Laboratorio de Física electricidad ciencias básicas
Universidad Del Norte – Colombia.
LINEAS DE CAMPO ELECTRICO
Rada Ariza Carlos Alfonso Laino Dario Alberto
Email: carada@uninorte.edu.co Email: lainod@uninorte.edu.co
Ing. Mecánica. Ing. Industrial.
ABSTRACT
The laboratory's main goal is to expand knowledge about the capacitor, which have a very everyday use in today's electronics. During the laboratory was observed as it exists as a very broad relationship between the distance to the material found and the area they present to represent when a capacitor (or parallel plate, spherical, coaxial cable.). Also during the practice wanted to know the change that generated a material that was among them (in this case wood and acrylic) as this may increase or decrease its capacitance.
RESUMEN
El objetivo principal del laboratorio es ampliar los conocimientos con respecto a los condensadores o capacitores, los cuales tienen un uso muy cotidiano en la electrónica actual. Durante el laboratorio se observo como existe como una relación muy amplia entre la distancia a al que se encuentran los materiales y el área que estos presentan a la hora de representar un capacitor (ya sea de placas paralelas, esférico, cable coaxial.). También durante la práctica se quiso conocer el cambio que generaba un material que se encontraba entre ellos (en este caso madera y acrílico) ya que este puede aumentar o disminuir su capacitancia.
INTRODUCCION Y OBJETIVOS
Es de suma importancia recalcar que durante esta experiencia la hipótesis principal era la actuación del K como la constante dieléctrica de un material el cual se encuentra entre los conductores del capacitor. A demás de esto durante la práctica se pudo ver a través de las graficas como varia la carga con respecto a la distancias que se encontraba las placas (se debe resaltar que durante la práctica lo que se quiso fue representar un capacitor de placas paralelas) y como por obvias razones no se pudo variar área de las placas circulares era fundamental el delta de la distancia. En esta experiencia se pudo manifestar la importancia de la jaula de Faraday como medidor de cargas y también la conductividad del ser humano ya que este puede descargar un capacitor. También tuvimos bajo las indicaciones del profesor poder comprender el funcionamiento de un capacitor en un circuito poniendo de ejemplo un inodoro ordinario el cual almacena energía, y después de cierto tiempo este se detiene. Otro de los ejemplos mostrados en la experiencia fue la ruptura de un dieléctrico sometiéndolo a grandes diferencias de potencial lo cual nos permitió meditar como un dieléctrico puede actuar durante un campo muy fuerte.
MARCO TEORICO
· Capacitores y Capacitancia
Dos conductores cualesquiera separado por un aislador (o un vacio) forman un capacitor o condensador. Cuando un conductor tiene inicialmente carga cero y después se transfieren electrones de un conductor al otro, estamos cargando el capacitor. De tal manera los conductores tienen cargas iguales pero de diferente signo. Cuando decimos que un capacitor tiene carga Q o almacenada, queremos decir que el conductor que esta al potencial más alto es el Q y así también en sentido contrario.
En diagramas de circuitos se representara de la siguiente manera:
Cuando un capacitor se conecta a una fuente este experimenta una diferencia de potencial Vab fija entre los conductor la cual es igual al voltaje de la batería. El campo en cualquier punto de la región de entre los dos conductores es proporcional a la magnitud de Q de la carga de cada conductor, mas sin embargo la relación entre carga y diferencia de potencial entre los conductores no cambia. Esta relación se conoce como Capacitancia.
Unidad en SI es 1F=1farad=1C/V= 1 Coulomb/ Volt
· Capacitores en Serie y en Paralelo
Los Capacitores se fabrican bajo ciertas Capacitancias estándar pero estas pueden variar dependiendo del modo en que se encuentran ya que para diversos usos es necesaria la combinación de muchos de estos para tener la capacitancia adecuada.
Entonces se debe iniciar conociendo las formas más sencillas de conexión las cuales son la de paralelo y la de serie.
