UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA
FACULTAD DE INGENIERIA CIVIL
EXPERIMENTO N° 5
"Carga y descarga de un condensador-Circuito RC."
OBJETIVOS:
Objetivo temático:
Análisis de un circuito eléctrico con un capacitor y resistencia conectado en serie y utilizando conceptos ya aprendidos en teoría.
Objetivo específico:
Medir el tiempo (carga y descarga) de un condensador electrolítico realizando su respectiva gráfica.
Medir experimentalmente la capacidad de un condensador electrolítico.
MARCO TEORICO:
Voltaje, tensión o diferencia de potencial
El voltaje, tensión o diferencia de potencial es la presión que ejerce una fuente de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz (FEM) sobre las cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado, para que se establezca el flujo de una corriente eléctrica.
A mayor diferencia de potencial o presión que ejerza una fuente de FEM sobre las cargas eléctricas o electrones contenidos en un conductor, mayor será el voltaje o tensión existente en el circuito al que corresponda ese conductor.
La diferencia de potencial entre dos puntos de una fuente de FEM se manifiesta como la acumulación de< cargas eléctricas negativas (iones negativos o aniones), con exceso de electrones en el polo negativo (–) y la acumulación de cargas eléctricas positivas (iones positivos o cationes), con defecto de electrones< en el polo positivo (+) de la propia fuente de FEM.
Resistencia eléctrica
Resistencia eléctrica es toda oposición que encuentra la corriente a su paso por un circuito eléctrico cerrado, atenuando o frenando el libre flujo de circulación de las cargas eléctricas o electrones. Cualquier dispositivo o consumidor conectado a un circuito eléctrico representa en sí una carga, resistencia u obstáculo para la circulación de la corriente eléctrica.
Un material de mayor longitud tiene mayor resistencia eléctrica. Ver información adicional en: La resistividad
Fig. 1 Un material con mayor sección transversal tiene menor resistencia. (Imaginarse un cable conductor cortado transversalmente). La dirección de la corriente (la flecha de la corriente) en este caso entra o sale de la página.
La corriente eléctrica
Lo que conocemos como corriente eléctrica no es otra cosa que la circulación de cargas o electrones a través de un circuito eléctrico cerrado, que se mueven siempre del polo negativo al polo positivo de la fuente de suministro de fuerza electromotriz (FEM).
Fig. 2 Se observa el sentido del flujo de electrones
Quizás hayamos oído hablar o leído en algún texto que el sentido convencional de circulación de la corriente eléctrica por un circuito es a la inversa, o sea, del polo positivo al negativo de la fuente de FEM. Ese planteamiento tiene su origen en razones históricas y no a cuestiones de la física y se debió a que en la época en que se formuló la teoría que trataba de explicar cómo fluía la corriente eléctrica por los metales, los físicos desconocían la existencia de los electrones o cargas negativas.
Al descubrirse los electrones como parte integrante de los átomos y principal componente de las cargas eléctricas, se descubrió también que las cargas eléctricas que proporciona una fuente de FEM (Fuerza Electromotriz), se mueven del signo negativo (–) hacia el positivo (+), de acuerdo con la ley física de que "cargas distintas se atraen y cargas iguales se rechazan". Debido al desconocimiento en aquellos momentos de la existencia de los electrones, la comunidad científica acordó que, convencionalmente, la corriente eléctrica se movía del polo positivo al negativo, de la misma forma que hubieran podido acordar lo contrario, como realmente ocurre. No obstante en la práctica, ese "error histórico" no influye para nada en lo que al estudio de la corriente eléctrica se refiere.
Condensador
El condensador o capacitor almacena energía en la forma de un campo eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar.
La capacidad depende de las características físicas del condensador:
Si el área de las placas que están frente a frente es grande la capacidad aumenta
Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad
El tipo de material dieléctrico que se aplica entre las placas también afecta la capacidad.
Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada
Fig. 3 En esta grafica se detalla la estructura interna básica de un condensador. Está formado por dos placas paralelas (las placas plomas). Un condensador almacena carga.
Tipos de condensadores
Electrolíticos: Tienen el dieléctrico formado por papel impregnado en electrólito. Siempre tienen polaridad, y una capacidad superior a 1 µF. Arriba observamos claramente que el condensador nº 1 es de 2200 µF, con una tensión máxima de trabajo de 25v. (Inscripción: 2200 µ / 25 V).
Fig. 4 La figura se ve el condensador electrolítico que soporta hasta una descarga de 25v.
Electrolíticos de tántalo o de gota: Emplean como dieléctrico una finísima película de óxido de tantalio amorfo, que con un menor espesor tiene un poder aislante mucho mayor. Tienen polaridad y una capacidad superior a 1 µF. Su forma de gota les da muchas veces ese nombre.
Fig. 5 Aquí vemos el condensador electrolítico de tántalo.
De poliéster metalizado MKT: Suelen tener capacidades inferiores a 1 µF y tensiones de trabajo a partir de 63v. Más abajo vemos su estructura: dos láminas de policarbonato recubierto por un depósito metálico que se bobinan juntas. Aquí al lado vemos un detalle de un condensador plano de este tipo, donde se observa que es de 0.033 µF y 250v. (Inscripción: 0.033 K/ 250 MKT).
Fig. 6 Aquí vemos el condensador de poliéster metalizado.
De poliéster: Son similares a los anteriores, aunque con un proceso de fabricación algo diferente. En ocasiones este tipo de condensadores se presentan en forma plana y llevan sus datos impresos en forma de bandas de color, recibiendo comúnmente el nombre de condensadores "de bandera". Su capacidad suele ser como máximo de 470 nF.
