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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ARAGÓN
ALUMNO: SANTOS PIÑA JUAN DANIEL.
MATERIA: LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO.
CARRERA: INGENIERIA INDUSTRIAL.
PROFESOR: ING. NOÉ GONZALEZ ROSAS.
FECHA DE ENTREGA: 01 DE OCTUBRE DE 2012.
“PRACTICA #6 “RIGIDEZ DIELECTRICA.
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INDICE: 1.- OBJETIVOS…………………………………………………………..3 2.- CONCEPTOS NECESARIOS……………………………………...3 3.- EQUIPO……………………………………………………………….3 4.- INTRODUCCION…………………………………………………….3 5.- DESARROLLO……………………………………………………….5 6.- CUESTIONARIO FINAL…………………………………………….8 7.- APLICACIONES…………………………………………………….12 8.- CONCLUSIONES………………………………………………..…13 9.- BIBLIOGRAFIA……………………………………………………...13
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OBJETIVOS:
Conservar la ruptura de la rigidez dieléctrica del aire y de algunos sólidos y líquidos. Cuantificar el valor del campo eléctrico para el cual ocurre la ruptura en algunos materiales.
CONCEPTOS NECESARIOS: a) b) c) d) e)
Campo eléctrico entre placas planas y paralelas Potencial eléctrico Diferencia de potencial Cargas inducidas Susceptibilidad, coeficiente dieléctrico y permitividad
EQUIPO:
1 probador de ruptura y sus accesorios 1 autotransformador variable de 0 a 120 Volts 1 multímetro 1 regla graduada 1 juego de muestras de sólidos 1 juego de muestras de líquidos 1 tablero de conexiones Juego de caimanes Puntas de prueba
INTRODUCCIÓN: CLASIFICACIÓN GENERAL DE LOS MATERIALES La clasificación general de los materiales es: conductores (tienen de uno a tres electrones en su última capa orbital); semiconductores ( tienen cuatro electrones en su última capa orbital); y aislantes (tienen entre 5 y 8 electrones en su capa de valencia); estos últimos también conocidos como dieléctricos; la propiedad principal que presentan es la de no permitir el flujo de electrones a través de su estructura. CONSTANTE DIELÉCTRICA Cada material tiene un valor que determina el grado en que serán más efectivos como dieléctricos (aislantes). Este valor recibe el nombre de constante dieléctrica de ese material.
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Ejemplos: MATERIAL AIRE RESINA HULE DURO PAPEL SECO VIDRIO BAQUELITA MICA PORCELANA MYCALEX COMPUESTOS DE DIOXIDO DE TITANIO
CONSTANTE DIELECTRICA (K)ADIMENSIONAL 1 2.5 2.8 3.5 4.2 4.5 A 7.5 5A9 5.5 8 90 A 170
AFECTACIONES AL DIELÉCTRICO: Existen características físicas y químicas que pueden modificar las propiedades dieléctricas de un aislador, tales como: espesor, forma, humedad, salinidad, etc. La diferencia entre los buenos y los malos dieléctricos se pueden explicar según el grado de facilidad con que las fuerzas electrostáticas afectan a las moléculas del dieléctrico. RIGIDEZ ELÉCTRICA: Todo aislante tiene una propiedad llamada rigidez dieléctrica, que indica la máxima tensión que puede ser aplicada en los extremo de un dieléctrico de manera segura; si se excede esta tensión, las moléculas del material dieléctrico se romperán y se producirá un arco eléctrico entre las placas a través del dieléctrico. De esta manera, se puede definir a la rigidez dieléctrica como la máxima tensión permisible para un espesor especifico de un material antes de que se convierta en conductor.