Dos capacitores se encuentran en serie si estos se encuentran conectados por un conductor uno enseguida del otro. Entonces cuando se amplía el diferencial de potencia Vab positiva y es constante entre los puntos los capacitores se cargan y las dos poseen la misma magnitud. Para entender este fenómeno dese cuenta que la primera placa adquiere carga positiva, luego esta carga positiva atrae carga negativa hasta que todas las líneas de campo terminen en placa inferior (esto perteneciente al primer condensador), se debe tener en cuenta que las cargas negativas provenían del otro condensador, el cual realizo el mismo proceso si no que de manera contraria al condensador 1. De esta manera la carga final de la placa inferior del condensador 1 y la de la placa superior del condensador 2, en conjunto siempre debe ser cero ya que solo están conectadas unas con otras y nada más. Entonces en una conexión en serie la magnitud de todas las placas es la misma.
· La capacitancia equivalente: Ceq de la combinación en serie se define como la capacitancia de solo un capacitor cuya carga Q es la misma que la de las combinaciones cuando la diferencia de potencial es la misma.
· Capacitores en paralelo: En este caso las placas superiores de los dos capacitores están conectados mediante alambres conductores para formar una superficie equipotencial y las placas inferiores forman otra. Por tanto en una conexión en paralelo la diferencia de potencial de todos los capacitores individuales es la misma e igual a Vab. De cualquier manera las cargas no son necesariamente iguales puesto que pueden llegar a cada capacitor de manera distinta. Por tanto la capacitancia equivalente: Ceq es igual a un solo capacitor con la suma de las capacitancias de cada uno de ellos.
· Almacenamiento de energía: Las aplicaciones de los capacitores dependen de la cantidad de energía que pueden almacenar, y esta energía almacenada es la misma energía requerida para cargarlo. Es decir para separar las cargas y ubicarlas en los conductores. La energía potencial de un capacitor es el mismo trabajo necesario para cargarlo.
Esto también es igual al trabajo del campo eléctrico realiza cuando el capacitor se descarga. En este caso q disminuye de un valor inicial Q a cero conforme a los elementos de dq caen a través de las diferencias de potencial variando de V a 0. Si se define como cero la energía potencial de un capacitor sin carga entonces W en la ecuación es igual a laa energía potencial en U del capacitor cargado. La carga almacenada final es Q=CV.
Las ecuaciones anteriores nos dicen que la capacitancia mide la facultad de un capacitor de almacenar energía como carga. Si se carga un capcitor conectándolo a una batería o a una fuente que suministre una diferencia de potencial, entonces una mayor carga genera una mayor capacitancia. Casi en todas las aplicaciones los capacitores aprovechan la capacidad de almacenar energía y liberarla.
· Dieléctricos: Casi todos los capacitores poseen un material no conductor, o un dieléctrico, entre sus placas conductoras. Una clase común de capacitores utiliza largas tiras de hoja metálica como placas separadas por tiras de hojas de plástico como el Mylar.
La presencia de un dieléctrico solido máxima o entre las placas de un capacitor tiene tres funciones, primero resuelve el problema mecánico de mantener dos placas pegadas a distancias muy cortas, segundo este aumenta o disminuye la máxima diferencia de potencial posible entre dos placas, existe una ruptura del dieléctrico cuando esta ha alcanzado un campo eléctrico demasiado grande, entonces este tiende a ionizarse parcialmente la cual permite la conducción ante él. La otra función de un dieléctrico es aumentar la capacitancia. La capacitancia C0 está dada por C0= Q/V0 y con el dieléctrico la capacitancia es C= Q/V debido a esto podemos definir una constante dieléctrica la cual es la relación entre C y C0.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
En esta en la cual se analizaron los capacitores se puede subdividir en dos partes. En la primera parte se realizaron los puntos 1-3-5 en los que se procedió a variar la medida de la capacitancia con respecto al cambio de la distancia en esta parte se separo 3 cm luego 5cm de esta manera la capacitancia vario respectivamente como se esperaba. Se debe aclarar que la representación del condensador estaba conectada a un generador de 1000V continuos.
