

MARCO TEORICO

I. CIRCUITO ELECTRICO:

Un circuito es una red eléctrica que contiene al menos una trayectoria cerrada. Los circuitos

que contienen solo fuentes, componentes lineales (resistores, condensadores, inductores) y

elementos de distribución lineales pueden analizarse por métodos algebraicos para

determinar su comportamiento en corriente directa o en corriente alterna. Un circuito que

tiene componentes electrónicos es denominado un circuito electrónico. Estas redes son

generalmente no lineales y requieren diseños y herramientas de análisis mucho más

complejos.

1. CONCEPTOS BASICOS:

a) TENSION:

La tensión eléctrica es una magnitud física que cuantifica la diferencia de potencial eléctrico

entre dos puntos.. Se puede medir con un voltímetro. Su unidad de medida es el voltio.

La tensión es independiente del camino recorrido por la carga y depende exclusivamente del

potencial eléctrico de los puntos A y B en el campo eléctrico, que es un campo conservativo.

b) CORRIENTE:

La corriente eléctrica o intensidad eléctrica es el flujo de carga eléctrica por unidad de tiempo

que recorre un material. Se debe al movimiento de las cargas (normalmente electrones) en el

interior del material. En el Sistema Internacional de Unidades se expresa en amperios. Una

corriente eléctrica, puesto que se trata de un movimiento de cargas, produce un campo

magnético, un fenómeno que puede aprovecharse en el electroimán.

El instrumento usado para medir la intensidad de la corriente eléctrica es el amperímetro,

colocado en serie con el conductor cuya intensidad se desea medir.

CORRIENTE CONTINUA:

Se denomina corriente continua o corriente directa al flujo de cargas eléctricas que no cambia

de sentido con el tiempo. La corriente eléctrica a través de un material se establece entre dos

puntos de distinto potencial. Cuando hay corriente continua, los terminales de mayor y menor

potencial no se intercambian entre sí. Es errónea la identificación de la corriente continua con

la corriente constante. Es continua toda corriente cuyo sentido de circulación es siempre el

mismo, independientemente de su valor absoluto.

Cuando es necesario disponer de corriente continua para el funcionamiento de aparatos

electrónicos, se puede transformar la corriente alterna de la red de suministro eléctrico

mediante un proceso, denominado rectificación, que se realiza con unos dispositivos llamados

rectificadores, basados en el empleo de diodos semiconductores o tiristores

CORRIENTE ALTERNA:

Se denomina corriente alterna a la corriente eléctrica en la que la magnitud y dirección varían

cíclicamente. La forma de onda de la corriente alterna más comúnmente utilizada es la de una

onda sinoidal. El sistema usado hoy en día fue ideado fundamentalmente por Nikola Tesla, y

la distribución de la corriente alterna fue comercializada por George Westinghouse.

La razón del amplio uso de la corriente alterna, que minimiza los problemas de trasmisión de

potencia, viene determinada por su facilidad de transformación, cualidad de la que carece la

corriente continua.

c) POTENCIA:

La potencia eléctrica es la relación de paso de energía de un flujo por unidad de tiempo; es

decir, la cantidad de energía entregada o absorbida por un elemento en un tiempo

determinado. La unidad en el Sistema Internacional de Unidades es el vatio (watt).

La energía consumida por un dispositivo eléctrico se mide en vatios-hora (Wh), o en

kilovatios-hora (kWh).

2. PARTES:

Componente: Un dispositivo con dos o más terminales en el que puede fluir

interiormente una carga.

Nodo: Punto de un circuito donde concurren más de dos conductores.

Rama: Conjunto de todas las ramas comprendidos entre dos nodos consecutivos.

Malla: Cualquier camino cerrado en un circuito eléctrico.

Fuente: Componente que se encarga de transformar algún tipo de energía en energía

eléctrica.

Conductor: Comúnmente llamado cable; es un hilo de resistencia despreciable

(idealmente cero) que une los elementos para formar el circuito.

3. LEYES FUNDAMENTALES:

Existen unas leyes fundamentales que rigen en cualquier circuito eléctrico. Estas son:

Ley de corriente de Kirchhoff: La suma de las corrientes que entran por un nodo debe ser

igual a la suma de las corrientes que salen por ese nodo.

