CAF 2 Proyecto final - ELECTROMECÁNICA Y OPTICA DE UN VEHÍCULO - UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DEL PERÚ PDF

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ELECTROMECANICA Y ÓPTICA DE UN VEHÍCULO ---------------------------. 3 --------------------- 2 ---------------------. 1 -----------------. 1 Estudiantes de ..............................1. RESUMENEl objetivo de este proyecto es observar cómo se comporta el fenómeno físico de electricidad de un autom...

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PROYECTO FINAL DE CALCULO APLICADO A LA FISICA 2

ELECTROMECANICA Y ÓPTICA DE UN VEHÍCULO ---------------------------. 3 ---------------------2 ---------------------.1 -----------------.1 Estudiantes de …………………………

1.

RESUMEN El objetivo de este proyecto es observar cómo se comporta el fenómeno físico de electricidad de un automóvil, con fin de explicar esta temática se utilizarán fuentes acerca de cómo un vehículo trabaja aplicando el sistema principal del proyecto. Asimismo, se procederá a desarrollar ejemplos con los cálculos correspondientes para esta teoría, a su vez se mostrarán los resultados y serán comparados con los cálculos teóricos, por lo que se obtendría una señal de voltaje que pasa por el sistema de carga del automóvil, originando así un conjunto de señalizaciones eléctricas que se le denominan electromecánica. Palabras claves: Indicador de carga, potencia eléctrica, resistencia, intensidad, óptica, diodos, alternador, batería, corriente eléctrica, regulador de voltaje.

2.

INTRODUCCIÓN El presente proyecto demuestra el funcionamiento del sistema eléctrico para la iluminación y óptica de un auto, desde un punto de vista físico. El concepto de corriente eléctrica se refiere cuando se da el movimiento de los electrones que han sido desplazados de sus orbitas, debido a que se produce una formación eléctrica, y a su vez la complementación de sus orbitas para ocupar la de otros átomos. Asimismo, se define que los cuerpos conductores permiten fácilmente el desplazamiento de electrones de una órbita a otra. Por otro lado, para que exista corriente eléctrica es necesario una fuerza que empuje a los electrones, para desplazarlos de sus orbitas; también es necesario que el cuerpo a que se le aplica la fuerza eléctrica permita el desplazamiento, es decir, que sea conductor, por lo que, es necesario unir los dos extremos del conductor a un aparato capaz de producir fuerza eléctrica para mover el electrón de su órbita, el cual es llamado generador. 1

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a)

Descripción del proyecto: En la realización de este proyecto se recopilo información acerca de sistema electromecánico de un automóvil, para así demostrar teóricamente como la energía eléctrica es relevante para la señalización óptica en un vehículo en su estructura de encendido.

b)

Objetivos: 

Objetivo general: Comprobar mediante un vehículo como se genera la corriente eléctrica para producir la señalización óptica de este.



Objetivos específicos: -

Comprender el funcionamiento de un vehículo que realiza el circuito de producción de energía eléctrica.

-

Ejecutar la realización de la corriente eléctrica automotriz para que cumpla con los requisitos de su buen funcionamiento en el sistema óptico.

c)

Realizar cálculos y pruebas correspondientes al tema que estamos tratando.

Alcances y limitaciones: En el alcance de nuestro proyecto es que se puede emplear las fórmulas de electromecánica y óptica para hallar alguna respuesta, pero la limitación es que para el ejercicio que hemos realizado hemos empleado el sistema de encendido óptico mas no el sistema de encendido inductivo, así que habría algunas restricciones.

3.

MARCO TEÓRICO En este trabajo vamos a introducir el tema de electromecánica y óptica y como se entiende en Física, y centrándonos sobre todo en un tipo de temática en específico denominado iluminación óptica. Por otro lado, la óptica es una de las ramas más antiguas de la física, que se encarga de estudiar el comportamiento de la luz, sus características y propiedades en su propagación, considerándolo como un rayo geométrico. Además, basándonos en las conocidas leyes de reflexión y refracción de la luz se pueden explicar detalladamente los diversos fenómenos ópticos, por ejemplo: la formación de imágenes en un espejo, la transmisión de la información a través de fibras ópticas, los colores de los objetos entre otros. Entonces, existen dos clases de óptica, física y geométrica, donde la óptica física explica la propagación rectilínea de la luz, mientras que la óptica geométrica se basa en el concepto de rayo luminoso como

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trayectoria que siguen las partículas materiales emitidas por los cuerpos luminosos sin preocuparse de estudiar cual es la naturaleza de la luz. a) Resistencia Resistencia es el componente electrónico, el elemento o cualidad que tienen algunos materiales, sustancias o componentes de ofrecer cierta dificultad al paso de la corriente eléctrica, causando que en sus terminales aparezca una diferencia de tensión (un voltaje). Normalmente, en electrónica se destinan a producir discretas caídas de tensión o para disipar pequeñas potencias, desde mili vatios hasta algunas decenas de vatios. El valor de las resistencias eléctricas, viene determinada por tres factores: -El tipo de material (resistividad 'r') -La sección transversal 's', y -La longitud 'l'. Por tanto, se llama resistencia eléctrica, a la oposición que presenta un cuerpo al paso de la corriente eléctrica, es decir, la dificultad que encuentran los electrones para desplazarse en el seno del conductor. Su unidad de medida es el ohmio (Ω). Como múltiplos se emplean el kilo ohmio (kΩ) y el mega ohmio (MΩ) y como submúltiplo el microhmio (µΩ). La resistencia eléctrica puede ser medida por medio de un ohmímetro u óhmetro. La resistencia de un conductor es tanto mayor cuando más longitud tenga y menor sea su sección. Un material de mayor longitud tiene mayor resistencia eléctrica:

Figura 1

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El material de mayor longitud ofrece mayor resistencia al paso de la corriente que el de menor longitud:

Figura 2

Un material con mayor sección transversal tiene menor resistencia:

Figura 3

El material de menor sección ofrece mayor resistencia al paso de la corriente que el de mayor sección.

b) Corriente:



Ley de Ohm I =1 A=1

C s

(1)

Donde: I= Intensidad de corriente A= Amperio C = Coulomb sobre segundos s

Para determinar la intensidad de corriente se utiliza la siguiente formula: q I= t Donde: Q= carga T= tiempo 4

(2)

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Para determina la potencia se utiliza la siguiente formula: W Q P= = v =1V s t

(3)

Para calcular la intensidad con una resistencia se utiliza la siguiente formula: V =I∗R

La resistencia tiene como unidad Voltios sobre Amperios

(4)

V =1Ω A

Por otra parte, la resistencia eléctrica de un alambre está relacionada con la longitud (L) y el radio (r) del alambre por: R=

pL π∗r 2

(5)

Otras formas de calcular la potencia mediante la ley de Ohm: P=V ∗I P=R∗I 2 P=

V2 R

(6)

c) Redes y circuitos 

Ley de Kirchhoff: Plantea que la intensidad total de la corriente que entra en un punto cualquiera del circuito es igual a la intensidad que sale de ese punto. Además, la diferencia de potencial entre dos puntos de un circuito es la misma a lo largo de cualquier camino que conecte los puntos. La fórmula para calcular la intensidad y resistencia de circuitos en serie es la siguiente:

I=

∈ = A Reqv =R1 + R2 +…+ R n=¿ Ω R 1+ R 2

(7)

Por otro lado, se puede calcular el voltaje con cada una de las resistencias de circuitos en serie:

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V 1=R1∗I =V

(8)

V 2=R2∗I =V

(9)

Así

como también las potencias de ambas resistencias: 2

P1= R1∗I =W

(10)

P2= R2∗I 2=W

(11)

Si se

tienen varias intensidades, se puede calcular la intensidad total con la siguiente formula: I =I 1 + I 2

(12)

Y la

relación entre cada resistencia, se calcula mediante: I1 =

∈ R1

(13)

I2 =

∈ R2

(14)

Para

calcular las resistencias en paralelo se emplea la siguiente formula: 1 1 1 = + R R1 R2

(15)

-R

siempre será menor que R1 Y R2.  Intensidad: Se llama intensidad a la cantidad de corriente eléctrica que circula por un conductor en la unidad de tiempo. La unidad de medida es el amperio (A). Q=I × t

(16)

Donde: I: es la intensidad de corriente T: es el tiempo en segundos -Al producto I x t se le llama cantidad de electricidad y se lo mide en colombios. Por otra parte, cuando se establece una corriente de un amperio, la cantidad de electricidad que pasa por el circuito en cada segundo es de un culombio y esto supone que han pasado por el conductor 63 x 107 electrones en cada segundo, de lo que puede deducirse que la corriente de un amperio hace pasar por un conductor un culombio en un segundo. 6

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I=

Q t

(17)

DATO: El amperio-hora es un múltiplo del culombio y expresa la cantidad de electricidad que pasa por un conductor recorrido por la corriente de un amperio durante una hora. Un amperio hora equivale a 3600 culombios d) Fuerza electromotriz Se denomina fuerza electromotriz (FEM) a la energía proveniente de cualquier fuente, medio o dispositivo que suministre corriente eléctrica. Para ello se necesita la existencia de una diferencia de potencial entre dos puntos o polos (uno negativo y el otro positivo) de dicha fuente, que sea capaz de bombear o impulsar las cargas eléctricas a través de un circuito cerrado.  Generadores de F.E.M. 1. Circuito abierto

Figura 4

2. Circuito cerrado

Figura 5

3. Generador de carga Se necesita un generador externo (cargador) Vab = Ir-(E) = E+Ir 7

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La diferencia de potencial es mayor que la fuerza electromotriz.

Figura 6

4. Generador de descarga

Figura 7

e) La luz En 1678 Huygens defiende un modelo ondulatorio, donde explica que la luz es una onda. Con este modelo se explicaba los fenómenos como la interferencia y difracción que el modelo corpuscular no era capaz de explicar. Así la luz era una onda longitudinal. Por otra parte, la solución al problema la dio Maxwell en 1865, donde explica que la luz es una onda electromagnética que se propaga en el vacío. Este se basó en los estudios de Faraday del electromagnetismo, y concluyó que las 8

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ondas luminosas son de naturaleza electromagnética. Esta se produce por la variación en algún lugar del espacio de las propiedades eléctrica y magnéticas de la materia y no necesita ningún medio para propagarse, ya que son ondas transversales.

Figura 8

Su velocidad de propagación en el vacío es de C= 3x108 m/s, donde C será la velocidad de la luz en sustancias transparentes como por ejemplo el agua o el vidrio. Por otro lado, el índice de refracción (n) de una sustancia es la razón de la velocidad de la luz en el vacío sobre su volumen: N=

C V

(18)



I

nterferencia: Es un fenómeno en el que dos o más ondas se superponen para formar una onda resultante de mayor o menor amplitud.

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Figura 9

La separación entre las ranuras depende de las características de la luz y de las medidas físicas. Para

D ∗λ Xn = n d

(19)

calcular la interferencia de la luz se utiliza la fórmula: Donde: D n : Distancia entre pantalla de las aberturas y propagación

λ: Longitud de onda d: Distancia entre las aberturas X n : Separación entre puntos brillantes 

Difracción de la luz: Es la consecuencia de que una onda ya no viaje en una dirección, sino que por el contrario obtenga una divergencia angular.

Figura 10

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Mayormente la difracción ocurre cuando las ondas pasan a través de pequeñas aberturas alrededor de algún obstáculo. Se denota de la siguiente manera: senθ= 

λ d

(20)

Reflexión y refracción: La reflexión de la luz es el cambio de dirección que experimenta la luz cuando choca con un objeto y esta rebota. Sus elementos son: -Rayo incidente: Es el rayo de luz que incide en una superficie. -Rayo reflejado: Es el rayo que sale de una superficie. -Normal: Es la línea imaginaria perpendicular de la superficie. -Angulo de incidencia (i): Es el ángulo que forma el rayo incidente y la normal. -Angulo de reflexión (r): Es el ángulo que forma la normal y el rayo reflejado.



Leyes de reflexión θ1=θ 2 Figura 11

(21)

-Primera ley: El rayo incidente, el rayo reflejado y la normal están en el mismo plano. -Segunda ley: El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

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Para hallar los ángulos de reflexión y refracción utilizamos la siguiente formula: N 1 sin θ 1=N 2 sin θ 2

(22)

Por otra parte, la reflexión total de la luz es un fenómeno que se da cuando la luz viaja de un punto medio con un índice de refracción mayor a un punto medio con un índice de refracción menor. sin θ2=



N1 N2

∙ sin θ 1

(23)

Polarización: Es un fenómeno que puede producirse en las ondas electromagnéticas, como la luz, por el cual el campo eléctrico oscila solo en un plano determinado, denominado plano de polarización. Asimismo, en una onda electromagnética no polarizada, al igual que en cualquier tipo de onda transversal sin polarizar, el campo eléctrico oscila en todas las direcciones normales a la dirección de propagación de la onda. Entonces: POLARIZACION=ORDEN=DIRECCIÓN DE OSCILACIÓN

Figura 12

4.

METODOLOGÍA En este apartado, se describe de manera detallada como se llevó a cabo la investigación para este informe, es decir, el camino que se siguió para lograr el objetivo del mismo. Además, se describirá las actividades realizadas.

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En primer lugar, se entiende por sistema de encendido a la función de generar y distribuir alto voltaje a cada una de las bujías del motor de combustión interna. Asimismo, este sistema tiene diferentes tipos de encendido, en otras palabras, de acuerdo a su ubicación y funcionamiento.

 Encendido convencional: Su accionamiento es por medio de contactos.

Figura 13

 Encendido electrónico: Sistema en el que se utiliza un generador de señales eléctrico o electrónico para activar y desactivar el transistor de potencia del módulo de encendido.

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Figura 14

 Encendido inductivo: Dispone de los mismos componentes que el encendido convencional. Puesto que, el ruptor de platinos es reemplazado por el generador de impulsos y se agrega un módulo de control para activar la bobina.

Figura 15

 Encendido de Efecto Hall: Es técnicamente parecido al sistema de encendido

inductivo, pero la diferencia es que el componente que envía la señal al circuito que engloba de la ch

nce

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Figura 16

 Encendido óptico: Este sistema de proceso óptico emplea la luz de un diodo emisor para activar un fototransistor, el cual genera una señal de voltaje. Esta señal es procesada por una tarjeta electrónica y utilizada para que al final del proceso, englobe la corriente del circuito primario de la bobina. Este es controlado electrónicamente.

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Figura 17

En segundo lugar, para comprender el funcionamiento de del sistema electromecánico se debe tener en cuenta los siguientes puntos: i.

Batería: Se entiende por batería a todo elemento capaz de almacenar energía eléctrica para ser utilizada posteriormente.

Figura 18

ii.

Alternador: Es el encargado de proporcionar la energía eléctrica necesaria a los consumidores del automóvil (encendido, luces, motores de limpia-parabrisas, cierre centralizado, etc.), también sirve para cargar la batería. Además, el alternador entrega su potencia nominal a un régimen de revoluciones bajo. Por otra parte, el alternador igual que el motor de arranque se rodea de un circuito eléctrico que es igual para todos los vehículos. El circuito que rodea el alternador

l propio

alternador

a que la

tensión qu

prox. 12

V.

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Figura 19

El borne (polo de pila eléctrica o de acumulador de energía eléctrica) positivo del alternador se conecta directamente al positivo de la batería y al borne + del regulador de tensión, cuyo borne se conecta al borne del alternador. La energía eléctrica proporcionada por el alternador está controlada por el regulador de tensión, esta energía es enviada hacia la batería, donde queda almacenada, y a los circuitos eléctricos que proporcionan energía eléctrica a los distintos consumidores (encendido, luces, radio, cierre centralizado etc.).

iii.

Motor de arranque: es un motor eléctrico que tiene la función de mover el motor térmico del vehículo hasta que éste se pone en marcha por sus propios medios. El motor de arranque consta de dos elementos con diferentes características: - El motor: propiamente dicho que es un motor eléctrico. - Relé de arranque: tiene dos funciones, como un relé normal, es decir para conectar y desconectar un circuito eléctrico y tiene la misión de desplazar el piñón de arranque para que este engrane con la corona del volante de inercia del motor térmico y así transmitir el movimiento del motor de arranque al motor térmico.

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Figura 20

Con respecto a lo mencionado anteriormente, el proyecto se basa en el sistema de encendido convencional para la explicación de la óptica de un automóvil, puesto que tiene los siguientes elementos: 

Circuito eléctrico:

Figura 21



Relé separador o de carga automática de baterías: El relé separador es un dispositivo que va conectado a las baterías principal y auxiliar, de modo que cuando el vehículo se encuentra parado independiza el uso de ambas baterías, para evitar que la batería principal o de arranque se descargue por el consumo de los 18

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aparatos eléctricos instalados en el habitáculo. Por otro lado, cuando el motor y el alternador del vehículo se encuentran funcionando, el relé mantiene unidas ambas baterías con el fin de realizar la carga.

Figura 22

Por tanto, el funcionamiento del relé separador actúa cuando el alternador genera una tensión igual o superior a los 13,5 V, el relé conecta la batería auxiliar al alternador, manteniendo esta conexión siempre que la tensión que suministre el alternador quede por encima de una tensión de 12,6 V. Por debajo de los 12,6 V o cuando el motor del vehículo se para, el relé separador se d...