Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de estudios superiores Cuautitlán
Práctica 3: Capacitancia y capacitores
Asignatura: Electricidad y magnetismo Profesor: José Frías Carrera: Química Industrial Grupo: 2251
Integrantes: Diego Alberto Ayala Patricia Cervantes José Adair Martínez Ariadna Hernández Jorge Damián Mendoza
OBJETIVOS I.
Distinguirá los diferentes tipos de capacitores y sus características.
II.
Verificará que los capacitores almacenan energía.
III.
Verificará la relación que cuantifica la carga y el voltaje en un arreglo de capacitores en sus diferentes tipos de conexión.
CUESTIONARIO PREVIO 1. Defina el concepto de capacitancia eléctrica, además describa los elementos fundamentales que forman un capacitor. Es la capacidad medida en Faradios, que tienen los conductores eléctricos de poder almacenar cargas eléctricas. El capacitor está constituido por dos placas metálicas, separadas por un material aislante que puede ser aire o cualquier otro material dieléctrico está determinada por tres factores:
La superficie (A) de las placas conductoras.
La distancia ( d ) entre las placas.
La constante dieléctrica Ke o εR, la cual es una característica del tipo de material aislante entre las placas.
2. ¿Cuántos tipos de capacitores existen? Dé una clasificación de acuerdo al material dieléctrico empleado entre sus placas, además indique cuales son los capacitores polarizados y no polarizados. Los Capacitores picofaradios Los Capacitores microfaradios Los Capacitores electrolíticos 3. ¿Cuál es el código de colores para los capacitores?
4. ¿Qué es un LED y cómo se conecta? Además dibuje su símbolo eléctrico. Sigla de la expresión inglesa light-emitting diode , ‘diodo emisor de
luz’, que es un tipo de diodo empleado en computadoras, paneles numéricos. Un diodo emisor de luz es una fuente de luz constituida por un material semiconductor dotado de dos terminales. Se trata de un diodo de unión p-n, que emite luz cuando está activado.
5. Al conectarse un capacitor a las terminales de una batería de fuerza electromotriz (fem):
a) ¿En qué situación se considera que el capacitor adquirió su carga máxima?
Porque es una conexión en serie, la carga del condensador no adquiere instantáneamente su valor máximo, si no que va
aumentando en una proporción que depende de la capacidad del propio condensador y de la resistencia, conectada en serie con él.
6. Una vez que se ha cargado completamente un capacitor. ¿En dónde almacena su energía acumulada? El capacitador almacena la carga eléctrica, debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior, cuando ésta disminuye devuelve la energía que tiene almacenada en su interior.
7. ¿Qué parámetros se deben cuidar para no dañar un capacitor? Verificar si tiene o no polaridad y despu e s que el voltaje de operaci o n ́ ́ no sea menor al que originalmente estaba en el circuito. descargarlos (hacer un corto-circuito en los terminales del capacitor) o ́ esperar unos minutos antes de proceder a tomarlos con las manos. se recomienda colocar en forma externa una resistencia de descarga en paralelo con el o los capacitores utilizados.
8. Deduzca la relación que cuantifica un arreglo de capacitores en paralelo. ¿Qué relación guardan entre si los voltajes entre placas de cada capacitor en este tipo de arreglos? La diferencia de potencial ∆V es la misma para l os tres, en este caso igual a la suministrada por la batería. La carga total acumulada por ellos es igual a la suma de q1 y q2 y q3
1. Deduzca la relación que cuantifica un arreglo de capacitores en serie. ¿Qué relación guardan entre si las cargas en las placas de los capacitores en este tipo de arreglo? Cuando n condensadores se acoplan en serie, la carga eléctrica entre sus placas es la misma, en virtud del principio de conservación de la carga eléctrica.
10. Mencione tres aplicaciones de capacitores. Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia.
INTRODUCCIÓN Capacitancia y Capacitor Llamamos capacitancia (C ) a la capacidad que tiene un dispositivo (normalmente un conductor) para almacenar carga eléctrica. Matemáticamente, la capacitancia de un conductor se define como:
C = capacitancia, medida en farad=coulomb/volt . El farad o faradio es la unidad del S. I. para la capacitancia, y su símbolo es: F. Q = carga eléctrica del conductor, medida en coulomb (C).
