Practica de laboratorio acerca de la Capacitancia y Dieléctrico nivel Bachillerato, Guías, Proyectos, Investigaciones de Física

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República Bolivariana de Venezuela Ministerio el Poder Popular para la Educación Colegio: “San Agustín – El Marques” Edo.- Miranda Materia: Física Profesor: Danysh Oviedo Año: 5to “C” Primer grupo Mesa 4 Laboratorio #1 Condensadores de Placas Paralelas Integrantes: Gabriel Blanco #3, CI. 29.678.664 Gabrielblanco03@gmail.com Diego De Pablo #10, CI. 30.057.477 Diegodepablo1@outlook.com Erick Gómez #16, CI. 30.032.785 Erikaty002@gmail.com Miguel Jiménez #18, CI.29.032.785 Miguel23012003@gmail.com Caracas, Abril de 2020 2 Índice Resumen ……………………………...………………………………........ 3 Introducción……………………………………………………………........ 4 Objetivo general…………………………………………………………….. 5 Objetivos específicos………………………….…………………………….. 5 Marco teórico…...………………………….……………………………….. 6 Materiales utilizados y diseño experimental……………….………………. 10 Metodología experimental……………….………………………………… 11 Presentación de resultados………………………………………..……….. 12 Análisis de resultados…………………………..…………………………..15 Conclusiones………………………………………………………………..16 Recomendaciones…….…………………………………………………….18 Referencias bibliográficas…………………………………………………..19 5 Objetivo General Descubrir las propiedades de la carga y descarga del capacitor además de su relación existente con respecto al tiempo especificado. A su vez estudiar de manera más profunda el funcionamiento práctico de los condensadores. Objetivos Específicos  Estimar, mediante experimentos simulados, la influencia de la variación de algunos parámetros sobre la capacitancia de un capacitor.  Graficar y determinar la relación que guardan los factores que afectan la capacitancia de un capacitor. 6 Marco Teórico Esta práctica tiene como finalidad estimar mediante experimentos simulados la influencia de la variación de algunos parámetros sobre la capacitancia de un capacitor. Para ello, debemos conocer lo que la capacitancia significa: siendo definida como la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica según la página web Fluke y continuando con este término podemos definir lo que son los capacitores: son dispositivos que almacenan energía, disponibles en muchos tamaños y formas. Consisten en dos placas de material conductor (generalmente un metal fino) ubicado entre un aislador de cerámica, película, vidrio u otros materiales, incluso aire. Este aislante también se conoce como un dieléctrico y aumenta la capacidad de carga de un capacitor que también suelen ser llamados condensadores en la industria automotriz, marina y aeronáutica. Las placas internas de estos están conectadas a dos terminales externos, que a veces son largos y finos, y se asemejan a diminutas antenas o patas metálicas dando así la posibilidad de conectarlos a un circuito. Ahora bien, a esta altura podríamos decir que un capacitor se podría definir como una batería, y existe algo de cierto en aquella afirmación, ya que ambos almacenan energía, pero la diferencia radica en la manera en la que esta energía es liberada, ya que en las baterías la energía es liberada lentamente, pero en los capacitores esta energía se libera rápidamente. C= q V Dónde: C: capacidad del condensador. (Faradio (F)) V: diferencia de potencial entre dos placas. (Voltios (V)) Q: carga de cada una de las placas. (Coulomb (c)) Un capacitor 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 capacitor se encuentra cargado y el circuito apagado, el capacitor se encarga de retener esta energía con la que está cargado, generándose en la mayoría de casos una muy leve fuga de la misma. La capacitancia varía dependiendo de los siguientes aspectos:  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. 7 Normalmente estos condensadores se encuentran unidos a un circuito, que es definido como una interconexión de componentes eléctricos (como baterías, resistores, inductores, condensadores, interruptores, transistores, entre otros) que transporta corriente eléctrica a través de por lo menos una trayectoria cerrada. Estos circuitos son los que se encargan de cargar el respectivo capacitor y también de descargarlo, dependiendo del caso. En el mundo de la electrónica, existen diferentes tipos de capacitores, siendo los más comunes: 1. Capacitores fijos: Estos se diferencian entre sí por el tipo de dieléctrico que utilizan. Materiales comunes son: la mica, plástico y cerámica y para los capacitores electrolíticos, óxido de aluminio y de tantalio. Hay de diseño tubular, y de varias placas y dieléctrico intercalados. 