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Ejemplo: MATERIAL Aire Fibra Vidrio Aceite de ricino Baquelita Porcelana Papel parafinado Papel encerado Mica
RESISTENCIA DIELECTRICA (V/0.01 cm) 80 50 200 370 500 750 1200 1800 2000
CAMPO ELÉCTRICO Se establece que el campo eléctrico aplicado es directamente proporcional al voltaje de ruptura (dado en KV), e inversamente proporcional a la distancia entre las placas (dada en mm). Es decir: E=
[
]
Donde: Vr es el voltaje de ruptura. d es la distancia entre electrodos (espesor del material) DESARROLLO: 1.-Conecte el voltímetro a la salida del autotransformador variable (Variac) como se indica en la figura siguiente; y observe que sucede al variar el control de variac. Asegúrese de que el multímetro está siendo empleado en la forma correcta.
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MEDICIÓN DE LA RIGIDEZ DIELÉCTRICA EN GASES (AIRE): 2.-Conecte el primario del transformador a la salida del Variac como se indica en la figura
3.-Fije una separación entre electrodos de 1 cm., encienda el Variac y lentamente incremente el voltaje hasta observar la ruptura de la rigidez dieléctrica del aire. En este momento abra la puerta del probador de ruptura Con lo cual se interrumpe el alto voltaje-. 4.-Tome nota de la diferencia de potencial en elvoltímetro en el momento en el que ocurre la ruptura. Voltaje de ruptura del aire = 86.3 Volts. NOTA: en el instante en que ocurre la ruptura de la rigidez dieléctrica los dos focos indicadores se encenderán intensamente, este efecto será útil para detectar la ruptura en el resto de los dieléctricos. 5.-Realice pruebas con los elementos separados a 0.3, 1.0 y 1.6 cm., usando el aire como dieléctrico. Distancia entre electrodos (mm) 3mm 10mm 18mm
Se logro ruptura (si/no) Si Si si
Voltaje marcado en el multímetro 23.7V 119.6V 135.5V
MEDICIÓN DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA EN MATERIALES SÓLIDOS. 6.- Sujete entre los electrodos una muestra de dieléctrico sólido, y repita la prueba para cada una de las muestras, concentrando sus resultados en el cuadro siguiente.
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DIELÉCTRICO
SE LOGRO RUPTURA (SI/NO)
Madera Acrílico Vidrio Hule
Si No No No
VOLTAJE MARCADOEN EL MULTIMETRO (V) 118.5 149.5 151.1 149
DISTANCIA ENTRE Voltaje de ELECTRODOS ruptura (mm) 3 3 3 3
11177.95 Sin ruptura Sin ruptura Sin ruptura
MEDICIÓN DE RIGIDEZ DIELÉCTRICA EN LÍQUIDOS: 7.- Para realizar la prueba con dieléctricos líquidos, introduzca completamente los electrodos en cada una de las muestras a experimentar. Realice la prueba con los electrodos separados 0.3 cm para cada una de las muestras. Anote sus mediciones.
DIELÉCTRICO
Gasolina blanca Aceite Thinner Alcohol
SE LOGRO RUPTURA (SI/NO)
VOLTAJE MARCADOEN EL MULTIMETRO (V)
Si
65.5
3
6188.97
Si Si Si
81.7 119.5 117.7
3 3 3
7719.68 11291.33 11121.25
DISTANCIA ENTRE Voltaje de ELECTRODOS ruptura (mm)
IMPORTANTE: limpiar los electrodos perfectamente antes de introducirlos a la siguiente muestra de líquido. NOTA: recuerde que para obtener el voltaje real de ruptura ó el soportado, es mediante la ecuación:
Vros=
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CUESTIONARIO FINAL: 1.- ¿Cuál es el campo eléctrico de ruptura del aire en KV/mm para una distancia entre electrodos de 1 cm? R= *Ruptura de la rigidez dieléctrica del aire: 86.3 Volts. = 86300 KV. *Distancia entre electrodos = 1 cm. = 10 mm. Formula: E= VR / d (KV/mm) E=
= 8630
2.- A partir del resultado obtenido en la pregunta anterior calcule la separación necesaria entre electrodos para que No se logre romper la rigidez dieléctrica del aire, al alcanzar el voltaje máximo (12,000 V). Formula: E= VR / d (KV/mm) Despejamos: D= VR / E (mm) D=
= 8630 mm. = 863 cm. = 8.63 m.
