PRACTICA XII Capacitancia y Dielectrico

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO“SANTIAGO MARIÑO”

EXTENSIÓN PUERTO ORDAZCATEDRA: LABORATORIO DE FISICA

PRÁCTICA NRO. 13: CAPACITANCIA Y DIELÉCTRICOS

OBJETIVO DE LA PRÁCTICA.

El propósito, es investigar la relación entre carga, tensión y capacidad para un condensador de placas paralelas, así como también el efecto que tiene un material dieléctrico sobre la capacitancia de un condensador y la constante dieléctrica de dicho material.

INTRODUCCIÓN.

Cuando necesitamos electricidad, es necesario presionar un interruptor y obtenerla del suministro. Por otro lado si tenemos acceso a un generador, podemos asegurarnos que obtenemos electricidad siempre que presione un interruptor para poner en movimiento el generador por algún medio (movimiento de una turbina de vapor, movimiento de un molino de viento, etc.). Sin embargo, si no disponemos de estos elementos es necesario buscar algún método para almacenar energía eléctrica de tal manera que podríamos utilizarlo posteriormente cuando se necesite. En la actualidad se conocen dos formas básicas para almacenar electricidad: químicamente y mecánicamente.

El almacenamiento de energía eléctrica en forma mecánica se logra mediante el uso de capacitores, dispositivos que almacenan energía eléctrica sin la necesidad de la presencia de reacciones químicas ácidas o básicas. Un condensador se compone de dos conductores colocados uno cerca del otro pero sin tocarse. Cuando estos conductores son cargados con cargas de signo opuesto, aparecen fuerzas electrostáticas que les permite mantener una diferencia de potencial entre ellos. Por ello cuando estos conductores son conectados a través de un circuito, los electrones fluyen del conductor cargado negativamente hacia el conductor cargado positivamente manteniéndose siempre dicha diferencia de potencial.

PRE LABORATORIO.

Fundamento Teóricos

Revisar en la bibliografía recomendada lo siguiente:

Condensadores o Capacitores. Capacitancia. Almacenamiento de energía en los capacitores. Transferencia de carga entre capacitores. Dieléctricos. Coeficiente dieléctricos de los materiales Carga Inducida. Carga Polarizada. Almacenamiento de energía en los capacitores con un dieléctrico. Ley de Gauss en los dieléctricos.




Preguntas

Conteste las siguientes Preguntas:

1. ¿Cuáles son las partes básicas de un capacitor y por qué es un buen dispositivo para almacenar carga?

2. ¿Qué efecto tiene un material dieléctrico en el valor de la capacitancia de un condensador?

3. En un capacitor de placas paralelas ¿Cómo se puede aumentar su capacitancia?4. ¿Qué determina la diferencia de potencial que puede soportar un capacitor? ¿Tiene qué

ver el material dieléctrico que se encuentre entre sus placas?5. ¿Qué determina la cantidad de energía que puede almacenar un capacitor?6. se introduce una placa solida de metal entre las placas de un capacitor sin que toquen

ninguna de las placas ¿Aumenta, Disminuye o no Cambia la Capacitancia?. Explique su razonamiento.

7. Suponga que las dos placas de un capacitor tienen diferentes áreas. Cuando se carga el capacitor conectándolo a una batería ¿tienen las cargas de las placas la misma magnitud, o pueden ser diferentes?. Explique su razonamiento.

8. Se carga un capacitor de placas paralelas conectándolo a una batería y se mantiene conectado a ella. En seguida se duplica la distancia entre las placas ¿Cómo cambia el campo eléctrico, la carga de las placas y la energía total?.Explique su razonamiento

9. ¿Es lo mismo la resistencia dieléctrica que la constante dieléctrica? De ser así, explique la diferencia entre las dos magnitudes.

10. Dos capacitores tienen la misma capacitancia, pero uno tiene el voltaje nominal más alto que el otro ¿Cuál capacitor es probablemente el más voluminoso? ¿Por qué?

