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Esta práctica tiene como propósito observar la rigidez dieléctrica de distintos materiales, esto es la cantidad necesaria de energía que se necesita para poder pasar corriente a través de un material aislante, nosotros con ayuda de un capacitor de dos placas paralelar, conectamos una carga para comp...

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Práctica # 6 Herrera Zúñiga Bryan Yoel Laboratorio de Electromagnetismo Profesor: Dr. Oscar Ceballos Sánche z

Resumen Esta práctica tiene como propósito observar la rigidez dieléctrica de distintos materiales, esto es la cantidad necesaria de energía que se necesita para poder pasar corriente a través de un material aislante, nosotros con ayuda de un capacitor de dos placas paralelar, conectamos una carga para comprobar la rigidez dieléctrica que existe cuando el medio por el que se quiere pasar energía es el aire, cartón, vidrio y plástico a demás si la distancia entre los capacitores afecta esta rigidez obteniendo así una contante dieléctrica para cada medio.

Introducción Los campos eléctricos de pequeño módulo polarizan los dieléctricos. O sea, orientan sus moléculas sin arrancar electrones de sus átomos. No producen, por tanto,

La constante dieléctrica, o permitividad relativa, de un medio continuo hace referencia a una propiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionándolo con la permitividad eléctrica del medio. La constante dieléctrica puede ser calculada como:

corrientes de conducción en el dieléctrico, salvo las que

𝜀𝑟 =

puedan deberse a los pocos electrones libres que pueda haber. Pero, si aumenta el módulo del campo eléctrico, puede llegar a arrancar electrones ligados y, por tanto, a ionizar las moléculas del dieléctrico. Entonces el dieléctrico se hace conductor debido a los electrones que el campo ha arrancado, que pasan a ser libres, la

𝐶𝑓 𝐶𝑖

Siendo Ci la capacidad en el vacío de un condensador de prueba y Cf la capacidad del condensador con el dieléctrico insertado entre sus placas. El nombre proviene de los materiales dieléctricos, que son materiales no conductores por debajo de una cierta tensión eléctrica llamada tensión de ruptura.

corriente crece bruscamente y suele dañar al dieléctrico por elevación de su temperatura. Esa corriente se llama corriente disruptiva. El mayor valor del campo eléctrico que no produce este incremento brusco de corriente es la rigidez dieléctrica. Por eso una definición

Objetivos Objetivo General El

alumno

será

capaz

sus propiedades aislantes.

determinar

propiedades de los materiales dieléctricos.

práctica de rigidez dieléctrica puede ser máximo campo eléctrico que puede soportar un dieléctrico sin perder

de

Objetivos particulares El alumno será capaz de:

algunas

a) Determinar la rigidez dieléctrica del aire. b) Determinar la constante dieléctrica de algunas muestras de materiales aislantes.

Ajustando así las placas a 0.5, 1, 1.5 y 2mm para observar la cantidad de voltaje (fig. 1.3) y ver si variaba algo según la distancia.

Metodología experimental Para empezar nuestra practica se requirió de: a) Fuente de voltaje variable de corriente directa de 0-6 KV. b) Dos modelos de capacitores variables de placas paralelas. c) Un multímetro con función de medición de capacitancia. d) Muestras de materiales aislantes: madera, cartón, vidrio y policarbonato. e) Cables para conexión.

En un principio analizamos un poco de lo que íbamos a hacer, el porqué de la carga de 6KV, debido a que para

IFig. 1.2 “Ajustando la distancia que hay entre los capacitores para empezar a conducir el voltaje y esperar ver la ruptura de la rigidez dieléctrica”

nuestro capacitor esa carga era idónea ya que siendo cargas más pequeñas no hubiéramos logrado un

De esta experimentación obtuvimos la tabla 1. Voltaje (V)

resultado significativo.

Distancia entre las placas x10-3 m (mm.)

