Universidad Santiago de Chile Facultad de Química Y Biología Física 2

Física 2

CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR.

Mauricio Aguilar.

Sebastián Campos.

Diego San Martín.

RESUMEN.En el presente informe se expone el proceso de carga y descarga para un condensador, el cálculo de la capacitancia de este y todos los fundamentos teóricos y asociaciones prácticas que el mismo fenómeno considera.

OBJETIVOS.

1. Conocer el comportamiento de un condensador cuando se le aplica una diferencia de potencial conocida.

2. Representar gráficamente el proceso de descarga de un condensador.

3. Calcular la capacitancia a partir de la carga y descarga de un condensador.

INTRODUCCION

CONDENSADOR

El condensador es un dispositivo que proporciona almacenamiento temporal de energía eléctrica. La propiedad que caracterizan las posibilidades de almacenamiento de energía de un condensador es su capacidad eléctrica.

Un condensador consta de dos conductores separados por el espacio libre o por un medio dieléctrico.

Cuando se almacena energía en un condensador aparece un campo eléctrico en su interior. Esta energía almacenada puede asociarse al campo eléctrico. De hecho todo campo eléctrico lleva asociada una energía.

Las cargas eléctricas en un material conductor se distribuyen sobre la superficie de éste, de manera que el campo eléctrico en el interior es nulo, el conductor es así un cuerpo equipotencial.

CAPACITANCIA (C)

La capacidad o capacitancia es una propiedad de los dispositivos llamados condensadores.

Esta propiedad rige la relación existente entre la diferencia de potencial que hay entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en este mediante la siguiente ecuación:

Donde

ΔV

C es la capacidad, medida en faradios;

Q es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;

V es la diferencia de potencial, medido en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que sólo depende de la forma del capacitor y del medio considerado.

Por su definición, las dimensiones de capacidad son carga dividido por potencial, y la unidad en el Sistema Internacional será el culombio dividido por voltio, a esta unidad se le dado el nombre de faradio (F) en honor de Mitchell Faraday. El faradio es una unidad de capacidad bastante grande, de forma que los condensadores que usualmente se encuentran en los circuitos tienen capacidades mucho menores.

Las unidades más comunes en la técnica son:

μF = 10−6 F ηF = 10−9 F pF = 10−12 F

CARGA DE UN CONDENSADOR

Los condensadores almacenan energía que es igual al trabajo realizado para cargarlo.

Cuando se instala el condensador a una fuente de energía este le suministra cargas a las placas del condensador, que producen un campo eléctrico y un potencial eléctrico entre las placas, El potencial aumenta exponencialmente, como se puede observar en la gráfica Vc= f(t).

La máxima carga que se deposita en las placas del condensador se da cuando el potencial eléctrico, entre las placas del condensador es igual al potencial de la fuente. En ese instante dejan de fluir cargas de la fuente al condensador como se puede ver en la gráfica i =f(t). Sin Embargo, la carga del condensador no adquiere instantáneamente su valor máximo, Q, sino que va aumentando en una proporción que depende de la capacidad, C, del propio condensador y de la resistencia, R, conectada en serie con él.Por tanto la cantidad de carga que tendrá ese condensador en función del tiempo transitorio del circuito será:

En la figura se representa gráficamente esta ecuación, la carga del condensador en función del tiempo. Se denomina constante de tiempo del circuito:

Equivale al tiempo que el condensador tardaría en cargarse de continuar en

todo momento la intensidad inicial Io. También equivale al tiempo necesario para que el condensador se cargue con una carga equivalente al 63,1% de la carga máxima y es igual a:

MATERIALES.

Red RLC CI-6512.

Fuente de poder DC HY 3005.

Computadora con el programa DataStudio.

Conectores.

Interface.

Tester protek 506

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL.

1. Carga del condensador.

Esquema 1

Arme el circuito que aparece en la esquema 1. Recuerde hacer que la carga no pase por la bobina conectando un cable saltándose esta.

Antes de comenzar la experiencia conecte el voltímetro en paralelo con el condensador y asegúrese que este esté descargado.