Ley de tensiones de Kirchhoff: La suma de las tensiones en un lazo debe ser 0.

Ley de Ohm: La tensión en una resistencia es igual al producto del valor de dicha

resistencia por la corriente que fluye a través de ella.

4. COMPONENTES:

a) RESISTENCIA:

Se le llama resistencia eléctrica a la igualdad de oposición que tienen los electrones para

desplazarse a través de un conductor. De acuerdo con la ley de Ohm la resistencia de un

material puede definirse como la razón entre la diferencia de potencial eléctrico y la corriente

en que atraviesa dicha resistencia, así:

Donde R es la resistencia en ohmios, V es la diferencia de potencial en voltios e I es la

intensidad de corriente en amperios.

En el caso de que la señal aplicada sea senoidal, corriente alterna (CA), a bajas frecuencias se

observa que una resistencia real se comportará de forma muy similar a como lo haría en CC,

siendo despreciables las diferencias. En altas frecuencias el comportamiento es diferente,

aumentando en la medida en la que aumenta la frecuencia aplicada, lo que se explica

fundamentalmente por los efectos inductivos que producen los materiales que conforman la

resistencia real.

Consideremos una resistencia R, a la que se aplica una tensión alterna de valor:

De acuerdo con la ley de Ohm circulará una corriente alterna de valor:

Donde .Se obtiene así, para la corriente, una función senoidal que está en fase con

la tensión aplicada. Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:

Y operando matemáticamente:

De donde se deduce que en los circuitos de CA la resistencia puede considerarse como una

magnitud compleja con parte real y sin parte imaginaria o, lo que es lo mismo con argumento

nulo, cuya representación binómica y polar serán:

b) CAPACITOR O CONDENSADOR:

Un condensador, es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de

almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies

conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total

separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de

potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la

otra, siendo nula la variación de carga total.

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre

esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o

capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F)

El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:

en donde:

: Capacitancia

: Carga eléctrica almacenada en la placa 1.

:Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.

En Corriente Alterna, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que

recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del

producto de la pulsación ( ) por la capacidad, C:

c) INDUCTOR O BOBINA:

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al

fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético.

De la formulación física de la bobina se ha extraído la expresión:

Suponiendo una bobina ideal, sin pérdidas de carga, aplicando la segunda Ley de Kirchhoff, se

tiene que:

Es decir, en toda bobina eléctrica dentro de un circuito se produce en ella una caída de

tensión:

Despejando la intensidad:

En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica

que recibe el nombre de reactancia inductiva cuyo valor viene dado por el producto de la

pulsación ( ) por la inductancia, L:

Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la

reactancia resultará en ohmios.

d) IMPEDANCIA:

La impedancia (Z) es la oposición al paso de la corriente alterna. A diferencia de la resistencia,

la impedancia incluye los efectos de acumulación y eliminación de carga (capacitancia) e/o

inducción magnética (inductancia).

Es una magnitud que establece la relación (cociente) entre la tensión y la intensidad de

corriente. Tiene especial importancia si la corriente varía en el tiempo, en cuyo caso, ésta, el

voltaje y la propia impedancia se describen con números complejos o funciones del análisis

armónico. Su módulo establece la relación entre los valores máximos o los valores eficaces del

voltaje y de la corriente. La parte real de la impedancia es la resistencia y su parte imaginaria

es la reactancia.

La impedancia puede representarse como la suma de una parte real y una parte imaginaria:

es la parte resistiva o real de la impedancia y es la parte reactiva o imaginaria de la

impedancia. Básicamente hay dos clases o tipos de reactancias:

Reactancia inductiva o : Debida a la existencia de inductores.

Reactancia capacitiva o : Debida a la existencia de capacitores.

II. CIRCUITO MAGNETICO:

Se denomina circuito magnético a un dispositivo en el cual las líneas de fuerza del campo

magnético se hallan canalizadas trazando un camino cerrado. Para su fabricación se utilizan

materiales ferromagnéticos, pues éstos tienen una permeabilidad magnética mucho más alta

que el aire o el espacio vacío y por tanto el campo magnético tiende a confinarse dentro del

material, llamado núcleo.