Así pues, conectamos la fuente de voltaje al capacitor y lo siguiente fue ajustar la distancia entre las placas

800V

0.5

(como en la figura 1.2) del capacitor, ir subiendo el

1600V

1.0

voltaje desde la fuente y notar la cantidad que fue

2400V

1.5

necesaria para romper la rigidez dieléctrica en esa

3800V

2.0

distancia.

Tabla 1. Relación entre voltaje y distancia.

En esta tabla se puede observar el comportamiento del campo eléctrico que representa la rigidez dieléctrica el aire, si ponemos atención podemos ver que es una constante, pues si incrementamos la distancia el campo eléctrico será proporcional a esta, tomando en cuenta esto, si despejamos el campo eléctrico de la ecuación de V=Ed, comparándola con la ecuación de la recta fig. 1 "Capacitores a 5mm"

obtenemos que a rigidez dieléctrica en el aire es constante de 2,000 N/C.

Obteniendo para cada material una constante diferente. Obtenienedo así la siguiente tabla:

Tabla 2 “Capacitancias y constante dieléctrica” Cf

Muestra

Fig.1.3 “Acomodamos la fuente de voltaje hasta observar y oír la chispa entre los capacitores que nos indica la ruptura de la rigidez dieléctrica”

C0

Constante

Con dielectrico

Sin dielectrico

dieléctrica 𝜀r

Madera

0.70

0.17

4.11

Cartón

1.30

0.26

5

Vidrio

0.90

0.13

6.92

PC

0.40

0.09

4.5

Observando así que tan aislante es un material Una vez observando la constante dieléctrica del aire

comparado con otro siendo en este caso el vidrio el mas

probaremos con otros medios, esta vez con ayuda de un

resistente a la corriente, con una rigidez dieléctrica mas

voltímetro mediremos la capacitancia entre las placas al

alta y la madera la más débil con constante dieléctrica

colocar un material y después retirarlo a la misma

de 4.11.

distancia, de esta manera el cociente de la capacitancia con el material y la capacitancia sin el material seria su

Discusión de resultados

constante dieléctrica, como lo vemos en la formula

Nuestros primeros resultados de la rigidez dieléctrica

Cf C0

= 𝜀r .

del aire nos permiten identificar cuanto voltaje o diferencia de potencial se necesita para que un aislante como lo es el aire se convierta en un conductor y el voltaje pase a través de este, como lo veríamos en un rayo, al acumularse las cargas en lugares distintos se acumula hasta que se direcciona y se dispara en forma de la chispa o rayo que vemos. Así como también identificamos por medio de la capacitancia que tanta puede ser la rigidez dieléctrica de un material, pues como vimos, un material cerámico

Fig 2 “Una vez conectados los capacitores al voltímetro, colocamos en medio un material y sea cartón, vidrio o plástico para medir su capacitancia”

como es el vidrio, tal vez por su microestructura amorfa u otros factores, presenta mayor rigidez dieléctrica y uno

como la madera menos, dando a entender que si en algún caso ocupáramos un aislante confiable, sería más seguro buscar un opción de vidrio a una de madera, y así podríamos irle buscando aplicaciones a distintos materiales según su rigidez dieléctrica o el uso que se le vaya a dar.

Conclusión Al concluir esta práctica ya podríamos calcular cuanta diferencia de potencial necesitaríamos para poder generar esa chispa a una cierta distancia, teniendo la constante dieléctrica, ya sea por medio del aire, cartón, plástico vidrio o cualquier material, si sabemos estos factores podríamos saber cuánto voltaje es capaz de resistir antes de descargarlo, así como cuanto ocuparíamos para poder transferirlo sin que se dañe el material dieléctrico definitivamente, ya que como sabemos la rigidez es solo el límite pues si este se excede el material podría quemarse. O en caso contrario si así lo quisiéramos podríamos saber que tano debemos aumentar el voltaje para poder pasar energía a través de un material, todo con las precauciones necesarias para la aplicación o uso que se le esté dando.

Bibliografía Física universitaria, volumen 2, duodécima edición, Sears, Semansky, Young, 2004...