PRÁCTICA 8. CAPACITANCIA

PRÁCTICA 8. CAPACITANCIA

Introducción

Durante el desarrollo de ésta práctica, se analizarán aquellos conceptos que integran la función que cumple la capacitancia, notándose también, la manera en que se desarrolla mediante el uso de circuitos eléctricos, desarrollados en base a simuladores inteligentes, que contribuirán a llevar a cabo del desarrollo de dicha práctica, relacionando también, la parte teórica y manual con la parte digital y experimental.

Objetivo

• El alumno identificará las partes físicas que constituyen a un capacitor y explicará su funcionamiento.
• El alumno analizará las ecuaciones que caracterizan a un capacitor.
• El alumno medirá la capacitancia equivalente de capacitores en serie y paralelo.

Fundamento teórico

Un capacitor son dos placas metálicas separadas por un dieléctrico, el cual puede ser electrolítico o no electrolítico.

[pic 1]

Cuando se conecta una batería al capacitor de la figura 1, una placa se carga positivamente y la otra negativamente. Ambas cargas son iguales.

En función de estas cargas el capacitor es capaz de almacenar energía, la cual está en función de la capacitancia del mismo.

La capacitancia (C) se mide en faradios, aunque por ser una unidad muy grande se usa mucho el microFaradio (µF) y el picoFaradio (pF).

Para un capacitor de placas paralelas:

C = εA / d

Se observa que la capacitancia depende de:

a) Tipo del dieléctrico (ε)

b) Tamaño del área de las placas (A).

c) De la distancia entre placas (d).

Al cargarse las placas con una carga “q” el voltaje “V” de la batería aparece entre sus terminales. Se cumple la siguiente relación:

q = CV

Se observa que la carga almacenada depende del valor de la capacitancia y del valor del voltaje en sus terminales.

Una vez cargado el capacitor, si se desconecta la batería, conserva su carga “q” y el voltaje “V”. Se dice que tiene una energía almacenada “E” dada por

E = (1/2) CV2 = (1/2) qV = (1/2) q2 /C

Si se desea descargar esta energía (hacer q = 0 y V =0) se tiene que cortocircuitar sus terminales.

A los distintos tipos de capacitores se les distingue por el tipo de dieléctrico. Así se tienen capacitores con aire como dieléctrico, de cerámica, de Mylar, mica, de tantalio, de aluminio, electrolíticos, etc. Se tienen capacitores de valor fijo y variables.

[pic 2]

Capacitancia equivalente de capacitores conectados en serie:

[pic 3]

[pic 4]

[pic 5]

[pic 6]

Capacitancia equivalente de capacitores conectados en paralelo:

[pic 7]

[pic 8]

[pic 9]

Materiales a utilizar

• Simulador Tinkercad
• Simulador Phet Laboratorio de Capacitores
• Calculadora

Procedimiento (Desarrollo)

1. Con el apoyo del simulador de Tinkercad, se debe realizar el circuito indicado en el manual de la práctica, utilizando los valores que se indican en la imagen para cada capacitor, y colocando los capacitores en serie.

[pic 10]

Posteriormente, se deberá indicar el voltaje existente en cada capacitor, debido a que se trata de un circuito en serie.

1. Utilizando el mismo simulador, se debe realizar el segundo circuito indicado en el manual, utilizando los valores que se indican en la imagen para cada capacitor, siendo éste un circuito en paralelo, por lo que los capacitores deben de colocarse de la misma forma.

[pic 11]

De la misma manera, se debe de indicar el voltaje del circuito, el cual, es un valor en específico, debido a la forma del circuito.

1. Utilizando el mismo simulador, se debe realizar un tercer circuito, utilizando los mismos valores que se indican para cada capacitor, en los circuitos anteriores, realizando un circuito en serie-paralelo.

De ésta misma forma, se deberá indicar el voltaje de cada capacitor.

1. Utilizando en ésta ocasión, el simulador Phet de laboratorio de capacitores, se deben realizar los tres circuitos mencionados anteriormente, cada uno con su conexión correspondiente, pero cambiando los valores que se tenían anteriormente, siendo C1 = 1x10-19 F, C2 = 2x10-13 F y C3 = 3x10-13 F, a su vez, se deberá indicar el valor de la capacitancia equivalente de cada circuito, arrojado por el simulador, y el valor de la carga equivalente, para posteriormente, comparar éstos valores con los valores teóricos obtenidos (manualmente), adecuando en cada circuito un valor de 1.5 V.

Resultados

1. Iniciando con el circuito en serie, se realizó de manera exitosa en el simulador de tinkercad, obteniendo tal y como se presenta en la imagen:

[pic 12]

Iniciando con el primer capacitor de 100 µF, se obtiene el siguiente valor de voltaje:

[pic 13]

Con el segundo capacitor de 220 µF, se obtiene su respectivo valor de voltaje:

[pic 14]

En el tercer capacitor de 470 µF, se obtiene su respectivo valor de voltaje:

[pic 15]

Sumando los valores de voltaje de cada capacitor (6V+ 2.73V + 1.28V), se obtiene un valor de 10 V, el cual, es el correspondiente al circuito.

1. Continuando con el circuito en paralelo, se logró obtener de la siguiente manera en base al simulador:

[pic 16]

Iniciando con los capacitores, se debe considerar que la cantidad de voltaje en todos éstos debe ser el mismo que el de todo el circuito (debido a que la conexión es paralela), por lo cual, se puede observar que el valor de voltaje del primer capacitor es el mismo que es del suministro de energía.

[pic 17]

Continuando con el segundo capacitor, se sabe que el valor del voltaje debe mantenerse igual, por lo que la siguiente imagen, confirma lo mencionado:

[pic 18]

Resulta lo mismo para el tercer capacitor, siendo el valor de su voltaje igual al del suministro de energía:

[pic 19]

1. Con el ultimo circuito, se tiene que la conexión es combinada (serie-paralelo), realizado en el mismo simulador, quedando de la siguiente manera:

[pic 20]

Iniciando con el primer capacitor, se obtuvo el valor de voltaje del primer capacitor, y como éste se encontraba en paralelo, indica que la cantidad de voltaje que hay en éste es igual al que se suministró al circuito (10 V).

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