Laboratorio N° 2 - Física Electrónica - Capacitores

Laboratorio N° 2 - Física Electrónica - Capacitores

Jhon Sebastian Sanabria Mogollon ID 422229

Javier Gamboa Beltrán ID 666319

Dixon Duban Martin Delgadillo ID 576896

Miguel Ángel Giraldo López ID 394617

RESUMEN- Esta práctica de laboratorio está hecha para identificar y analizar por medio de simulaciones y cálculos matemáticos el comportamiento del diferencial de potencia sobre el capacitor en función del tiempo durante los procesos de carga y descarga de un capacitor conectado en serie y paralelo con una resistencia dieléctrica y una fuente de alimentación, a su vez comparar los resultados experimentales y teóricos para el posterior análisis.

Objetivo general:

Identificar y establecer el comportamiento de un condensador al modificarle por medio de un simulador, sus características físicas, como la separación entre sus placas y el área de estas; además de lo anterior, identificar qué sucede cuando se agrega un material dieléctrico a la configuración. Simultáneamente dar evidencia de los valores obtenidos por los estudiantes al realizar las operaciones de las configuraciones en serie y paralelo, con los valores del simulador PHET.

Objetivos específicos:

1. Observar el proceso de carga y descarga de un capacitor en un circuito con conexiones en serie y paralelo.
2. Tabular los datos obtenidos durante la práctica.
3. Realizar las mediciones con base a los datos registrados.

1.INTRODUCCIÓN

Capacitores y dieléctricos

Un capacitor es un dispositivo capaz de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Está formado por dos conductores separados por una región no conductora que generalmente se denomina dieléctrico.

Un capacitor tiene una característica muy importante y es que acumula carga eléctrica en sus placas cuando se conecta una fuente, la cantidad de carga almacenada en cada placa es proporcional a la diferencia de potencial aplicada, es decir:

[pic 1]

Donde la capacitancia C se expresa en Faradios. La potencia en Voltios y la carga en Coulomb.

[pic 2]

Fuente: (UNSL - Departamento de física.)

Es importante resaltar que la capacitancia expresada en Faradios (F) en el sistema internacional se suele escribir por submúltiplos, tales como microfaradios), nano faradios ) y picofaradios ().[pic 3][pic 4][pic 5]

En un capacitor de placas paralelas la capacitancia está dada por:

[pic 6]

en donde d es la separación entre las placas, A es el área de cada placa y es la constante de permitividad eléctrica en el vacío ().[pic 7]

El valor de capacitancia  corresponde al caso de tener vacío entre las placas, si el lugar del dieléctrico es llenado con un material el valor de la nueva capacitancia está dada por:[pic 8]

[pic 9]

Es decir, la capacitancia aumenta con un factor de k con respecto a la permitividad en el vacío, a K se la denomina constante dieléctrica y depende de la sustancia utilizada como dieléctrico.

La relación entre la carga total Q en uno de sus electrodos y la diferencia de potencial V entre los electrodos es siempre una constante denominada capacidad del elemento, que se expresa como:

[pic 10]

Asociación de los condensadores:

En serie:

[pic 11]

En Paralelo:

[pic 12]

PREGUNTAS INICIALES

1. ¿Cuál es la función de un dieléctrico en un capacitor?

RTA: La función de un dieléctrico en un capacitor es que consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).

2. Consulte cuál es la mayor capacitancia a la cual se haya podido construir un capacitor.

RTA:

[pic 13]

Tabla 1. Condensadores

Fuente: (Google)

Se observa que para un capacitor de 4.7mF con una potencia máxima de 250V almacena 13.0 Ohms.

3. ¿Qué configuración posee mayor capacitancia equivalente, tres capacitores en paralelo ó Tres capacitores en serie?

RTA: La configuración que posee mayor capacitancia es la del circuito con tres capacitores en paralelos, ya que es la suma directa de los 3 capacitores y no de la forma 1/ Ceq.

