Practica No 5

I.- NOMBRE DE LA PRÁCTICA

CAPACITORES Y SUS AGRUPAMINETOS

II.- JUSTIFICACION

Es importante que el alumno conozca en esta práctica que el capacitor, como funciona y qué utilidad tiene, por ser los capacitores dispositivos muy empleados en la industria, en los laboratorios y en multitud de aparatos eléctricos, electrónicos.

Los capacitores, al igual, que algunos otros dispositivos eléctricos, pueden agruparse para poder variar la capacitancia o la carga almacenada con fines prácticos. Por esta razón también es importante que el alumno experimente con diferentes formas de agrupamientos de capacitores para conocer sus características y comportamiento.

III.- OBJETIVOS

a) Distinguir un capacitor de otros dispositivos eléctricos, desde el punto de vista de su funcionamiento y construcción.

b) Calcular la capacitancia de un capacitor de placas paralelas con diferentes distancias de separación y distintos dieléctricos entre ellas.

c) Agrupar capacitores en serie, paralelo y en mixto.

d) Diferenciar los tipos de agrupamientos en cuando a la capacitancia equivalente.

e) Diferenciar los tipos de agrupamiento en cuanto a la carga que almacena cada agrupamiento para una diferencia de potencial.

IV.- PRERREQUISITOS

Para que el alumno pueda realizar satisfactoriamente esta práctica, es necesario que tenga los siguientes conocimientos:

a) Concepto de diferencia de potencial. d) Carga por contacto o inducción

b) Buenos y malos conductores e) Que es una botella de Leyden

c) Concepto de permitividad de un dieléctrico.

V.- BREVES CONSIDERACIONES TEORICAS

Llamamos capacitor o condensador a un dispositivo formado por dos conductores cualesquiera separados por aislador o dieléctrico. Su función es de almacenar energía en forma de capo eléctrico. Un capacitor tiene dos características: las eléctricas y las geométricas o de construcción. Las características eléctricas son_ la carga que los conductores y diferencia de potencial V entre ellos, originada por la carga de diferentes signos que tienen.

Las características geométricas o de construcción dependen de la forma de los conductores que construyen el capacitor. El más común de los capacitores, llamado capacitor plano, está formado

de dos placas metálicas planas y paralelas, separadas por un dieléctrico. Para este capacitor sus características geométricas o de construcción son: área de sus placas A, la separación entre ellas d y el tipo de dieléctrico, representando por su constante dieléctrica o permitividad relativa.

Un capacitor puede cargarse mediante dos procedimientos diferentes. Unos es conectando sus placas las terminales de una fuente de corriente eléctrica directa como una pila o batería; y otra es aplicando por contacto carga positiva (o negativa) a una placa haciendo tierra con otra placa. Bajo esta última forma decimos que el capacitor se carga por inducción.

La capacitancia C de un capacitor cualquiera se define como el cociente de la carga en cualquiera de sus conductores, entre la diferencia de potencial entre ellos. Matemáticamente:

C=QV……………………………………………….. (1)

La unidad de capacitancia en el S.I. es el farad (F), que equivale a coulomb/volt y que se puede define; “Un farad es la capacitancia de un capacitor, tal que al aplicarle una diferencia de potencial de un volt en sus placas, estas adquieren una carga de un Coulomb”.

Como un Coulomb es una cantidad muy grande de carga eléctrica, un farad también resulta una cantidad muy grande de capacitancia. Por esto es más conveniente utilizar submúltiplo del farad, milifarad mF= 10-3F nanofarad nF= 10-9F microfarad mF= 10-6F picofarad pF= 10-12F

Para un capacitor plano sin dieléctrico, la capacitancia es:

C=E0Ad ………………………………. (2)

Donde E0 es la permitividad del vacío, para un capacitor con dieléctrico de permitividad, E la capacitancia será:

C=EAd ……………………………………(3)

O bien, en función de la permitividad relativa Er

C= Er E0 Ad …………………. (4) que

Er= EE0 O bien se tiene E= ErE0

De las expresiones (3) y (4) pueden concluirse que la capacitancia es una cantidad constante para un capacitor dado, que no depende de la cantidad de carga o de la diferencia de potencial entre sus placas inclusive, un capacitor, aun estando descargado, tiene capacitancia.

Los aparatos eléctricos, en general, se agrupan con el fin de obtener circuitos con ciertas características específicas. Las formas de agrupamiento son: en serie, en paralelo y en mixto. Los dos primeros agrupamientos básicos, y el tercero una combinación de los dos primeros.

Los capacitores en serie se conectan uno a continuación del otro, de manera que los extremos del agrupamiento son la placa libre del primero y la placa del último. Entre estos puntos la fuente de energía mantiene una diferencia de potencial necesario para cargar al mismo.

