INFORME LABORATORIO #7 CAPACITANCIA
RAFAEL ARTURO VEGA VEGA SEBASTIAN MURILLO MURILLO
UNIDAD CENTRAL DE VALLE DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA INDUSTRIAL LABORATORIO FISICA II TULUA - VALLE 05/05/2014
INFORME LABORATORIO #7 CAPACITANCIA
RAFAEL ARTURO VEGA VEGA SEBASTIAN MURILLO MURILLO
PRESENTADO A: LIC. JENNY TREJOS GRAIN.
UNIDAD CENTRAL DE VALLE DEL CAUCA FACULTAD DE INGENIERÍAS INGENIERÍA INDUSTRIAL LABORATORIO FISICA II TULUA – VALLE 05/05/2014
UNIDAD CENTRAL DEL VALLE DEL CAUCA
INGENIERIA INDUSTRIAL GUIA DE LABORATORIO 7 FISICA II – 4 SEMESTRE TITULO: CAPACITANCIA 1. TEMA: CAPACITANCIA CIRCUITOS RC 2. OBJETIVOS 2.1. OBJETIVOS GENERALES:
conocer el comportamiento de un condensador cuando se conecta a una fuente de energía montar circuitos serie paralelo con condensadores estudiando su comportamiento estudiar circuitos RC
2.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Definir la capacitancia y aplicar la relación entre la capacitancia y el voltaje aplicado. Calcular la capacitancia equivalente de un número de capacitores en serie y paralelo. Comparar los datos obtenidos de voltajes a través de los condensadores con los datos prácticos. Montar circuitos RC, y medir tiempos de carga, utilizando diferentes resistencias, para estudio de la respuesta transitoria. Comprobar que la energía almacenada en un condensador sirve para alimentar una carga determinada.
3. INTRODUCCION Conocer uno de los dispositivos importantes tanto su comportamiento físico como su aplicabilidad en el entorno industrial, haciendo parte de la electricidad como elemento almacenador de energía, además poder conocer su aplicación y comportamiento que ellos puede tener dentro de circuitos de potencia y la electrónica. Este informe presenta como contenido las prácticas relacionadas con la capacitancia y los dieléctricos, vistos anteriormente de una forma teórica. Es por esto, que pudimos establecer la relación entre carga, voltaje y capacitancia para un condensador de placas paralelas. Por otra parte, este informe tiene como objetivos principales establecer una relación entre la carga y el voltaje, la carga y la capacitancia, y el voltaje y la capacitancia, manteniendo constante la capacitancia, el voltaje y la carga, respectivamente. Así mismo, busca comparar los coeficientes dieléctricos de algunos materiales. Por último, podemos agregar que toda la práctica realizada en el laboratorio nos servirá para entender más fácilmente lo que sucede en la vida diaria y comprender algunas de las reacciones físicas que ocurren frecuentemente y de las cuales no sabíamos su origen.
4. PREINFORME A. Defina la capacitancia. R/ Se define como la razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. La capacitancia siempre es una cantidad positiva y puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q / V es constante para un capacitor dado. En consecuencia la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica. La capacitancia tiene la unidad del SI coulomb por volt. La unidad de capacitancia del SI es el farad (F), en honor a Michael Faraday. CAPACITANCIA = 1F = 1 C
B. Ecuación de voltaje y corriente en el condensador. R/ El Voltaje o la “diferencia potencial eléctrica” es una comparación de
la energía que experimenta una carga entre dos ubicaciones. Para comprender este concepto de forma más simple, pensemos en un material con una carga eléctrica de más electrones de lo que sus átomos pueden sostener (ionizado negativamente) y un material carente de electrones (ionizado positivamente). El voltaje es el diferencial eléctrico entre ambos cuerpos, considerando que si ambos puntos establecen un contacto de flujo de electrones ocurriría una transferencia de energía de un punto al otro, debido a que los electrones (con carga negativa) son atraídos por protones (con carga positiva), y a su vez, que los electrones son repelidos entre sí por contar con la misma carga.