3.- Concentre los resultados de los experimentos en los siguientes cuadros. DIELECTRICOS EN LOS CUALES SE LOGRO RUPTURA DIELECTRICO DISTANCIA ENTRE VOLTAJE DE CAMPO ELECTRICO PLACAS (mm) RUPTURA (KV) DE RUPTURA KV/mm)
*MADERA
3 mm.
11177.95
39433.33
*GASOLINA BLANCA
3mm.
6188.97
21833.33
7719.68
27233.33
11291.33
39833.33
11121.25
39233.33
*ACEITE
3mm.
*THINNER
3mm.
*ALCOHOL INDUSTRIAL.
3mm.
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PARA EL CÁLCULO DEL CAMPO ELECTRICO DE RUPTURA: Madera: *Voltaje marcado en el multímetro= 118.3 V. = 118300 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 39433.33
Gasolina Blanca: *Voltaje marcado en el multímetro= 65.5 V. = 65500 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 21833.33
Aceite: *Voltaje marcado en el multímetro= 81.7 V. = 81700 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 27233.33
Thinner: *Voltaje marcado en el multímetro= 119.5 V. = 119500 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 39833.33
Alcohol industrial: *Voltaje marcado en el multímetro= 117.7 V. = 117700 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 39233.33
PARA EL CÁLCULO DEL VOLTAJE DE RUPTURA. VROS=
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Madera: *Voltaje del multímetro: 118.3 V. *Voltaje del transformador: 12000 KV. *Voltaje de línea: 127 V. VROS=
= 11177.95 KV
Gasolina blanca: *Voltaje del multímetro: 65.5 V. *Voltaje del transformador: 12000 KV. *Voltaje de línea: 127 V. VROS=
= 6188.97 KV
Aceite: *Voltaje del multímetro: 81.7 V. *Voltaje del transformador: 12000 KV. *Voltaje de línea: 127 V. VROS=
= 7719.68 KV
Thinner: *Voltaje del multímetro: 119.5 V. *Voltaje del transformador: 12000 KV. *Voltaje de línea: 127 V. VROS=
= 11291.33 KV
Alcohol industrial: *Voltaje del multímetro: 117.7 V. *Voltaje del transformador: 12000 KV. *Voltaje de línea: 127 V. VROS=
= 11121.25 KV
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DIELECTRICOS EN LOS CUALES NO SE LOGRO LA RUPTURA DIELECTRICOS DISTANCIA ENTRE CAMPO ELECTRICO PLACAS (mm) SOPORTADO (KV/mm) *HULE 3mm 49700 *VIDRIO
3mm
50366.66
*ACRILICO
3mm
49966.66
Hule: *Voltaje marcado en el multímetro= 149.1 V. = 149100 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 49700
Vidrio: *Voltaje marcado en el multímetro= 151.1 V. = 151100 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 50366.66
Acrílico: *Voltaje marcado en el multímetro= 149.9 V. = 149900 KV. *Distancia = 3mm. E=
= 49966.66
4.- Explique usted el fenómeno de ruptura de la rigidez dieléctrica en función del campo eléctrico y las cargas inducidas. R= Los dieléctricos son los materiales que no conducen la electricidad. Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho material en un conductor. Cuando un cuerpo es descargado se coloca dentro de un campo eléctrico existe una redistribución de cargas del cuerpo. Si el cuerpo es un conductor, los electrones libres que se encuentran dentro del cuerpo se mueven haciendo que en el interior del cuerpo el campo eléctrico se anule.