Los circuitos magnéticos son importantes pues son la base teórica para la construcción de

transformadores, motores eléctricos, muchos interruptores automáticos, relés, etc.

1. MAGNITUDES DE UN CIRCUITO MAGNETICO:

a) FUERZA MAGNETOMOTRIZ:

La fuerza magnetomotriz es aquella capaz de producir un flujo magnético entre dos puntos de

un circuito magnético. Es una de las variables usadas para describir un campo magnético.

En el caso de un solenoide largo y con cierto número de vueltas, la expresión se puede

simplificar. En este caso se expresa por la siguiente ecuación.

Dónde:

N: número de espiras de la bobina

I: intensidad de la corriente en amperios (A)

b) FLUJO MAGNETICO:

El flujo magnético Φ, es una medida de la cantidad de magnetismo, y se calcula a partir del

campo magnético, la superficie sobre la cual actúa y el ángulo de incidencia formado entre las

líneas de campo magnético y los diferentes elementos de dicha superficie. La unidad de flujo

magnético en el Sistema Internacional de Unidades es el weber y se designa por Wb.

Si el campo magnético B es vector paralelo al vector superficie de área S, el flujo Φ que pasa a

través de dicha área es simplemente el producto del valor absoluto de ambos vectores:

c) RELUCTANCIA:

La reluctancia magnética de un material o circuito magnético es la resistencia que este posee

al paso de un flujo magnético cuando es influenciado por un campo magnético. Se define

como la relación entre la fuerza magnetomotriz y el flujo magnético. La reluctancia R de un

circuito magnético uniforme se puede calcular como:

Dónde:

R: reluctancia, medida en amperio por weber(Av/Weber).

l: longitud del circuito, medida en metros.

μ: permeabilidad magnética del material, medida en H/m (henrio/metro).

A: Área de la sección del circuito (sección del núcleo magnético), en metros cuadrados.

d) PERMEABILIDAD:

Se denomina permeabilidad magnética a la capacidad de una sustancia o medio para atraer y

hacer pasar a través de ella campos magnéticos, la cual está dada por la relación entre la

inducción magnética existente y la intensidad de campo magnético que aparece en el interior

de dicho material. La magnitud así definida, el grado de magnetización de un material en

respuesta a un campo magnético, se denomina permeabilidad absoluta y se suele representar

por el símbolo μ:

Donde B es la inducción magnética (también llamada densidad de flujo magnético) en el

material, y H es intensidad de campo magnético.

2. ANALOGIAS CON LOS CIRCUITOS ELECTRICOS:

Las leyes de los circuitos magnéticos son formalmente similares a las de los circuitos

eléctricos. Esta analogía entre circuitos eléctricos y circuitos magnéticos se puede explotar

para encontrar soluciones simples para flujos en circuitos magnéticos de considerable

complejidad. En la siguiente tabla se describen las variables que se comportan de manera

análoga en los circuitos magnéticos y eléctricos:

CIRCUITO

MAGNETICOCIRCUITO ELECTRICO

Fuerza Magnetomotriz Diferencia de potencial (Tensión o Voltaje)

Flujo Magnético Corriente

Reluctancia Resistencia

Permeabilidad Conductividad

3. TRANSFORMADOR:

Se denomina transformador a un dispositivo eléctrico que permite aumentar o disminuir la

tensión en un circuito eléctrico de corriente alterna, manteniendo la potencia. La potencia

que ingresa al equipo, en el caso de un transformador ideal, es igual a la que se obtiene a la

salida. Las máquinas reales presentan un pequeño porcentaje de pérdidas, dependiendo de

su diseño y tamaño, entre otros factores.