En la segunda parte se midió la capacitancia de la representación del capacitor cuando este poseía un dieléctrico de madera y otro de acrílico, este caso los dieléctrico se pusieron entre las dos placas con sumo cuidado ya que esto podía dañar las mediciones de la experiencia. En esta parte de la experiencia las graficas también respondieron de manera adecuada con las mediciones esperadas ya que con el dieléctrico de madera la capacitancia disminuyo y con el acrílico aumento. En la tercera parte 2-4 se cargo el capacitor por medio del contacto ya que el generador del voltaje estaba conectada a la esfera con superficie conductora, y de manera continua como el condensador estaba conectada electrómetro de modo que se pudo observa como la carga se quedaba almacenada y como después de cierto tiempo esta se descargaba cuando se colocaba en contacto con la mano.
Durante la experiencia del laboratorio también pudimos observa como un capacitor a una gran diferencia de potencial puede acabar explotando debido a la ruptura del dieléctrico. Se debe resaltar que es muy peligroso someter a un capacitor a una diferencia de potencial muy alta.
DATOS OBTENIDOS
Los datos obtenidos están consignados en las siguientes graficas:
Grafica 1: Carga del capacitor
Grafica 2: Medición de la carga entre las dos placas
Grafica 3: La varianza de la carga con respecto ala voltaje
Grafica 4:La variacón del voltaje con respecto ala distancia
Grafica 5 y 6: Dielectricos
ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Análisis de los resultados
Muchas de las hipótesis planteadas al antes de comenzar a realizar la practica de laboratorio fueron comprobadas de manera exitosa y sin muchos inconvenientes, sin embargo uno de ellos tuvo lugar al momento de elaborar la gráfica de el diferencial de potencial vs tiempo, el inconveniente surgió porque el sensor de DataStudio solo es capaz de percibir cierto valor para la tensión y como una de las placas del capacitor fue sobrecargada, entonces esta supero el limite del sensor, por lo tanto la gráfica no era lo que se esperaba. Luego de esto, se tomo la medida de no transferirle demasiada carga al capacitor y simplemente cargarlo un poco mas de la mitad de la medida que el electrómetro puede marcar, para que las lecturas del DataStudio fueran las adecuadas para el buen desarrollo de la experiencia. Luego de esto, descubrimos que realizar cada uno de los procedimientos lentamente produjo mejores resultados, por lo tanto los picos encontrados anteriormente fueron mejorando y así garantizar la certeza de los resultados obtenidos. Durante la experiencia era muy obvio la reacción que causaría la separación de las placas pero lo asombroso fue la reacción que causo la ruptura del dieléctrico, en este caso el aire, cuando este exploto de manera súbita al ponerle un voltaje mucho mas elevado del recomendado o al disminuir la distancia entre las dos placas paralelas del capacitor.
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CONCLUSIONES
Finalmente, en esta experiencia pudimos observar que es muy acertada la analogía que nuestro tutor hizo en clase, al comparar un inodoro con un capacitor, ya que el inodoro almacena agua en su tanque hasta que este llega a su tope, es decir se llena, de igual manera funcionan los capacitores pero en lugar de agua almacenan energía y también cuando están totalmente cargados o llenos por decirlo de otra forma dejan de hacerlo.
Por otra parte encontramos que los dieléctricos plásticos poseen una mayor constante dieléctrica que un material orgánico, también es necesario tener en cuenta el diferencial de potencial que es capaz de generarse entre las dos placas del capacitor porque pudimos observar el efecto negativo producido por las altas tensiones en el dieléctrico. Además fue posible inferir de la practica que para poder construir un capacitor de por lo menos un faradio de capacitancia es necesario la combinación de varios capacitores conectados entre sí hasta obtener la capacitancia requerida.
REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS
[1] CASTRO CASTRO, Darío y OLIVO BURGOS, Antalcides, Física electricidad para estudiantes de ingeniería: notas de clase/ Darío Castro Castro, Antalcides Olivo Burgos. Barranquilla: Ediciones Uninorte, 2008.
[2] SEARS, ZEMANSZY, YOUNG, FREDDMAN, Física universitaria, Undécima edición, volumen II, Ed. Pearson educación, México 2004.
[4] TIPLER, Paul A, Física**, Tercera edición, Tomo II, Editorial Reverté, S.A., España, 1996.
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