Capacitancia Dielectricos

Septiembre 16, 2009

Departamento de Física

Código: Fis 1033-03 Laboratorio de Física Eléctrica

©Ciencias Básicas Universidad

del Norte - Colombia

CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS Alida Marimon Email: [email protected] Ingeniería mecánica

Jonathan Figueroa Oñate E-mail: [email protected] Ingeniería mecánica

RESUMEN En esta experiencia se desarrolla una práctica sobre los condensadores o capacitadores. Se analizara la capacitancia de un condensador al variar de manera constante la distancia entre cada uno de los conductores, también otra parte que fue evaluada es la de cambiar el voltaje o las condiciones iniciales del dieléctrico. Se muestran las conclusiones para que el lector tenga una posición emprendedora de la tematica de este informe. ABSTRAC This practical experience is developed on the capacitors or trainers. Analyzing capacitance of a capacitor to constantly vary the distance between each of conductors, also another part that was evaluated is to change the voltage or initial conditions of the dielectric. It shows the findings for the reader entrepreneurial position of the subject of this report.

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INTRODUCCION Un condensador es un dispositivo que sirve para almacenar carga y energía. Está formada por dos placas conductoras (metálicas) de forma arbitraria aisladas una de otra, que poseen carga de igual magnitud pero de signos contrarios, por lo que se produce un campo eléctrico entre las placas. El valor absoluto de la carga de cualquiera de las placas se denomina `la carga del condensador'. Así, si un condensador tiene carga Q, implica que su placa positiva tiene carga +Q y su placa negativa tiene carga -Q.

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Los condensadores tienen muchas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, el `flash' de una cámara fotográfica contiene un condensador que almacena energía necesaria para causar un destello de luz. También se usan en circuitos eléctricos para convertir la corriente alterna en corriente continua. Los capacitadores tienen muchas aplicaciones en la vida diaria de la muchas maneras que la cuales el hombre puede pensar sin embargo con este informe evaluaremos algunos aspectos principales de los capacitadores siguiendo algunas funciones en cada una de los casos que se verana continuación en el procedimiento.

OBJETIVOS General: Establecer la relación entre carga, voltaje y capacitancia para un condensador de placas paralelas. Específicos: 1. Establecer una relación empírica entre el voltaje V y la carga Q, manteniendo la capacitancia del condensador C constante. 2. Establecer una relación empírica entre la carga Q y la capacitancia C, manteniendo el voltaje constante. 3. Establecer la relación empírica entre el voltaje V y la capacitancia C, manteniendo constante la carga Q 4. Comparar los coeficientes dieléctricos de algunos materiales comunes. MARCO TEORICO

Condensador o Capacitador eléctrico: Un condensador eléctrico es un componente eléctrico básico, pasivo, de dos terminales, que acumula carga eléctrica. La relación entre la carga acumulada Q

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(que se mide en coulomb o coulombio, C) y la diferencia de potencial o voltaje V entre los terminales (en volt o voltio, V) que aparece cuando está cargado, es la capacidad eléctrica C del condensador: C = Q/ V Esta capacidad de acumular carga eléctrica (que se mide en farad o faradio, F) es una constante del condensador, que depende de parámetros geométricos y físicos. Cuando se dice que el condensador está "cargado", significa que posee la carga eléctrica máxima que el circuito al que esté conectado le pueda suministrar. Pero el condensador podría seguir cargándose hasta el voltaje máximo ( V)max (o "voltaje de ruptura") que pueda tener sin destruirse. Este es el otro parámetro importante del condensador. El problema de la conservación de la carga eléctrica en el condensador Existe un problema conceptual que le ha producido dolor de cabeza a más de una persona. En la Física hay ciertas leyes de conservación que deben cumplirse en los procesos físicos. Por ejemplo, la carga eléctrica no puede crearse ni desaparecer, es decir, existe un Principio de conservación de la carga eléctrica, que durante la carga y descarga de los condensadores también se debe cumplir. Supongamos que tenemos un condensador cargado y que juntamos los terminales (o sea, que lo "cortocircuitamos"). Vemos una chispa y posteriormente el condensador queda descargado. ¿Qué sucedió con la carga eléctrica? ¿Acaso no se conserva? Este problema se responde viendo cómo funciona un condensador. Las placas metálicas del condensador son neutras, es decir, no hay ni exceso ni defecto de electrones (cargas negativas). Por lo tanto, en cada armadura se tiene 0 coulomb. Cuando se dice que el condensador fue cargado y que tiene carga Q, significa que una placa tiene Q y la otra -Q. Es decir, la energía potencial eléctrica acumulada corresponde a la separación de las cargas, electrones que se fueron de una armadura y que están en la otra. O sea que la carga total en el condensador cargado o cargándose, nunca dejó de ser nula (0 coulomb).