Nota: para esta experiencia se utilizo la

resistencia de 33 y el condensador de 100

Antes de conectar la resistencia a la fuente revise si esta tiene los volts correctos, en esta experiencia se utilizaron 4,0 volts.

Una vez tenga todo bien conectado conecte la interface del computador en paralelo con el condensador. Encienda el computador y abra el programa data estudio. Presione

“INICIAR” y prenda la fuente de poder, repita el proceso hasta obtener el grafico voltaje vs tiempo esperado teóricamente.

2. Descarga de un condensador.

Repita el procedimiento anterior, pero esta vez con la fuente prendida (para que el condensador este cargado). Luego presione “INICIAR” en el programa data estudio y apague la fuente de poder, registre el grafico voltaje vs tiempo de la descarga de este. Repita el proceso hasta obtener el grafico esperado teóricamente.

RESULTADOS.

- Carga de un condensador (Grafico rectificado)

Grafico rectificado.

Logramos comprobar la pendiente obtenida por la interface de manera teorica rectificando los datos obtenidos con la

formula:

(Pendiente de la recta)

Una vez comprobada la pendiente se procede a calcular C a partir de la misma ecuacion de la recta anterior.

(* )

Descarga de un condensador

Grafico rectificado.

DISCUCIÓN.

Los problemas más notables fueron al momento de realizar el grafico, ya que muchas veces se debió repetir el procedimiento, descargando el condensador y volviéndolo a cargar. Se concluyó por los datos obtenidos de la interface que el condensador no estaba funcionando de manera óptima, ya que este se descargaba sin apagar la fuente de poder. Al no cambiar el condensador por otro causa repercusiones venideras ya que aunque el grafico final está dentro de lo esperado nada nos asegura que el voltaje medido sea el que debería, ya que el condensador no funciono todo el tiempo como debería.

La rectificación del grafico claramente no es perfecta, esto solo demuestra que la teoría nunca va ser igual a lo experimental, ya sea por errores humanos o por los errores instrumentales en cada instrumento que utilizamos.

CONCLUSIÓN(ES).

A través de la experiencia llevada a cabo se pudo conocer el comportamiento de un condensador cuando se le aplica una diferencia de potencial conocida en un circuito cerrado con una resistencia valorada. Se logro observar que este transforma esa diferencia de potencial en una carga eléctrica, la cual descarga mucho más lento de cómo se carga. Esto último se puede observar comparando ambas graficas ya que en cargar demora mucho menos de 1 segundo mientras que la descargarse se demora aproximadamente 9 segundos.

Se logro calcular la capacitancia del condensador, calculando la pendiente del grafico obtenido al cargar este mismo.

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Referencias.

Serway Tomo 2, Capacitancia y dieléctricos.

Anexo.

Cuestionario.

1.- Defina que es un condensador y describa cuales son las partes más importantes de él.

Un condensador es un dispositivo mediante el cual podemos almacenar energía eléctrica, de manera más correcta podríamos indicar que un condensador no posee ni almacena energía eléctrica, si no que almacena energía mecánica latente, de tal forma que al ser sometido a un circuito eléctrico se comporta como un artefacto capaz de almacenar energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga la cual es liberada, en la misma magnitud, mediante el proceso de descarga.

De forma bien general podríamos considerar las partes más importantes de un condensador las mostradas en la imagen que se encuentra al costado.

2.- ¿Cuál es el papel que juegan los dieléctricos en los condensadores?

Se define como dieléctricos los elementos que son “malos conductores de electricidad” el rol que juegan en los condensadores es de

aislante eléctrico. Existen diferentes materiales que cumplen la misma funcionalidad, lógico que con diferentes características que indagaremos más adelante, como por ejemplo: Cerámica, mica, cera, papel, etc.

