Capacitores y capacitancia PDF

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Informe de practica de Laboratorio de Electromagnetismo sobre capacitores y capacitancia...

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PRACTICA 3: CAPACITORES Y CAPACITANCIA Facultad de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones/Popayán, Cauca

RESUMEN: En esta práctica se pudo observar y entender el comportamiento de los capacitores, su carga y descarga de energía eléctrica; sus combinaciones en un circuito (serie, paralelo, serie-paralelo) y su influencia cuando hay otros elementos involucrados en el circuito (LED). También analizamos la capacitancia del dispositivo de manera teoría y de forma práctica al realizar el circuito y tomar las distintas medidas permitiendo así verificar las ecuaciones teóricas. PALABRAS CLAVE: Capacitor, carga, circuito, conexiones, energía eléctrica, voltaje. ABSTRACT In this practice it could be observed and understand the behavior of capacitors, their loading and unloading of electrical energy; their combinations in a circuit (series, parallel, series-parallel) and their influence when there are other elements involved in the circuit (LED). We also analyze the capacitance of the device theoretically and practically when we made the circuit and take the diferente measurements allowing to verify the theoretical equations. KEYWORDS: Capacitor, charge, circuit, conections, electrical energy, voltaje.

1. INTRODUCCION Los capacitores son dispositivos que almacenan energía eléctrica en forma de campo eléctrico; sus medidas se dan en faradios (F) La capacitancia, en nuestro caso, será la capacidad que tiene el capacitor de almacenar campo eléctrico. Su ecuación está dada de la siguiente manera:

funcione de manera correcta y eficiente.

Para tener un correcto manejo de las conexiones del capacitor, el fabricante ha implementado señales para determinar la parte positiva y negativa del mismo.

Q=V ∗C C= capacitancia medida en faradios Q= carga eléctrica medida en coulomb V= potencial eléctrico (voltaje) medido en volts Los capacitores están compuestos de un conductor y un dieléctrico; por lo general tienen aislamientos pasivo o activo. Para el caso de esta práctica utilizaremos capacitores con aislamiento activo o también llamados capacitores electrolíticos que tienen polaridad positiva y negativa y su conexión es muy importante ya que de este depende la funcionalidad y el estado del elemento ya que, una mala conexión de esta polaridad dañaría el dispositivo (quemarlo) o que no

Figura 1. Terminales del Capacitor En este caso, en la figura 1 podemos observar que la parte blanca o plateada corresponde a un terminal del capacitor, y esta será su componente negativa, mientras que el terminal sobrante, será el positivo.



Una manera más coloquial para determinar la polaridad del capacitor, será al observar cuál de los dos terminales posee una mayor longitud; obviamente, teniendo en cuenta que no se haya modificado anteriormente. El terminal de mayor longitud será el positivo del capacitor y el más corto, el negativo.

2.

3.

Tomar medidas antes y después de realizar la conexión a la fuente de voltaje para así poder observar la carga y descarga del capacitor.

RESULTADOS

3.1. Almacenamiento del capacitor

MATERIALES Y METODOS

El objetivo de la práctica es poder verificar y entender de manera más experimental las ecuaciones involucradas en la capacitancia, para esto realizamos diferentes conexiones de los capacitores en un circuito, permitiendo así ver el almacenamiento de energía para el cual estos dispositivos fueron creados y poder hacer un uso adecuado de ellos.

Involucramos los siguientes instrumentos en esta práctica:      

Fuente de voltaje DC Capacitores de 22 μF, 47 μF, 100 μF y 2200 μF Multímetro digital Protoboard LED Caimanes

Figura 2. Carga del capacitor Tras haber verificado que el capacitor se encuentra completamente descargado, es implementado en el circuito de la figura 2 y posteriormente excitado a partir de una fuente de voltaje DC de 5v. El circuito debe ser excitado alrededor de 5 minutos para que así, el capacitor almacene energía. Tras haberse completado los 5 minutos, se debe desconectar o apagar la fuente de voltaje y realizar la medición del voltaje almacenado por el capacitor; para esto, empleamos el multímetro en la escala de voltaje y realizamos la medición en los terminales del capacitor tal y como muestra la figura 3.

Para tomar los datos de los elementos presentes en esta práctica y realizar el análisis respectivo se procede a realizar los siguientes análisis: 



Verificar que los capacitores no tengan energía previamente almacenada. Para esto, empleamos el multímetro conectando sus puntas en los terminales positivo y negativo del capacitor.

Hacer la conexión correcta para los capacitores, terminal positivo con terminal positivo de la fuente y lo mismo para el terminal negativo.

