Carga y energía en un sistema de capacitores

Práctico 1

Energía y carga en un sistema de capacitores

Objetivo:

Analizar la carga y la energía eléctrica en un sistema de capacitores conectados en paralelo.

Marco Teórico:

• Concepto de capacitor

Un capacitor es un dispositivo capaz de almacenar  energía a través de campos eléctricos. Los capacitores se utilizan principalmente como filtros de corriente continua, ya que evitan cambios bruscos y ruidos en las señales debido a su funcionamiento. 

[pic 1]

• Placas metálicas: Estas placas se encargan de almacenar las cargas eléctricas.
• Dialéctico o aislante: Sirve para evitar el contacto entre las dos placas.
• Carcasa de plástico: Cubre las partes internas del capacitor.

¿Cómo funciona un capacitor?

En su estado natural cada una de las placas internas tiene el mismo número de electrones. Cuando conectamos una fuente de voltaje una de las placas pierde electrones (siendo esta la terminal positiva), mientras que la otra los gana (terminal negativa). Este movimiento de electrones se detiene cuando el capacitor alcanza el mismo voltaje que la fuente de alimentación.

[pic 2]

El material dialéctico se coloca entre las dos placas y sirve para evitar que estas hagan contacto entre sí, también sirve para que los electrones no pasen de una hacia la otra.

Cuando se desconecta la fuente de alimentación los electrones ganados por una de las placas regresan a la otra placa para alcanzar su estado natural con el mismo número de electrones en cada una.

[pic 3]

Tipos de Capacitores:

• Electrolíticos: se utilizan en corriente directa donde siempre se tiene un polo negativo y uno positivo.

[pic 4]

• Cerámicos: no tiene polaridad, tienen un código impreso en una de sus caras, de los cuales los primeros dos números indican el valor y el tercer numero es el numero de ceros que se le agrega.

[pic 5]

• De película: El material utilizado para este capacitor es el plástico, son no polarizados  y tienen una capacidad de autoreparación, se utilizan principalmente en aplicaciones de audio.

[pic 6]

• Variables: tienen la ventaja de poder variar su valor dentro de los rangos establecidos por la fabricación. Esto se logra gracias al deslizamiento  de las placas conductoras.

[pic 7]

• Asociación en paralelo de dos capacitores

Sean tres capacitores de capacidades C₁, C₂ y C₃ en la figura están conectados en paralelo.

[pic 8]

Si Q₁, Q₂ y Q₃ son las cargas respectivas y ΔV₁, ΔV₂ y ΔV₃ las diferencias de potencial entre las armaduras de cada capacitor, se verifica que:

Q= Q₁+Q₂+Q₃

ΔV= ΔV₁=ΔV₂=ΔV₃

C=C₁+C₂+C₃

Siendo Q la carga total de la asociación y  C la capacidad del capacitor equivalente.

• Carga y energía en un capacitor

La energía almacenada en un condensador, se puede expresar en términos del trabajo realizado por la batería. El voltaje representa la energía por unidad de carga, de modo que el trabajo para mover un elemento de carga dq desde la placa negativa a la placa positiva es igual a V dq, donde V es el voltaje sobre el capacitor. El voltaje es proporcional a la cantidad de carga que ya está en el capacitor.

dU = Vdq =  dq[pic 9]

Si Q es la cantidad de carga almacenada cuando el voltaje entero de la batería aparece en los terminales del capacitor, entonces la energía almacenada se obtiene de la integral.

U= [pic 10]

Materiales:

• Fuente de C.C.
• Capacitores de 1000µF y 470µF
• Placa metálica
• Conexiones
• Multitester
• Soporte

Procedimiento:

1. Armar los circuitos como indican las figuras.
2. Encender la fuente y cargar en capacitor 1.
3. Registrar el valor de voltaje proporcionado por la fuente.
4. Desconectar la fuente y conectar el capacitor 1 al capacitor 2.
5. Registrar el valor del voltaje final.
6. Volver a conectar los circuitos como al principio.
7. Variar el voltaje de salida de la fuente y repetir 3, 4, 5 y 6 hasta completar los espacios vacíos de las tablas de datos.

 Circuitos:

Circuito 1                                                Circuito 2

[pic 11]                        [pic 12]                

Tablas de datos:

...