Ejemplo:

Se tiene un circuito en serie donde C123= 2mF

Se tiene un circuito en paralelo donde C122= 2mF

 para circuito en serie:[pic 14]

= 2mF + 2mF +2mF = 6mF[pic 15]

 para circuito en paralelo:[pic 16]

[pic 17]

Por lo tanto:

6mF > ⅔ mF

MATERIALES

En este laboratorio virtual se hizo uso del aplicativo de laboratorio capacitores de la página de Phet simulations.

[pic 18]

           Fuente:  Aulas Uniminuto

PROCEDIMIENTO

El laboratorio virtual se realizaron tres actividades las cuales fueron:

Actividad 1

1. Abra la pestaña aplicación en la pestaña dieléctrico.
2. Saque el dieléctrico por completo del capacitor.
3. Ajuste el área de las placas en 302 mm2 y ajuste el potencial de la batería en 1,5 V
4. Active las pestañas de la derecha Capacidad total, Carga Almacenada y Energía almacenada y deje el valor máximo para la constante dieléctrica en 5.
5. Mueva el dieléctrico hasta donde el desplazamiento relativo sea igual a 10 mm
6. Observe los valores de capacitancia total, carga y energía almacenadas.
7. Realice los cálculos manualmente y compárelos con los obtenidos en el simulador.
8. Mueva el dieléctrico hasta que el desplazamiento relativo sea cero es decir llene por completo el capacitor con el dieléctrico.
9. Observe los valores de capacitancia total, carga y energía almacenadas.
10. Realice los cálculos manualmente y compárelos con los obtenidos en el simulador. 11. Repita los pasos de los puntos 5, 6, 7, 8. 9 y 10 con un capacitor de placas de 100 mm 2  

Actividad 2

1. Abra la aplicación en la pestaña varios capacitores.
2. Diseñe la configuración de la siguiente manera: Dos capacitores en serie uno en paralelo, teniendo en cuenta los capacitores deben tener las siguientes capacitancias. 𝐶1 = 1,0 𝑥10−13𝐹 𝐶2 = 3,0 𝑥10−13𝐹 𝐶3 = 1,5 𝑥10−13𝐹
3. Aplique una diferencia de potencial de 1,5V
4. Active las casillas de la parte derecha correspondientes a Capacidad total, Carga Almacenada, Energía almacenada y Voltímetro
5. Revise los valores que aparecen en las barras correspondientes a los ítems de capacitancia total, carga almacenada y energía almacena.
6. Mida el voltaje en cada capacitor.
7. Realice un esquema del circuito.
8. Calcule manualmente la carga, el voltaje y la energía en cada capacitor.
9. Compare los valores obtenidos con los que muestra el simulador de la carga y voltaje usando el voltímetro.
10. Calcule la energía almacenada en cada capacitor en cada capacitor y compárelo con los datos que muestra la simulación.

Actividad 3

1. Diseñe la configuración de capacitores: Dos en paralelo uno en serie, teniendo en cuenta que los capacitores deben tener las siguientes capacitancias 𝐶1 = 2,5 𝑥10−13𝐹 𝐶2 = 1,0 𝑥10−13𝐹 𝐶3 = 2,3 𝑥10−13𝐹
2. Aplique una diferencia de potencial de 1,0V
3. Active las casillas de la parte derecha correspondientes a Capacidad total, Carga Almacenada, Energía almacenada y Voltímetro
4. Revise los valores que aparecen en las barras correspondientes a los ítems de capacitancia total, carga almacenada y energía almacena.
5. Mida el voltaje en cada capacitor.
6. Realice un esquema del circuito.
7. Calcule manualmente la carga, el voltaje y la energía en cada capacitor.
8. Compare los valores obtenidos con los que muestra el simulador de la carga y voltaje usando el voltímetro.
9. Calcule la energía almacenada en cada capacitor y compárelo con los datos que muestra el programa.

PRESENTACIÓN DE RESULTADOS

Los datos presentados en las siguientes tablas son de las tres actividades mencionadas anteriormente.

Actividad 1

a)

[pic 22]

b)

[pic 26]

c)

...