El Condensador es un elemento de dos terminales en el que el voltaje y la corriente se relacionan por:
Donde C es la capacidad que se expresa en Faradios (F). Se puede observar en (1) que el voltaje depende de instantes de tiempo pasados, es decir tiene "memoria". Se representa por el siguiente símbolo:
La ecuación de voltaje se puede expresar como:
Donde v (0) se denomina condición inicial. Teniendo en cuenta la relación entre i(t) y q(t) se puede deducir la relación:
Por tanto, el valor de la capacidad (C) es la relación entre la carga almacenada y el voltaje que aparece en sus terminales. Aunque se puede definir un capacitor de forma no lineal, todos los que se usarán en este tutorial serán lineales, invariantes y de parámetros concentrados.
C. Aplicaciones de los condensadores. R/ Los condensadores tienen muchas aplicaciones. Como su capacidad depende de la sección entre las placas, se pueden construir condensadores de capacidad variable, como los utilizados en los mandos de sintonización de un aparato de radio tradicional. En estos aparatos, al girar el mando, se varía la superficie efectiva entre placas, con lo que se ajusta su capacidad y, en consecuencia, se sintoniza una frecuencia de una emisora. Del mismo modo, el teclado de un ordenador actúa sobre un condensador variable, lo que nos permite actuar sobre la pantalla del mismo. Como se muestra más adelante, los condensadores también son particularmente útiles para dirigir el movimiento de haces de partículas cargadas. Si se trata de condensadores planos producen un campo eléctrico uniforme, con el que se pueden desviar las partículas al aplicarles una fuerza eléctrica proporcional a dicho campo. También se puede conectar el condensador a una corriente alterna u oscilante, que hace que sus dos placas se carguen y descarguen continuamente alternándose en cada una la carga positiva y la negativa. Entonces, el campo eléctrico entre ellas también oscila y cambia de orientación con la misma frecuencia del alternador. Nos referimos ahora a dos, entre las muchas aplicaciones tecnológicas del proceso de descarga del condensador. Una de ellas es el desfibrilador, un aparado que se usa para reanimar enfermos en situaciones de emergencia. El desfibrilador usa un condensador que puede almacenar 360J y entregar esta energía al paciente en 2ms. Otro ejemplo de utilidad de la descarga del condensador es el flash de las cámaras fotográficas, que posee un condensador que almacena la energía necesaria para proporcionar un destello súbito de luz. Finalmente hablamos de cómo Tierra se puede modelizar como un condensador. Aunque la atmósfera está compuesta principalmente por oxígeno y nitrógeno, que son gases eléctricamente aislantes, una parte de ella (la ionosfera) está permanentemente ionizada y con carga positiva, debido a su interacción con la radiación solar. Por su parte, la superficie de la Tierra, que es principalmente agua (tres cuartas partes lo son y por el resto el agua se infiltra a través de múltiples grietas y fisuras), también contiene iones disueltos y tiene una
Carga neta negativa. Por tanto, en la tierra se puede considerar gran condensador, cuyas placas esféricas serian la ionosfera y el suelo. Ahora bien, en condiciones de "buen clima", la capa de aire que existe entre las dos “placas” de dicho condensador terrestre es un medio dieléctrico, pero no totalmente aislante, por lo que dicho condensador se tendría que ir descargando poco a poco a través de ella. No ocurre así y ello se debe a que existe un mecanismo compensatorio que lo recarga: las tormentas. Antes de que se inicie una tormenta, en un tipo de nubes llamadas cumulonimbos se genera un movimiento de cargas que polariza a dichas nubes (el proceso que causa esta polarización es bastante complejo), haciendo que la cara de ellas que se enfrenta al suelo terrestre acumule carga negativa y la cara superior acumule carga positiva (es decir, provocando una inversión del campo eléctrico ahí). Si la nube no es muy "alta", se producen descargas (rayos) a través del aire (cuando está húmedo llega a ser conductor), entre partículas del suelo con carga positiva y las cargas negativas de la cara de las nubes que mira a dicho suelo. Además hay un efecto de ida y vuelta de los rayos, de tal modo que, después de subir las partículas del suelo a la nube, instantáneamente regresan, causando la visión del relámpago.
5. MATERIALES E INSUMOS
Una fuente de alimentación de voltaje de 0-20V
Un voltímetro Condensadores de diferentes características y valores Cronometro Multímetro 10 conductores.
