Capacitancia y Dieléctricos

Capacitancia y Dieléctricos

Jossy Aguas Medina

Email: aguasj@uninorte.edu.co

Ingeniería de Sistemas

Estefanía Becerra Sanabria

Email: sanabriae@uninorte.edu.co

Ingeniería Eléctrica

Elkin Cubas Mendoza

Email: ecubas@uninorte.edu.co

Ingeniería de Sistemas

Inírida Carrillo Foliaco

Email: ifoliaco@uninorte.edu.co

Ingeniería Electrónica

RESUMEN

En este trabajo analizaremos y estableceremos las relaciones que hay entre las cargas, el voltaje y la capacitancia de un condensador de placas planas paralelas.

ABSTRACT

This report we will analyze and establish the relationships between electric charges, voltage and capacitance of a parallel flat plate capacitor.

1. INTRODUCCION

En este trabajo hablaremos sobre la importancia de los dispositivos de almacenamiento de energía, también como funcionan, de qué manera se puede optimizar su funcionamiento, como están compuestos y las relaciones que debería tener para que pueda tener mayor capacitancia y potencial. Esta experiencia nos arrogó datos que fueron presentados en forma de gráficos y que se mostraran mas adelante en este trabajo.

2. OBJETIVOS

2.1 General:

· Establecer la relación entre carga, voltaje y capacitancia para un condensador de placas paralelas.

2.2 Específicos:

· Establecer una relación empírica entre el voltaje V y la carga Q, manteniendo la capacitancia del condensador C constante.

· Establecer una relación empírica entre la carga Q y la capacitancia C, manteniendo el voltaje constante.

· Establecer la relación empírica entre el voltaje V y la capacitancia C, manteniendo constante la carga Q

· Comparar los coeficientes dieléctricos de algunos materiales comunes.

3. MARCO TEORICO

3.1 Capacitor Eléctrico: Es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está constituido por un par de superficies conductoras en situación de influencia total, generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico, están sometidos a una diferencia de potencial que adquieren una estipulada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra .

3.2 Factores que afectan la capacitancia:

a) La superficie de las placas: es un factor importantísimo para determinar la cantidad de capacitancia, puesto que varía proporcionalmente con la superficie de las placas.

b) La distancia entre las placas: el efecto que tienen dos cuerpos cargados entre ellos depende de la distancia que los separa.

c) El material dieléctrico: la capacitancia se modifica al utilizar como dieléctricos materiales distintos. El efecto de los distintos materiales, es comparable al del aire, o sea que si un condensador tiene una capacitancia dada cuando se utiliza aire como dieléctrico, otros materiales, en vez de aire, multiplicaran la capacidad en cierta medida. A esta medida se le denomina: constante dieléctrica.

3.2 Capacitancia de un condensador: La capacitancia entre dos conductores que tienen cargas de igual magnitud y signo contrario es la razón de la magnitud de la carga en uno u otro conductor con la diferencia de potencial resultante entre ambos conductores.

3.3 Constante dieléctrica: Antes de considerar la polarización de las moléculas polares y no polares, es preciso recordar el concepto de constante dieléctrica. Un condensador de placas es un dispositivo formado por dos placas conductoras paralelas, en el que el espacio existente entre las placas puede ocuparse con un medio no conductor, conocido como dieléctrico o aislante. En el condensador de la figura, los electrones fluyen desde una placa a la otra través de la batería que suministra el potencial eléctrico, y cuando la diferencia de potencial entre las placas se hace igual a la de la batería, los electrones dejan de fluir. La cantidad de carga eléctrica, q, existente en las placas cuya diferencia de potencial es de V, es dada por:

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Caso 1: (Mantenga C constante, varíe Q y mida V) Para el primer caso se conecto el capacitor variable de placas paralelas al electrómetro, el cual también está conectado a tierra. Se conecto una esfera hueca conductora a una fuente de voltaje de 1000VDC, se descargaron tanto como el capacitor de placas variables, como el transportador de carga. Se colocaba el transportador de carga en la esfera y luego en una de las placas. Se tomaron los datos, se repitió el proceso 5 veces.

Caso 2: (Mantenga V constante, varíe C y mida Q) Después de la conexión de los elementos de trabajo en el caso 1, simplemente se descargaron los instrumentos para el nuevo experimento. Para este experimento, se conecto la jaula de faraday al electrómetro, y la fuente de voltaje al capacitor variable de placas paralelas. Se coloco el transportador de carga en medio de las placas, luego, se coloco dentro de la jaula de faraday. Se tomaron los datos, se repitió el proceso para diferentes distancias de separación de las placas en la misma grafica.