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El problema de la conservación de la energía en los dos condensadores en paralelo Otra ley que parece violar el condensador, es la Conservación de la energía. Existe un problema del que se ha hablado mucho. El problema es hermoso por su sencillez y riqueza de conceptos. Supongamos que tenemos dos condensadores, que para simplificar suponemos idénticos, de capacidad C, y que (también para simplificar) solo uno tiene carga eléctrica Q0; el otro se encuentra totalmente descargado. Por lo tanto, la energía acumulada en todo el sistema (formado por dos condensadores) es la energía que posee el que está cargado: U0 = Q02/(2C)

¿Qué sucede cuando se colocan ambos condensadores en paralelo? Las cargas fluyen hasta que ambos quedan en equilibrio cargados con Q0/2. Entonces, sumando la energía acumulada en cada uno, se observa que ahora la energía total del sistema de dos condensadores es: U = U0/2

PROCEDIMIENTO. En esta experiencia, se indagará la relación entre la carga, el voltaje y la capacitancia de un condensador de placas paralelas, manteniendo una de estas cantidades constante, variando una de ellas y midiendo la tercera. Se insertarán materiales comunes entre las placas del condensador para determinar sus coeficientes dieléctricos. Configuración del ordenador 1.

Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.

2.

Conecte las clavijas del sensor de carga al Canal Analógico A y el del electrómetro al canal B.

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2.

Abra el archivo titulado: DataStudio

Calibración del sensor y montaje del equipo Caso 1: Mantenga C constante, varíe Q y mida V. Para realizar esta práctica realice un montaje como indica la figura 3.1.

En la figura 3.1 el condensador de placas paralelas está conectado al electrómetro, éste está conectado a tierra y una de las esferas a la fuente de voltaje de 1000VDC. Tener el cuidado de ubicar el condensador alejado de la fuente y de la esfera, para evitar que aquel se cargue por inducción. Caso 2: Mantenga V constante, varíe C y mida Q. En la figura 3.2 se muestra la configuración del equipo para este caso:

Las placas del condensador tienen una separación inicial de 6 cm y es conectado a la fuente de voltaje de 1000VDC. La Jaula de Faraday es conectada al electrómetro y éste a tierra. Caso 3: Mantenga C Constante, varíe V y mida Q Tener en cuenta también el montaje de la figura 3.2 para analizar este caso. Caso 4: Mantenga Q constante, varíe C y mida V Para este caso tenga en cuenta el montaje que se muestra en la figura 3.3.

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En la figura 3.3 se muestra el condensador de placas paralelas conectado a el electrómetro y este último a tierra. La fuente de voltaje se usa solamente para cargar la esfera e indirectamente el capacitor empleando el “transportador de carga” Caso 5: Coeficientes dieléctricos Para este caso se apoya en el montaje de la gráfica 3.4

En este montaje se conecta el electrómetro a las placas del condensador y éstas se separan 3mm. TOMA DE DATOS Caso 1: Mantenga C constante, varíe Q y mida V. ( figura 3.1) 1. Presione el botón cero en el electrómetro para remover cualquier carga residual al igual que en las placas del condensador.

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3.

Separe 2mm las placas del condensador. Use el probador plano para transferir carga desde la esfera cargada a las placas del condensador. La carga es transferida simplemente tocando con el probador, primero la esfera y luego una de las placas del condensador. Si siempre tocas la esfera y la placa del condensador en el mismo lugar, se transferirá aproximadamente la misma cantidad de carga cada vez. Observe como varía el potencial medido en toque.

4.

Doble la separación entre las placas del condensador y observe el nuevo potencial medido

Caso 2: Mantenga V constante, varíe C y mida Q. ( figura 3.2) 5.

Descargue momentáneamente el probador de carga (pulsando el botón “cero” en el electrómetro) y úselo para examinar la densidad de carga del condensador usando el cilindro interno de la Jaula al medir la carga. Determine la densidad de carga en varios puntos sobre la placa del condensador – tanto en la parte interna como externa de las superficie

6.

Escoja un punto cerca del centro de la placa del condensador y mida la densidad de carga en esta área para diferentes separaciones de las placas (observa si está creciendo o decreciendo la capacitancia al mover las placas) Caso 3: Mantenga C constante, varíe V y mida Q ( figura 3.2) 7.

El condensador de placas paralelas tiene una separación inicial de 6cm y está conectado inicialmente a una fuente de voltaje de 3000VCD. La Jaula de Faraday está conectada a el electrómetro y éste lo está a tierra.

8.

Mantén la separación de las placas constante y cambiar el potencial a través de las placas, para ello mover el cable de 3000 a 2000V. Examine la densidad de carga cerca del centro de una de las placas del condensador. Repita para 1000VCD. Caso 4: Mantenga Q constante, varíe C y mida V 9.

Con una separación de 2mm, cargue el condensador con el “transportador de carga” realizando varios toques a las placas desde la esfera cargada .

10. Incremente la separación de las placas. Mida el potencial para cada caso. Realice por lo menos 5 mediciones. Evite tocar con sus manos las placas del capacitor. Caso 5: Coeficientes dieléctricos

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11.

Usar la fuente de voltaje para tocar con el “transportador de carga” momentáneamente las placas y cargar el condensador cerca de 4/5 de la escala total. Registrar el voltaje que indica el electrómetro Vi

12. Incrementar cuidadosamente la separación de las placas hasta que haya un suficiente espacio para insertar un dieléctrico sin que éste se tenga que forzar. Asegúrese que el dieléctrico usado esté libre de cargas residuales. 13.

Después de insertar el dieléctrico, retornar las placas a la separación original y registrar la nueva lectura de voltaje que indica el electrómetro Vf

14. Separar las placas nuevamente y remover con cuidado la hoja del dieléctrico. 15.

Retornar las placas a la separación original y confirmar si la lectura del electrómetro está de acuerdo con la lectura original de Vi

16. Repita el experimento para otro(s) materiales dieléctricos.

DATOS OBTENIDOS Y ANALISIS DE DATOS

CASO 1

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CASO 2

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CASO 3

CASO 4

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CASO 5

En este experiencia se dividida en 5 casos, con los cuales se busca entender de manera práctica las relaciones entre la diferentes variables que comprende la capacitancia. Para cada caso se realizaban varios ensayo haciendo en cada una algunas variables dadas y la otras variando, a continuaciones analizaremos caso por caso explicando los datos obtenidos

