Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Ingeniería Mecánica Eléctrica Electricidad y Magnetismo Laboratorio Practica:4 CONSTANTES DIELÉCTRICAS Y RIGIDEZ DIELÉCTRICA 1352 Lunes de 15:00 a 17:00 hrs. Aguirre Vidal Jovanny Aguilar Casillas Lancelot Donovan Anzures Osorio Ayrton Eder Sanchez Bolaños Miguel Angel
PRÁCTICA No. 4 CONSTANTES DIELÉCTRICAS Y RIGIDEZ DIELÉCTRICA
OBJETIVOS 1 Determinar experimentalmente la constante de la permitividad del aire. 2. Determinar experimentalmente las constantes dieléctricas de algunos materiales. 3 Obtener experimentalmente la rigidez dieléctrica del aire, de algunos materiales sólidos y líquidos. MATERIAL Y EQUIPO * Un medidor de capacitancia. * Un capacitor de placas circulares. * Muestras circulares de: madera, papel cascaron, hule y fibra de vidrio. * Un transformador eléctrico. * Una caja para ruptura de rigidez dieléctrica. * Un autotransformador variable (variac). * Un multímetro. * Muestras cuadradas de: madera, papel cascarón, plástico, vidrio y hule. * Caja de acrílico con aceite comestible nuevo. * Caja de acrílico con aceite del número 40. * Cables de conexión. * Una regla graduada de 30 cm. *Un Vernier
Introducción Cuando un material conductor o no conductor, se coloca dentro de un campo eléctrico, se produce siempre una redistribución de las cargas del material (este desplazamiento de cargas resultante del campo exterior aplicado, se llama polarización del material). Si el material es conductor, los electrones libres situados dentro de él se mueven de modo que en el interior del conductor el campo eléctrico se anule y constituya un volumen equipotencial. Si el material es dieléctrico, los electrones y los núcleos de cada molécula (átomo) se desplazan por la acción del campo eléctrico, pero puesto que no hay cargas libres que puedan moverse indefinidamente, el interior del material no se convierte en un volumen equipotencial. Los dieléctricos se clasifican en polares y no polares. Molécula polar (dipolo eléctrico permanente), es aquella en la cual los centros de gravedad de los protones y electrones no oinciden, además al introducirse en un campo eléctrico estas se orientan en la dirección del campo eléctrico
1: Describir el fenómeno de polarización para un material conductor al introducirlo dentro de un campo eléctrico uniforme; auxíliese por medio de figuras.
Los átomos están constituidos de protones, electrones y neutrones. Estos se unen entre sí para constituir las estructuras de las diferentes sustancias de acuerdo a las condiciones físicas existentes, como por ejemplo: la temperatura. Si un cuerpo metálico no está sometido a la influencia de un campo eléctrico, sus cargas negativas y positivas están uniformemente distribuidas y se concluye que el cuerpo es neutro. 2. Describa el fenómeno de polarización para un material dieléctrico al introducirlo dentro de un campo eléctrico uniforme Si un material contiene moléculas polares, estarán normalmente en una orientación aleatoria cuando no tiene un campo eléctrico aplicado. Si se aplica un campo eléctrico, polarizará al material, orientando los momentos de dipolos de las moléculas polares. Esto disminuye el campo eléctrico efectivo entre las placas y aumentará la capacidad en una disposición de placas paralelas. El dieléctrico debe ser un buen aislante eléctrico para reducir al mínimo las fugas de corriente DC a través del condensador. 3. Deducir la expresión matemática para la capacitancia de un capacitor de placas planas paralelas.
4. ¿Qué sucede al introducir un dieléctrico entre las placas de un capacitor, aumenta o disminuye su capacitancia? ¿Por qué sucede este fenómeno? Cuando un material dieléctrico se inserta entre las placas de un capacitor, aumenta la capacitancia. Si el dieléctrico llena por completo el espacio entre las placas, la capacitancia aumenta en un factor adimensional k, conocido como la constante dieléctrica. Atómicamente, cuando un dieléctrico se coloca entre un capacitor, o sea en un campo eléctrico. 5. Para una diferencia de potencial dada, ¿Cómo es la carga que almacena un capacitor con dieléctrico con respecto a la que almacena sin dieléctrico (en vacío), mayor o menor?, Faraday descubrió que cuando el espacio entre los dos conductores de un condensador se ve ocupado por el dieléctrico, la capacidad aumenta en un factor k que es característico del dieléctrico y se denomina constante dieléctrica. La razón de este incremento es que el campo eléctrico entre las placas de un condensador se debilita por causa del dieléctrico. Así, para una carga determinada sobre las placas, la diferencia de potencial se reduce y la relación Q/V se incrementa.