2. Capacitores de cerámica Son capacitores en donde las inductancias parásitas y las pérdidas son casi nulas. La constante dieléctrica de estos elementos es muy alta (de 1000 a 10,000 veces la del aire) 3. Capacitores electrolíticos Estos capacitores pueden tener capacitancias muy altas a un precio razonablemente bajo. Tienen el inconveniente de que tienen alta corriente de fuga y un voltaje de ruptura bajo. Son polarizados y hay que tener cuidado a hora de conectarlos pues pueden estallar si se conectan con la polaridad invertida. Se utilizan principalmente en fuentes de alimentación. 4. Capacitores ajustables “trimmer” Se utiliza para ajustes finos, en rangos de capacitancias muy pequeños. Normalmente éstos, después de haberse hecho el ajuste, no se vuelven a tocar. Su capacidad puede variar entre 3 y 100 picoFaradios. Hay trimmers de presión, disco, tubular, de placas. 5. Capacitores de mica Capacitores que consisten de hojas de mica y aluminio colocados de manera alternada y protegidos por un plástico moldeado. Son de costo elevado. Tiene baja corriente de fuga (corriente que pierden los condensadores y que hacen que este pierda su carga con el tiempo) y alta estabilidad. Su rango de valores de va de los pF a 0.1 uF. 6. Capacitores de poliéster: 10 Materiales y Reactivos Materiales  Computador o Laptop  Simulador capacitancia  Microsoft Excel Montaje experimental Ahora debemos conocer los pasos para realizar una gráfica con este programa, resumiéndose de manera sencilla a estos pasos: 1. Primero debes crear una tabla en Excel con los datos que desees. 2. Luego, seleccionas el rango de datos que quieres graficar, ‘sombreándolos’ con el ratón. Para este ejemplo utilizaremos una tabla de datos que tiene sólo dos columnas: una con edades y otra con frecuencia.  Pueden ser más columnas; pero si son demasiadas el gráfico perderá en claridad.  Es importante que tengas en cuenta que es mejor que tengas definidos tus propios nombres en cada columna y que los datos numéricos sean ingresados como números y no como texto. 3. En la barra de herramientas, Insertar eliges la opción “Insertar Gráfico”, por lo que desplegará un menú con diversos tipos, eliges uno. 4. Después se desplegarán en la barra de tareas opciones para cambiar el color y fondo de tu gráfico. Así como habrá una opción llamada “Diseño rápido”, elige el de tu preferencia. 5. Revisa si tus datos son correctos, en caso de ser así, cambia los nombres de los indicadores dando doble click en cada título y añade datos en caso de ser necesario. 6. Si el diseño de tu gráfico no te convence, puedes modificarlo con la opción en la barra de tareas llamada “Cambiar tipo de Gráfico”, en ella encontrarás alternativas de dimensión y perspectiva. 7. Del lado derecho se desplegará una columna para editar el fondo de tu gráfico, elige el color que desees. 8. Por último, en la barra de tareas en la opción “Diseño” elige “Mover gráfico” en la opción, a una hoja nueva y tendrás dos pestañas: una con datos y otra con tu gráfico. 11 Metodología Experimental En vista de que el laboratorio no se logró realizar por inconvenientes mundiales se tuvo que recurrir a realizarlo en línea en un simulador de capacitor. Influencia del dieléctrico en la capacitancia 1. Ingresar al simulador ubicado en: 2. Familiarizarse con el mismo. 3. Determinar la variación de la capacitancia según cambia el dieléctrico, 3.1. Seleccionar valores para el área y la distancia. Estos se deben mantener fijos. 3.2. Con los valores de área y distancia escogidos seleccione cuatro valores para el dieléctrico y anote los resultados correspondientes de la capacitancia en cada uno de los casos. 3.3. Registrar estos valores en una tabla en donde se refleje el cambio de la capacitancia según cambia el valor del dieléctrico. 3.4. Efectuar una gráfica C vs K, analizar la curva resultante y obtener la ecuación correspondiente que determina la relación entre C y K. 4. Determinar la variación de la capacitancia según cambia el área, 4.1. Seleccionar un valor fijo para el dieléctrico y otro para la distancia. 4.2. Accionando el control del área en el simulador, seleccione cuatro valores distintos para el área y anote las variaciones de la capacitancia. 4.3. Registre los valores obtenidos en una tabla donde se muestre el cambio de la capacitancia según cambia el valor del área. 4.4. Efectuar una gráfica de C vs A, analizar la curva y obtener la ecuación correspondiente que determina la relación entre C y A. 5. Determinar la variación de la capacitancia según cambia el valor de la distancia, 5.1. Seleccionar un valor fijo para el dieléctrico y otro para el área. 5.2. Con los valores del área y del dieléctrico escogido seleccione cuatro valores distintos para la distancia y anote los resultados correspondientes de la capacitancia en cada uno de los casos. 5.3. Registrar estos valores en una tabla en donde se refleje la variación de la capacitancia según cambia el valor de la distancia. 