En paralelo los capacitores se conectan de manera que una de las placas de cada capacitor se conecta un punto común, y las otras placas a otro punto común. Estos puntos de unión común,

llamados nodos, son los extremos del agrupamiento, y es en donde al conectar la fuente de energía se mantiene la diferencia potencial del agrupamiento necesario para cargar el mismo.

El agrupamiento mixto es el que se combina capacitores en serie y en paralelo simultáneamente, y también conectando una fuente de energía entre los extremos del agrupamiento.

Todo agrupamiento de capacitores puede considerarse reducido a un solo capacitor que recibe el nombre de “capacitor equivalente”, cuya capacitancia, carga y diferencia de potencial, son iguales a las del agrupamiento.

Si C1 , C2 ,………….. Cn Representan las capacitancias individuales “n” capacitores, q1 , q2 ,….qn

Sus cargas; V1 , V2 ,……….. Vn Las diferencias de potencial entre sus placas de cada uno; y con Ce, Qe y Ve representamos la capacitancia, carga y diferencia de potencial, respectivamente del capacitor equivalente, entonces se tiene que:

a) Para “n” capacitores agrupados en serie:

Ce=11C1+ 1C2+,,,,,,, 1Cn ……………………... (5)

Qe= Q1= Q2= Q3= ,,,,=Qn … (6)

Ve= V1+ V2+ V3+,,,,,, + Vn ………(7)

b) Para “n” capacitores agrupados en paralelo:

Ce= C1+ C2+ C3+ C+,,,,, + Cn ..(8)

Qe= Q1+ Q2+ Q3+ ,,,,+Qn ……….. (9)

Ve= V1= V2= V3=,,,,,, = Vn ………(10)

En las siguientes figuras se muestran tres capacitores conectados en serie (fig. 1) y en paralelo (fig. 2).

Fig. 1 capacitores en serie Fig. 2 Capacitores en paralelo

En las figuras los puntos A y B señalas la diferencia de potencial que se les aplica el agrupamiento.

En el agrupamiento serie, la polaridad de las placas de los capacitores queda alternada, es decir que entre dos capacitores consecutivos la conexión entre placas de signos opuestos.

Es un agrupamiento en paralelo todas las placas conectadas a un nodo tienen igual signo.

VII.- EQUIPO Y MATERIAL EMPLEADO

2 botellas de Leyden de diferentes tamaño 1 Fuente rectificadora de C.A. con salida de 0 a

1 Capacitometro digital. 250 volts

1 Capacitor de 1 microfarad. 1 galvanómetro de C.D. con escala de 2 y 10mA

1 Capacitor de 2 microfarad. 1 interruptor de cuchilla de un polo y doble polo

1 Capacitor de 4 microfarad. 1 maquina electroestática de Winshurst o en su

1 capacitor de placas circulares. Caso un generador Vaan der Graf o tubo de PVC:

2 conductores eléctricos para conexiones. 4 placas de vidrio de diferentes espesores

3 clavijas de conexión. 1 tablero de conexiones

1 descargador. 1 voltímetro de C.D. con escala de o a 250 volts

VII.- DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Y CUESTIONARIO

1. Mida el diámetro de las placas circulares del capacitor dado y atenlo en valores numéricos, (tabla 1 del inciso VIII.

2. Calcule el área de las placas del capacitor, anótalas en valores numéricos

3. Determine las capacitancias teóricas del capacito considerado las distancias de separación entre las placas iguales a los espesores de las diferentes placas de vidrio, pero con dieléctrico de aire anótelas en valores numéricos.

4. Determine las capacitancias teóricas del capacitor, considerando como dieléctrico las placas de vidrio de diferentes espesores. Anótelas en valores numéricos

5. Empleando el capacitometro determina las capacitancias prácticas del capacitor dando distancias de separación entre las placas iguales a los espesores de los diferentes vidrios, con dieléctrico de aire. Anótelas en valores numéricos

6. Mediante el capacitometro determine las capacitancias del capacitor pero ahora con dieléctrico de vidrio de diferentes espesores. Anótelas en valores numéricos.

7. Analizando los valores obtenidos en los cuatro encisos anteriores que concluye acerca de la capacitancia de un capacitor plano en los siguientes casos.

a) Si emplea el mismo dieléctrico, pero aumenta la distancia de separación entre placas. ¿Qué sucede con la capacitancia? Y ¿Por qué?

R=

b) Para dos capacitores con igual área de placas a igual separación entre ellas, con y sin dieléctrico. ¿Cómo es la capacitancia? Y ¿Por qué?

R=

8. Si en un capacitor cargado aumenta la carga en sus placas, ¿qué sucede con la capacitancia? Y ¿Por qué?

R=

9. Si un capacitor cargado se aumenta la diferencia de potencial entre sus placas., ¿Qué sucede con la capacitancia? Y ¿Por qué?