6. PROCEDIMIENTO 6.1 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO ELECTROLITICO ALIMENTADO CON CD.
DE
UN
CONDENSADOR
A).
Anote las características de los condensadores. Conéctelo a la fuente de DC (voltaje constante en el tiempo o corriente directa).
Tomar nota del voltaje a través del condensador con un voltímetro.
Tome nota del voltaje máximo del condensador.
Tome un cronometro y póngalo en marcha tan pronto desconecte el condensador de la fuente. Anoté el voltaje a través del condensador cada 5segundos, hasta que el voltaje caiga a menos de ¼ de su valor inicial.
B). Con los datos anteriores construya una gráfica de voltaje contra el tiempo. De su gráfica deduzca cuánto tarda el voltaje en caer a la mitad de su valor inicial. Compare este valor con (tiempo). C). Haga una gráfica de logaritmo natural contra el tiempo. De su pendiente, encuentre el valor de RC, a partir de la relación (recuerde que el voltaje es proporcional a la carga): V(t) = Vo e –t/RC, donde ln V = ln Vo – t/RC d). De la pendiente de la gráfica de ln V contra t, encuentre C (recuerde que conoce R = Rv, la resistencia del voltímetro). Compare este valor con el marcado en el condensador (puede diferir bastante, hasta en un 50% del valor real).
6.2 CARGA Y DESCARGA DE CONDENSADORES EN SERIE FIG6. 1.
a) Conecte los condensadores en serie y alimente este nuevo circuito con esta fuente de corriente directa (voltaje constante en el tiempo), como se ilustra en la figura, mida y anote el voltaje en cada uno de los condensadores y el voltaje que se mide a través de los condensadores conectados en serie. b). Desconecte los condensadores de la fuente y mida el voltaje en intervalos de 5 segundos. De la gráfica de ln V (t) determine la capacitancia equivalente de los dos condensadores conectados en serie. c). Es la capacitancia obtenida mayor o menor que la capacitancia de cada uno de los condensadores usados? d) ¿Cómo se debe combinar la capacitancia de los condensadores individuales para obtener la capacitancia equivalente?
6.3 CARGA Y DESCARGA DE CONDENSADORES EN PARALELO FIG 6.2.
a).Conecte los dos condensadores en paralelo como aparecen en la figura y repita el procedimiento anterior. Determine de sus datos la capacitancia equivalente de la combinación de los dos condensadores.
b) ¿Es la capacitancia obtenida mayor que cada una de las capacitancias de los condensadores utilizados? c) ¿Cómo se deben combinar las capacitancias de los condensadores individuales para obtener la capacitancia equivalente?
7. RESULTADOS A continuación presentamos los resultados obtenidos en el desarrollo del procedimiento de esta práctica de laboratorio.
6.1 A.
Las principales características de los condensadores fueron:
C1 = 100 µF C2= 47µF C3= 100µF Un condensador es el dispositivo que almacena carga eléctrica. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos objetos conductores o placas metálicas (armaduras) paralelas, colocadas a una distancia corta entre si y separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. La magnitud que caracteriza a un condensador es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado. Los condensadores tienen un límite para la carga eléctrica que pueden almacenar, pasado el cual se perforan. Pueden conducir corriente continua durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna. Esta propiedad los convierte en dispositivos muy útiles cuando debe impedirse que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Los condensadores de capacidad fija y capacidad variable se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes condensadores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia
Al tomar el voltaje a través de los tres condensadores con el voltímetro obtuvimos los siguientes resultados:
Condensador #1: 2.07 Volt Condensador #2: 3.4 Volt Condensador #3: 2.07 Volt
Anote el voltaje máximo del condensador El voltaje máximo lo obtuvo el condensador número uno el cual fue de 3.4 voltios.
Anoté el voltaje a través del condensador cada 5segundos, hasta que el voltaje caiga a menos de ¼ de su valor inicial.
Este paso de la práctica no fue posible realizarlo en el laboratorio ya que el voltaje del condensador desaparecía de manera muy rápida y no alcanzábamos a cronometrarlo. Sin embargo conseguimos los implementos necesarios para realizarlo y aplicándole la resistencia más alta disponible a nuestros alcances la cual fue de 4700 ohm pudimos obtener los resultados esperados representados en la siguiente tabla.