11.¿Existe alguna relación simple entre la resistencia dieléctrica y la constante dieléctrica?12.El agua de agua tiene una constante dieléctrica de k= 80.4; debido a que dicha constante

es muy grande ¿Por qué no se utiliza comúnmente agua como dieléctrico de los capacitores?

13.Un conductor es un caso extremo de dieléctrico, pues si se aplica un campo eléctrico a un conductor, las cargas tienen la libertad de trasladarse dentro del conductor para establecer “las cargas inducidas”¿Cuál es la constante dieléctrica del conductor perfecto?¿Es k=0 o k= ∞?¿o algo intermedio?. Explique su razonamiento.

EQUIPOS Y MATERIALES A USAR.

1. Electrómetro (ES-9078A)2. Faraday Cubo de hielo (ES-9042A) l3. Productores de carga (ES-9057B)4. Planos de prueba (ES-9057B)5. Fuente de tensión electrostática (ES-9077)6. Cable de señal de entrada (Cables de prueba)7. 13 cm Esferas conductoras (2) (ES-9059B)8. Capacitor




9. Material dieléctrico.

CONFIGURACIÓN DEL EQUIPO.

Ver Procedimientos.

PROCEDIMIENTO DE LA PRÁCTICA.

Procedimiento A: Medición De Capacitancia Del Electrómetro

Este procedimiento, se utiliza para medir un valor preciso de la capacitancia proporcionada por el electrómetro y todos los cables conectados a él.

Cuando un condensador de capacidad C conocida es cargada por un voltaje conocido V, la carga en ella está dada por Q = CV.

Si el condensador cargado conocido está conectado a través de los conductores del electrómetro, que está conectado en paralelo con la capacitancia interna del electrómetro, CE. La capacidad total se convierte en C + CE.

El condensador se descargará a través del electrómetro y un voltaje, VE, será leído. Puesto que la carga total en el sistema es todavía sólo la carga del condensador conocido, se sabe que CV = (C + CE) VE

1. Obtener una salida baja (polipropileno, o dieléctrico de aire) condensador de valor conocido, C, alrededor de 30 picofaradios (ρF).

2. Cargar el condensador con un voltaje conocido V, no superior a 100 V (el límite del electrómetro).

3. Retire el condensador cargado desde la fuente de alimentación utilizada para cargarla, teniendo cuidado de no conectarlo a tierra de alguna manera, para evitar la eliminación de la carga.

4. Conecte el condensador cargado a través de los cables de entrada del electrómetro. Tenga en cuenta que el VE voltaje indicado por el voltímetro.




Procedimiento B: Medición de C, V y Q de un Condensador de Placas Paralelas

El propósito de los experimentos enumerados en esta parte es estudiar cualitativamente la relación entre C, V, y la Q para el condensador de placas paralelas. Los valores leídos por el electrómetro son para ser utilizados como medidas relativas, comparativas. El electrómetro se puede conectar a un ordenador y utilizado con una interfaz PASCO para obtener una presentación gráfica de la información.

Procedimiento B.1: V medido, Variable Q, C Constante

1. La Figura 3.2 muestra el equipo configurado. El condensador variable básica está conectado a la electrómetro. El electrómetro está conectado a tierra (como el puerto COM de la fuente de tensión electrostática). Una de las esferas está conectada al puerto 2000 VCC de la fuente de tensión. Tenga cuidado de colocar el condensador suficientemente lejos de la esfera y el fuente de tensión, para evitar que sea cargado por inducción.

2. Pulsar el botón ZERO para eliminar cualquier carga residual del electrómetro y la las placas del condensador.

3. Establecer la separación de la placa a aproximadamente 2 mm. Utilice un plano de prueba para la transferencia de carga de la esfera con cargo a las placas del condensador. La carga se transfiere simplemente tocando el plano de prueba a la esfera y luego a una placa del condensador. Si siempre toca la esfera y la placa del condensador en el mismo lugar, la misma cantidad de carga se transferirá cada vez.

