BRUJULA DE TANGENTES

Carlos Andrés Ordoñez, Astrid Carolina Ordoñez, Diego Fernando Sarmiento, Andrés

Fernando Rúales

andrescar@unicauca.edu.co, astridordonez@unicauca.edu.co, diegosarmiento@unicauca.edu.co, afruales@unicauca.edu.co

Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones Ingeniería de Sistemas, Ingeniería Automática, Ingeniería Electrónica

Laboratorio de ElectromagnetismoUniversidad del Cauca

Popayán

Abstract: En el laboratorio se estudió el comportamiento, la carga y descarga de un condensador. Para esto de utilizo condensadores de diferentes voltajes de capacitancia, una resistencia, fuente de voltaje entre otros. Se inicia elaborando el montaje indicado en la guía, luego se ajusta la fuente a un voltaje de 10v; a continuación se procede a tomar diferentes medidas para observar el comportamiento de la corriente y el voltaje, tomando intervalos de tiempo y evidenciando el comportamiento de carga del condensador, en una segunda instancia al desconectar la fuente de energía y cerrar el circuito se observar cómo actúa la descarga del condensador.

//Keywords: condensador, resistencia, fuente de voltaje, multímetro, protoboard.

1. INTRODUCCION

El almacenamiento de la energía es muy importante para los diferentes usos que se le da a esta, existen varias formas para almacenarla; ejemplos que saltan a la vista son las baterías de carros, motos, celulares etc. Los cuales utilizan los beneficios de tener la energía almacenada para su funcionamiento.

En la electricidad y la electrónica son muy usados los condensadores, los cuales son capaces de almacenar energía por medio de sus componentes internos, estos han tenido una evolución notable, desde el primer condensador fabricado que era una botella

con una lámina de oro en sus caras interior y exterior que se llamó botella de Leyden ahora como se puede observar son mucho más pequeños y más funcionales.

2. MARCO TEORICO

La capacitancia eléctrica (C) es una propiedad física de un conductor que expresa su habilidad para adquirir carga sin un cambio sustancial en su potencial.

Matemáticamente se expresa como el cociente entre la carga y el potencial. Esto es:

En cualquier caso, si conocemos la capacitancia C de un conductor dado, la carga q puede encontrase a partir de su potencial, es decir q=CV.

A la unidad de capacitancia (culombio/voltio), se le llama faradio, unidad de capacidad demasiado grande por lo que para propósitos prácticos de utiliza el microfaradio(1μF = 10-6F); el nanofaradio (1 nF =10-9F) y el picofaradio (1 pF = 10-12F).

Condensador

El capacitor o condensador es un dispositivo eléctrico formado esencialmente por dos conductores llamadas placas del condensador, aisladas y separadas por el medio vacío o por un dieléctrico. Sobre las placas se distribuyen cargas iguales y opuestas +q y –q tal como se muestra en la figura 1.

Una de las principales funciones de un condensador es el almacenamiento de carga, en la que la capacidad indica cuanta carga puede almacenar entre sus armaduras para una diferencia de potencial dada. Otra de las funciones es el almacenamiento de energía potencial eléctrica dentro de sus campos eléctricos correspondientes. Los condensadores también son utilizados para producir ciertas configuraciones de campos

eléctricos (campo eléctrico uniforme entre placas conductoras paralelas).

Debe observarse que la capacitancia de un condensador es independiente de la carga así como de la diferencia de potencial y como tal del campo eléctrico y sólo depende de:

La disposición geométrica de los conductores, que incluye el tamaño, la forma y el espaciamiento de las placas o armaduras del condensador, al igual que sus relaciones geométricas.Las propiedades del medio en el cual se encuentran ubicados los conductores (aire, vacío, material dieléctrico, etc.)

Tipos de Condensadores

Los condensadores se fabrican en varias combinaciones de conductores y dieléctricos.Las familias de condensadores se basan en general en el tipo de dieléctrico empleado tales como mica, cerámica, papel o aceite (Figura 2)

El capacitor o condensador más común y más utilizado es el capacitor de placas paralelas, es aquel dispositivo que está formado por dos placas paralelas conductoras de área A separadas por una distancia muy pequeña d comparada con las demás dimensiones y que llevan cargas +q

y – q en la superficie como se muestra en la figura3(a), se observa además que la distribución del campo eléctrico es de la forma mostrada en la figura 3(b).

