Programa de Ingeniería de alimentos

[pic 1]                 SIMULACION VIRTUAL: CONDENSADOR ELECTRICO-----Informe N° 08

Programa de Ingeniería de alimentos

Liliana Cordero O, Duban Pacheco D, Viani Polo V.

Departamento de física

Universidad de Córdoba, Montería

Fecha: 25/04/2021

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Resumen

Esta práctica de laboratorio tiene como finalidad analizar u comprobar el comportamiento de capacitores eléctricos, mediante el uso o no de materiales dieléctricos en su interior. En el laboratorio se estimula a ensamblar un capacitor de placas paralelas y se hacen pruebas en vacío y con material dieléctrico, tal que permiten tomar mediciones de interés, tales como: capacitancia, carga eléctrica, campo eléctrico, diferencia de potencial, energía almacenad. Esta práctica de laboratorio se desarrolló mediante un simulador virtual, Capacitor de Simulaciones Interactivas PhET1 en la Universidad de Colorado.

Objetivos. 

1. Determinar la relación entre la energía almacenada y la diferencia de potencial entre las placas, la carga eléctrica y el campo eléctrico de un condensador, mediante simulación PhET.
2. Identificar el efecto del dieléctrico entre las placas de un condensador eléctrico y la capacitancia de este.

Teoría relacionada 

El capacitor o condensador eléctrico, es un dispositivo que se construye con la finalidad de almacenar cargas y energía eléctrica. La construcción del condensador es sencilla sólo debe constar de dos placas conductoras cargadas (una placa posee carga +q y otra -q), separadas por el vacío u otro medio dieléctrico. Los capacitores se utilizan como:

- Almacenadores de energía y cargas eléctricas, mediante el campo eléctrico que se crea en su interior.

- Reguladores de voltaje, debido a que por su diseño real no admiten cambios bruscos de voltaje.

- Reguladores de frecuencia, un condensador al ser introducido en un circuito eléctrico, introduce una frecuencia natural de oscilación a la intensidad de corriente del circuito.

La capacitancia, se define como la habilidad que posee un condensador de almacenar y retener las cargas y energía eléctrica, a expensas del campo eléctrico entre sus placas. A mayor capacitancia, mayor será el almacenamiento y retención, y viceversa. La capacitancia se mide como la carga almacenada por unidad de voltaje en el condensador.

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Dónde:

- C es la capacitancia de un condensador.

- q es la carga almacenada del condensador.

- Vc es el voltaje en el condensador.

La unidad de la capacitancia en el S.I. es el Faradio, en honor a Michael Faraday.

En la práctica se utilizaron capacitores de capacitancias inferiores al faradio, tales como:

- Milifaradio mF; (1 mF = 1x 10−3 F).

- Microfaradio μF; (1 μF = 1x 10−6 F).

- Nanofaradio nF; (1 nF = 1x 10−9 F).

- Picofaradio pF; (1 pF = 1x 10−12 F).

La presencia de un dieléctrico, sólido, entre las placas de un capacitor, es de gran importancia. Por lo tanto, a continuación, podemos puntualizar las principales características de estos.

- Resuelve el problema mecánico de mantener dos láminas metálicas cargadas separadas por una distancia muy pequeña, sin contacto efectivo.

- El uso de un dieléctrico permite a un capacitor mantener una diferencia de potencial elevada, es decir, soporta mayor voltaje y así almacenar  mayores cantidades de carga y energía.

- La capacitancia de un capacitor, es mayor cuando hay un material dieléctrico entre las placas, que cuando estas se encuentran en el vacío.

- El uso de material dieléctrico protege al capacitor del campo de rigidez dieléctrica.

 El dieléctrico, que se introduce al condensador, está expuesto a la rigidez dieléctrica, que no es más que la pérdida de las propiedades dieléctricas por parte del material, lo cual ocasiona que éste entre en conducción, esto ocurre cuando el material dieléctrico es sometido a una diferencia de potencial excesiva o a un campo eléctrico muy intenso. El módulo de campo eléctrico que puede soportar un material dieléctrico sin que se presente la ruptura se define campo de rigidez dieléctrica, siendo este un valor característico del material en sí, pudiendo existir variaciones ante altas temperaturas, impurezas del material, irregularidades con electrodos metálicos, etc.

PROCEDIMIENTO                      

Para el desarrollo de la práctica se usó el simulador “Capacitor de Simulaciones Interactivas PhET1”, Laboratorio Remoto de Phet Simulaciones Interactivas en la Universidad de Colorado Boulder, bajo la licencia CC-BY 4.0.

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Figura  1 Montaje experimental.

El montaje estaba compuesto por una batería y un capacitor de placas, además, se contaba con un menú el cual daba acceso a un voltímetro y unas barras que marcaban la capacitancia del circuito, la energía almacenada y la carga almacenada en una de las placas.

También era accesible hacer cambios en el voltaje, aumentando y disminuyéndolo, esto gracias a la barra que se encontraba en la batería; este mismo voltaje era posible medirlo con el voltímetro, ya que este aparecía en la parte derecha en el menú y lo podíamos activar para hacer uso de él.

En la primera parte del laboratorio se armó el circuito como aparece en la figura 1 de la guía de laboratorio (Figura 2).

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Figura  2 montaje de  la primera parte.

El montaje del circuito 1 quedo como se muestra en la Figura 3.

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Figura  3 Montaje del primer circuito eléctrico.

En esta primera parte se aumentó el voltaje de la pila, y tomaron diez mediciones de la diferencia de potencial entre las placas del condensador. Para cada valor de voltaje le corresponde un valor de carga en una de las placas, campo eléctrico y energía almacenada por el condensador. Estos valores se anotaron en la Tabla 1.

En la segunda parte del laboratorio se armó el circuito como aparece en la figura 2 de la guía de laboratorio (Figura 4).

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