Figura 3. Descarga del capacitor En nuestro caso, el capacitor de 2200uF tras haber transcurrido los 5 minutos, el capacitor adquirirá el voltaje un valor cercano al de la fuente debido a que la corriente que circulaba inicialmente en el circuito, en este instante es cero, por tanto, toda la caída de tensión de la fuente caerá en el condensador, desde el instante en que se desconecta la fuente, el capacitor comienza a descargarse con el paso del tiempo.

3.2. Descarga a través de un LED

embargo, como el capacitor almacena un limitado voltaje y el diodo también consume un determinador voltaje, con el paso del tiempo, la intensidad lumínica del diodo descenderá rápidamente hasta llegar al punto de descarga del capacitor y, por tanto, la oscuridad total por parte del LED.

Figura 4. Descarga a través de un LED En el circuito de la figura 4 se puede observar que ahora el capacitor se encuentra conectado con un diodo led. En este caso, el diodo led requiere una determinada cantidad de voltaje para su correcto funcionamiento. Esta cantidad de voltaje dependerá del color del led. En la figura 5 se presentará una tabla con los valores de voltaje requerido suministrado por el fabricante.

Figura 7. Fuente te voltaje desconectada

Figura 5. Tabla de voltajes LED A continuación, el al tener conectado el circuito con el capacitor y el diodo LED, la tensión caerá tanto en el capacitor como en el diodo, de esta manera, mientras el diodo se encuentra cargándose, el diodo led se encontrará encendido a su máxima intensidad como se puede apreciar en la siguiente imagen tomada en el laboratorio.

Figura 8. Descarga del capacitor y LED apagado

3.3. Conexiones del capacitor  Circuito Serie

Figura 6. Diodo LED encendido Posteriormente, la fuente de voltaje es desconectada y es el capacitor el encargado de mantener el flujo de voltaje en el led. Sin

Figura 9. Capacitores en serie

A continuación, analizaremos el comportamiento de dos capacitores en configuración serie. Se debe entender que, aunque los capacitores están en serie, las cargas de ellos son iguales debido a que en medio de estos dos capacitores se encuentra un segmento aislado del circuito. Para poder visualizar mejor este fenómeno se tendrá en cuenta la figura 10.

capacitor para lo cual empleamos el multímetro en la medida de voltaje. Para poder evaluar la descarga de cada capacitor, inicialmente el circuito fue alimentado por 10v durante 5 minutos, posteriormente se tomaron las medidas sobre el primer capacitor. Luego, se dejó que se descargaran por completo ambos capacitores y se volvió a conectar la fuente durante otros 5 minutos y se analizó en este caso el voltaje almacenado por el segundo capacitor. Las tomas de medidas se pueden observar las figuras 12 y 13.

Figura 10. Capacitores en Serie Al conectar la batería, se transfieren electrones desde la placa izquierda de C1 a la placa derecha de C2. De esta manera, la carga de la placa derecha de C2 será negativa, aunque un equivalente de esa carga es obligada a salir de la placa izquierda de C2 a la placa derecha de C1 por medio del alambre que une los dos capacitores; de esta forma, la placa izquierda de C2 tendrá carga positiva y la placa derecha de C1 será negativa. Como resultado, se tendrá que las placas izquierdas de los capacitores tendrán cargas positivas y las placas derechas obtendrán cargas negativas. De esta forma se puede determinar que las cargas de los dos capacitores serán iguales. Así mismo sucede con n número de capacitores en configuración serie.

Figura 12. Toma de medidas

Figura 13. Toma de medidas

 Circuito Paralelo

Figura 11. Circuito Serie montado en Laboratorio Ya teniendo claro lo anterior, se prosiguió obteniendo las medidas de los voltajes de cada

Figura 14. Capacitores en paralelo

Para continuar con el proceso de toma de datos, se conectaron los dos capacitores en paralelo y fueron excitados a partir de una fuente de voltaje de 10v. Se debe tener en cuenta que las diferencias de potencial de los dos capacitores son las mismas, para visualizar de una mejor manera esto se tendrá en cuenta la Figura 15.

Figura 16. Circuito paralelo montado en laboratorio

 Circuito Mixto

Figura 15. Capacitores en paralelo

En la figura 15 se puede apreciar de manera fácil que los terminales izquierdos de las placas de ambos capacitores, se encuentran conectadas a positivo de la fuente. Mientras tanto, los terminales derechos de cada capacitor estarán conectados a la parte negativa de la fuente. De esta manera se puede demostrar que la diferencia de potencial de cada capacitor en paralelo será la misma.