Entonces La capacidad o capacitancia del condensador de placas paralelas será:

Donde:εo depende del tipo del dieléctricoA es el tamaño del área de las placasd la distancia entre placas

3. METODO EXPERIMENTAL

Materiales y Equipo: Fuente de voltaje 1 Multímetro 1 Protoboard 1 Pila de 9 Voltios 1 Capacitor de 100 μF (C1) 1 Capacitor de 220 μF (C2) 1 Capacitor de 470 μF (C3) 1 Resistencia de 1KΩ (R)

Realizamos el montaje de acuerdo a lo establecido en la guía de laboratorio.

4. RESULTADOS

Figura 4. Circuito para la alimentación de energía a un capacitor.

Primero se armo el circuito de la figura 4 y aplicamos 10 volts durante unos 10 segundos, enseguida le quitamos la fuente y medimos el voltaje en las terminales del capacitor

¿Qué valor obtuvo?

R/= El valor obtenido medido con el voltímetro fue de 10 v

¿Cuál es el valor de la carga almacenada?

La caga almacenada es:

Q=CV

Q= (100μF)(10v)

Q=1000×10⁻⁶culombios

¿Cuál es el valor de la energía almacenada?

La energía almacenada es:

U= (((1/2) Q² )/C)

U= (((1/2)(1000×10⁻⁶culombios)²)/((100x10⁻⁶F)))

U=5x10⁻³

Explique porque el capacitor retiene el voltaje y la carga en sus terminales.

R/=Cuando un conductor se carga, es decir, se le comunica una carga eléctrica, adquiere un cierto potencial, que depende de consideraciones geométricas (de su forma).En nuestro caso el capacitor retiene el voltaje debido a que al aplicar una tensión a los terminales de las dos placas conductoras, se crea una diferencia de potencial entre sus placas, como están muy cerca una de otra se atraen fuertemente pero no entran en contacto ya que están aislada una de la otra por el material dieléctrico, por lo tanto almacena energía en un campo electrostático.

Tabla de los valores del procedimiento número 1.

Vfuente=10V

C(f) 100µ 470 µ 220 µVc(v) 10 9.91 10Qc(c) 1m 4.65m 2.2mEc(j) 5m 23m 11m

Vfuente= voltaje en la fuenteVc=voltaje en los terminales del capacitorQc= carga en el capacitorEc= energia en el capacitorC= capacitancia

Segundo se armo el circuito de la figura 5 y aplicamos una diferencia de potencial de 10 volts.Medimos la diferencia de potencial entre las terminales de cada uno de los capacitores.

Figura 5. Conexión serie de capacitores, alimentados por una fuente de voltaje.

Tabla de los valores del procedimiento número 2.

Vfuente=10V

C(f) 100µ 470 µ 220 µVc(v) 0.51 8.40 1.12Qc(c) 51 µ 3.94m 246µEc(j) 13µ 16.58m 137.9µ

Podemos observar según los valores medidos y también del sentido de las ecuaciones, que la fuente nos brinda un voltaje de 10 voltios el cual va a ser repartido entre los capacitores, lo cual hace que al final la suma de los voltajes en cada uno de los capacitores nos proporcione los 10 voltios de la fuente. Entre mayor sea el valor de la capacitancia, este va a tener mayor cantidad de voltaje el cual hace que proporcionalmente, el capacitor con mayor valor almacene una cantidad muy grande de carga y por ende también de energía, con respecto a los otros.

Tercero realizamos el mismo procedimiento 2, aplicando ahora a la figura 6. Es decir, aplicamos una diferencia de potencial de 10 volts. Medimos la diferencia de potencial entre las terminales de cada uno de los capacitores.

Figura 6. Opción de conexión para circuito paralelo con capacitores, alimentados por una fuente de voltaje.