Fig. 7 Aquí vemos el condensador de poliéster.
De poliéster tubular: Similares a los anteriores, pero enrollados de forma normal, sin aplastar.
Fig. 8 Aquí vemos el condensador de poliéster tubular
Cerámico "de lenteja" o "de disco": Son los cerámicos más corrientes. Sus valores de capacidad están comprendidos entre 0.5 pF y 47 nF. En ocasiones llevan sus datos impresos en forma de bandas de color.
Aquí abajo vemos unos ejemplos de condensadores de este tipo.
Fig. 9 Aquí vemos el condensador cerámico de lenteja. Estos son tan usados como los electrolíticos.
Cerámico "de tubo": Sus valores de capacidad son del orden de los picofaradios y generalmente ya no se usan, debido a la gran deriva térmica que tienen (variación de la capacidad con las variaciones de temperatura).
Fig. 10 En este grafico se muestra a la izquierda la estructura externa del condensador tubular; y a la derecha su estructura interna.
Circuito RC
El circuito RC es un circuito formado por resistencias y condensadores. Para un caso especial se considera un condensador y una resistencia que se ordenaran en serie.
En el circuito RC la corriente varía en el tiempo debido a que la carga en el condensador empieza de cero hasta llegar a un valor máximo.
Fig. 11 En la gráfica mostrada se detalla un circuito RC. Llamaremos circuito 1 cuando el interruptor este cerrado (carga de condensador). Ocurrirá descarga cuando ya esté presente la fuente.
Descarga del condensador
Inicialmente (t = 0) el circuito se encuentra abierto y el condensador está cargado con carga + Q0 en la placa superior y -Q0 en la inferior. Al cerrar el circuito, la corriente fluye de la placa positiva a la negativa, pasando por la resistencia, disminuyéndose así la carga en el condensador. El cambio de la carga en el tiempo es la corriente. En cualquier instante la corriente es:
Recorriendo el circuito en el sentido de la corriente, se tiene una caída de potencial IR en la resistencia y un aumento de potencial. De acuerdo a la ley de conservación de la energía se tiene
Sustituyendo la ecuación (1) en la ecuación (2) y re acomodando términos
La solución de la ecuación (3) nos proporciona el comportamiento de la carga como función del tiempo y ésta es
La ecuación (4) nos indica que la carga en el condensador disminuye en forma exponencial con el tiempo.
La corriente, por lo tanto será
Esto es, la corriente también disminuye exponencialmente con el tiempo.
Carga del condensador
En el momento de cerrar el interruptor empieza a fluir carga dentro del condensador, que inicialmente se encuentra descargado. Si en un instante cualquiera la carga en el condensador es Q y la corriente en el circuito es 1, la primera ley de Kirchhoff nos da
Esta es una ecuación diferencial lineal de orden 1 cuya solución es:
La corriente, por lo tanto será:
Fig. 12 Aquí se muestra la gráfica de carga en función del tiempo. Se observa que en proceso de carga la curva crece y en el proceso de descarga esta curva decrece
MATERIALES:
Los materiales utilizados en el laboratorio son.
Un multímetro. -Una fuente de DC.
-Un condensador electrolítico. -Una resistencia.
-Cables conectores (cocodrilos). -Cronometro.
-Photoboard.
PROCEDIMIENTO:
Medir la resistencia con el multímetro.
Debemos medir la diferencia de potencial que nos proporciona la fuente de poder para ello conectamos los terminales del multímetro a dos cocodrilos y conectamos los otros extremos del cocodrilo a la fuente de poder.
Después del paso anterior medimos en modo variable la diferencia de potencial en nuestro caso es 8v.
Para disponer el circuito RC se arma
DATOS OBTENIDOS EN LABORATORIO
Resistencia eléctrica (Ohm).
23.8
Capacidad del condensador (F).
2200µ
Voltaje de la fuente DC(FEM)(Voltios)
8
CARGA
V
T
0
0
0.69
5
1.5
10
2.44
20
3.3
30
4.04
40
4.68
50
5.16
60
5.95
80
6.22
90
6.85
120
7.23
150
7.46
180
7.66
240
7.71
270
7.72
300
7.76
360
7.8
420
7.83
480
DESCARGA
V
T
7.83
0
7.33
5
6.77
10
5.59
20
4.69
30
3.85
40
3.24
50
2.72
60
2.28
70
1.89
80
1.58
90
1.34
100
1.12
110
0.94
120
0.79
130
0.66
140
0.56
150
0.47
160
0.4
170
0.34
180
0.28
190
0.18
200
0.16
210
0.13
220
0.11
230
0.1
240
0.08
250
0.07
260
0.06
270
0.05
280
0.04
290
0.04
300
0.03
310
0.03
320
0.02
330
0.01
360
ANALISIS DE DATOS :
CUESTIONARIO:
CONCLUSIONES:
BIBLIOGRAFÍA:
http://fismat.uia.mx/examen/servicios/laboratorios/fisica/pdf-practicas/ELECTR/Circuitos_RC.pdf
http://www.planetaelectronico.com/cursillo/tema2/tema2.3.html
http://images.google.com.pe/images?&um=1&hl=es&q=carga+en+un+circuito+RC&&sa=N&start=40&ndsp=20
http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/campo_electrico/rc/rc.htm
Serway Raymond A. "Fisica Tomo II"
Manual del laboratorio N°5 física 2 FIC-UNI.