Figura 17. Circuito mixto Finalmente, encontramos el circuito mixto mostrado en la figura 17 el cual consta de las dos configuraciones vistas anteriormente, serie y paralelo. Siguiendo la línea de lo estudiado, el comportamiento del capacitor C2 y C3 será el mismo que se vio en la sección del circuito paralelo, por ende, el voltaje entre estos dos será el mismo. Este análisis resultante se llevará a evaluación con el capacitor C1, es decir que tendrán la misma carga. Al momento de realizar el análisis circuital con la fuente de voltaje, su conexión y posterior desconexión, se puede observar como los capacitores C2 y C3 al momento de desconectar la fuente de excitación, el voltaje de cada capacitor en paralelo buscara equilibrase.



Como la carga no se puede sumar ni quitar de los capacitores en las combinaciones en serie, la carga neta debe permanecer en cero. Esto limita la carga en los dos condensadores a ser la misma que en el caso de un circuito DC.



La carga eléctrica se distribuye entre los capacitores conectados en paralelo, debido a que la caída de tensión en los condensadores individuales es igual y también podemos determinar que la tensión total aplicada al circuito es la misma. Es decir, cuando se conectan las placas del mismo signo de dos condensadores C1 y C2 e inicialmente, el condensador C1 se ha cargado con una carga eléctrica Q y posteriormente se conecta al condensador C2 descargado. Después de conectarlos, las cargas pasan de un condensador al otro hasta que se igualan los potenciales.



Los capacitores son dispositivos electrónicos pasivos cuya función es almacenar carga eléctrica de manera temporal debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior; es decir, en cuanto se les quite la fuente de alimentación, se descargan automáticamente, es decir una vez que el capacitor se encuentra cargado se debe emplear si no éste en unos pocos minutos se descarga, por tanto, se concluye que la función de un capacitor es almacenar energía de manera continua y liberarla de igual manera cuando se lo desee.



Cuando la corriente fluye por un capacitor, las cargas se “pegan” en las placas porque no pueden atravesar el material dieléctrico aislante. Los electrones son pegados a una de las placas, y esta se carga negativamente, mientras que la otra se carga positivamente, generando una atracción entre las dos placas, pero, con el material dieléctrico aun entre ellos, por más que se quieran atraer, las cargas van a estar pegadas a las placas hasta que tengan otro lugar para ir y es ahí cuando decimos que el capacitor se carga. Un

Figura 18. Toma de medidas en el Laboratorio Todos los datos analizados en la sección de resultados y métodos serán consignados en la Tabla 1 tal como se ve a continuación. Circuito

V c1

V c2

Vc3

Capacitor 2200 uF Circuito LED

5,10

---

---

2,5

---

---

Serie

5.28

0.97

---

Paralelo

2,4

2,4

---

Serie-paralelo

2,5

0.600

0.600

Tabla 1. Voltajes en los capacitores

4.

CONCLUSIONES



Los capacitores son dispositivos que almacenan energía en forma de campo eléctrico, la cual puede ser aprovechada de varias formas debido a la gran variedad de combinaciones que tiene con otros dispositivos. Por ejemplo, cuando conectamos estos dispositivos en serie, cada capacitor almacena menos carga y contiene una menor capacitancia debido a que no hay transferencia de cargas. Sin embargo, gracias a esta conexión, logramos un voltaje de trabajo máximo que también podemos incrementar.

capacitor puede retener su campo eléctrico (o mantener su carga) debido a que las cargas positivas y negativas de cada placa se atraen, pero nunca se pueden unir. 

Es importante saber la capacitancia de un condensador debido a que cuando este se encuentra cargado, es decir, las placas de los capacitores van a estar cargadas tanto negativamente como positivamente, va a existir un punto en que no van a poder aceptar más carga porque ya hay suficientes cargas negativas en una de las placas y estas van a poder repeler cualquier otra que trate de unirse; aquí es donde la capacitancia entra en juego ya que esta es la que nos dice la cantidad máxima de carga que el capacitor puede almacenar.

5.

BIBLIOGRAFIA

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http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/elecm agnet/campo_electrico/agrupacion/agrup acion.htm

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http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/electric/capac.html# c3

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https://www.web-robotica.com/taller-deweb-robotica/electronica/componenteselectronicos/condensadores-en-serie-yen-paralelo

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http://cursos.mcielectronics.cl/capacitore s/

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SERWAY, Raymond y JEWETT, John. Física para Ciencias e Ingeniería

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CIRCUITOS ELECTRICOS, Joseph A. Edminister, Mahmood Nahvi...