PRáCTICA nº4
Capacitores y dieléctricos
1.-Introducción:
Conceptos
Los capacitores son dispositivos que almacenan energía eléctrica y una carga eléctrica.Una combinación de 2 conductores decualquier forma con carga; "q" de igual magnitudy signos opuestos se conoce comocapacitor; debido a la presencia de las"q" entre los conductores existe una diferencia de potencial ΔV.
Un dieléctrico es un material aislante que aumenta la capacitancia de un capacitor
Capacitancia: Se define como la relación entre la carga "q" en cualquiera de las placas ala magnitud de la diferencia de potencial ΔV entre las placas; que aumenta al introducir un dieléctrico.
Características y unidades de capacitancia
La C siempre es una cantidad positiva, la "q" y ΔV siempre serán cantidades positivas.
Como "q" aumenta linealmente en función de la ΔV almacenada para el capacitor:
La C es la medida de la cantidad de q que puede almacenar el capacitor.
La unidad de C en el S.I. es el farad o faradio (F),nombre puesto en honor a Michael Faraday.
El F es una unidad muy grande, en las prácticas se utilizan capacitancias entre 1µF y pF.
2.-Objetivos:
2.1.-objetivo general:
Determinar la capacidad de un condensador sin dieléctrico y estudiar el efecto de un dieléctrico cuando se introduce entre las placas de un condensador y cuantificar la constante dieléctrica de dos materiales diferentes.
2.2.-objetivos específicos:
Determinación de la capacidad de un condensador de placas paralelas (sin dieléctrico), por dos métodos diferentes.
A partir de la gráfica Q=f(ΔV), determinar gráficamente la capacitancia del condensador y compararla con los métodos anteriores.
Determinar la constante dieléctrica de dos materiales y compararla con datos reales (Internet)
3.-equipo y material utilizado:
Un capacitor
Dos dieléctricos
Voltímetro
Generador de voltaje
Regulador de voltaje
Una computadora
Un sensor de carga
Flexómetro
Calibrador vernier
4.-esquema de la práctica:
OBTENCIÓN DE LA CAPACITANCIA DE UN CONDENSADOR SIN DIELÉCTRICO
OBTENCIÓN DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA DE DOS MATERIALES DIELÉCTRICOS
5.- resumen:
Para la obtención de la capacitancia de un condensador sin dieléctrico:
Por el primer método
Se generó voltaje con el generador de voltaje.
Se reguló el voltaje generado con el regulador de voltaje y se leyó dicho voltaje con el voltímetro que debía ser menor a 50 V debido a que podía quemar el condensador.
Se utilizó el sensor de carga que está conectado a la computadora para leer la carga de las placas.
Se reemplaza los datos obtenidos en la formula correspondiente, para hallar los resultados
Por el segundo método
Se midió la distancia entre las placas con el calibrador vernier.
Se midió el lado de una de las placas con el flexómetro.
Conociendo un lado de la placa se calcula el área.
Se reemplaza los datos obtenidos en la formula correspondiente, para hallar los resultados
Para la obtención de la constante dieléctrica de dos dieléctricos:
Se generó, reguló y leyó el voltaje.
Se utilizó el sensor de carga que está conectado a la computadora para leer la carga de las placas.
Se midió el grosor de los dos dieléctricos con el calibrador vernier.
Conociendo un lado de la placa se calcula el área.
Se reemplaza los datos obtenidos en la fórmula correspondiente, para hallar los resultados
6.- tabulación de datos experimentales y analíticos:
PRIMER MÉTODO
Nº
Voltaje
(v)
Carga
(C)
C
(F)
1
20,2
2,3700E-09
1,17E-10
2
30,5
3,5500E-09
1,16E-10
3
40,1
4,1400E-09
1,03E-10
4
50,1
6,1000E-09
1,22E-10
SEGUNDO MÉTODO
Nº
d
(m)
lado
(m)
Eo
(c2/N*m2)
AREA
(m2)
C
(F)
1
3,00E-03
0,2
8,85E-12
0,04
1,1800E-10
DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DIELÉCTRICA (plastoformo)
VARIABLES EXPERIMENTALES
Cte
VARIABLES CALCULADAS
Nº
Voltaje
(v)
Q
(C)
d
(m)
Lado
(m)
Eo
C2/N*m2)
AREA(m2)
A=L2
K
1
40,1
3,6400E-09
1,00E-02
0,2
8,85E-12
0,04
2,5642
2
45,3
3,8500E-09
2,4008
3
50
4,6100E-09
2,6045
4
55,1
5,1862E-09
2,6589
prom.
2,56
DETERMINACION DE LA CONSTANTE DIELECTRICA (plaquitas de plásticos)
VARIABLES EXPERIMENTALES
Cte.
Asumida
VARIABLES CALCULADAS
Nº
Voltaje
(V)
Q
(C)
d
(m)
Lado
(m)
Eo
C2/N*m2)
AREA(m2)
A=L2
K
1
20,4
2,8886E-08
1,00E-03
0,2
8,85E-12
0,04
3,9999E+00
2
27,6
3,8106E-08
3,9001E+00
3
33
4,5561E-08
3,9001E+00
4
40
5,6642E-08
4,0001E+00
prom.
