CIRCUITO RC EN CORRIENTE DIRECTA.
ADRIANA MANSILLA CÓD: 101216169
PROFESOR: LUIS SIMANCAS GRUPO C1D
FÍSICA III ELECTRICIDAD
UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DEL CARIBE OCTUBRE 05 DE 2012 FACULTAD INGENIERÍA SEMESTRE IV
INTRODUCCIÓN Actualmente vivimos en una sociedad, que cada día exige más a sus integrantes, y como consecuencia, no debemos restar importancia a todos aquellos temas o situaciones, que de una u otra manera están prestos a brindarnos información o conocimientos. Por medio de este informe, daremos a conocer todo lo concerniente a carga y descarga de un condensador; entrando a tratar todo lo relacionado a los temas por medio de las experiencias realizadas dentro del laboratorio de física; de tal forma que establezcamos una relación entre la parte teórica expuesta en el manual y la aplicabilidad de las experiencias que allí se encuentran. Podríamos definir un circuito RC como un sistema que consta, básicamente, de un condensador y una resistencia, donde el condensador o capacitor almacena energía en forma de campo eléctrico cuando aumenta la diferencia de potencial en sus terminales; y la resistencia, es la oposición que encuentra la corriente eléctrica para circular a través de dicho sistema.
MARCO TEÓRICO Capacitancia
En electromagnetismo y electrónica, la capacitancia o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para un potencial eléctrico dado. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión matemática:
Donde: •
C es la capacidad, medida en faradios; esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.
•
Q es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;
•
V es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.
Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del
condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad. Condensador o capacitor.
Un condensador o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total, separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total. Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga. Funcionamiento
La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema Internacional de Unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio. La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:
en donde:
C: Capacitancia Q1: Carga eléctrica almacenada en la placa 1. V1-V2: Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2. Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que
aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis. Carga y descarga
Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando. Carga
Descarga
En donde: V(t) es la tensión en el condensador. V0 es la tensión de la fuente. I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito. RC es la capitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en Ohmnios.
Tipos de dialécticos utilizados en condensadores. •
Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños.
•
Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.
•
Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.
Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.
•
Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un corto entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados:
Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.
Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho
menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.
Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias.
•
Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno.
•
Condensadores de poliestireno también conocidos como Styroflex (marca registrada de Siemens). Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuitos resonantes.
•
Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.
•
Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador.
•
Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje.
Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.
Circuito RC
Un circuito RC es un circuito compuesto de resistores y condensadores alimentados por una fuente eléctrica. Un circuito RC de primer orden está compuesto de un resistor y un condensador y es la forma más simple de un circuito RC. Los circuitos RC pueden usarse para filtrar una señal, al bloquear ciertas frecuencias y dejar pasar otras. Los filtros RC más comunes son el filtro paso alto, filtro paso bajo, filtro paso banda, y el filtro elimina banda.
Entre las características de los circuitos RC está la propiedad de ser sistemas lineales e invariantes en el tiempo; reciben el nombre de filtros debido a que son capaces de filtrar señales eléctricas de acuerdo a su frecuencia. En la configuración de paso bajo el condensador está en serie a la señal de salida del circuito primero la resistencia, después el condensador; mientras que en la configuración de paso alto el condensador cambia lugar con la resistencia. Este mismo circuito tiene además una utilidad de regulación de tensión, y en tal caso se encuentran configuraciones en paralelo de ambos, la resistencia y el condensador, o alternativamente, como limitador de subidas y bajas bruscas de tensión con una configuración de ambos componentes en serie. Un ejemplo de esto es el circuito Snubber.
Constante de tiempo
La constante de tiempo es el tiempo necesario para que: •
•
Un capacitor (condensador) se cargue a un 63.2 % de la carga total (máximo voltaje) después de que una fuente de corriente directa se haya conectado a un circuito RC. Un inductor (bobina) esté siendo atravesada por el 63.2 % de la corriente total (máxima corriente), después de que una fuente de corriente directa se haya conectado a un circuito RL.
Como se ve, ni el condensador alcanza su máxima carga (y voltaje), ni la bobina alcanzan su máxima corriente en una constante de tiempo. Si transcurre una nueva constante de tiempo el condensador se habrá cargado ahora a un 86.5 % de la carga total y por la bobina circulará un 86.5 % de la corriente total. Esta situación es similar cuando el capacitor e inductor se descargan: Cuando la fuente de voltaje en CD se retira de un circuito RC o RL y ha transcurrido una constante de tiempo el voltaje en el capacitor ha pasado de un 100% hasta un 36.8 % (se ha perdido un 63.2% de su valor original). Igual sucede con el inductor y la corriente que pasa por él. La siguiente tabla muestra los valores (en porcentaje) de estos dos casos.
La constante de tiempo se calcula de la siguiente manera: •
Para los capacitores
•
Para los inductores
Donde:
T, constante de tiempo, en segundos. R, resistencia, en ohmios.
C, capacitancia, en faradios.
L, inductancia, en henrios.