6. Defina la constante dieléctrica de un material e indique su expresión matemática. Constante dieléctrica del vidrio: 1.0006 Medida de la capacidad de un material a ser polarizada en un campo eléctrico 7. ¿Qué se entiende por rigidez dieléctrica? Máximo campo eléctrico que no ioniza las moléculas de un dieléctrico. Los campos moderados polarizan los dieléctricos, orientan sus moléculas sin arrancar electrones de sus átomos. No producen, por tanto, corrientes de conducción en el dieléctrico, salvo las que puedan deberse a los pocos electrones libres que pueda haber. Pero si aumenta el módulo del campo, puede llegar a arrancar electrones ligados y, por tanto, a ionizar las moléculas del dieléctrico. 8. Al aplicar una diferencia de potencial a dos placas circulares paralelas, separadas una distancia “d”, se da origen a un campo eléctrico entre placas. ¿Cómo se calcula la intensidad de tal campo eléctrico? La capacidad de un condensador de placas plano-paralelas depende de su geometría y viene dada por Donde Ɛ0 es la permitivilidad del vacío y tiene un valor de 8.85*10-12 C2/Nm2, S es el área de las placas que forman el condensador y d es la distancia de separación entre ella. Si tomamos la distancia de separación entre placas mucho más pequeña que el área de las mismas, se desprecia el efecto de borde y se considera que el campo eléctrico en el interior del condensador es constante. 9. Elabore una tabla con diez materiales dieléctricos con su respectiva constante dieléctrica y valor máximo de campo eléctrico de ruptura (valor de campo eléctrico antes de la ruptura de rigidez dieléctrica). material constante Vidrio 4,5 pyrex Teflón 2,1 porcelana 6,5 polietileno 2,3 Mica 5,4 madera 2,5 a 7,7 caucho 2 a 3,5 Aire 1,00054 Agua 78 Aceite 4,5 piramol 10. Defina qué es un transformador eléctrico y qué se entiende como relación de transformación. Indique su expresión matemática.). El transformador es un dispositivo eléctrico que utilizando las propiedades físicas de la inducción electromagnética es capaz de elevar y disminuir la tensión eléctrica, transformar la frecuencia (Hz), equilibrar o desequilibrar circuitos eléctricos según la necesidad y el caso específico. Transportar la energía eléctrica desde las centrales generadoras de la electricidad hasta las residencias domésticas, los comercios y las industrias. Dicho dispositivo eléctrico también es capaz de aislar circuitos de corriente alterna de
circuitos de corriente continua. La relación existente entre la tensión del selenoide primario (Ep) y la tensión del secundario (Es) es igual a la relación entre el número de espiras del primario (Np) y el número de espiras del secundario (Ns).
Desarrollo de la practica Lo primero que se realizo fue conocer los conceptos de materiales eléctricos y dielectricos que existen y saber que además de materiales solidos. Tambien los liquidos y gases actúan de igual manera. En el capacitor de placas paralelas a una separación de un milímetro se conecto el medidor de capacitancia. Se midio el área de las placas para después realizar el cálculo del área circular de las placas.}
Area de las placas: 506.70 cm2
Se realizo la medición de la permitividad del aire en esa separación. D(mm) C(F) g (aire) 1 .378 .0703 2 .200 .0789 3 .153 .0958 4 .133 .1049 5 .124 .1223 Posterirmente entre las placas se colocaron diversos materiales, madera papel cascaron, hule, fibra de vidrio y bolsa de platico, esto con el fin de medir la capacitancia de los materiales. Primero con el material presnsado entre las placas y después retirándolo dejando la misma separación. Se registraron en las tablas. material D(mm) C (con C(con Kr dielectrico) aire) Madera 6.42 269 105 53203.5 Papel 1.42 494 259 131235.3 cascaron Hule 1.69 1 179 90699.3
Fibra de vidrio Bolsa plastico
0.83
359
270
36809
0.7
632
264.6
134072.82
se armo un circuito donde la intención es medir Preguntas de la practica a) Con los valores obtenidos en la tabla 4.1, determine el valor de la permitividad del aire y compárelo con la permitividad del vacío. - La permitividad del aire es de 1.0005 aprox. No muy diferente a la del vacío que es de 1.0000 b) Atendiendo a las mediciones de la tabla 4.2, calcule la constante dieléctrica de cada muestra. Anotando sus resultados en la misma
dielectrico
Distancia(espesor)m ¿ocurrio ruptuta?
Voltaje de ruptura
Campo eléctrico de ruptura [V/m]
Madera Papel cascaron Platico Hule Vidrio Aceite comestible Aceite #40
0.00688 .0011
No No
149 127
4.61x10^-5* 8.66x10^-6*
.0052 .0017 .005 .002
Si No No no
120 120 120 120
4.333x10^-5 1.416x10^-5* 1.166x10^-5* 1.666x10^-5*
.002
si
125
1.6x10^-5
Experimental, ya que no ocurrio
c) Calcule el campo eléctrico de ruptura para cada distancia, anotando sus resultados en la tabla 4.4 y calcule el valor promedio de ER (campo eléctrico mínimo de ruptura). d) Atendiendo a la tabla 4.5 ¿Por qué algunos materiales no rompen su rigidez dieléctrica - Porque su rigidez dieléctrica es mayor a la de otros materiales y por o tanto soportan un mayor voltaje e) A partir de los resultados anotados en la tabla 4.5 ¿Qué dieléctrico sólido, y que dieléctrico líquido es el mejor, considerando el voltaje de ruptura y la rigidez dieléctrica - En base a los resultados el mejor dieléctrico solido es el vidrio y liquido el aceite 40
f) De ejemplos en donde se apliquen pruebas de ruptura de rigidez dieléctrica. - Los condensadores es el mejor ejemplo ya que ya que usan materiales dieléctricos resistentes a ionización. Esto permite que funcionen a voltajes más altos. También el principio es el que se usa para las plantas para soldar.
Conclusiones Gracias a la práctica podemos concluir que no solo los sólidos pueden ser un dieléctrico si no también gases y líquido. Además, ahora sabemos que materiales comunes son mejores dieléctricos de capacitores dependiendo de su permitividad y también tenemos una idea de hasta que voltajes pueden aguantar antes de quemarse. La rigidez dieléctrica se rompe cuando se supera el máximo de capacidad de los materiales, y se mantiene incluso disminuyendo las condiciones a normales hasta que se alcanza de nuevo.
Por otro lado también debemos considerar las propiedades que cada material posee como dielecrtrico, eso quiere decir que es la capacidad de ser aislantes hasta cierto punto, cuales funcionarian de mejor manera en alguna instalación y evitar accidentes por sobrecarga de voltaje.