Tabla de los valores del procedimiento número 3.

Vfuente=10V

C(f) 100µ 470 µ 220 µVc(v) 10.04 10.04 10.04Qc(c) 1.004m 4.71m 2.20mEc(j) 5.04m 23.6 m 11.04

En este caso observamos que el voltaje en cada uno de los capacitores se conserva aproximadamente igual al de la fuente debido a la conexión en paralelo entre cada uno de estos, sin embargo la carga y energía depende de la capacitancia de cada uno, por ende aunque el voltaje es igual para todos, tendremos que a mayor capacitancia, mayor carga almacenada y esto conlleva a mayor cantidad de energía en el capacitor.

Cuarto realizamos el mismo procedimiento 2, aplicando ahora a la figura 7.

Figura 7. Conexión serie-paralelo de capacitores, alimentados por una fuente de voltaje.

Este caso es una combinación de conexión serie-paralelo, procedimos a ubicar aleatoriamente dos capacitores en paralelo y estos en serie con otro, además con una fuente de 10 voltios.

Tabla de los valores del procedimiento número 4.

Vfuente=10V

C(f) 100µ 470 µ 220 µVc(v) 1.42 8.62 8.62Qc(c) 142µ 4.05m 1.89mEc(j) 100.8µ 17.4m 8.17m

Se observa que debido a la conexión serie- paralelo tenemos que el voltaje de 10 voltios de la fuente será repartido entre la combinación en paralelo en la cual el voltaje que caerá en los dos capacitores será igual y entre el capacitor en serie.

Debido a que la combinación en paralelo contiene los valores de capacitancia mayores, el voltaje será repartido en gran cantidad por esta rama y el capacitor de 100µF tendrá una pequeña cantidad, por esto se tendrá entonces mucha mayor cantidad de carga y energía en los capacitores que conforman la combinación en paralelo

5. ANALISIS DE RESULTADOS

1. Defina la capacitancia.

2. Describa la estructura básica de un capacitor.

3. Describa el efecto de carga y descarga de un capacitor.

4. ¿Qué se entiende por el efecto de bloqueo de un capacitor?

5. Defina la reactancia capacitiva y la impedancia.

6. ¿Cuáles son los tres factores principales que determinan la capacitancia de un capacitor?7. ¿Qué se entiende por voltaje de trabajo nominal de un capacitor?

8. ¿Qué se entiende por voltaje de trabajo nominal de un capacitor?

9. Describa la estructura de un capacitor de Mylar y de un capacitor de cerámica.

10. ¿El capacitor electrolítico típico es polarizado, ¿Qué quiere decir esto?

11. Describa la estructura de un capacitor variable.

12. ¿Cuál es el resultado de conectar capacitores en paralelo?

13. Explique las características de la constante de tiempo de una combinación

resistor-capacitor en un circuito.

6. CONCLUSIONES

En la práctica se comprobó que al aplicarle un voltaje a un condensador este almacena energía.

Se debe tener mucho cuidado al momento de realizar el montaje experimental ya que un mal montaje puede producir riesgos si se realiza mal la conexión de los elementos a utilizar en nuestro

caso al conectar un capacitor con su polaridad invertida podría estallar.

Se debe tener en cuenta el valor de capacitancia para saber que resistencias utilizar al momento de construir el circuito.

En la carga del condensador, el voltaje aumenta y la corriente disminuye, en cambio en la descarga la corriente y el voltaje disminuyen tendiendo a cero.

7. BIBLIOGRAFIA

Maiztegui, A. P.; Sábato, J. A. Introducción a la física (1966); 6ta. Edición, Editorial Kapeluz, Buenos Aires

Física, Zears y Zemansky,

Editorial Aguilar. II edición. 1970.

Física, Resnick y Halliday.

Compañía Editorial Continental.

http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n

http://curiosidades.batanga.com/2010/07/31/que-es-el-magnetismo

Serway, R.; Faughn, J. Física (2001); 5ta. Edición; Pearson Educación, México.

Fisica, Zears y Zemansky, Editorial aguilar. II Edición. 1970.