3,95
7.-fórmulas:
Para la obtención de la capacitancia de un condensador sin dieléctrico:
C=qΔV C [=] CV , capacitancia
q [=] C , carga
ΔV [=] V , diferencia de potencial
C=εo*Ad C [=] CV , capacitancia
εo=8,85E-12C2Nm2, permitividad del vacio.
A [=]m2 , área.
d[=] m , distancia existente entre las placas.
Para la obtención de la constante dieléctrica de dos dieléctricos:
K=Q*dΔV*εo*A K [=] adimensional
Q [=] C , carga
d [=] m , grosor del dieléctrico
ΔV [=] diferencia de potencial
εo=8,85E-12C2Nm2, permitividad del vacio.
A [=]m2 , área.
Errores
ε= I x -x,I ε; error absoluto
x ; valor mas probable
x ; valor exacto
e=εx1 e ; error relativo
x ; valor exacto
e(%)= e*100 e(%) ; porcentaje de error relativo
e ; error relativo
8.- gráficas:
Carga
(C)
VOLTAJE
(v)
2,3700E-09
20,2
3,5500E-09
30,5
4,1400E-09
40,1
6,1000E-09
50,1
Q*d
DV*Eo*A
3,64E-11
1,4195E-11
3,85E-11
1,6036E-11
4,61E-11
1,77E-11
5,19E-11
1,9505E-11
Q*d
DV*Eo*A
2,89E-11
7,2216E-12
3,81E-11
9,7704E-12
4,56E-11
1,1682E-11
5,66E-11
1,416E-11
9.-ajuste de graficas
10.-errores:
c 1º METODO
C 2ºMETODO
ERROR ABSOLUTO
ERROR RELATIVO
% ERROR RELATIVO
1,17E-10
1,18E-10
-1,00E-12
-8,47E-03
-8,47E-01
1,16E-10
1,18E-10
-2,00E-12
-1,69E-02
-1,69E+00
1,03E-10
1,18E-10
-1,50E-11
-1,27E-01
-1,27E+01
1,22E-10
1,18E-10
4,00E-12
3,39E-02
3,39E+00
C 1º METODO
C METODO DEL AJUSTE
ERROR ABSOLUTO
ERROR RELATIVO
% ERROR RELATIVO
1,17E-10
1,00E-10
1,70E-11
1,70E-01
1,70E+01
1,16E-10
1,00E-10
1,60E-11
1,60E-01
1,60E+01
1,03E-10
1,00E-10
3,00E-12
3,00E-02
3,00E+00
1,22E-10
1,00E-10
2,20E-11
2,20E-01
2,20E+01
C 2º METODO
C METODO DEL AJUSTE
ERROR ABSOLUTO
ERROR RELATIVO
% ERROR RELATIVO
1,18E-10
1,00E-10
1,80E-11
1,80E-01
1,80E+01
11.-cuestionario
1.- Mencione con que otro nombre se los conoce al los materiales dieléctricos
Todos los materiales dieléctricos son aislantes pero no todos los materiales aislantes son dieléctricos, del griego "día" que significa "a través de".
El término dieléctrico es más de uso frecuente al considerar el efecto de alternar campos eléctricos en la sustancia mientras que el aislador es más de uso frecuente cuando el material se está utilizando para soportar un alto campo eléctrico.
2.- La relación usada para hallar la capacidad de un condensador de placas paralelas mediante el segundo método no es aplicable para cuando la distancia entre las placas es muy grande, ¿por qué?
Porque el campo eléctrico va a variar a diferencia de que las placas de este capacitor son tan grandes y tan próximas entre si que se puede despreciar la distorsión de las líneas de campo en los bordes de las placas:
Es diferente decir cuando un dieléctrico esta o no completamente lleno entre condensadores paralelos ya que esto no afecta en el campo
3.- Investigue sobre los tipos de dieléctricos más usados y cuál de ellos es el mejor.
Sólidos: Los dieléctricos sólidos son quizás los dieléctricos más de uso general de la ingeniería eléctrica, y muchos sólidos son aislantes muy buenos.
Algunos ejemplos incluyen porcelana, cristal, el papel, la goma y la mayoría de los plásticos así como las cintas sintéticas: tereftalato de polietileno (PET), naftalato de polietileno (PEN) y sulfido de polifenileno (PPS) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos.
Gases: Por su naturaleza el aire, nitrógeno y hexafluoruro del sulfuro son los tres dieléctricos gaseosos más de uso general.
Liquidos: El líquido dieléctrico más empleado es el aceite mineral, aceite ricino
El uso de los dieléctricos también se debe al tipo de capacitor que se este manejando.
4.- ¿El aire puede ser considerado como un dieléctrico? Si es cierto, ¿cuál es el valor de la constante dieléctrica para el aire?