VOLTAJE INICIAL: 3.4 VOLT. SEGUNDOS TRANSCURRIDOS
VOLTAJE
5 Seg
1.7 Volt
10 Seg
0.83 Volt
15 Seg
0.25 Volt
20 Seg
0 Volt
Al transcurrir 10 segundos el voltaje callo ¼ de su valor inicial. Esto se logró solo por que usamos una gran resistencia, de lo contrario no hubiéramos podido obtener el tiempo necesario para la caída del voltaje debido a que transcurría de manera muy rápida.
6.2 CIRCUITO EN SERIE. A. Al conectar los condensadores en serie y alimentar este circuito con una fuente de corriente directa en este caso una pila de 8.4 Voltios obtuvimos los siguientes voltajes. Condensador #1 (100 µF): Marco un voltaje de 2.07 Condensador #2 (47 µF): Marco un voltaje de 5.4 Condensador #3 (100 µF): Marco un voltaje de 2.07 similar al primero.
B. Capacitancia de los condensadores en serie.
C. La capacitancia de los tres condensadores conectados en serie es menor a la capacitancia de cada uno ya que: 24.23 µF <100 µF 24.23 µF<47 µF
D. Para obtener la capacitancia equivalente por medio de la capacitancia de los condensadores individuales debemos aplicar una sumatoria la cual observaremos en la siguiente formula:
6.3 CIRCUITO EN PARALELO.
A. La capacitancia total o equivalente es: CT: 100 µF+47 µF+100 µF CT: 247 µF B. La capacitancia total de los tres condensadores conectados en paralelo si es mayor a la capacitancia de los condensadores individuales ya que: 247 µF > 100 µF 247 µF > 47 µF 247 µF > 100 µF
C. Para obtener la capacitancia total debemos realizar una sumatoria de cada una de las capacitancias individuales, en este caso la de los tres condensadores CT: C1+C2+C3 8. ANALISIS Y PREGUNTAS 8.1 Desarrolle todos los numerales 6.1, 6.2 y 6.3 y consigne toda la información experimental pertinente en su informe de laboratorio. 8.2 Responda las preguntas de los numerales 6.2c, 6.2d, 6.3b, 6.3c. 8.3. ¿Cómo podría construir un condensador de placas paralelas con una capacitancia de 10F? Podríamos conectar las dos placas paralelas con un cable conductor que desemboque en la fuente como observamos en la siguiente imagen.
8.4 ¿Porque es peligroso tocar los terminales de un capacitor de alto voltaje?
De acuerdo al conocimiento adquirido en clase podemos decir que si tocamos un capacitor de alto voltaje este puede electrocutarnos ya que la corriente y los electrones se desplazaran hacia la parte del cuerpo donde la toquemos. Basándonos en información de la web obtuvimos el siguiente párrafo que explica claramente lo que sucedería en caso de cometer este error. “El condensador o capacitor almacena energía en la forma de un campo
eléctrico. Si lo vas a tocar, el capacitor buscará descargarse por medio de tu dedo, lo cual te produce una descarga eléctrica. Se llama capacitancia o capacidad a la cantidad de cargas eléctricas que es capaz de almacenar en él mismo, por supuesto. Nunca conectes un capacitor a un voltaje superior al que puede aguantar porque puede explotar y te puedes lastimar.”
