Electricidad y magnetismo. Condensadores o capacitores - Práctica 5

[pic 1][pic 2]

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESIME - Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica Unidad Culhuacán

“Electricidad y magnetismo”

“Condensadores o capacitores”[pic 3]

Prof.:

Objetivos

Introducción

Un capacitor (también llamado condensador) es un componente electrónico pasivo que tiene la capacidad de almacenar energía en forma de campo eléctrico. Está formado esencialmente por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico o aislante. Cuando se aplica una diferencia de potencial (voltaje) entre las placas, se acumula una carga eléctrica en ellas, generando un campo eléctrico entre ambas.

El principio básico de funcionamiento de un capacitor es la acumulación de carga eléctrica. Las placas se cargan con cargas opuestas (una positiva y otra negativa), lo que da lugar a una energía almacenada en el campo eléctrico entre ellas. Esta energía puede liberarse más tarde cuando el capacitor se conecta a un circuito.

Características de un capacitor

1. Capacitancia (C):

Es la medida de la capacidad del condensador para almacenar carga. Se mide en faradios (F), aunque en la práctica se utilizan unidades más pequeñas como microfaradios (µF), nanofaradios (nF) y picofaradios (pF).

​[pic 4]

1. Tensión de trabajo:

Es el máximo voltaje que puede soportar un capacitor sin que su dieléctrico se degrade o se rompa.

1. Dieléctrico:

Es el material aislante entre las placas. Puede ser aire, papel, cerámica, mica, tantalio, entre otros, y afecta directamente la capacitancia y otras propiedades del capacitor.

Tipos de capacitores

Los capacitores se clasifican por el tipo de dieléctrico, su construcción y su aplicación. Algunos tipos comunes son:

1. Cerámicos: Pequeños, no polares, comúnmente usados en circuitos de alta frecuencia.
2. Electrolíticos: Alta capacitancia, polares, usados para filtrado en fuentes de alimentación.
3. Tantalio: Compactos, estables, polares, buena respuesta en alta frecuencia.
4. De película (film): Estables y duraderos, usados en aplicaciones de precisión.
5. Supercapacitores (ultracapacitores): Muy alta capacidad, ideales para almacenamiento de energía de corto plazo

Algunos usos y aplicaciones son:

1. Almacenamiento de energía: En fuentes de alimentación, actúan como reservas de energía para estabilizar el voltaje.
2. Filtrado: Eliminan ruidos y suavizan señales en circuitos electrónicos.
3. Acoplamiento y desacoplamiento: Permiten el paso de señales AC mientras bloquean DC.
4. Sintonización de frecuencias: En radios y otros dispositivos para ajustar la frecuencia de resonancia.
5. Temporización: En combinación con resistencias, se usan para crear retardos de tiempo (circuitos RC).
6. Corrección del factor de potencia: En sistemas eléctricos industriales.

Los capacitores son elementos indispensables en prácticamente todos los dispositivos electrónicos modernos. Desde teléfonos móviles hasta computadoras, pasando por electrodomésticos y sistemas industriales, su función de almacenamiento, filtrado y control de señales es esencial para el funcionamiento eficiente y estable de los circuitos.

Desarrollo de la actividad

1. Se Comienza por iniciar el simulador PHET, buscamos en las simulaciones de física y seleccionamos “Laboratorio de condensadores: básico”

1. Posteriormente seleccionamos la capacitancia para comenzar a simular, en esa simulación de laboratorio se muestran dos placas separadas por un dieléctrico que es el aire entre las placas, estas placas son alimentadas por una batería donde se le dan los valores en volts.

                           [pic 5]

1. A continuación se realizara una tabla donde se mantendrán constantes los volts (1.5 V) y el área de la placa (200 m^2)  para ver el comportamiento de la capacitancia dependiendo de la distancia de estas

[pic 6]

1. Al obtener los datos los procedemos a analizar:

La capacitancia de un capacitor de placas planas es:

[pic 7]

• Con el área y la permitividad constantes, se tiene:

[pic 8]

• En los datos, al disminuir la separación de 10 mm a 2 mm, la capacitancia aumenta de 0.18 pF a 0.89 pF. Esto confirma la relación inversa entre capacitancia y distancia.

La carga almacenada está dada por:

[pic 9]

• Dado que el voltaje V=1.5  es constante, la carga debería aumentar proporcionalmente con la capacitancia. Se cumple la condición con los datos.

• También se cumple la relación directa de entre la capacitancia y la energía almacenada

1. También se tienen los valores teóricos y experimentales permitiéndonos realizar un margen de error:

[pic 10]

1. Por otro lado, se tiene el lado de tiempo de carga y descarga:

[pic 11]

...