También se pueden utilizar las siguientes combinaciones:
EXPERIENCIA No. 9: CIRCUITO RC EN CORRIENTE DIRECTA.
LAB DE FÍSICA III CIRCUITOS ACTIVOS
OBJETIVOS •
Adquirir habilidad en el manejo de equipos eléctricos.
•
Determinar los factores que intensifican o disminuyen los procesos de carga y descarga de un condensador
MATERIALES •
Tablero de conexión.
•
Interruptor.
•
Conmutador.
•
Resistencia de 10kΩ y 47kΩ.
•
Condesadores de 47μΩ y 470μΩ.
•
Cables.
•
Cronómetro.
•
Fuente de alimentación.
•
Multímetro.
MONTAJE Y REALIZACIÓN
•
Monte el circuito siguiendo el esquema. Antes de iniciar el experimento descargue el condensador, punteando sus contactos con un cable.
•
Ponga la tensión de alimentación a 10V.
•
Cierre el circuito de carga pulsando el conmutador. Observe en el voltímetro la subida de tensión en el condensador y anótelo.
•
Conmute ahora el circuito de descarga. Observe en el voltímetro la variación de tensión en el condensador. Anótelo.
•
Repita el “experimento de carga” con una resistencia de 47kΩ. Anótelo.
•
Repite el experimento de carga con la resistencia de 10kΩ y un condensador de 47μΩ. Observe la correcta polaridad del circuito.
•
Ahora conecte el amperímetro en el alcance de 2 mA, con la resistencia de 10kΩ y el condensador de 470μΩ. Observe la variación de la intensidad.
EVALUACIÓN 1. ¿Qué efecto tiene la resistencia sobre el proceso de carga y descarga de un condensador? El efecto que tiene la resistencia sobre el proceso de carga y descarga de un condensador es que si la resistencia es pequeña, es más fácil que fluya la corriente y el capacitador se carga en menor tiempo.
¿Qué influencia tiene una capacitancia menor sobre el proceso de carga? La influencia que tiene una capacitancia menor sobre el proceso de carga es que cuando esta es pequeña, el condensador se carga rápidamente, y cuando esta es más grande le lleva más tiempo cargarse.
2. ¿Por qué la tensión (voltaje) del condensador aumenta muy lentamente en el último periodo de la carga? La tensión del condensador aumenta muy lentamente en el último periodo de carga, ya que se incluye una resistencia junto con el condensador que está siendo cargado, lo que ocasiona que el aumento de la carga hacia su valor límite se retrase durante el periodo caracterizado por la constante de tiempo RC.
3. ¿Por qué la corriente de carga alcanza su máximo valor al inicio de su proceso de carga? La corriente de carga alcanza su valor máximo al inicio del proceso de carga, ya que si tenemos un resistor presente (RC=0), la carga llegará inmediatamente hacia su valor límite al comienzo del proceso (la corriente se aproxima asintóticamente a cero, y la carga del condensador tiende asintóticamente a su valor final Qf).
4. Defina qué es un condensador, y cuántas clases de condensadores existen. Dé dos ejemplos de aplicación de los condensadores.
Un condensador o capacitor es un dispositivo que está formado por un par de conductores, generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica.
Clases de condensador. •
Condensador de aire.
•
Condensador de papel.
•
Condensador de mica.
•
Condensadores autorregenerables.
•
Condensador síncrono.
•
Condensador styroflex.
•
Condensador de poliéster.
•
Condensador para corriente alterna.
•
Condensador de tantalio.
•
Condensador de aluminio.
•
Condensador de aluminio seco.
•
Condensador electrolítico.
Aplicaciones de los condensadores. •
Suelen utilizarse en baterías por su calidad de almacenar energía.
•
Filtros.
•
El flash de las cámaras fotográficas.
•
Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.
5. ¿Qué diferencia existe entre un condensador y una batería? Explique.
Básicamente la diferencia entre un condensador y una batería radica en que la batería guarda la energía por procesos electroquímicos, mientras que el condensador por procesos físicos, es decir mediante las cargas o por los electrones en sus placas.
BIBLIOGRAFÍA •
MARTÍNEZ, Eduardo; VILLAMIL, Harold. Manual de laboratorio de Física III (Física Eléctrica). Universidad Autónoma del Caribe.
•
OHANIAN, Hans C; MARKERT, John T. Física para ingeniería y ciencias. Volumen 2. Editorial Mc Graw Hill. México. 2009. Tercera edición.
•
SEARS, Francis; ZEMANSKY, Marck; YOUNG, Hugh D; FREEDMAN, Roger A. Física Universitaria Volumen 2. Editorial Pearson Educación. México. 2009. Décimosegunda edición.
•
SERWAY, Raymond A; JEWETT, John W. Física para ciencias e ingeniería. Volumen 2. Editorial Cengage Learning. México. 2008. Séptima edición.
•
WILSON, Jerry D; BUFFA, Anthony J. Física. Editorial Pearson Educación. México. 2003. Quinta edición.