9. CONCLUSIONES
De esta práctica realizada en el laboratorio podemos sacar diferentes conclusiones de muy alto grado de importancia ya que pudimos observar claramente que en nuestro caso el condensador que presento un mayor voltaje fue el que poseía menos resistencia, en este caso 47 µF que almaceno un voltaje de 3.4 Volt, este nos presenta una diferencia de 1.33 voltios con respecto a los condensadores de 100 µF. esto se debe a que presenta una menor resistencia lo cual permite un mejor desplazamiento de electrones. Cargando los condensadores variando con tres tipos de resistencias pudimos concluir que el tiempo de carga es directamente proporcional con las resistencias aplicadas durante el proceso. Ya que al cargar el condensador con una resistencia de 4700 ohm, su tiempo marcado fue de 3.29 segundos. Realizando este proceso con otras dos resistencias de 2700 y 1000 ohm, el tiempo fue de 2.45 y 1.82 segundos respectivamente. Para tomar el tiempo de descarga del condensador se presentó un leve inconveniente ya que en el laboratorio no contábamos con una resistencia lo suficientemente alta para cronometrar el tiempo en el cual la carga se reducía a ¼, por lo tanto realizamos esta misma actividad extracurricular y por medio de una alta resistencia pudimos medir el tiempo de descarga y concluir que la resistencia también es directamente proporcional al tiempo de descarga del condensador, es decir entre mayor resistencia existe un mayor tiempo de descarga, por lo cual si reducimos la resistencia aplicada, el tiempo se va a ver afectado de la misma manera. Al momento de hallar las capacitancias totales, aplicamos los conocimientos brindados por la docente y reforzados en casa. Aplicando la fórmula de capacitancia el circuito serie
y la formula circuito paralelo (CT= C1+C2+C3…+CN)
observamos que la capacitancia total en circuito serie es menor a la capacitancia se los condensadores individuales, por su parte el circuito en paralelo es inversamente proporcional a nivel de capacitancia con respecto al circuito serie ya que la capacitancia total es la sumatoria de las capacitancias de cada condensador por lo cual esta es mayor que la capacitancia individual.
Una conclusión muy importante que debemos tener en cuenta es que en circuito en serie el voltaje se reparte en cada uno de los condensadores pero no de la misma manera, cada condensador obtiene un voltaje diferente el uno del otro, pero si realizamos la suma de cada voltaje, este debe ser equivalente al voltaje de la fuente, las cargas en cada condensador son iguales. Por otro lado en el circuito paralelo los voltajes si se reparten de igual forma, es decir cada uno almacena la misma cantidad del voltaje con respecto a los demás pero no poseen la misma carga.
Con respecto a la práctica en el simulador también surgieron diferentes conclusiones tales como: Al reducir la distancia entre las placas, aumenta la capacitancia lo que significa que tienen una relación inversamente proporcional. Por otra parte al aumentar el área de las placas también aumenta la capacitancia, en este caso se presenta una relación directamente proporcional. Para obtener la mayor capacitancia posible reducimos la distancia y aumentamos el área de la placa.
10. BIBLIOGRAFIA
10.1 FUNDAMENTOS DE ELECTRICIDAD, Milton Gussow, M.S, editorial Mc GRAW- HILL. 10.2 FISICA II, Serway, tomoII. 10.3 Guía de laboratorio de física. Universidad Tecnológica de Pereira. 10.4ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS EN INGENIERIA, William H. Hayt, Jr. Jack E. Kemmerly. Editorial McGRAW-HILL. 10.5 ANALISIS DE CIRCUITOS ELECTRICOS BASICOS, John O´Malley. Editorial SCHAUM-McGRAW-HILL. Otras conclusiones. Con el desarrollo de esta experiencia podemos llegar a la compresión y la aclaración de los conceptos aprendidos teóricamente y ver de una mejor manera la relación que puede existir entre la carga, la capacitancia y la diferencia de potencial, además de los diferentes factores que intervienen en su variación. Con esta experiencia pudimos comprender la importancia que tiene la variación en las distancias entre placas paralelas, para el valor de la capacitancia, así como la variación de la misma cuando introducimos distintas clases de dieléctricos y cómo afectan estas características a las cargas y a la diferencia de potencial. Uno de los aspectos más interesantes logrados con esta experiencia es comprobar de manera práctica aquellas relacionas mencionadas en las ecuaciones entre Q, V y C, viendo que todo está relacionado de formo lógica.
INFOGRAFÍA La información utilizada para realizar este informe fue extraída de la web, de páginas como:
http://www.mailxmail.com/curso-electricidad-fundamentos/capacitancia http://wwwprof.uniandes.edu.co/~antsala/cursos/FDC/Contenidos/07_Inductancia_y_Capacitancia.pdf http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r75604.PDF http://yeisonmosqueraelectronicafacil.blogspot.com/2013/05/condensadores-ocapacitores-mal.html
http://www.fodonto.uncu.edu.ar/upload/capacitores.pdf
http://www.asifunciona.com/electrotecnia/ke_capacitor/ke_capacitor_1.htm
http://phet.colorado.edu/es/simulation/capacitor-lab