El transformador es un dispositivo que convierte la energía eléctrica alterna de un cierto nivel

de tensión, en energía alterna de otro nivel de tensión, basándose en el fenómeno de la

inducción electromagnética. Está constituido por dos o más bobinas de material conductor,

devanadas sobre un núcleo cerrado de material ferromagnético, pero aisladas entre sí

eléctricamente. La única conexión entre las bobinas la constituye el flujo magnético común

que se establece en el núcleo. El núcleo, generalmente, es fabricado bien sea de hierro o de

láminas apiladas de acero eléctrico, aleación apropiada para optimizar el flujo magnético. Las

bobinas o devanados se denominan primarios y secundarios según correspondan a la entrada

o salida del sistema en cuestión, respectivamente. También existen transformadores con más

devanados; en este caso, puede existir un devanado "terciario", de menor tensión que el

secundario.

RELACION DE TRANSFORMACION:

La relación de transformación indica el aumento o decremento que sufre el valor de la tensión

de salida con respecto a la tensión de entrada, esto quiere decir, la relación entre la tensión

de salida y la de entrada.

La relación entre la fuerza electromotriz inductora (Ep), la aplicada al devanado primario y la

fuerza electromotriz inducida (Es), la obtenida en el secundario, es directamente proporcional

al número de espiras de los devanados primario (Np) y secundario (Ns) , según la ecuación:

La relación de transformación (m) de la tensión entre el bobinado primario y el bobinado

secundario depende de los números de vueltas que tenga cada uno. Si el número de vueltas

del secundario es el triple del primario, en el secundario habrá el triple de tensión.

Donde: (Vp) es la tensión en el devanado primario o tensión de entrada, (Vs) es la tensión en

el devanado secundario o tensión de salida, (Ip) es la corriente en el devanado primario o

corriente de entrada, e (Is) es la corriente en el devanado secundario o corriente de salida.

Esta particularidad se utiliza en la red de transporte de energía eléctrica: al poder efectuar el

transporte a altas tensiones y pequeñas intensidades, se disminuyen las pérdidas por el

efecto Joule y se minimiza el costo de los conductores.

Así, si el número de espiras (vueltas) del secundario es 100 veces mayor que el del primario, al

aplicar una tensión alterna de 230 voltios en el primario, se obtienen 23.000 voltios en el

secundario (una relación 100 veces superior, como lo es la relación de espiras). A la relación

entre el número de vueltas o espiras del primario y las del secundario se le llama relación de

vueltas del transformador o relación de transformación.

Ahora bien, como la potencia eléctrica aplicada en el primario, en caso de un transformador

ideal, debe ser igual a la obtenida en el secundario:

El producto de la diferencia de potencial por la intensidad (potencia) debe ser constante, con

lo que en el caso del ejemplo, si la intensidad circulante por el primario es de 10 amperios, la

del secundario será de solo 0,1 amperios (una centésima parte).

III. INSTRUMENTOS DE MEDICION:

1. VATIMETRO:

El vatímetro es un instrumento electrodinámico para medir la potencia eléctrica o la tasa de

suministro de energía eléctrica de un circuito eléctrico dado. El dispositivo consiste en un par de

bobinas fijas, llamadas bobinas de corriente, y una bobina móvil llamada «bobina de potencia. Las

bobinas fijas se conectan en serie con el circuito, mientras la móvil se conecta en paralelo.

Además, en los vatímetros analógicos la bobina móvil tiene una aguja que se mueve sobre una

escala para indicar la potencia medida. Una corriente que circule por las bobinas fijas genera un

campo electromagnético cuya potencia es proporcional a la corriente y está en fase con ella. La

bobina móvil tiene, por regla general, una resistencia grande conectada en serie para reducir la

corriente que circula por ella.

Tanto los amperímetros como los voltímetros son vulnerables al recalentamiento: en caso de una

sobrecarga, sus agujas pueden quedar fuera de escala; pero en un vatímetro el circuito de

corriente, el de potencial o ambos pueden recalentarse sin que la aguja alcance el extremo de la

escala. Esto se debe a que su posición depende del factor de potencia, el voltaje y la corriente.

Así, un circuito con un factor de potencia bajo dará una lectura baja en el vatímetro, incluso

aunque ambos de sus circuitos esté cargados al borde de su límite de seguridad. Por tanto, un

vatímetro no sólo se clasifica en vatios, sino también en voltios y amperios.

2. VOLTIMETRO:

Un voltímetro es un instrumento que sirve para medir la diferencia de potencial entre dos puntos

de un circuito eléctrico.

Para efectuar la medida de la diferencia de potencial el voltímetro ha de colocarse en paralelo.

Esto nos lleva a que el voltímetro debe poseer una resistencia interna lo más alta posible, a fin de

que no produzca un consumo apreciable, lo que daría lugar a una medida errónea de la tensión.

Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos electromagnéticos de la corriente

eléctrica, estarán dotados de bobinas de hilo muy fino y con muchas espiras.

3. AMPERIMETRO:

Un amperímetro es un instrumento que se utiliza para medir la intensidad de corriente que está

circulando por un circuito eléctrico.

Los amperímetros tienen una resistencia interna muy pequeña, por debajo de 1 ohmio, con la

finalidad de que su presencia no disminuya la corriente a medir cuando se conecta a un circuito

eléctrico.

Para efectuar la medida es necesario que la intensidad de la corriente circule por el amperímetro,

por lo que éste debe colocarse en serie, para que sea atravesado por dicha corriente. El

amperímetro debe poseer una resistencia interna lo más pequeña posible con la finalidad de

evitar una caída de tensión apreciable (al ser muy pequeña permitirá un mayor paso de

electrones para su correcta medida). Para ello, en el caso de instrumentos basados en los efectos

electromagnéticos de la corriente eléctrica, están dotados de bobinas de hilo grueso y con pocas

espiras.

La pinza amperimétrica es un tipo especial de amperímetro que permite obviar el inconveniente

de tener que abrir el circuito en el que se quiere medir la intensidad de la corriente.

4. MULTIMETRO:

Un multímetro, también denominado polímetro, es un instrumento eléctrico portátil para medir

directamente magnitudes eléctricas activas como corrientes y potenciales (tensiones) o pasivas

como resistencias, capacidades y otras. Las medidas pueden realizarse para corriente continua o

alterna y en varios márgenes de medida cada una. Los hay analógicos y posteriormente se han

introducido los digitales cuya función es la misma.

V1220 Vrms 60 Hz 0°

XWM1

VI

R1110Ω

R2110Ω

DESARROLLO DE LA EXPERIENCIA N° 01

INSTRUMENTOS UTILIZADOS:

Multímetro.

2 Focos

Transformador

El desarrollo de la experiencia consta de 3 partes:

1. Medición de Potencia, Corriente y Voltaje:

Circuito a Utilizar:

Primero, se realizó la medición del circuito con un foco conectado, los resultados fueron los

siguientes:

V = 220 V

I = 0.467 A

P = 102.8 Watts

Luego, se realizó otra vez la medición pero con dos focos conectadas dando como resultado

los siguientes valores:

V = 220 V

I = 0.991 A

P = 217.1 Watts

V

V

2. Verificación de la relación de Transformación y Reversibilidad:

a) Aplicando 220 V a (H1 y H2) y midiendo la tensión secundaria:

Circuito a Utilizar:

b) Aplicando 113 V a X1 y X2 y midiendo la tensión en H1 y H2:

Circuito a Utilizar:

Con ayuda de los instrumentos se realizó la medición de los valores de la tensión según se

indica en la figura y se comprobó la relación de transformación y reversibilidad.

3. Medición de potencia corriente y Voltaje utilizando el transformador:

Primero, con ayuda del multímetro se realizó la medición del circuito con un foco

conectado(RL), los resultados fueron los siguientes:

V = 112 V

I = 0.366 A

P = 40.8 Watts

Luego, con ayuda del multímetro se realizó otra vez la medición pero con dos focos

conectados dando como resultado los siguientes valores:

V = 112 V

H2

H1 X1

X2

V1n

H2

H1 X1

X2

V2n = 113V

V1220 Vrms 60 Hz 0°

XWM1

VI

R1110Ω

R2110Ω

V1220 Vrms 60 Hz 0°

XWM1

VI

R1110Ω

R2110Ω

V1n

I = 1.15 A

P = 127.5 Watts

CONCLUSIONES

Se aprendió a realizar mediciones utilizando diversos instrumentos como el vatímetro,

amperímetro, multímetro, etc.

Con ayuda de las mediciones realizadas, se comprobó la relación de transformación y

reversibilidad.