Práctica 7 Electricidad y Magnetismo, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física

¡Descarga Práctica 7 Electricidad y Magnetismo y más Guías, Proyectos, Investigaciones en PDF de Física solo en Docsity! INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA QUÍMICA E INDUSTRIAS EXTRACTIVAS DEPARTAMENTO DE FORMACIÓN BÁSICA ACADEMIA DE FÍSICA LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO PRÁCTICA 7: CIRCUITOS RC JIMÉNEZ MIJANGOS LUIS JULIÁN 1IV22 PROF. SERGIO ALVARADO ALVARADO 3-DICIEMBRE-2020 OBJETIVO GENERAL: Analizar el proceso de carga y descarga de un capacitor electrolítico en un circuito RC, observando y midiendo las variaciones de voltaje entre sus terminales a diferentes intervalos de tiempo, con el fin de que el alumno reconozca la importancia de las aplicaciones de los capacitores en diversas situaciones reales. OBJETIVO (COMPETENCIA): Esta competencia pretende desarrollar el pensamiento científico en los alumnos, a través de la observación, la experimentación, comparación de resultados, el análisis y la argumentación, promoviendo el uso de las habilidades necesarias para llevar acabo la aplicación de los conocimientos, adquiridos teórica y experimentalmente, en situaciones reales. OBJETIVOS ESPECÍFICOS: 1. Analizar la función de la resistencia eléctrica en un circuito RC durante la carga y descarga de un capacitor electrolítico 2. Verificar que en un capacitor la energía almacenada se manifiesta como una diferencia de potencial entre sus terminales, a partir de medir el voltaje entre las mismas a 5 constantes de tiempo de carga y descarga del capacitor. 3. Graficar y analizar el proceso de carga y descarga de un capacitor electrolítico en un circuito RC para identificar sus aplicaciones. METAS DE APRENDIZAJE:  Capacitancia  Material dieléctrico  Constante dieléctrica  Capacitores fijos y variables  Capacitores en serie y paralelo  Circuito RC  Carga y descarga de un capacitor MATERIAL Y EQUIPO:  Simulador Livewire  Computadora personal  Manual de prácticas de Electricidad y Magnetismo Los capacitores y las baterías almacenan energía. Mientras que las baterías liberan energía poco a poco, los capacitores la descargan rápidamente. Un capacitador acumula energía (voltaje) a medida que fluye la corriente a través de un circuito eléctrico. Ambas placas mantienen cargas iguales, y a medida que la placa positiva recoge una carga, una carga igual fluye fuera de la placa negativa. Cuando el circuito está apagado, un capacitor retiene la energía que ha reunido, aunque generalmente ocurre una leve fuga. La capacitancia se expresa como la relación entre la carga eléctrica de cada conductor y la diferencia de potencial (es decir, tensión) entre ellos. El valor de la capacitancia de un capacitor se mide en faradios (F); denominados así en honor al físico inglés Michael Faraday (1791-1867). C= q V EC: 7.1 La capacitancia puede aumentar cuando:  Las placas de un capacitor (conductores) están colocadas más cerca entre sí.  Las placas más grandes ofrecen más superficie.  El dieléctrico es el mejor aislante posible para la aplicación. MATERIAL DIELÉCTRICO Se denomina materiales dieléctricos a los materiales que no conducen la electricidad, por lo que pueden ser utilizados como aislantes (vidrio, cera, papel, madera, porcelana, grasas, etc.). Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico, es decir, si se aumenta mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico, dicho material se convierte en un conductor. La capacidad de un dieléctrico de soportar campos eléctricos sin perder sus propiedades aislantes se denomina resistencia de aislamiento o rigidez dieléctrica. La rigidez dieléctrica es una medida de las propiedades aislantes de los materiales que puede variar con la presencia o ausencia de gases, agua u otros materiales disueltos o precipitados en el material aislante. APLICACIONES La introducción de un dieléctrico en un condensador aislado de una batería tiene las siguientes consecuencias:  Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador.  Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relación Vi/k.  Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica).  Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces.  La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada cuando el condensador estuvo sometido a un voltaje. TIPOS DE MATERIALES DIELÉCTRICOS SÓLIDOS Los dieléctricos sólidos son quizás los dieléctricos más de uso general de la ingeniería eléctrica, y muchos sólidos son aislantes muy buenos. Algunos ejemplos incluyen porcelana, cristal, el papel, la goma y la mayoría de los plásticos, así como las cintas sintéticas: tereftalato de polietileno (PET), naftalato de polietileno (PEN) y sulfido de polifenileno (PPS) que se utilizan para envolver los conductores magnéticos de los bobinados. Tienen excelentes propiedades dieléctricas y buena adherencia sobre los alambres magnéticos. GASES Por su naturaleza el aire, nitrógeno y hexafluoruro del sulfuro son los tres dieléctricos gaseosos más de uso general. Los gases aislantes más utilizados en los transformadores son el aire y el nitrógeno, este último a presiones de 1 atmósfera. Estos transformadores son generalmente de construcción sellada. El aire y otros gases tienen elevadísima resistencia y están prácticamente exentos de pérdidas dieléctricas. El hexafluoruro de azufre (SF6) es otro gas aislante que se caracteriza por ser incoloro, inodoro, no tóxico, química y El valor de la constante dieléctrica ∈ de un material define el grado de polarización eléctrica de la substancia cuando ésta se somete a un campo eléctrico exterior. El valor de k es afectado por muchos factores, como el peso molecular, la forma de la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o el tipo de interacciones que presente. Cuando un material dieléctrico remplaza el vacío entre los conductores, puede presentarse la polarización en el dieléctrico, permitiendo que se almacenen cargas adicionales. La magnitud de la carga que se puede almacenar entre los conductores se conoce como capacidad eléctrica, y ésta depende de la constante dieléctrica del material existente entre los conductores, el tamaño, así como de la forma y la separación de esta. CIRCUITO RC Los circuitos RC son circuitos que están compuestos por una resistencia y un condensador. Se caracteriza por que la corriente puede variar con el tiempo. Cuando el tiempo es igual a cero, el condensador está descargado, en el momento que empieza a correr el tiempo, el condensador comienza a cargarse ya que hay una corriente en el circuito. Debido al espacio entre las placas del condensador, en el circuito no circula corriente, es por eso, se utiliza una resistencia. Cuando el condensador se carga completamente, la corriente en el circuito es igual a cero. CIRCUITOS EN SERIE Se caracterizan por tener las resistencias conectadas en la misma línea que se sitúa entre los extremos de la pila, es decir, situados uno seguido del otro. Por tanto, la corriente fluye por cada resistor uno tras otro. Condensadores: 1 CT = 1 C1 + 1 C2 + 1 Cn EC 7.3 CIRCUITOS EN PARALELO Los circuitos en paralelo se caracterizan por tener conectadas varias vías alineadas paralelamente entre sí, de tal forma que cada vía tiene una resistencia y estas vías están conectadas por puntos comunes. Condensadores: CT=C1+C2+Cn EC 7.4 CAPACITORES FIJOS Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por el fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado. CAPACITORES VARIABLES El capacitor variable se produce de tal modo que se puede ajustar continuamente, como se requiere para la sintonización de un receptor de comunicaciones en una banda ancha de frecuencias. Esto se hace con capacitores variables que se pueden acoplar sobre el mismo eje para hacer resonar simultáneamente varios circuitos. CARGA DE UN CAPACITOR Considérese el circuito en serie de la figura. Inicialmente el condensador está descargado. Si se cierra el interruptor I la carga empieza a fluir produciendo corriente en el circuito, el condensador se empieza a cargar. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la corriente cesa en el circuito. V carga5=10V (1−e −40 s 10 s )V carga5=9.8168V V carga6=10V (1−e −50 s 10 s )V carga6=9.9326V V carga7=10V (1−e −60 s 10 s )V carga7=9.9752V V descarga=Emax(e −t τ ) V descarga1=10V (e −0 s 10 s )V descarga1=10V V descarga2=10V (e −10 s 10 s )V descarga2=3.6788V V descarga3=10V (e −20 s 10 s )V descarga3=1.3533V V descarga4=10V (e −30 s 10 s )V descarga4=0.4978V V descarga5=10V (e −40 s 10 s )V descarga5=0.1831V V descarga6=10V (e −50 s 10 s )V descarga6=0.0673V V descarga7=10V (e −60 s 10 s )V descarga7=0.0247V DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Abrir Livewire, y simular la carga y descarga de un capacitor, determinando la caída de potencia en función del tiempo, utilizando como parte en el circuito, un elemento resistivo, un condensador y un voltímetro. 2. Registrar resultados y calcular porcentaje de error en la tabla, comparando valores teóricos y experimentales. CARGA DEL CONDENSADOR %E=|Valor teórico−Valor experimentalValor teórico |x 100 %E=|0V−0V0V |x100%E=0% 10 seg 20 seg 30 seg 40 seg 50 seg 60 seg %E=|6.3212V −6.34V6.3212V |x 100%E=0 .2974% %E=|8.6466V−8.64 V8.6466V |x100%E=0.0763% %E=|9.5021V−9.51V9.5021V |x 100%E=0.0831% %E=|9.8168V−9.82V9.8168V |x 100%E=0.0326% %E=|9.9326V−9.93V9.9326V |x100%E=0.0261% %E=|9.9752V−9.98V9.9752V |x 100%E=0.0481% CARGA DEL CONDENSADOR t (s ) V Teórica(V ) V Experimental(V ) %E 0 0 0 0% 10 6.3212 6.34 0.2974% 20 8.6466 8.64 0.0763% 30 9.5021 9.51 0.0831% 40 9.8168 9.82 0.0326% 50 9.9326 9.93 0.0261% 60 9.9752 9.98 0.0481% DESCARGA DE UN CONDENSADOR DESCARGA DEL CONDENSADOR t (s ) V Teórica(V ) V Experimental(V ) %E 0 10 9.96 0.4 % 10 3.6788 3.64 1.0547% 20 1.3533 1.33 1.7217% 30 0.4978 0.49579 0.4037% 40 0.1831 0.18302 0.0437% 50 0.0673 0.06738 0.1188% 60 0.0247 0.02466 0.1619% CUESTIONARIO  El faradio (F) es una medida de: Capacitancia  EI dispositivo eléctrico que almacena energía por medio de un campo electrostático es: Capacitor  Los factores que determinan la capacitancia de un capacitor son: Área de las placas, distancia entre placas, número de placas, constante del dieléctrico, valor del voltaje.  La función de la resistencia en un circuito RC es: Proteger al capacitor del voltaje.  El porcentaje que el capacitor se carga o descarga cada constante de tiempo es: 63.2% de la carga total.  La fórmula para calcular el voltaje de carga de un capacitor es: V carga=Emax (1−e −t τ )  Un capacitor de placas paralelas con un dieléctrico determinado, conectado a una batería, almacena el doble de energía en comparación con otro de igual dimensiones, aislado por aire. En este caso, la permitividad relativa del dieléctrico es: 2  ¿Qué sucede con la capacidad total cuando dos capacitores se conectan en paralelo? Aumenta  La finalidad de insertar un material no conductor (dieléctrico) entre un condensador es: Disminuir resistencia a la ruptura dieléctrica  ¿En qué constante de tiempo se considera que el capacitor está prácticamente cargado y la corriente eléctrica es casi nula? 6 τ CONCLUSIONES Se logró lo esencial de lo establecido en la sección de los objetivos específicos, en cuanto como se comportan los elementos resistivos en un circuito integrado por resistencias y condensadores, también manejado como circuito RC, así como también, gracias al emulador, como se involucra la función del tiempo para dar sentido a las fórmulas empleadas que se generaron de integrales. También durante la investigación, se manejaron conceptos como condensadores, materiales dieléctricos, constante y sus aplicaciones; conceptos muy útiles para entender las prácticas futuras, tanto de esta materia como de cualquier otra relacionada con física de la carrera. En cuanto al desarrollo de la práctica, no hubo ningún inconveniente en la realización de las estructuras de los circuitos, todo estuvo conforme lo dice la lógica y las instrucciones como tal. En pocas palabras, esta práctica simulada fue todo un éxito. BIBLIOGRAFÍA http://depa.fquim.unam.mx/amyd/archivero/ Capacitores_21660.pdf https://www.fluke.com/es-es/informacion/blog/electrica/que-es- la-capacitancia http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecmagnet/dielectricos/ dielectrico.htm https://es.wikipedia.org/wiki/Dieléctrico http://personales.upv.es/jquiles/prffi/conductores/ayuda/ hlpkdielectrica.htm http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/18519208 http://elmundodeloscapacitores.blogspot.com/p/clasificacion- de-los-capacitores.html