Caso 3: (Mantenga C constante, varíe V y mida Q) Se realizo el mismo procedimiento del caso anterior, pero para este caso no se vario la distancia, sino el voltaje de la fuente generadora de voltaje, de 1000VDC, 2000VDC y 3000VDC.

Caso 4: (Mantenga Q constante, varíe C y mida V) Se realiza el montaje del experimento como en el caso 1. Se tomaron los datos en la misma grafica a medida que se separaban las placas.

Caso 5: (Coeficientes Di-Eléctricos) Se realizo el montaje del caso 3, para la toma de datos se separo las placas paralelas del capacitor variable una cierta distancia muy pequeña, por la cual solo pasara una placa de madera o una de acrílico de medio centímetro de grosor. Se coloco la placa de madera primero, se tomaron los datos, luego se coloco la placa de acrílico y se tomaron los datos.

5. DATOS OBTENIDOS

Caso 1:

Figura 1.1 Grafica voltaje contra tiempo del caso 1.

Caso 2:

Figura 1.2 Grafica voltaje contra tiempo del caso 2 para 1000VDC.

Figura 1.3 Grafica voltaje contra tiempo del caso 2 para 2000VDC.

Figura 1.4 Grafica voltaje contra tiempo del caso 2 para 3000VDC.

Caso 3:

Figura 1.5 Grafica voltaje contra tiempo del caso 3.

Figura 1.6 Grafica voltaje contra tiempo del caso 4.

Caso 5:

Figura 1.7 Grafica voltaje contra tiempo del caso 5 con una placa de Acrilico.

Figura 1.8 Grafica voltaje contra tiempo del caso 5 con una placa de madera.

6. ANALISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

6.1 Preguntas de Análisis

Pregunta 1: ¿Qué puede concluir acerca de la relación entre la carga Q y el voltaje V cuando la capacitancia del condensador es constante?

Rta: Se puede concluir en base al experimento que tanto el voltaje como la carga son directamente proporcionales debido a que en la actividad, cuando aumentábamos las cargas, el voltaje en consecuencia también aumentaba debido a que la capacitancia es constante el proporcionalidad se da para mantener constancia de la misma según la ecuación

Pregunta 2: Cuando aumenta la separación entre las placas. ¿Cómo cambia la capacitancia del capacitor? ¿Qué relación hay entonces entre la capacitancia C y la carga en sus placas cuando se mantiene constante la diferencia de potencial V?

Rta: En la base de datos q obtuvimos, la capacitancia entre las placas es inversamente proporcional a la distancia entre las mismas, además dado V=Q/C, tenemos que la carga es directamente proporcional a la capacitancia.

Pregunta 3: Cuando se mantiene la carga en las placas del capacitor constante. ¿Qué relación hay entre la capacitancia del condensador y la diferencia de potencial V entre sus placas?

Rta: Dado Q como una constante, tenemos que la capacitancia seria inversamente proporcional a la diferencia de potencial.

Pregunta 4: ¿Qué cambios produce en la magnitud de la capacitancia introducir un dieléctrico entre sus placas?

Rta: En nuestro experimento en particular, los dieléctricos fueron el aire y la lamina trasparente que nos otorgaron, cada uno de los cuales presenta una constante dieléctricas que influyen directamente en la lectura de la capacitancia de nuestros experimentos, dando a conocer que la presencia de un dieléctrico produce un incremente en la capacitancia entre las placas.

6.2 Preguntas Problematológicas

Pregunta 1: ¿Qué relación empírica puedes derivar entre la carga, el voltaje y la capacitancia de un capacitor?

Rta: Podemos ver que en los resultados se ve reflejado el hecho que la capacitancia es directamente proporcional a la carga e inversamente proporcional al voltaje, respaldando la formula

Pregunta 2: Explique ¿En qué forma actúa el dieléctrico para producir el efecto observado en la magnitud de la diferencia de potencial entre las placas?

Rta: En si el uso del dieléctrico produce un aumento en la máxima diferencia de potencia posible entre las placas del capacitor y así almacenar mayores cantidades de carga y energía además del aumento de la capacitancia.

7. CONCLUSION

De esta experiencia, podemos concluir que la capacitancia es inversamente proporcional al voltaje y a su vez es directamente proporcional a la carga. También se pudo observar que la carga es directamente proporcional al voltaje. Se demostró que teniendo un dieléctrico entre un condensador de placas planas paralelas aumenta la capacidad de almacenar energía y el campo eléctrico disminuye.

BIBLIOGRAFIA

FISICA EXPERIMENTAL ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO. Mendoza Aníbal, Ripoll Luis, Miranda Juan; Ediciones Uninorte.