4. Observar cómo la diferencia de potencial de la lectura del electrómetro varía en más carga se pone en el condensador.

5. Doble la separación de las placas a 4 mm y repita el procedimiento.

Procedimiento B.2: Q Medido, Variable C, V Constante




1. La figura 3.3a muestra el equipo anteriormente establecido. El condensador variable básica tiene una placa de separación inicial de 6 cm y está conectado con el puerto 2000 VDC de la fuente de tensión. El cubo de hielo Faraday está conectado a la electrómetro, y el electrómetro está conectado a tierra (es decir, a través del puerto COM en la fuente de tensión electrostática).

2. Momentáneamente conectar a tierra un plano de prueba y luego usarlo para examinar la densidad de carga del condensador, utilizando el cubo de hielo para medir la carga. Investigar la densidad de carga en varios puntos de las placas - tanto en el interior y las superficies exteriores. ¿Cómo afecta la densidad de carga varían en el plato?

3. Elegir un punto cerca del centro de la placa de un condensador y la densidad medida de carga en esta área en las separaciones diferentes de placas.

Procedimiento B.3: Q Medido, Variable V, C Constante

1. La figura 3.3b muestra el equipo establecido, que es idéntica a la configuración de B2. El condensador variable tiene una placa de separación inicial de 6 cm y la se conecta




inicialmente al VDC 3000 puerto de la fuente de tensión. El cubo de hielo Faraday está conectado al electrómetro y a su vez está conectado a tierra (es decir, a través del puerto COM en la fuente de voltaje.).

2. Mantener la separación de las placas constante y cambiar el potencial a través de las placas mediante el cambio de la configuración de la fuente de tensión. Tienes que mover el cable de conexión de la V 3000 al puerto 2000 V. Examinar la densidad de carga cerca del centro de una placa de condensador. Repita con 1000 VDC.

Procedimiento B.4: V medido, Variable C, Q Constante

1. La Figura 3.4 muestra el equipo configurado. El condensador variable está conectado a la electrómetro y a su vez este se conecta a tierra (a través del puerto COM de la fuente de tensión). La fuente de voltaje se utiliza para sólo momentáneamente cargar el condensador.

2. Con la separación de las placas a 2 mm, cargar las placas por un momento que las conecta a través de la fuente de tensión, fijado en 30 V. Ajuste de la sensibilidad de la escala del electrómetro de modo que las placas inicialmente cargados representan una lectura del medidor de alrededor de escala 1/5.

3. Aumente la separación de las placas y anote las lecturas del electrómetro de separaciones en varias. Nota: Un método alternativo es para cargar una de las esferas y luego transferir algo de carga para el condensador. La carga, sin embargo, no será tan alta.

Procedimiento C: Coeficientes Dieléctricos

El coeficiente dieléctrico κ es el factor adimensional por el cual la capacitancia aumenta (en relación con el valor de la capacitancia antes de la dieléctrica) cuando se inserta un dieléctrico entre las placas. Es una propiedad fundamental del material dieléctrico y la es independiente del tamaño o la forma del condensador. Tabla 3.1 enumera los coeficientes dieléctricos de algunos materiales comunes. Sin embargo la falta, no será tan alta.




El procedimiento ideal para medir κ sería para deslizarse simplemente una pieza de material dieléctrico entre un conjunto de placas de condensadores cargados y luego observar los cambios en el potencial. Sin embargo, deslizando un dieléctrico entre las placas del condensador cuando están demasiado juntos puede generar una carga estática apreciable que va a alterar las mediciones. Por lo tanto, lo mejor es proceder de la siguiente manera:Nota: Dependiendo del modelo de condensador de placas paralelas que tenga, puede haber sólo un plato que se puede mover. Si su modelo permite que ambas placas a mover, elegir uno para mantener fijo y el otro para el móvil.

1. Conectar el electrómetro a través de las placas del condensador y la ajustar la separación entre las placas a aproximadamente 3 mm.