3.- Describa básicamente los siguientes condensadores fortalezas y debilidades:

a) Aire: Se utiliza a nivel industrial para condensar el aire resultante de un proceso termodinámico pasando el agua vapor a agua líquida. La fortaleza es que son tremendamente útiles en la mayor parte del mundo industrial, puesto que la mayoría de los procesos generados son termodinámicos, La debilidad que podría tener este condensador es

que al momento de trabajar con aguas no purificadas, vale decir con iones que le dan dureza al agua, van generando sedimentos, por lo que se necesita una constante observación y limpieza para un funcionamiento óptimo.

b) Papel: Es un condensador cuyo dieléctrico es de papel por lo general impregnado de algún aceite. La fortaleza de este condensador es que al tener su dieléctrico de papel, genera un costo mucho menor, y su debilidad a modo general al ser papel, es propenso a ser estropeado por la humedad ambiental o cosas por el estilo, es por eso que se recubren con una película de aceite, para evitar interacción entre lo polar y apolar.c) Mica: Son condensadores utilizados para RF de baja y mediana potencia “RF, Radiofrecuencia” Su fortaleza es que abarca radiofrecuencias de baja y mediana potencia que son de mayor demanda o recurrencia, pero al mismo tiempo tiene como debilidad que no cubre todo las potencias de radiofrecuencias, llámese altas, medias y bajas potencias.

d) Tantalio: Estos son compactos, dispositivos de bajo voltaje de hasta varios cientos de mF (micro faraday), tienen menor densidad energética pero son mucho más precisos que los de aluminio. Su mayor fortaleza es que son extremadamente pequeños y livianos por lo tanto son capaces de ser incluidos en lugares donde los otros tipos de condensadores no caen. Su debilidad es que no toleran picos de tensión, por lo que explotan de manera violenta al existir una sobrecarga brusca. Además son de mayor costo que los condensadores de aluminio.

e) Aluminio: Son condensadores que como todos los demás difieren en el material del dieléctrico, Su mayor fortaleza es que es capaz de resistir condiciones un poco más extremas en comparación al tantalio, como por ejemplo exposiciones a altas temperaturas o cambios bruscos de voltajes, su mayor debilidad es que no es tan preciso como los condensadores de tantalio.

f) Cerámicos: A diferencia de los demás condensadores este no se encuentra polarizado, su fortaleza radica en la estabilidad respecto a la variación de voltaje, su debilidad es que tienen mayor pérdida de frecuencia respecto al condensador de tantalio.

g) Electrolíticos Estos condensadores ocupar una disolución iónica conductora como una de sus placas, su mayor ventaja es que puedo variar y escoger aquella disolución de tal forma que favorezca el proceso a realizar, ya sea mayor conductividad, etc. Su debilidad es que se utilizan mayormente para circuitos con corriente continua, pero no alterna.

h) Auto regulable: Es aquel en el cual un tornillo por ejemplo es capaz de regular su capacidad al hacer desplazarse unas armaduras móviles entre unas fijas.

4.- Describa 5 aplicaciones del uso de los condensadores en elementos o dispositivos de la vida cotidiana.

Los condensadores de diferentes tipos los encontramos en objetos como teléfonos móviles, notebook, pantallas plasma, cámaras digitales hasta satélites artificiales.

5.- Demuestre que la capacidad equivalente de dos condensadores conectados en serie viene dado por:

La diferencia de potencial entre los extremos del sistema, es igual a la suma de las diferencias de potencial en cada uno de los tres capacitores de los condensadores. Entonces:

Reordenando y reemplazando (1) en (2)

= + +

Donde se obtiene la capacidad equivalente de los capacitadores. Por lo tanto para este y “n” condensadores en serie, su capacidad equivalente estará dada por.

= + + +… +

6.- Demuestre que la capacidad equivalente de dos condensadores conectados en paralelo viene dado por:

Si las capacidades son C1 y C2, las cargas Q1 y Q2 almacenadas sobre las placas viene dada por:

Q1=C1V y Q2=C2Vy la carga total almacenada es:

Q= Q1 + Q2= C1V + C2V= (C1 + C2) V

La capacidad equivalente de dos condensadores en paralelo es el cociente de la carga total almacenada y la diferencia de potencial

Esto se puede extender a “n” condensadores con su capacidad equivalente; por lo tanto: