Dielectrico Y Capacitancia

Septiembre 17 del 2009 _____________________ Departamento de Física Laboratorio de Física Electricidad

© Ciencias Básicas Universidad del Norte – Colombia

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“Capacitancia y dielectricos” Garlin Movilla Suarez

Carlos Alberto Riascos

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Ingeniería Industrial

Ingenieria Civil

RESUMEN

En este laboratorio se realizara un estudio de la capacitancia, de que depende y factores se ve afectada. Tambien se observan los casos en los cuales varia la distancia entre las placas que conforman el capacitor, si varia la carga y el voltaje. Todos estos aspectos son tenidos en cuenta para la realización de este experimento.

ABSTRACT

In this laboratory a study of capacitance, and factors which influence affected. We also observed cases in which varies the distance between the plates that form the capacitor, if the load varies and voltage. All these aspects are taken into account in conducting this experiment.

INTRODUCCION

Los capacitors cada vez asumen un rol mas importante en cuanto a desarrollos tecnologicos. Con un fin de implementaciones posibles a diario somos testigos de los avances que se han alcanzado en los últimos años. De seguro esta en la mente de todos los antiguos celulares que gozaban de un gran tamaño debido en gran parte a las dimensiones que debía tener la batería para garantizar algunas escasas horas de uso. Hoy en dia estos pueden caber en la palma de la mano. Lo mismo sucede con los computadores portátiles que cada vez de hacen mas fácil de llevar. En este informe se analizaran aspectos básicos sobre la capacitancia y conocer como varia.

MARCO TEORICO

¿Qué es capacitancia? Se define como la razón entre la magnitud de la carga de cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial entre ellos. La capacitancia siempre es una cantidad positiva y puesto que la diferencia de potencial aumenta a medida que la carga almacenada se incrementa, la proporción Q / V es constante para un capacitor dado. En consecuencia la capacitancia de un dispositivo es una medida de su capacidad para almacenar carga y energía potencial eléctrica. La capacitancia tiene la unidad del SI coulomb por volt. La unidad de capacitancia del SI es el faradio (F), en honor a Michael Faraday. CAPACITANCIA = 1F = 1 C 1V El farad es una unidad de capacitancia muy grande. En la práctica los dispositivos comunes tienen capacitancia que varían de microfaradios a picofaradios. La capacitancia de un dispositivo depende entre otras cosas del arreglo geométrico de los conductores. ¿Qué es un capacitor? Considere dos conductores que tienen una diferencia de potencial V entre ellos. Supongamos que tienen cargas iguales y opuestas, como en la figura. Una combinación de este tipo se denomina capacitor . La diferencia de potencial V es proporcional a la magnitud de la carga Q del capacitor.(Esta puede probarse por la Ley de coulomb o a través de experimentos. Un capacitor se compone de dos conductores aislados eléctricamente uno del otro y de sus alrededores. Una vez que el capacitor se carga, los dos conductores tienen cargas iguales pero opuestas. Tipos de capacitores Los capacitores comerciales suelen fabricarse utilizando láminas metálicas intercaladas con delgadas hojas de papel impregnado de parafina o Mylar, los cuales sirvan como material dieléctrico. Estas capas alternadas de hoja metálica y dieléctrico después se enrollan en un cilindro para formar un pequeño paquete. Los capacitores de alto voltaje por lo común constan de varias placas metálicas entrelazadas inmersas en aceite de

silicón. Los capacitores pequeños en muchas ocasiones se construyen a partir de materiales cerámicos. Los capacitores variables (comúnmente de 10 a500 pF) suelen estar compuestos de dos conjuntos de placas metálicas entrelazadas, uno fijo y el otro móvil, con aire como el dieléctrico. Un capacitor electrolítico se usa con frecuencia para almacenar grandes cantidades de carga a voltajes relativamente bajos. Este dispositivo, mostrado en la figura consta de una hoja metálica en contacto con un electrolito, es decir, una solución que conduce electricidad por virtud del movimiento de iones contenidos en la solución. Cuando se aplica un voltaje entre la hoja y el electrolito, una delgada capa de óxido metálico (un aislador) se forma en la hoja y esta capa sirve como el dieléctrico. Pueden obtenerse valores muy grandes de capacitancia debido a que la capa del dieléctrico es muy delgada y por ello la separación de placas es muy pequeña. Cuando se utilizan capacitores electrolíticos en circuitos , la polaridad (los signos más y menos en el dispositivo) debe instalarse de manera apropiada. Si la polaridad del voltaje es aplicado es opuesta a la que se pretende, la capa de óxido se elimina y el capacitor conduce electricidad en lugar de almacenar carga. Placas Lamina electrolito caso metálica Contactos Aceite Línea metálica Papel +capa de óxido

METODOLOGIA DE LA EXPERIENCIA

En cada uno de los primeros cuatro casos se mantendrá una cantidad constante se variará la otra y se medirá la tercera. Caso 1: La esfera se conecta a una fuente de voltaje de 1000VDC para cargarla y luego con el transportador de carga se transfiere carga de la esfera al capacitor. Se observa como varía el potencial a medida que se toca el condensador con el transportador de carga. Este proceso se repite para dos separaciones diferentes de las placas del capacitor. Inicialmente 2cm y luego 4cm.