2. Elevar el lado de la puesta en marcha más cercano a la placa móvil mediante el establecimiento de un bloque de aproximadamente 3 cm de altura por debajo de ella, como se muestra en la figura 3.5.

3. Utilice la fuente de tensión a tocar momentáneamente las placas y se les cobra a aproximadamente escala 4/5 completo. Registre la lectura de la tensión del electrómetro, Vi.

4. Cuidadosamente aumentar la separación de las placas hasta que es suficiente para insertar el dieléctrico sin forzar. Debería ser suficiente para que usted sólo tenga que




inclinar la lámina dieléctrica contra la placa fija. Asegúrese de que el dieléctrico que está utilizando está libre de residuos antes de insertarlo.

5. Después de insertar el dieléctrico, devolver las placas a la separación original de 3 mm y registré la lectura electrómetro nuevamente, Vf.

6. Tire de las placas aparte de nuevo, y levante y retire con cuidado la lámina dieléctrica.7. Vuelva a poner las placas a la separación original de 3 mm y comprobar que la lectura

del electrómetro está de acuerdo con el original lectura Vi.

POST LABORATORIO.

Procedimiento A: Medición De Capacitancia Del Electrómetro

1. Calcular la capacitancia interna del electrómetro. CE= [(V-VE)/V]*C

Procedimiento B.1: V medido, Variable Q, C Constante1. ¿Qué sucede con el potencial ahora? Compara los valores para el caso anterior.2. Pregunta: ¿Por qué, basta con tocar una sola placa del condensador?

Procedimiento B.2: Q Medido, Variable C, V Constante

(Tenga en cuenta si usted está aumentando o la disminución de la capacidad de movimiento de las placas.) ¿Cómo varían con la carga de la capacitancia?

Procedimiento B.3: Q Medido, Variable V, C Constante1. ¿Cómo afecta la carga varía con el voltaje?

Procedimiento B.4: V medido, Variable C, Q Constante

1. ¿Cómo afecta el potencial varía con la capacitancia?

Procedimiento C: Coeficientes Dieléctricos

Los cálculos necesarios para determinar la constante dieléctrica son largas, pero sencillo:




Antes De Introducir El Dieléctrico...

1. Vamos qp es la carga de las placas del condensador, y la Cp es la capacitancia de las placas, sin dieléctrico.

2. Vamos qE es la carga de CE, la capacitancia interna del electrómetro.3. Vamos Vi es la lectura inicial de la electrómetro.4. La carga total en este sistema inicial está dada por qp + qE = (Cp + CE) Vi

Después De Insertar El Dieléctrico...

1. Vamos q'p es el nuevo cargo en las placas del condensador, la capacidad es ahora C'P.2. Vamos q'E es el nuevo cargo en el CE, la capacitancia interna del electrómetro. Puesto

que hay no dieléctrico en el CE, su valor sigue siendo el mismo.3. Vamos Vf es la nueva lectura del electrómetro.4. La carga total en el sistema después de insertar el dieléctrico está dada por

5. Ahora, la cantidad total de carga en el sistema nunca se ha cambiado, de modo

6. Después de un poco de álgebra y reordenando, se encuentra que.

7. Donde la relación C'P / Cp es el coeficiente dieléctrico:

BIBLIOGRAFIA.

Física Vol. II: Resnick-Halliday. Edit. C.E.C.S.A. 3ª edición. Física General: Sears-Zemansky. Edit. Aguilar. 3ª edición. Física Vol. II: Tipler Pául A. Edit. Reverte S.A. 2ª edición. Física Vol. Completo: Alonso, M y Finn, E. Edit. Addison-Wesley Iberoamericana Física para Ciencia e Ingeniería Vol. II. Mckelvey, J. y Grotch, H. Edit. Harla. Física para Ciencia e Ingeniería Vol. II. Fishbane, P. Gasiorowicz. Edit.

Hispanoamericana

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