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Si el cuerpo no es conductor los electrones y núcleos positivos de cada molécula se desplazarán por la acción del cuerpo, haciendo que en el interior del cuerpo el campo eléctrico se anule; en ambos casos el campo eléctrico es nulo, pero algunas regiones adquieren un exceso de cargas ya sean positivas o negativas, siendo estas cargas las cargas inducidas. 5.- Diga usted porque algunos materiales no rompen su rigidez dieléctrica en presencia de un campo eléctrico. R= Porque algunos materiales se resisten casi totalmente al paso de corriente eléctrica y con esto no sobre pasa la capacidad del campo eléctrico. En realidad no existen materiales totalmente aislantes o conductores, son mejores o peores conductores eléctricos. 6.- ¿Qué factores físicos afectan la ruptura de la rigidez dieléctrica? R= La forma del material y su espesor. 7.- ¿Qué factores químicos afectan la ruptura de la rigidez dieléctrica? R= La humedad del material. 8.- ¿Cómo afecta la humedad a los aislantes? R= La molécula del agua (H2O) modifica la composición del dieléctrico. 9.- Si se requiere el uso de un buen dieléctrico sólido. ¿Cuál de los utilizados en los experimentos utilizaría y explique porque? R= El vidrio porque nunca se logró la ruptura de este buen dieléctrico.
10.- Si tuviera la necesidad de emplear un buen dieléctrico liquido en la práctica, ¿Cuál escogería y diga la razón? R= Ninguno porque se logra una ruptura y esto indica que son conductores. APLICACIONES: El aceite empleado en los transformadores eléctricos (de mas de 50KVA) es periódicamente sujeto a revisión, para comprobar sus características como:
Grado de humedad Rigidez dieléctrica Color Y otras
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Si han existido modificaciones en las propiedades del aceite, este deberá sustituirse. Otra aplicación importante de los dieléctricos se da, en los capacitores, los cuales se estudiaran en prácticas posteriores.
CONCLUSIONES: En esta presente práctica logre aprender los conceptos básicos que se refieren a la rigidez dieléctrica que sin duda alguna me ayudaran para mi formación como estudiante y posteriormente para mi ingeniería. Logre apreciar las diferencias que existen entre un material dieléctrico y un material que simplemente permite el paso del voltaje y sus principales aplicaciones en los diferentes aparatos que utilizamos en nuestra vida cotidiana. Además aprendí a utilizar el autotransformador variable y sus aplicaciones en los diferentes materiales sólidos y líquidos presentes en nuestra práctica experimental, en este experimento logramos cumplir los principales objetivos establecidos al principio de este archivo en el cual logramos observar la ruptura de la rigidez dieléctrica del aire y de algunos materiales, también cuantificamos el valor del campo eléctrico para el cual ocurrió la ruptura de los sólidos y líquidos. Sin duda estos conocimientos podemos aplicarlos a nuestra vida real y creo que todos alguna vez hemos aislado algún material por ejemplo los cables de bocina de nuestro automóvil, los cables de corriente de algunos focos o incluso si tenemos algún equipo de sonido aislar los polos de la fuente, esta práctica es la que me ha parecido demasiado interesante y muy padre porque la ruptura es algo que no había podido observar. Lo que no me gusto fue que la practica la realizamos en 15 minutos y no logramos apreciar un poco más lo que ocurría con cada uno de los materiales, todo fue demasiado rápido y con presión del tiempo debido a que nuestro profesor de aplicaciones de las propiedades de la materia es demasiado estricto y comienza la clase exactamente a las 11:30, no importándole que solo este una persona en el salón de clase. BIBLIOGRAFIA: -Electricidad y Magnetismo -A. Serway Raymond -Ed. McGRAW-HILL -Primera Edición -Mexico DF (1999)
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*http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/dielectricos/dielectrico.htm *http://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico *http://html.rincondelvago.com/materiales-dielectricos.html *http://html.rincondelvago.com/dielectricos-liquidos.html
