PRÁCTICA NO. 9 CIRCUITOS RC I.
OBJETIVOS:
Observar el comportamiento de carga y de scarga de un capacitor electrolítico en un cir cuito RC.
II.
III.
MATERIAL Y EQUIPO:
Protoboard
Fuente de poder de CD
Multímetro
Conectores
Un capacitor electrolítico de 1000 µF
Una resistencia de 10 kΩ
CONSIDERACIONES TEÓRICAS:
Un capacitor es un dispositivo eléctrico que permite almacenar energía eléctrica por medio de un campo electrostático y ésta energía es liberada posteriormente. En su forma más simple, consta de un par de placas metálicas paralelas, separadas por aire u otro material aislante.
La capacidad de un capacitor constituye una medida de su aptitud para almacenar carga eléctrica y se conoce como capacitancia, la cual es proporcional a la cantidad de carga (en coulombs) que almacena el capacitor por cada volt que se le aplica.
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La unidad de capacitancia es el farad (F). Debido a que esta es una unidad muy grande para propósitos prácticos se usan con frecuencia el microfarad y el picofarad, donde:
Existen diferentes factores que determinan la capacitancia de un capacitor como son: el área de las placas; la distancia entre las placas y el material aislante o el dieléctrico entre las mismas. Los capacitores pueden ser de varias clases, tamaños y formas. Esencialmente existen dos categorías: a) Capacitores fijos: cuyo valor establecido no puede variar. Los más comunes obtienen su nombre de los materiales dieléctricos empleados, por ejemplo: capacitores de papel, de mica, de cerámica, etc., los cuales se limitan a valores inferiores a 1 µF; para valores mayores se utilizan capacitores especiales llamados electrolíticos, los cuales son polarizados y se deben conectar en los circuitos con la polaridad apropiada. b) Capacitores variables: cuya capacidad varía al girar el botón, ya que el giro mueve un grupo de placas aumentando o disminuyendo así el área efectiva de las placas y como consecuencia la capacidad.
La mayor parte de los capacitores se marcan con la tensión de trabajo máxima que puede aplicársele. Si ésta se excede puede resultar la ruptura del dieléctrico, con lo cual deja de ser útil el capacitor.
CIRCUITOS RC. Los circuitos que contienen resistencia (R) y capacitancia (C) reciben el nombre de circuitos RC.
Carga de un capacitor. Para que un capacitor se cargue y, en consecuencia almacene energía eléctrica, debe tener una diferencia de potencial o tensión aplicada a las placas. Al cargar el capacitor se hace que los electrones libres se acumulen en una placa (exceso de electrones o carga negativa), y al mismo tiempo se le quitan electrones libres a la otra placa (defecto de electrones o carga positiva), por lo que existirá una diferencia de potencial o tensión e ntre las placas.
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La corriente que fluye cuando el capacitor se está cargando, recibe el nombre de corriente de carga. Cuando la carga se inicia la corriente es máxima y la tensión del capacitor es nula, al aumentar la tensión en el capacitor la corriente disminuye en forma opuesta. Cuando la tensión del capacitor es igual a la tensión de la batería, se dice que el capacitor está totalmente cargado y la corriente es nula.
Descarga de un capacitor. Una vez cargado un capacitor, teóricamente mantendrá indefinidamente su carga, sin embargo en la práctica, cuando es retirado de la fuente de carga, tarda un cierto tiempo para descargarse, de modo que puede considerarse que se mantiene cargado hasta que deliberadamente se le quite la energía eléctrica que almacena. La recuperación de esta energía se conoce como descarga del capacitor. Para descargar un capacitor se requiere de una trayectoria de descarga entre sus placas. Los electrones libres de la placa negativa fluirán entonces hacia la placa positiva, adquiriendo ambas un número suficiente de electrones para neutralizarse. Este flujo de electrones constituye lo que se conoce como corriente de descarga. Cuando ambas placas están neutras, el capacitor no tiene tensión en sus terminales y se dice que está descargado. Asimismo la corriente toma un valor de cero.
Constante capacitiva de tiempo t. Cuando se conecta un capacitor a una fuente de tensión se carga rápidamente; si no hubiera resistencia en el circuito sería casi en forma instantánea. La resistencia ya que se opone al paso de la corriente ocasiona que el capacitor requiera de cierto tiempo para que se cargue completamente. Dicho tiempo depende del valor de la resistencia (R) así como de la capacitancia del capacitor (C). La siguiente ecuación nos da la relación entre estas tres variables:
Donde t es la constante capacitiva de tiempo, que representa el tiempo necesario para que el capacitor se cambie a un 63.2% de su carga total. Cada vez transcurre un lapso igual a la constante de tiempo para que se cargue, la tensión en el capacitor aumenta 63.2% de lo que falta para alcanzar la tensión máxima. Se considera que el capacitor está totalmente cargado después de un periodo igual a cinco veces la constante de tiempo (5t). En forma similar, ésta constante indica también el tiempo necesario para que la tensión en un capacitor que se descargase reduzca en varios porcentajes de su valor máximo.
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IV. 1.
DESARROLLO EXPERIMENTAL. Calcula la constante de tiempo t y los voltajes teóricos de carga y descarga del capacitor para t, 2t, 3t, 4t y 5t, con las siguientes fórmulas:
( ) ( ) Donde: t constante
de tiempo de carga o descarga en segundos
R Valor de la resistencia en ohms C valor del capacitor en farads V voltaje de carga o descarga en volts E voltaje proporcionado por la fuente en volts 2.