Caso 2: Se conecta el capacitor de placas paralelas a una fuente de voltaje de 3000V. La jaula de Faraday se conecta al electrómetroy este a tierra. Luego se mide la densidad de carga del condensador a separaciones diferentes entre las placas.

Caso 3: se separan las placas a 3 cm y a su vez se conecta a la fuente de voltaje a 3000Vseparación. En este caso la distancia entre las placas se mantiene constante pero se varia el voltaje de 3000V a 2000V y por último a 1000V(este valor no se tuvo en cuenta para realizar el análisis). Caso 4: con una separación constante entre las palcas se carga el condensador mediante el transportador de carga que se pone en contacto con la esfera cargada. Caso 5: una vez cargado el condensador mediante los pasos del caso 5 se introduce en medio de este un placa de dieléctrico lo quq ocasionara una diferencia de potencial.

ANALISIS Y RESULTADOS

Las graficas están referenciadas en un sistema de voltaje contra tiempo. En el primer caso (grafica 1) al ir transfiriendo carga al capacitor el voltaje va aumentando hasta llegar a 74 V donde el capacitor obtuvo su carga máxima.

Grafica 1

En el segundo caso, se aplico al capacitor una diferencia de potencial de 3000 V, y la distancia de separación entre las placas es de aproximadamente 3cm lo que nos da una capacitancia de 7.08pF. La grafica 2 muestra un voltaje de 20.9 V, de la definición de capacitancia podemos determinar la cantidad de carga en el capacitor Q=CV= =

(7.08 pF )(20.9V )

1.479x10 −10 C

Luego separamos las placas una distancia de 5cm cuya capacitancia es de 4.25pF, para este caso la grafica 2 muestra un voltaje de 18V con lo cual hallamos nuevamente la cantidad de carga almacenada en el capacitor Q=CV=(4.25pF)(18V)=

7.65x10 −11 C

Al aumentar la distancia entre las placas la capacitancia disminuye, primero se obtuvo un voltaje de 14V y una carga de

, después de separar mas las placas se

1.479x10 −10 C obtuvo un voltaje de 10.9V y una carga de

.

7.65x10

−11

C

Grafica 2

En el tercer caso, trabajamos con una capacitancia de 3.54pF, el cual se conectó inicialmente a una fuente de voltaje de 3000V, determinamos la cantidad de carga mediante la definición de capacitancia y los datos obtenidos en la grafica 3, Q=CV=(3.54pF)(14V)=

.

4.956x10

−11

C

Ahora conectamos el mismo capacitor a un voltaje de 2000V, hallamos la cantidad de carga con los datos de la grafica 3 en este caso tenemos: Q=CV=(3.54pF)(11 V)= (Se desprecia el caso de 1000 V).

3.894x10

−11

C.

Grafica 3

En el cuarto caso, se cargo el capacitor, según la grafica 4

Grafica 4 En este caso se carga el condensador. Esta carga se realiza por medio del transportador de carga que se acerca la esfera que a su vez se encuentra conectada a la fuente de voltaje. Por esta razón el electrómetro registra un incremento en el voltaje.

En el quinto caso, cargamos el capacitor al máximo, con una separacion entre las placas de 2cm y una capacitancia de 10.62pF, una vez el capacitor obtuvo su carga máxima, a los 23.5s aprox según la grafica 6, se insertó el dielectrico y podemos observar un decrecimiento exponencial en el voltaje, que va desde 120V (voltaje máximo) a 5.7V (voltaje mínimo).

Grafica 5(Vidrio) En el quinto caso, cargamos el capacitor al máximo, con una separacion entre las placas de aproximadamente 3cm y una capacitancia de 10.62pF, una vez el capacitor obtuvo su carga máxima, a los 5s aprox según la graficas 5 y 6 (acrílico y vidrio), se insertó el dielectrico y podemos observar un decrecimiento exponencial en el voltaje, que va desde 62.6V (voltaje máximo) a 53.7V (voltaje mínimo).

Grafica 6(acrílico)

CONCLUSIONES

Mediante el desarrollo de esta práctica se concluyeron factores como que la capacitancia es independiente de la carga y el voltaje y las limitaciones que tienen los capacitores de almacenar carga dependiendo de su geometría.

BIBLIOGRAFIA

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SEARS - ZEMANSKY - YOUNG –FREEDMAN, “Fisica universitaria” Tomo II. 9na edicion. PEARSON EDUCACIÓN.

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R.A. Serway, Fisica ", Tomo II. 4ta Edicion. Ed. MC. Graw-Hill (1996).

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L. Hewitt, “Conceptos de física”; 2da edición 2da Edicion. MC. Graw-Hill