UNIVERSIDAD AUTÓNOMA “TOMAS FRÍAS” FAC. DE CIENCIAS PURAS – CARRERA DE FÍSICA
PROPIEDADES ELÉCTRICAS DE LA MATERIA 1. OBJETIVOS
Comprender la función básica del condensador como almacenador de carga y observar el efecto que tiene un material dieléctrico sobre la capacitancia de un condensador. Medir la capacitancia de un condensador de placas planas paralelas para diferentes distancias, utilizando como dieléctrico el aire. Determinar la permitividad eléctrica relativa del aire y de muestras de diferentes materiales de construcción. Determinar la susceptibilidad eléctrica del aire y de muestras de diferentes materiales de construcción. Determinar la permitividad del aire a partir dela grafica ajustada C en función de 1/d, con los datos del segundo objetivo.
2. PRINCIPIO
Utilizando un capacímetro, se mide la capacitancia eléctrica del condensador de placa plana, utilizando como dieléctrico el aire, y muestras de materiales de construcción debidamente preparada. Las mediciones obtenidas se utilizan para determinar las propiedades eléctricas de los dieléctricos utilizados en la práctica y la permitividad del aire. 3. FUNDAMENTOS TEORICOS
Un condensador eléctrico, es un dispositivo de placas planas paralelas cuyo objetivo es almacenar cargas eléctricas sobre su superficie externa. Cualquiera sea la forma del condensador, su capacidad está dado por:
(F)
(1)
Dónde: q, es la carga eléctrica almacenada en culombios y V, la diferencia de potencial entre las placas en voltios. Para un condensador de placas planas paralelas y en el vacío su capacidad eléctrica es:
(2)
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Dónde: d, es la distancia entre las placas, A es el área de las placas, y es la permitividad eléctrica del vacío (8,85 E ⁄ ).
Cada sistema material tiene propiedades eléctricas específicas y propias de cada muestra material. La permitividad eléctrica absoluta ( ) que caracteriza a un sistema material, está determinada con respecto a las propiedades eléctricas del vació, la relación entre ellas determina lo que se define como permitividad eléctrica relativa del medio material denominada también como la constante dieléctrica K del material, y esta expresada por la ecuación:
(3)
El valor extremo mínimo de la permeabilidad eléctrica relativa es igual a la del vacío; por lo tanto, el valor de la permitividad eléctrica es mayor o igual a l unidad: multiplicando ambos miembros por: ⁄ se tiene:
⁄ ⁄
(4)
Los términos de la ecuación descrita, por definición corresponden a la capacidad eléctrica del condensador plano con y sin dieléctrico, es decir:
(5)
De esta manera, la capacidad eléctrica del condensador con dieléctrico es siempre mayor que la del vacío, es decir: (6) La relación entre la permitividad eléctrica relativa y la susceptibilidad eléctrica de un medio material está dado por: (7) El cual permite determinar la susceptibilidad eléctrica del medio material estudiado. La siguiente figura ilustra la disposición de un condensador plano, cuyo relleno entre las placas es el aire y un material dieléctrico de permitividad eléctrica .
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(b)
Fig. N°1 Condensador de placas: (a) en el vacío y (b) con dieléctrico Material Dieléctrico: Sustancial material que no conduce la corriente eléctrica, denominado también material aislante. Este material inmerso en un campo de fuerza eléctrica sufre el fenómeno de polarización de sus componentes de carga eléctrica interna, generando una densidad de carga de polarización que hace que el sistema sea eléctricamente no neutro. 4. MONTAJE Y REALIZACION
Para llevar a cabo la práctica, se dispone el capacímetro de tal manera que pueda medir la capacidad eléctrica del condensador en forma directa, de acuerdo al siguiente circuito:
Fig.N°2 Capacímetro Se debe medir la capacidad del condensador con y sin dieléctrico para un mismo valor de la distancia entre las placas, el mismo debe ser igual al espesor de la muestra utilizada en las pruebas experimentales. 5. TAREAS
5.1. Medir con el capacímetro, la capacidad del condensador de placas paralelas, utilizando como relleno el aire, para diferentes distancias de separación entre las placas. II/2014
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5.2. Medir con el capacímetro la capacidad del condensador, utilizando como relleno una muestra de material de construcción sólido de características aislantes. 5.3. Determine la permitividad eléctrica absoluta y relativa, así como la susceptibilidad eléctrica del aire, para las condiciones atmosféricas del ambiente de laboratorio. 5.4. Determine la permitividad absoluta y relativa, así como la susceptibilidad eléctrica de la muestra material dieléctrico estudiado. 5.5. Determine la permitividad del aire a partir de la gráfica ajustada C en función de 1/d, con los datos del segundo objetivo (Tabla 2). 6. OBTENCION Y ORGANIZACIÓN DE DATOS TABLA N°1
Nº
d(
)
A(
)
CO ( )
Cd (
ɛr
)
(
)
XE (
)
TABLA N°2
Nº
d1(
)
d2(
)
d3(
)
d4(
)
d5(
)
d6(
)
d7(
)
d8(
)
7. CUESTIONARIO 7.1. ¿Cuáles son las partes básicas de un capacitor y por qué es un buen dispositivo para almacenar carga? 7.2. En general ¿Qué efecto tiene un material dieléctrico en el valor de la capacitancia de un condensador? 7.3. Compare el valor promedio obtenido para la constante dieléctrica del material con el que proporciona la bibliografía para dicha sustancia y determine la diferencia porcentual entre ambos, tomando como valor de referencia el de la bibliografía. 7.4. Analice y explique las posibles fuentes que generan la diferencia obtenida entre el valor promedio medido de la constante dieléctrica del material y el valor publicado en la bibliografía. Sea claro y concreto al señalar esas fuentes. II/2014
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7.5. En un capacitor de placas paralelas ¿Cómo se puede aumentar su capacitancia? 7.6. En un capacitor de placas paralelas ¿Cómo se explica la diferencia de los valores de la permitividad absoluta y relativa, así como la susceptibilidad eléctrica de la muestra material dieléctrico estudiado? 7.7. ¿Cómo fue el error porcentual obtenido en la medición de la constante dieléctrica? ¿Cuáles son a su juicio, las principales fuentes de error? Sea concreto y claro al señalar esas fuentes. 8. PROCESAMIENTO DE DATOS 9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA
Resnick R.; Halliday R.: FISICA para Estudiantes de Ciencias e Ingeniería. Vol. II Goldemberg J.: FISICA EXPERIMENTAL, Vol. II Alonso M.; Finn E.: FISICA, Ondas y Campo, Vol. II Anónimo: Guías de Laboratorio de Física Básica II. Carrera de Física, UATF.
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