R=

10.- Cargue por separado las botellas de Leyden, tomándolas con la mano y tocando la terminal de su placa interna con cualquiera de las terminales de la maquina electroestática de Winshurst. ¿Qué observa cuando un descargador se establece un puente entre las placas internas y externas?

R= Se estableció un arco eléctrico dependiendo de la forma y tamaño de las esferas

11.- ¿Qué observa con respecto a la descarga de ambas botellas con relación a su tamaño? y ¿Por qué?

R= Desvarían por el tamaño y la forma

12.-conecte su equipo de acuerdo al diagrama mostrado en el rotafolio

13.- conecte en el lugar indicado en el diagrama cada uno de los capacitadores proporcionados en orden creciente de su capacitancia. Aplique una misma diferencia de potencial de 250 Volts a cada capacitor. Cerrando el interruptor sucesivamente en sus dos posiciones determine en el galvanómetro el impulso de carga y descarga correspondiente a cada capacitor. Anótelos en valores numéricos (tabla 2 del inciso VIII).

14.- Agrupe en serie sus tres capacitores y conéctelos al circuito. De la misma manera como lo hizo en el inciso anterior, determine el impulso de carga y descarga, así como la capacitancia equivalente del agrupamiento, anotándolos en la tabla los dos, en Valores Numéricos (inciso VIII)

15.- Igualmente determine el impulso de carga y de descarga, así como la capacitancia equivalente para el agrupamiento paralelo de los tres capacitores. Anótelos en la tabla dos en Valores Numéricos (inciso VIII)

16.- Forme un agrupamiento mixto con los tres capacitores; determine la capacitancia equivalente y los impulsos de carga y de descarga. Anote los valores en la tabla dos del inciso VIII Valores Numéricos.

17.- Para un mismo capacitor o agrupamiento, compare los impulsos de carga y descarga. Diga ¿Cómo son y por qué?

R=

18.- Para los diferentes capacitores y sus agrupamientos compre los impulsos de carga y descarga ¿diga qué relación tienen y por qué?

R=

19.- ¿Por qué la corriente que fluye por el circuito, para carga o descarga un capacitor o agrupamiento, el galvanómetro la registra solo como un impulso y no como una corriente de circulación?

R=

20.- ¿En qué agrupamiento de capacitores la capacitancia resulta mayor que la mayor de las capacitancias agrupadas? R= ¿En qué agrupamiento resulta menor que la menor de las capacitancias agrupadas? R=

21.- ¿Qué relación guarda la capacitancia equivalente del agrupamiento mixto de capacitores, al compararla con la capacitancia equivalente de los agrupamientos serie y paralelo?

R=

VIII.- VALORES NUMERICOS

NOTA: Los cálculos efectuados para llenar los valores de las tablas anexarse en hojas por separado

Diámetro | Arrea (m2) | Dieléctrico | Distancia de separación (m) | Capacitancia Teórica (C,) (uF) | Capacitancia Practica C (uF) |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 14mm | 2.51X10-11f | .209X10-9f |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 12mm | 3.76X10-10f | .222X10-9f |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 5mm | 9.09X10-3f | 207X10-9f |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 10mm | 4.425X10-11f | .269X10-9f |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 6mm | 7.53X10-11f | .329X10-9f |

25.5cm | 51.07X10-3 | Aire | 3mm | 1.5X10-10f | 2.967X10-9f |

Nota: El valor relativo se calcula con R=C-CpCpX100%

Capacitancia (F) | Distancia de potencial (v) | Impulso de carga (mA) | Impulso de carga (mA) |

1 | 250 | .5 | .5 |

2 | 250 | .1 | .1 |

.574 | 250 | .41 | .41 |

1.71 | 250 | .19 | .19 |

1.71 | 250 | 50 | .41 |

| 250 | | |

IX.- APLICACIONES

Menciones al menos cinco ejemplos prácticos de los capacitores y sus agrupamientos

R=

X.- AUTOEVALUACION:

1.- ¿Cuál es la función que tiene un capacitor en un circuito eléctrico?

R=

2.- Cita los factores que intervienen en la capacitancia de un capacitor de placas paralelas:

R=

3.- Si un capacitor ya previamente cargado se le agrega mas carga eléctrica que le sucede a la capacitancia, argumenta tu respuesta:

R=

4.- En un agrupamiento en seria de capacitores, como es el capacitor equivalente con relación a los agrupados argumenta tu respuesta:

R=

5.- Cita porque razón tiene en mismo pulso de carga que de descarga en un capacitor o agrupamiento de capacitores:

R=

XI.- ILUSTRACIONES

En hojas por separado efectué ilustraciones relativas a:

a) El capacitor de placas circulares empleando, mostrando al Capacitometro y las conexiones.

b) Una botella de Leyden, mostrando la manera de cargarla y descargarla

c) El diagrama del circuito formado en el inciso doce del Desarrollo y cuestionario.

d) Realiza la “V de Gowin y

e) El mapa conceptual de la practica