informe de fisica 3

Marzo 22 de 2010

Laboratorio de Física Eléctrica

“LABORATORIO DE CAPACITANCIA Y DIELECTRICOS”

Francisco Javier Navarro Estrada

[email protected]

Ingeniería Eléctrica

Edgardo Trimboli

[email protected]

Ingeniería Civil

Resumen

En este informe vamos a mostrar algunas de las características que posee el capacitor de placas paralelas, y como se comporta en diferentes situaciones, además de responder unas preguntas con respecto al tema.

Abstract

In this report we show some of the characteristics possessed by the parallel plate capacitor, and behaves in different situations, And also we’re gonna answer a few questions on the subject.

1. INTRODUCCION Y OBJETIVOS

1.1 INTRODUCCION

La capacitancia es una propiedad de los condensadores o capacitores. Esta propiedad rige la relación entre la diferencia de potencial que existe entre las placas del capacitor y la carga eléctrica almacenada en este, fue descubierta por Michael Faraday y hasta nuestros tiempos es utilizada don gran eficacia en aparatos como los flash de las cámaras, los ventiladores, y en diferentes circuitos, por su gran importancia y por todo lo que significa en el estudio de la física eléctrica vamos a estudiar y a discutir algunas de sus propiedades que derivan en su ecuación C=Q/V (Q es la carga almacenada en Culombios, V es la diferencia de potencial en Voltios y C es la capacitancia medida en Faradios)

1.2 OBJETIVOS

1.2.1. General:

Establecer la relación entre carga, voltaje y capacitancia para un condensador de placas paralelas.

1.2.2. Específicos:

Establecer una relación empírica entre el voltaje V y la carga Q, manteniendo la capacitancia del condensador C constante.

Establecer una relación empírica entre la carga Q y la capacitancia C, manteniendo el voltaje constante.

Establecer la relación empírica entre el voltaje V y la capacitancia C, manteniendo constante la carga Q

Comparar los coeficientes dieléctricos de algunos materiales comunes.

2. PROCEDIMIENTOS

En esta experiencia, se indagará la relación entre la carga, el voltaje y la capacitancia de un condensador de placas paralelas, manteniendo una de estas cantidades constante, variando una de ellas y midiendo la tercera. Se insertarán materiales comunes entre las placas del condensador para determinar sus coeficientes dieléctricos.

2.1. Configuración del ordenador

A. Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.

B. Conecte las clavijas del sensor de carga al Canal Analógico A y el del electrómetro al canal B.

C. Abra el archivo titulado: DataStudio

2.2. Calibración del sensor y montaje del equipo

Caso 1: Mantenga C constante, varíe Q y mida V.

Para realizar esta práctica realice un montaje como indica la figura 3.1.

En la figura 3.1 el condensador de placas paralelas está conectado al electrómetro, éste

está conectado a tierra y una de las esferas a la fuente de voltaje de 1000VDC. Tener el

cuidado de ubicar el condensador alejado de la fuente y de la esfera, para evitar que aquel

se cargue por inducción.Caso 2: Mantenga V constante, varíe C y mida Q.

En la figura 3.2 se muestra la configuración del equipo para este caso:

Las placas del condensador tienen una separación inicial de 6 cm y es conectado a la fuente

de voltaje de 1000VDC. La Jaula de Faraday es conectada al electrómetro y éste a tierra.

Caso 3: Mantenga C Constante, varíe V y mida QTener en cuenta también el montaje de la figura 3.2 para analizar este caso.

Caso 4: Mantenga Q constante, varíe C y mida V

Para este caso tenga en cuenta el montaje que se muestra en la figura 3.3.

En la figura 3.3 se muestra el condensador de placas paralelas conectado a el electrómetro y este último a tierra. La fuente de voltaje se usa solamente para cargar la esfera e indirectamente el capacitor empleando el “transportador de carga”Caso 5: Coeficientes dieléctricos

Para este caso se apoya en el montaje de la gráfica 3.4

En este montaje se conecta el electrómetro a las placas del condensador y éstas se separan 3mm.

3. TOMA DE DATOS

Caso 1: Mantenga C constante, varíe Q y mida V. ( figura 3.1)1. Presione el botón cero en el electrómetro para remover cualquier carga residual al igual que en las placas del condensador.

1. Separe 2mm las placas del condensador. Use el probador plano para transferir carga desde la esfera cargada a las placas del condensador. La carga es transferida simplemente tocando con el probador, primero la esfera y luego una de las placas del condensador. Si siempre tocas la esfera y la placa del condensador en el mismo lugar, se transferirá aproximadamente la misma cantidad de carga cada vez. Observe como varía el potencial medido en toque.

2. Doble la separación entre las placas del condensador y observe el nuevo potencial medido

Caso 2: Mantenga V constante, varíe C y mida Q. ( figura 3.2)

3. Descargue momentáneamente el probador de carga (pulsando el botón “cero” en el electrómetro) y úselo para examinar la densidad de carga del condensador usando el cilindro interno de la Jaula al medir la carga. Determine la densidad de carga en varios puntos sobre la placa del condensador – tanto en la parte interna como externa de las superficie

4. Escoja un punto cerca del centro de la placa del condensador y mida la densidad de carga en esta área para diferentes separaciones de las placas (observa si está creciendo o decreciendo la capacitancia al mover las placas)

Caso 3: Mantenga C constante, varíe V y mida Q ( figura 3.2)

5. El condensador de placas paralelas tiene una separación inicial de 6cm y está conectado inicialmente a una fuente de voltaje de 3000VCD. La Jaula de Faraday está conectada a el electrómetro y éste lo está a tierra.