Un capacitor , también V = potencial eléctrico al que se encuentra el conductor, medido en volt (V). llamado cond ensador , es un dispositivo utilizado para almacenar carga eléctrica, y está formado, básicamente, por dos conductores cercanos entre sí, que tienen cargas iguales, pero de signo contrario. Nosotros analizaremos el caso más sencillo, que es el capacitor de placas planas paralelas idénticas, como se muestra el la siguiente figura.
Capacitor de Placas Paralelas Para un capacitor, la capacitancia depende de la geometría del mismo, es decir, el tamaño y forma de las placas, la separación entre ellas, etc. Para el capacitor de placas paralelas, la capacitancia se puede calcular como:
capacitancia, C = medida en farad (F). A = área de cualquiera de las placas del capacitor, medida en metro cuadrado (m2). d = separación entre las placas del capacitor, medida en metro (m). Ve la siguiente figura.
.
Para cargar un capacitor se debe hacer un trabajo; este trabajo se almacena en el capacitor en forma de energía potencial eléctrica. La energía potencial almacenada en un capacitor se calcula mediante la expresión:
U = energía potencial eléctrica, medida en joules (J). Q = carga eléctrica de cualquiera de las placas del capacitor, medida en coulomb (C). V = diferencia de potencial entre las placas del capacitor, medida en volts (V).
LISTADO DE MATERIAL Y EQUIPO
Una bocina. Un generador digital de señales. Un tablero con muestras de capacitores. Una fuente de poder de CD. Un multímetro. Capacitores de 2200 µF a 16V, 500 µF a 50V, 100 µF a 16V, 47 µF a 16V y 22 µF a 16V Un capacitor de 35µF a 25 V para prueba destructiva. Una caja de acrílico. Conjunto de cables de conexión. Un LED a 3V.
DESARROLLO Y RESULTADOS Tipos de Capacitores y sus características. 1.- Explicación por parte del profesor, con ayuda del tablero de muestra de capacitores, de los diferentes tipos y sus características. a) Con base a la explicación y a lo observado ¿Qué parámetros debe especificar el fabricante de un capacitor? La ubicación del polo negativo, la capacitancia en Faradios, la temperatura que resiste, y la tensión de trabajo en V
PruebaPrueba destructiva de capacitores. 2.- Arme el circuito de la figura 3.6, observe que en la conexión de la polaridad del capacitor esta invertida y además tiene un voltaje mayor al voltaje de trabajo. Antes de energizar el circuito debe estar puesta la caja de acrílico 3.- Energice el circuito, déjelo conectado por un lapso de tiempo y observe lo que sucede. 22 µF 16 V 20VC b) ¿Por qué debemos respetar el valor del voltaje y la polaridad especificados en los capacitores? Porque de no hacerlo, el capacitor explotará y provocará un accidente además de un daño al circuito eléctrico
Capacitor como filtro de señal de audio 4.- Explicación por parte del profesor del funcionamiento de un capacitor como filtro de señal de audio. 5.- Arme el circuito de la figura 3.7.
6.- Varíe la frecuencia en el generador, hasta escuchar un sonido y siga incrementándola hasta que se deje de oír. c) De acuerdo a lo escuchado ¿Cuál es el rango de la frecuencia audible? Desde 67 Hz a 18237 Hz
7.- Mantenga una frecuencia audible y a continuación agregue un capacitor que sirva como filtro, según se muestra en la figura 3.8 y escuche el cambio de sonido. Repetir el experimento con distintos capacitores.
d)¿Cómo funciona un capacitor como filtro para señales de audio y qué concluye respecto a lo sucedido? Al conectar un capacitor a un circuito sonoro, este funciona como un pasa bajas, ya que disminuye el ruido emitido por la bocina pero aún es percibido
Almacenamiento de energía en un capacitor. 8.-Verifique que el capacitor de 2200 F se encuentre descargado y posteriormente conéctelo a la fuente de poder, como se indica en la figura 3.9.
9.- Desconecte el capacitor, teniendo cuidado de no tocar sus terminales y conéctelo a las terminales del voltímetro.
d) De acuerdo a lo sucedido, explique por qué el voltímetro marca un voltaje al conectarse al capacitor. Porque el capacitor almacena la energía en su interior 10.- Repita el inciso 8 y 9, pero ahora conecte un LED (diodo emisor de luz) a las terminales del capacitor, cuidando su polaridad y observe lo que sucede. e) ¿Qué concluye de acuerdo a lo observado en el inciso anterior? El capacitor guarda la energía dada por la fuente y luego la envia de regreso y pasa por el LED que es iluminado
Circuitos con capacitores. 11.- Arme el circuito de la figura 3.12, cuidando la polaridad de los capacitores.