5.4. Efectuar una gráfica de C vs d y otra de C vs 1/d, analizar las curvas resultantes y obtener la ecuación que relaciona C y d. 12 Resultados Determinar la variación de la capacitancia según cambia el dieléctrico d = 0,02 m A= 0,08 m2 k 1 3,5 4,8 5,4 C (pF) 35,42 123,9 7 170,02 191,27 Determinar la variación de la capacitancia según cambia el área d = 0,02 m k = 5,4 A(m2) 0,02 0,04 0,08 0,10 C (pF) 47,82 95,63 191,27 239,09 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 0 50 100 150 200 250 Gráfica C vs K Constante Dieléctrica C ap ac ita nc ia 15 Análisis de resultados Primer Procedimiento Se jugó con la página y con su simulador de condensadores dentro del cual se obtuvo el cuadro de datos de la parte de resultados este mismo nos muestra la capacitancia en pico Faradios al dar la distancia entre las placas capacitoras y el área de las mismas en una serie de distintos dieléctricos entre placas, este simulador no es más que un programa que despeja la fórmula de la capacitancia y coloca los datos ingresados en el sistema, una vez aprendido el funcionamiento de la aplicación en cuestión se pasó a la siguiente actividad Segundo Procedimiento El segundo procedimiento teórico consistía en seleccionar una serie de valores teóricos de A y d los cuales al cambiar K estos deberán de cambiar C y posteriormente tomar representarlos en una tabla K-C cómo se realizó en la parte de resultados Tercer Procedimiento Dentro de la gráfica se representa como una línea recta sin curva en la cual escala proporcionalmente la capacitancia del condensador al ser (A/E0*d) K entonces al aumentar el dieléctrico, este multiplica todo el resto de la ecuación Cuarto procedimiento Dentro de la gráfica se representa como una línea recta sin curva en la cual escala proporcionalmente la capacitancia del condensador al ser (A/E0*d) K entonces al aumentar el área, esta multiplica al resto de la ecuación haciendo que aumente proporcionalmente con respecto al área Quinto procedimiento Dentro de la gráfica se representa como una línea descendente con una curva entre los 0.01m y los 0.015m mientras se amplía la distancia entre las placas se pierde también la eficacia del condensador, por mucho que el dieléctrico se mantenga todo en la ecuación (A/E0*d)K Al mismo tiempo al buscar el inverso de la distancia y ser estos valores tan pequeños su inverso es muy grande generando que en la gráfica de la distancia inversa sea una línea recta que escala directamente con el inverso de la distancia. 16 Conclusiones Conclusiones específicas: 1. Aproximando con el simulador de capacitor se visualizó como funcionaba al cambiar datos y variables del mismo para ver sus efectos en el almacenamiento de la carga y funcionamiento del mismo 2. Se graficó y determinó los valores teóricos producto de la realización de la simulación Conclusión general: La capacidad de carga de un capacitor está determinada por su voltaje y amperaje que al conocer en mejor medidas sus propiedades nos damos cuenta que estos pequeños dispositivos son muy utilizados en electrónica de consumo o electrónica avanzada, y sus tamaños varían dependiendo del propósito y al alinearse en forma lineal son capaces de formar baterías, gracias a las cuales la mayor parte de nuestra tecnología como smartphones se sustentan hoy y que todavía tienen mucho margen de mejora gracias a tecnologías nacientes como el grafeno. Conclusiones procedimentales: Procedimiento 3: 1. En dieléctricos menos conductores como por ejemplo la parafina, los condensadores funcionan mejor permitiendo tener una mayor capacitancia 2. Los condensadores de uso comercial deben estar compuestos por aislantes muy fuertes para poder aprovechar mejor la eficiencia de los componentes en cuestión 3. A pesar de que el aire se puede usar de aislante es bastante obvio que este pierde eficacia porque tiene propiedades conductoras que son capaces de unir a las placas entre sì Procedimiento 4: 1. El área de las placas de los condensadores causa que estos sean capaces de transmitir electrones en mucho más espacio causando así una mayor eficacia 2. A pesar de que la electrónica de consumo demande condensadores cada vez más pequeños, por ende con menos área, se sabe que estos pierden eficacia y deben usar otro tipo de tecnologías para trabajar en esas dimensiones tan pequeñas 3. Los condensadores que utilizan voltajes mucho mayores deberán por ende tener placas más grandes con el fin de que estas no exploten 17 Procedimiento 5: 1. La distancia es determinante porque significa cuanto deberán desplazarse los electrones entre ambas placas, que si estas a su vez están separadas por un aislante, significa que los electrones podrán dar una mayor capacidad de carga 2. En la electrónica de consuma en la cual sus condensadores son tan pequeños, la distancia entre placas también es muy pequeña, por ende, maximizando la eficiencia del total 3. La distancia entre placas puede ser uno de los factores más difíciles de cuadrar en una producción en masa, puesto que un error de un micrómetro puede causar una explosión en los condensadores