Registrar en las tablas 1 y 2 los valores de t y V obtenidos.
EXPERIMENTO 1. CARGA DEL CAPCITOR. 1.
Sacar 10 volts de la fuente de poder (medidos con el multímetro en la función de vóltmetro).
2.
Conectar la resistencia en serie con el capacitor y alimentar con 10 V de acuerdo con la figura 1 (tener cuidado con la polaridad del capacitor; la muesca o hendidura indica su lado positivo). La fuente deberá estar apagada.
Fig. 1
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3.
Conectar el multímetro en su función de vóltmetro en paralelo con el capacitor.
4.
Encender la fuente y tomar las lecturas de voltaje cada 10 seg hasta 50 seg y registrar los valores en la tabla 1 de carga del capacitor (el conteo del tiempo inicia cuando se enciende la fuente). R=0.68M
Tabla 1.
t
(seg)
Vteo
10 20 30 40 50
Carga del capacitor (volts) Vexp (volts) 0.14 0.28 0.43 0.57 0.70
0.19 0.36 0.55 0.72 0.89
%E -3.5 -2.8 -2.7 -2.6 -2.7
EXPERIMENTO 2. DESCARGA DEL CAPACITOR. 1.
Cuando el capacitor se encuentra totalmente cargado (la aguja del vóltmetro ya no se mueve), cortocircuitar el capacitor para proporcionarle una trayectoria de descarga de acuerdo a la figura 2 (desconectar el cable positivo del borne de la fuente y conectarlo al negativo del capacitor).
2.
Tomar las lecturas de voltaje de cada 10 seg. hasta 50 seg y registrar los valores en la tabla 2 de descarga del capacitor (el conteo del tiempo inicia cuando se ha cor tocircuitado).
3.
Con los valores de V y t obtenidos graficar las curvas teóricas y prácticas de carga y descarga del capacitor y calcular el % E respectivo.
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Tabla 2.
t
(seg) 10 20 30 40 50
V.
Vteo
Descarga del capacitor (volts) Vexp (volts) 9.98 9.90 9.83 9.76 9.71
9.85 9.71 9.56 9.42 9.29
%E 1.30 1.91 2.74 3.48 4.32
OBSERVACIONES.
Al utilizar una resistencia de MΩ se pudo observar que el tiempo de carga del capacitor usado en la práctica era demasiado lento con lo que se pudo corroborar que al tener una resistencia de valor alto, esta, se opone al paso de la corriente lo que ocasiona que el capacitor requiera más tiempo para que se cargue completamente. Dicho tiempo depende tanto del valor de la resistencia así como de la capacitancia del capacitor. También se pudieron observar algunas variaciones en nuestros datos teóricos con respecto a los experimentales atribuido a la resolución de nuestro multímetro usado y a la toma de datos, ya que no se podía ser tan preciso al detectar en cada 10 segundos el valor de voltaje tanto en la carga como en la descarga del capacitor.
VI.
CONCLUSION.
Al finalizar esta práctica se pueden concluir datos importantes. La capacidad de almacenar carga hace que los capacitores tengan un sinfín de usos. Al cargar o descargar un capacitor hay tres factores que son alterados; corriente, voltaje y potencia. Si la constante capacitiva del tiempo obtenida es grande significa que el tiempo de carga es mayor y del mismo modo si esta es pequeña, el tiempo de carga será menor. Si antes del capacitor se encuentra una resistencia esta hará que el tiempo de carga se mayor a medida que esta resistencia sea más grande. A medida que el capacitor es cargado se obtiene que el valor de la corriente en este tramo tienda a 0 y la carga del capacitor llega su capacidad de almacenamiento máximo.
REFERENCIAS.
“Introducción al Análisis de Circuitos”. Boylestand. 10ma Edición.
“Electricidad y Magnetismo”. Raymond A. Serway. 3ra Edición.
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CUESTIONARIO Encierra la respuesta correcta. 1.
El dispositivo eléctrico que almacena energía por medio de un campo electrostático es: a) El toma corriente b) La pila c)
La fuente de poder
d) El capacitor 2.
Los factores que determinan la capacitancia de un capacitor son: a) El área de las placas, la distancia entre éstas y el voltaje b) El área de las placas, la distancia entre éstas y el dieléctrico c)
El área de las placas, la distancia entre éstas y la corriente
d) El área de las placas, la distancia entre éstas, el dieléctrico y el voltaje 3.
La función de la resistencia en un c ircuito RC es: a) Aumentar la constante capacitiva de tiempo (t) b) Disminuir la constante capacitiva de tiempo (t) c)
No tiene ninguna función
d) Proteger al capacitor del voltaje 4.
El porcentaje que el capacitor se carga o descarga cada constante de tiempo es: a) 53.2% de la carga total b) 62.3% de la carga total c)
36.8% de la carga total
d) 63.2% de la carga total 5.
La fórmula para calcular los voltajes de carga de un capacitor es: a) ( ) b) ( ) c) ( ) d) ( )
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Imagen 1.1 Fuente de voltaje entregando 10 Volts a nuestro circuito.
Imagen 1.2 Configuración de circuito con el que se trabajo.
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