6. Mantén la separación de las placas constante y cambiar el potencial a través de las placas, para ello mover el cable de 3000 a 2000V. Examine la densidad de carga cerca del centro de una de las placas del condensador. Repita para 1000VCD.

Caso 4: Mantenga Q constante, varíe C y mida V

7. Con una separación de 2mm, cargue el condensador con el “transportador de carga” realizando varios toques a las placas desde la esfera cargada .

8. Incremente la separación de las placas. Mida el potencial para cada caso. Realice por lo menos 5 mediciones. Evite tocar con sus manos las placas del capacitor.

Caso 5: Coeficientes dieléctricos

9. Usar la fuente de voltaje para tocar con el “transportador de carga” momentáneamente las placas y cargar el condensador cerca de 4/5 de la escala total. Registrar el voltaje que indica el electrómetro Vi

10. Incrementar cuidadosamente la separación de las placas hasta que haya un suficiente espacio para insertar un dieléctrico sin que éste se tenga que forzar. Asegúrese que el dieléctrico usado esté libre de cargas residuales.

11.Después de insertar el dieléctrico, retornar las placas a la separación original y registrar la nueva lectura de voltaje que indica el electrómetro Vf

12.Separar las placas nuevamente y remover con cuidado la hoja del dieléctrico.

13.Retornar las placas a la separación original y confirmar si la lectura del electrómetro está de acuerdo con la lectura original de Vi

14.Repita el experimento para otro(s) materiales dieléctricos.

4. ANALISIS DE DATOS

Grafica 1

Como se sabe que la capacitancia es constante y C=Q/V. entonces, si se almacena una carga dada al capacitor de placas paralelas entonces el voltaje mismo tendrá que aumentar para poder mantener constante la capacitancia. En otras palabras, el voltaje es directamente proporcional con la carga almacenada dentro del capacitor.

Grafica 2

En este experimento se mantuvo constante la carga almacenada (Q) y la distancia entre las placas (d) y se cambio el voltaje de 1000V, 2000V y 3000V.

En esta grafica podemos observar que cuando aumenta la diferencia de potencial de la fuente, la tensión entre las placas del capacitor lo hace también.

Grafica 3

En este experimento se mantuvo constante la carga almacenada y se vario la distancia entre las placas de el capacitor experimental, el resultado de la grafica puede sustentarse con el hecho de que V=E*d, es decir que a mayor distancia mayor es el voltaje, y además la capacitancia es menor.

Grafica 4

Se sabe que cuando un capacitor se le introduce un dieléctrico la capacitancia aumenta y debido a que la carga almacenada es la misma el voltaje disminuye, esto también puede verse como si el dieléctrico irrumpiera el flujo de corriente de las dos placas y el campo eléctrico disminuyera. Si el dieléctrico ocupa todo el espacio entre las dos placas se obtiene la constante dieléctrica.

Responda estas preguntas a partir de los datos obtenidos

Pregunta 1:. ¿Qué puede concluir acerca de la relación entre la carga Q y el voltaje V cuando la capacitancia del condensador es constante?

Pregunta 2:.Cuando aumenta la separación entre las placas. ¿cómo cambia la capacitancia del capacitor?. ¿Que relación hay entonces entre la capacitancia C y la carga en sus placas cuando se mantiene constante la diferencia de potencial V?

Pregunta 3: Cuando se mantiene la carga en las placas del capacitor constante. ¿Qué relación hay entre la capacitancia del condensador y la diferencia de potencial V entre sus placas?

Pregunta 4: ¿Qué cambios produce en la magnitud de la capacitancia introducir un dieléctrico entre sus placas?

DESARROLLO

Respuesta 1. Se puede concluir que debido a que la capacitancia es constante, la carga almacenada es directamente proporcional a la diferencia de potencial de un capacitor.

Respuesta 2. Debido a que V=E*d entonces y la carga almacenada es la misma se tiene que la capacitancia disminuye a medida que la distancia entre las dos placas sea mayor.

Respuesta 3. Es inversa, es decir, cada vez que aumente la diferencia de potencial entre las placas la capacitancia es menor.

Respuesta 4. Si se introduce un dieléctrico entre las placas del capacitor la capacitancia aumenta, es decir que la diferencia de potencial disminuye.

1. ¿Qué relación empírica puedes derivar entre la carga, el voltaje y la capacitancia de un capacitor?

Empíricamente, la relación que hay entre carga y tensión de un capacitor es que son directamente proporcionales siempre y cuando la distancia entre las placas sean constantes y el dieléctrico también.

2. Explique ¿en qué forma actúa el dieléctrico para producir el efecto observado en la magnitud de la diferencia de potencial entre las placas?

El dieléctrico como se dijo anterior mente aumenta la capacitancia, y debido a que la carga almacenada es la misma la diferencia de potencial disminuye. También se puede observar como que el dieléctrico interrumpe el flujo normal de corriente haciendo que el campo disminuya y en consecuencia el voltaje también.

TABLA DE ALGUNOS MATERIALES DIELECTRICOS

5. CONCLUSION

En este informe hemos estudiado un capacitor de placas paralelas, en el cual pudimos comprobar algunas de las propiedades dadas en estos que se notan en la función C=Q/V (Q es la carga almacenada en Culombios, V es la diferencia de potencial en Voltios y C es la capacitancia medida en Faradios), y de todo esto podemos concluir que debido a que la capacitancia es constante la carga almacenada es directamente proporcional a la diferencia de potencial, además que la introducción de un dieléctrico aumenta la capacitancia y la distancia entre la placas la disminuyen.