12.- Mida el voltaje en los capacitores C1 y C2, anotando los valores obtenidos en la tabla 3.1. 13.- Arme el circuito de la figura 3.13.
14.- Mida el voltaje en cada capacitor C1 y C2 y concentre sus resultados en la tabla 3.1. 15.- Arme el circuito de la figura 3.14.
16.- Mida el voltaje en cada capacitor C1, C2 y C3 concentrando sus resultados en la tabla 3.1.
CIRCUITO
VC1 [V]
VC2[V]
Figura 3.12
8.5
1.5
Figura 3.13
10
10
Figura 3.14
8
2
VC3[v]
2
f) A partir de la tabla 3.1, diga si, se cumple o no la relación de carga igual en capacitores en serie y justifique su respuesta con cálculos. Figura 3.12= v1(8.5)+v2(1.5)=vT(10) Figura 3.13= v1(10)=v2(10)=vT(10) puesto que es un circuito en paralelo Figura 3.14= v2=v3; v2,3(2)+v1(8)=10 En todos los casos la sumatoria de los voltajes es 10 que es el voltaje aplicado al circuito g) Para capacitores conectados en paralelo el voltaje es igual entre sus terminales. De acuerdo a los valores de la tabla 3.1 ¿Se cumple para los circuitos de las figuras, 3.13 y 3.14?
Si se cumple
h) De acuerdo a las mediciones de la figura 3.12 y 3.13 ¿En qué circuito se almacena una mayor energía?, justifique su respuesta con cálculos. En ambos sistemas se almacena la misma energía, solo que distribuida de diferente forma Figura 3.12= v1(8.5)+v2(1.5)=vT(10) Figura 3.13= v1(10)=v2(10)=vT(10) En ambos casos el voltaje total es de 10
CUESTIONARIOCUESTIONARIO FINAL: Mida el voltaje en cada capacitor C1, C2, y C3 concentrado sus resultados en la siguiente tabla. CIRCUITO
V C1(V)
VC2(V)
VCT(V)
SERIE
8.5
1.5
10
PARALELO
10
10
10
COMBINADO
2
8
10
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.
Sí se cumple, ya que la teoría indica que la suma de los voltajes de cada capacitor conectado en serie es igual al voltaje suministrado por la fuente, como se observa en la tabla esta condición se cumple. En el caso de los circuitos en paralelo, cada voltaje debe ser igual al voltaje suministrado. Por último en el circuito mixto cada voltaje de los capacitores en paralelo (que son iguales) se debe sumar con el voltaje de los capacitores conectados en serie y la suma de estos debe ser igual al voltaje suministrado. Cálculos: SERIE: = + 2 = 8.5 + 1.5 = 10
10 = 10
PARALELO = 1 = 2 = 10 = 10 10 = 10 + 10
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 3.13 y 3.14?
Sí se cumple. Esto se debe a que sus puertos de entrada están conectados entre sí, al igual que sus terminales de salida, por eso su voltaje es igual al volteje suministrado.
De acuerdo a las medicines de la figura 3.12 y 3.13 ¿En qué circuito se almacena una mayor energía?, justifique su respuesta con cálculos.
La energía es la misma en ambos sistemas, pero diferido en diferentes formas, ya que el valor de los dos circuitos es igual a 10.
CONCLUSIONES Los capacitores son una herramienta muy útil en los circuitos eléctricos, dependiendo la capacitancia de estos será su uso, aunque hay que tener cuidado puesto que un mal uso de los capacitores podría causar un accidente como lo vimos en la prueba explosiva del capacitor, sin embarga también observamos como el capacitor conserva la energía en un circuito en serie paralelo y mixto, e incluso se puede utilizar para filtrar el sonido, sin embargo esta última prueba no se pudo comprobar del todo puesto que solo teníamos una frecuencia sonora en el generador de señales, a pesar de eso notamos que si había un cambio en la percepción del sonido al conectar el capacitor en la bocina.
ANEXOS
BIBLIOGRAFÍA F.W. Sears, M.W. Zemansky, H.D. Young y R.A. Freedman: “Física Universitaria”, 12ª Edición. Vol. 1 y 2. Addison-Wesley-Longman/Pearson
P.A. Tipler: “Física para Electromagnetismo y la Tecnología”. 5ª Edición. Vol. 1 y 2 Ed. Reverté
