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Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán Campo 1 Laboratorio de Electricidad y Magnetismo Departamento de Física Profesor. Jesus Felipe Lanuza García Aula L3-L3000A Grupo 1301-A Semestre 2019-1 Reporte experimental Practica 3. Capacitancia y capacitores Integrantes de equipo: García García Alejandro González Bernardino Wullie Maldonado Barquera Gerardo Reyes Castro Ana Belem Vega Aguado Cristian

Introducción Un capacitor define a un dispositivo eléctrico que permite almacenar energía en forma de campo eléctrico, lo que quiere decir que es un dispositivo que almacena cargas en reposo o estáticas, una batería común también tiene la capacidad de almacenar energía pero es diferente a un capacitor, en este caso el capacitor solo almacena la energía y puede actuar de filtro en un circuito electrónico, en cambio, la batería no solo almacena la energía sino que también la genera. Este es un aspecto en el cual hay mucha confusión. Los capacitores no siempre existieron, se llevó a cabo un proceso para su creación, todo empezó con Ewald Jürgen Von Kleist quien descubrió de forma fortitua en 1745, durante unos experimentos con electricidad electrostática, que la electricidad se podía almacenar en una especie de recipiente, llamado después botella de Leiden que fue el primer condensador práctico. En circuitos en los que el voltaje de la corriente eléctrica tiene una gran fluctuación mediante la conexión de un capacitor intermedio se puede nivelar bastante esta fluctuación, ya que cuando el voltaje aumenta la energía sobrante es almacenada por el capacitor y cuando baja la energía acumulada es liberada, además de que si a ese circuito se le agrega una resistencia junto al capacitor la fluctuación en el voltaje casi desaparece por completo. El presente reporte habla sobre el funcionamiento de los capacitores en varios circuitos específicos, además de la forma en que se debe usar y las precauciones que se deben de tomar para conservar la integridad del equipo y del personal. Es importante tomar en cuenta que muchos aparatos electrónicos que se utilizan en la actualidad están diseñados a partir de circuitos eléctricos que contienen capacitores integrados, estos se utilizan para almacenar una carga que se debe liberar rápidamente como lo es el flash de una cámara y también se usan para eliminar ondas o rizos en la frecuencia de la corriente eléctrica. En la naturaleza se pueden encontrar capacitores naturales como lo son los relámpagos donde hay dos placas, la nube y la tierra, mientras que el rayo es la carga liberada entre estas dos placas, es importante reconocer que este capacitor al ser tan grande tiene una inmensa cantidad de energía. Objetivos 1. Distinguirá los diferentes tipos de capacitores y sus características. 2. Verificará que los capacitores almacenan energía. 3. Verificará la relación que cuantifica la carga y el voltaje en un arreglo de capacitores en sus diferentes tipos de conexión. Evidencia experimental

Prueba destructiva de capacitores Armado del circuito, se debe tener en cuenta que en la conexión de la polaridad del capacitor debe estar invertida y además para realizar la prueba destructiva se tiene que administrar un voltaje mayor al voltaje del capacitor. Antes de energizar el circuito debe estar puesta la caja de acrílico.

Capacitor como filtro de señal de audio

Variación de la frecuencia en el generador, hasta escuchar un sonido y siga incrementándola hasta que se deje de oír.

Mantener una frecuencia audible y a continuación se agregó un capacitor que sirva como filtro.

Almacenamiento de energía en un capacitor y Energización de un capacitor.

Verificación de un capacitor se encuentre descargado y posteriormente realizar la conexión a la fuente de poder. Desconectar el capacitor, teniendo cuidado de no tocar sus terminales y conectar a las terminales del voltímetro.

Desenergización de un capacitor con LED.

Descarga de un capacitor por medio de un led o conocido también como diodo.

Circuitos con capacitores. Capacitores en serie

Capacitores en paralelo

Capacitores serie-paralelo.

Tabla de resultados “Concentrado de voltajes en capacitores” Circuito Serie Paralelo Serie-Paralelo

Vc1 47μF (volts) 8.42 10.61 6.9

Vc2 100μF (volts) 2.133 10.61 3.6

Vc3 22 μF (volts) 3.6

Análisis de Resultados Cuestionario ¿Qué parámetros debe especificar el fabricante de un capacitor? Los capacitores siempre indican la capacidad en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también pueden venir indicados otros parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar. Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formas más usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes:

¿Por qué debemos respetar el valor del voltaje y la polaridad especificados en los capacitores? Si un condensador se somete a una tensión mayor que la que soporta, se puede perforar internamente y sufre un fallo permanente. No siempre, pero en este caso es visible el daño desde el exterior apreciándose un punto con aspecto de quemado, pueden también agrietarse, e incluso reventar. En el caso de la polaridad, todos los tipos de condensadores carecen de polaridad, se pueden conectar sus dos patillas de forma indistinta...excepto los electrolíticos, que sí tienen polaridad. Tienen un terminal negativo y otro positivo que hay que respetar. De no hacerlo, no sólo pueden producirse averías graves en el circuito donde estén montados sino que provocaremos la rotura del propio condensador en cuestión de segundos. ¿Cuál es el rango de la frecuencia audible? En las frecuencias bajas, en el límite inferior, los sonidos se perciben como ritmo. En un rango justo por encima de los 20 Hz, aún se puede distinguir cada oscilación y por lo tanto sentir el sonido como si fueran pulsaciones mientras que en las frecuencias se puede escuchar hasta un cierto límite, siendo muy raro encontrar personas que escuchen sonidos por encima de 16.000 Hz. ¿Cómo funciona un capacitor como filtro para señales de audio y qué concluye respecto a lo sucedido? Un filtro es un circuito que permite el paso de un conjunto de frecuencias, atenuando el resto. Pasa las frecuencias de la señal que deseas, reduciendo las que no deseas. Puedes elegir entre dos tipos básicos de filtros: de paso bajo y de paso alto. Un filtro de paso bajo elimina el ruido por encima de un punto especificado, llamado frecuencia de corte. Un paso alto elimina el ruido por debajo de su frecuencia de corte. Una vez determinado el tipo de filtro, determina la frecuencia de corte, calcula los valores de capacitancia y resistencia, construye el filtro y conéctalo a su circuito.

Su uso es fundamental en muchísimas aplicaciones. Por ejemplo, cuando sintonizas la radio, lo que estás haciendo es cambiar la capacitancia de un condensador variable (en las radios modernas se utilizan Varicaps, cuya capacitancia se puede alterar eléctricamente), con lo que modificas las frecuencias que pasan, permitiendo que se escuche una emisora u otra. Explique por qué el voltímetro marca un voltaje al conectarse al capacitor. En un capacitor cargado se crea una diferencia de potencial entre sus dos placas, representadas por un campo de fuerza eléctrica en sus superficies metálicas, creado por dos cargas diferentes: una positiva (+) en una y otra negativa (–) en la otra. Esa diferencia de potencial induce en el dieléctrico un campo electrostático, cuya misión es retener momentáneamente la carga eléctrica almacenada en el capacitor desde el mismo momento que lo desconectamos de la fuente suministradora de energía eléctrica. Cuando un capacitor se encuentra completamente cargado, si lo desconectamos del circuito mantiene toda su carga de energía eléctrica durante un corto período de tiempo. Además, una vez que el capacitor se desconecta de la fuente de FEM, comienza de inmediato un proceso de “autodescarga” de la energía acumulada si no se emplea para realizar algún trabajo útil conectado en un circuito eléctrico o electrónico. ¿Qué concluye de acuerdo a lo observado cuando es conectado un LED (diodo emisor de luz) a las terminales del capacitor? Como ya vimos un capacitor pueden almacenar exceso de la energía eléctrica, ya que por sí solo pudo encender momentáneamente el LED. Además que entre más grande sea el condensador, más voltaje puede almacenar, incluso después de apagarlo. Antes de trabajar en un aparato electrónico, primero se debe descargar el condensador. Los condensadores se descargaran por si solos con el tiempo, siempre y cuando no haya una fuente de poder externa que lo esté cargando, pero siempre se asume que están cargados a menos que se haya confirmado que está descargado. A partir de la tabla, diga si, se cumple o no la relación de carga igual en capacitores en serie y justifique su respuesta con cálculos. De acuerdo con la ley de voltajes de Kirchhoff, la suma de las caídas de voltaje en un circuito serie es igual al voltaje de la fuente: V =V C +V C 1

2

V T =8.42V +2.133 V =10.553 volts En el caso particular de dos capacitores en serie obtenemos

C e=

C1 C2 C 1+C 2

Sustituyendo C e=

( 47 μF ) (100 μF ) =31.972 μF (47 μF+100 μF)

Y la carga total (qt) se puede calcular sobre el capacitor equivalente como:

(

q t=C T V T = 3.1972 X 1 0−5

C ( 10.553V )=3.374 X 1 0−4 C V

)

Para un circuito en serie −4

q t=q1=q 2=3.374 X 1 0 C

¿Cuál es el voltaje a través de cada capacitador? V= V=

Q C 3.374 X 1 0−4 C =7.178723 V −5 C 4.7 X 10 V −4

V=

3.374 X 1 0 C =3.374 V −4 C 1 X 10 V

La suma de estos voltajes es de 10.544 Volts aproximadamente lo que en comparación con el Voltaje medido experimentalmente es muy similar. Entonces podemos afirmar que se cumple la relación de carga igual en capacitores en serie.

Para capacitores conectados en paralelo el voltaje es igual entre sus terminales. De acuerdo a los valores de la tabla ¿Se cumple para los circuitos de las figuras?

Si, dado que los voltajes son los mismos en cada uno de los capacitores y corresponde al voltaje de la fuente de alimentación. Es decir para el circuito en paralelo: V =V C =V C =10.61 volts 1

2

Para el circuito serie-paralelo, se encuentran conectados en paralelo el capacitor C2 y C3

V =V C =V C =3.6 volts 2

3

Como se encuentra un capacitor en serie el voltaje total de este circuito seria: V T =V C + V C =10.5 volts 1

3o 2

De acuerdo a las mediciones de un circuito en serie y un circuito en paralelo ¿En qué circuito se almacena una mayor energía?, justifique su respuesta con cálculos.

La unidad julio también se puede definir como: 

El trabajo necesario para mover una carga eléctrica de un culombio a través de una tensión (diferencia de potencial) de un voltio. Es decir, un voltiocolumbio (V·C).

Circuito en Serie La capacitancia equivalente para este circuito será de: C e=

( 47 μF ) (100 μF ) =31.972 μF (47 μF+100 μF)

Sabiendo que el Voltaje total del sistema es de: V T =8.42V +2.133 V =10.553 volts

Sustituyendo: U=

1 C 3.1972 x 10−5 (10.553 V )2 =1.78029 x 10−3 J 2 V

(

)

Circuito en paralelo Dos capacitores, C1 =47 uF y C2 =100 uF, están conectados en paralelo y cargados mediante una fuente de potencia de 10.61 Volts. C e=C 1 +C2 =47 μF+ 100 μF=147 μF

U=

1 C 1.47 x 1 0−4 (10.61 V )2=8.2740 x 10−3 J 2 V

(

)

Por lo tanto el circuito que almacena mejor energía es el circuito en paralelo. Conclusiones