Análisis del comportamiento de un capacitor en procesos de carga y descarga, así como el cálculo de su capacitancia

Análisis del comportamiento de un capacitor en procesos de carga y descarga, así como el cálculo de su capacitancia

Integrantes:                C.I.

Chirinos Adhemar                25243044

Frassati Alejandro                22147602

Ibarra Nerimar                23853337

Manzanilla Meileen                23863619

Mezzadri Fabiola                25342791

Núñez Andrés                23760961

Rivera Andrea                23738948

Resumen

Este trabajo experimental tiene como objetivos principales analizar los procesos de carga y descarga de un condensador a través de una resistencia y determinar la capacitancia de un capacitor aplicando el método de la constante de tiempo. Para lograr estos objetivos, se realizó un experimento que consistió en cargar y descargar un capacitor, para esto, se elaboró una tabla con voltajes específicos y se tomó el tiempo en el que se alcanzaban y se aplicaron formulas para obtener carga, corriente y energía; en cuanto al segundo objetivo se midió el tiempo en el cual el capacitor se cargó en un 63%, cinco veces y se sacó el tiempo promedio que representa T y se determinó la capacitancia. A la final se corroboró como los valores experimentales fueron cercanos a los teóricos y que dicho error pudo deberse a las dificultades de medición.

Palabras clave: capacitancia, carga, comparaciones, descarga.

Introducción

En este informe se evaluó en un circuito RC  con una fuente de alimentación, la propiedad de un capacitor de almacenar carga y energía cuando se cierra el circuito, así como también, de perderla a través de un resistor una vez se retira dicha fuente.

Un circuito RC ´´contiene una combinación en serie de un resistor y un capacitador’’ (Serway y Jewett, 2009; 788)  

Este acto de controlar la carga de un capacitor tiene mucha utilidad en la práctica, entre ellas por ejemplo el flash de una cámara, cuyo condensador almacena la energía necesaria para proporcionar un destello súbito de luz o los desfibriladores utilizan condensadores que entregan 360 J de energía a un enfermo en 2ms para reanimarlo.

Con este último ejemplo, se hace notar que tanto el proceso de carga como descarga no se manifiestan instantáneamente, sino que toma un cierto intervalo de tiempo dependiendo del resistor y capacitor utilizados en el circuito, dando origen a una pregunta: ¿Cómo cambian las magnitudes eléctricas en un proceso de carga máxima y descarga con tendencia a 0  en un circuito RC en ciertos instantes de tiempo?¿Qué tanta desviación tendrán los valores experimentales con respecto a los teóricos?¿Qué tan precisa se podría calcular la constante Tao y la capacitancia en un circuito RC?

Para llevar a cabo la investigación se plantearon como objetivos específicos:

• Analizar los procesos de carga y descarga de un condensador a través de una resistencia.
• Determinar la capacitancia de un capacitor aplicando el método de la constante de tiempo.                  

1. Los resultados del presente estudio permitirán determinar ciertas propiedades eléctricas como la energía almacenada que por consiguiente sirve de apoyo en el diseño de ciertos aparatos y dispositivos que deben suministrar cierta cantidad de energía por un intervalo de tiempo según el uso que se le dé, tal como los parabrisas que usan los automóviles dentro de una llovizna.

Material y método

El diseño de investigación aplicado en este estudio es de tipo confirmatoria, que prueba a priori predicciones hipótesis-resultados que se hacen antes de que comience la fase de medición.

En el presente estudio se estableció a priori que en el proceso de carga el capacitor incrementa su carga hasta llegar a un máximo con un potencial igual al de la fuente; y en el proceso de descarga desciende su carga y potencial inicial hasta llegar a cero.

La investigación se realizó en el laboratorio de física II de la Facultad de Ingeniería de LUZ

Los materiales y equipos utilizados fueron:

1. Fuente de alimentación DC de 10v
2. Multímetro digital.
3. Cronómetro.
4. Resistencia fija de 12x103 + 10%
5. Capacitor electrolítico de 3300x10-6 F
6. Interruptor de doble tiro.
7. Cables para conexiones.

El procedimiento experimental se realizó en dos etapas:

1. Proceso de carga:

1. Se montó el circuito mostrado en la figura 1 y se fijó el voltaje de la fuente en 10v

[pic 1]

[pic 2]

1. Se registraron los valores de C y R. Se determino la constante de tiempo capacitiva del circuito, y se estimo el tiempo en el cual el capacitor adquiere el 99% de su carga máxima
2. Se realizó el cortocircuito del condensador C para garantizar que estaba descargado.
3. Con el cronometro en la mano, se colocó el interruptor en la posición a y simultáneamente se pulsó el Start del cronómetro.  Se midieron los tiempos para los voltajes (1.2; 2.2; 3.9; 5.2; 6.3:7.1;8.9;9.5;9.8:9.9) sobre el condensador.
4. Se construyeron las tablas de los valores prácticos para q vs. t, i vs. t, y U vs. t, utilizando los valores de voltaje registrados en el paso anterior y las relaciones dadas a continuación, asignándole los mismos tiempos (4;9;17.5;27;37.5;45.5;83;115;151; 180) del experimento:

[pic 3]        (1)        

[pic 4]        (2)

[pic 5]        (3)

1. Con ayuda de los tiempos registrados anteriormente y las relaciones dadas a continuación, encuentre los valores de Vc, q, i, y U en cada tiempo y forme las tablas correspondientes a los valores teóricos de las cantidades anteriormente descritas.
2. Con ayuda de los tiempos registrados anteriormente y las relaciones dadas a continuación, encuentre los valores de Vc, q, i, y U en cada tiempo y forme las tablas correspondientes a los valores teóricos de las cantidades anteriormente descritas.

[pic 6](4)

[pic 7]        (5)

[pic 8]                (6)

[pic 9]                        (7)

 Se graficó en la mismas hojas de papel milimetrado las curvas correspondientes a Vc vs.t, tanto téorica como práctica. Se repitió el mismo procedimiento para el resto de las cantidades mencionadas.

...