El aire y otros gases tienen elevadísima resistencia y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas. Es un dieléctrico por naturaleza muy utilizado su constante dielestrica es 1.00059
5.- La tierra es un condensador gigante, y antiguamente se decía que su capacitancia era de un faradio el cual era prácticamente imposible de alcanzar. Actualmente se encuentran condensadores de esa capacidad. Investigue cuales son esos condensadores y en que se usan.
Se utilizan mucho en car audio, en instalaciones de audio automotrices pero son realmente enormes y extremadamente costosos.
6.- Investigue cuales son los elementos de un condensador, su función y su clasificación.
Capacitores fijos:
Estos se diferencian entre si por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes son: la mica, plástico y cerámica y para los capacitores electrolíticos, óxido de aluminio y de tantalio.
De papel
El dieléctrico es de celulosa impregnada con resinas o parafinas. Destaca su reducido volumen y gran estabilidad frente a cambios de temperatura. Tienen la propiedad de autor regeneración en caso de perforación. Las armaduras son de aluminio. Se fabrican en capacidades comprendidas entre 1uF y 480uF con tensiones entre 450v y 2,8Kv.
Se emplean en electrónica de potencia y energía para acoplamiento, protección de impulsos y aplanamiento de ondulaciones en frecuencias no superiores a 50Hz.
De plástico
Sus características más importantes son: gran resistencia de aislamiento (lo cual permite conservar la carga gran ), volumen reducido y excelente comportamiento a la humedad y a las variaciones de temperatura, además, tienen la propiedad de autor regeneración en caso de perforación en menos de 10s. Los materiales más utilizados son: poli estireno (styroflex), poliéster (mylar), poli carbonato (Macrofol) y politetrafluoretileno (teflón). Se fabrican en forma de bobinas o multicapas.
También se conocen como MK. Se fabrican de 1nF a 100mF y tensiones de 25-63-160-220-630v, 0.25-4Kv. Se reconocen por su aspecto rojo, amarillo y azul.
Cerámico
Los materiales cerámicos son buenos aislantes térmicos y eléctricos. El proceso de fabricación consiste básicamente en la metalización de las dos caras del material cerámico.
Se fabrican de 1pF a 1nF (grupo I) y de 1pF a 470nF (grupo II) con tensiones comprendidas entre 3 y 10000v.
Su identificación se realiza mediante código alfanumérico. Se utilizan en circuitos que necesitan alta estabilidad y bajas pérdidas en altas frecuencias.
Electrolítico
Permiten obtener capacidades elevadas en espacios reducidos. Actualmente existen dos tipos: los de aluminio, y los de tántalo. El fundamento es el mismo: se trata de depositar mediante electrolisis una fina capa aislante. Los condensadores electrolíticos deben conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en sus terminales, pues de lo contrario se destruiría.
De mica
Son condensadores estables que pueden soportar tensiones altas, ya que la rigidez dieléctrica que presenta es muy elevada. Sobre todo se emplean en circuitos de alta frecuencia. Se utilizan en gamas de capacidades comprendidas entre 5pf y 100000pF. La gama de tensiones para las que se fabrican suelen ser altas (hasta 7500v). Se están sustituyendo por los de vidrio, de parecidas propiedades y más barato.
Condensadores variables:
Constan de un grupo de armaduras móviles, de tal forma que al girar sobre un eje se aumenta o reduce la superficie de las armaduras metálicas enfrentadas, variándose con ello la capacidad.
El dieléctrico empleado suele ser el aire, aunque también se incluye mica o plástico
1 - Capacitores variables giratorios:
Muy utilizado para la sintonía de aparatos de radio. La idea de estos es variar con la ayuda de un eje (que mueve las placas del capacitor) el área efectiva de las placas que están frente a frente y de esta manera se varía la capacitancia. Estos capacitores se fabrican con dieléctrico de aire, pero para reducir la separación entre las placas y aumentar la constante dieléctrica se utiliza plástico. Esto hace que el tamaño del capacitor sea menor.
2 - Capacitores ajustables "trimmer":
Se utiliza para ajustes finos, en rangos de capacitancias muy pequeños. Normalmente éstos, después de haberse hecho el ajuste, no se vuelven a tocar. Su capacidad puede variar entre 3 y 100 picoFaradios. Hay trimmers de presión, disco, tubular, de placas.
12.-CONCLUsIONES
En la práctica realizada se logró determinar la capacidad de un condensador sin dieléctrico y estudiar el efecto de un dieléctrico (aumenta la capacitancia) cuando se introduce entre las placas de un condensador y cuantificar la constante dieléctrica de dos materiales diferentes.
Se comprobó que el efecto de un dieléctrico sobre un condensador es aumentar la capacitancia.
Se determino la capacidad de un condensador de placas paralelas (sin dieléctrico), por dos métodos diferentes.
A partir de la gráfica Q=f(ΔV), también se determinó gráficamente la capacitancia del condensador y se comparó con los métodos anteriores.
Se determinó la constante dieléctrica de dos materiales (plastoformo y plástico) y se comparó con datos obtenidos de Internet