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Caso 1(mantenga C contante, varié Q y mida V) Podemos darnos cuenta que la se cumple la proporcionalidad en la variables, la grafica obtenida con esta experiencia podrían describir una línea recta pero debido a la interacción que tienes con las placas con el ambiente hay una pérdida de potencial mientras que no sea tocada por el transportador de energía Caso 2(mantenga V contante, varié C y mida Q) Observando nos damos cuenta que el voltaje aumenta a medida que alejábamos las placas, causando una disminución en la capacitancia, ya que la diferencia de potencial es inversamente proporcional al voltaje Caso 3(mantenga C, varié V y mida Q) Con este probamos que si disminuye el voltaje la carga también lo hace, la idea es dejar la capacitancia constante. Caso 4(mantenga Q contante, varié C y mida Q) Después de maneras una carga constante y viarias la distancia nos damos cuenta que la diferencia de potencial disminuye de manera notable, tanto por proporcionalidad de la ecuaciones, como por la pérdida de carga que sufre las placas con el ambiente, debido a que el medio en el que se trabajo no es un medio totalmente aislado Caso 5(coeficiente dieléctrico) Al agregar un dieléctrico en el medio de las placas paralelas la capacitancia aumenta. Se comienza apreciarvoltaje también disminuye hasta llegar un punto de voltaje parecido al inicial cuando se añadió el dieléctrico. Cuando se retira el dialectico nos damos cuenta como el voltaje pasa de una posición menor hasta antes de colocar el dieléctrico

Responda estas preguntas a partir de los datos obtenidos • Pregunta 1:. ¿Qué puede concluir acerca de la relación entre la carga Q y el voltaje V cuando la capacitancia del condensador es constante? R/= por medio de la experiencia realizada en el laboratorio podemos concluir que la relación entre el cociente (Q / V) y la capacitancia es directamente proporcional ya que si aumentamos cualquiera de ellos la capacitancia también aumentara. •

Pregunta 2:.Cuando aumenta la separación entre las placas.¿cómo cambia la capacitancia del capacitor?. ¿Que relación hay entonces entre

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la capacitancia C y la carga en sus placas cuando se mantiene constante la diferencia de potencial V? R/= cuando aumentamos la distancia entre las placas la capacitancia del capacitor va a disminuir y en los conductores la capacitancia es inversamente proporcional a la distancia. •

Pregunta 3: Cuando se mantiene la carga en las placas del capacitor constante. ¿Qué relación hay entre la capacitancia del condensador y la diferencia de potencial V entre sus placas? R/= debido a que la carga en las placas del capacitor se mantiene constante y la distancia entre las placas aumenta por lo tanto la capacitancia disminuye y si esta disminuye entonces la diferencia de potencial aumenta

•

Pregunta 4:¿Qué cambios produce en la magnitud de la capacitancia introducir un dieléctrico entre sus placas? R/= cuando se introduce un dieléctrico entre las placas se produce un cambio en la capacitancia, la diferencia de voltaje disminuye y la capacitancia aumenta, aunque gran parte de ese aumento va a depender de la constante dieléctrica del dieléctrico que se introduzca entre las placas.

CONCLUSION Primero que todo la informaciónobtenida en el experimento de capacitancia y dieléctrico se obtuvouna representación grafica y la relación que tiene la capacitancia(C), el pontencial (V) y la carga (Q) mostrados en las graficas al realizar alguna variación dependiendo de cada casa para evaluarlos de algunos de los 3. Los 5 casos tratados en la experiencia se confirma la relación que tienen estas 3 variables al momento de estudiar de manera clara la capacitancia y dependiendo de cómo son las condiciones iniciales se puede llegar a una mejor observación de este. Con lo aprendido de la cargas y voltajes que utilizamos a diario podemos aplicar el uso de capacitadores para aprovechar al máximo sus utilidades y lo beneficios que pueden dar al los utensilios utilizados por hombre sin embargo hay que tener en

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cuenta que el capacitor hay que tenerle una cierta precaución dependiendo al uso que se le dé a este. BIBLIOGRAFIA • •

Castro Castro Darío, Olivo Burgos Antalcides, Física electricidad para estudiantes de ingeniería, ediciones uninorte http://paginas.fisica.uson.mx/horacio.munguia/aula_virtual/Cursos/ Topicos%20de%20EyE/unidad_3.htm