Reporte 4 PDF

Preview

Summary

reporte
...

Description

Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Estudios Superiores Cuautitlán

INGENIERÍA INDUSTRIAL LABORATORIO DE ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

PRÁCTICA #4 “CONSTANTES DIELÉCTRICAS Y RIGIDEZ DIELÉCTRICA” GRUPO: 1306 E PROFESOR: ING. JUAN ROGELIO CASTRO SANCHÉZ

INTEGRANTES:    

BRAVO ACOSTA MIGUEL ANGEL GRANADOS LUGO KAREN AIDE JUAREZ OLMOS MIGUEL SALVADOR PERÉZ MÉRIDA FERNANDO

OBJETIVO: I. II. III.

Determinar experimentalmente la constante de la permisividad del aire. Determinar experimentalmente las constantes dieléctricas de algunos materiales. Obtener experimentalmente la rigidez dieléctrica del aire, de algunos materiales sólidos y líquidos.

INVESTIGACIÓN PREVIA: CONSTANTE DIELÉCTRICA Es una constante física adimensional (no tiene unidades) que describe como un campo eléctrico afecta un material. POLARIZACIÓN DE UN CONDUCTOR Si un cuerpo metálico es afectado por un campo eléctrico E, las cargas negativas y positivas del metal se verán afectados por el campo. Como consecuencia la distribución de cargas dentro del cuerpo metálico cambia. Una parte del cuerpo metálico se cargará positivamente y otra parte del mismo se cargará negativamente. Sin embargo, tomando el cuerpo metálico como un todo, este se mantiene neutro, pues el número de cargas no ha variado. Las cargas tratan de distribuirse en la superficie del metal, como consecuencia se tiene un cuerpo cargado eléctricamente que atrae y repele otros cuerpos. Cuando un cuerpo está en esas condiciones se dice que está polarizado. Si el campo eléctrico es retirado, el cuerpo metálico recupera su estado anterior. POLARIZACIÓN DE UN MATERIAL DIELÉCTICO  DIELÉCTICO TIPO POLAR Si al dieléctrico se le aplica un campo eléctrico, estas moléculas llamadas dipolos, no se desplazan como lo hacen lo electrones en lo metales, sino que se orientan según el campo aplicado. Con esta situación se dice que el dieléctrico ha sido polarizado. Cuando el campo eléctrico desaparece, las moléculas vuelven a su estado original.  DIELÉCTICO TIPO NO POLAR Cuando se aplica un campo eléctrico intenso a este dieléctrico, las moléculas se transforman en dipolos orientados según el campo aplicado. En este tipo de polarización, cuando el campo eléctrico desaparece, las moléculas recobran simetría anterior. (La que tenían antes de la aplicación del campo). De forma similar al caso de la polarización de un conductor, la polarización de un dieléctrico es producida por la energía transportada por el campo eléctrico.

En particular para materiales dieléctricos se tiene la relación lineal: En la ecuación del campo eléctrico en función de densidad superficial de carga se tiene:

RIGIDEZ DIELÉCTRICA El mayor valor del campo eléctrico que no produce este incremento brusco de corriente es la rigidez dieléctrica. Por eso una definición práctica de rigidez dieléctrica puede ser máximo campo eléctrico que puede soportar un dieléctrico sin perder sus propiedades aislantes.

DESARROLLO: 1. Determinación de la permisividad del aire Con ayuda del profesor se midió la capacitancia del capacitor de placas paralelas, separadas 1mm y con incrementos de 1mm hasta 5 mm. D(mm) C (pf) 279 1 184 2 127 3 95 4 79 5 Tabla 4.1 Constante de permitividad eléctrica.

𝜺𝟎 (aire) 5.506 x10-12 f/m 7.262 x10 -12 f/m 7.519 x10 -12 f/m 7.499 x10 -12 f/m 7.795 x10 -12 f/m

Cálculos: 𝜀0 =

279𝑥10−12 𝑓(1𝑥10 −3 𝑚) = 5.506𝑥10−12 𝑓/𝑚 𝜋(.254𝑚)2

𝜀0 =

184𝑥10−12𝑓(2𝑥10 −3 𝑚) = 7.262 𝑥10−12 𝑓/𝑚 𝜋(.254𝑚)2

𝜀0 =

127𝑥10−12𝑓(3𝑥10 −3 𝑚) = 7.519 𝑥10−12 𝑓/𝑚 𝜋(.254𝑚)2

𝜀0 =

95𝑥10−12 𝑓(4𝑥10−3𝑚) = 7.499 𝑥10−12 𝑓/𝑚 𝜋(.254𝑚)2

79𝑥10−12 𝑓(5𝑥10−3𝑚) = 7.795 𝑥10−12 𝑓/𝑚 𝜀0 = 𝜋(.254𝑚)2

2. Determinación de las constantes dieléctricas. Colocamos entre las placas del capacitor: madera, papel cascaron, hule y fibra de vidrio (una a la vez); midiendo la capacitancia en cada caso, primero con dieléctrico y luego sin él, conservando la distancia al sacar el dieléctrico.

Material C (con dieléctrico) 187 pf Madera 743 pf Papel cascaron 949 pf Hule 631pf Fibra de vidrio Tabla 4.2 Constantes dieléctricas.

C (con aire) 79 pf 302 pf 162 pf 313 pf

Kr 2.367 2.46 5.858 2.015

Cálculos: 𝐾𝑟 =

𝐾𝑟 =

187𝑥10−12 𝑓 = 2.367 79𝑥10−12 𝑓

473𝑥10−12 𝑓 = 2.46 302𝑥10−12 𝑓

𝐾𝑟 =

949𝑥10−12 𝑓 = 5.858 79𝑥10−12 𝑓

𝐾𝑟 =

631𝑥10−12 𝑓 = 2.015 313𝑥10−12 𝑓

3. Rigidez dieléctrica  Armamos el siguiente dispositivo



Encontramos el voltaje del secundario (Vs) del transformador para los diferentes valores de voltaje del primario (Vp) y así determinar la relación de transformación.

Vp1

Vs 1

Vp2

Vs2

Vp [V] Vs [V] 128.1 1.10 248.7 2.16 Relación de transformación.

Relación de transformación 8.587x10-3 8.685x10-3

Cálculos:

𝑎=

𝑎=

1.10 𝑉 = 8.587𝑥10−3 128.1𝑉

𝑎=

2.16 𝑉 = 8.685𝑥10−3 248.7 𝑉

8.587𝑥10−3 + 8.685𝑥10−3 = 8.636𝑥10−3 2



Armamos el siguiente dispositivo



Fije una separación de 10 mm entre electrodos e incremente lentamente la diferencia de potencial con ayuda del variac, hasta que se produzca la ruptura de rigidez dieléctrica, repetimos el procedimiento para 8mm, 6mm y 4mm.

10mm:

75.9 𝑉

𝑉𝑠 = 8.636𝑥10−3 = 8788.79𝑉

8788.79 𝑉

𝐸𝑅 = 10𝑥10−3 𝑚 = 878879 𝑉/𝑚

6mm:

𝑉𝑠 =

28 .85 𝑉 8.636 𝑥10−3

𝐸𝑅 =

= 3340.666𝑉

3340.666 𝑉 6𝑥10 −3 𝑚

= 556777.666 𝑉/𝑚

4mm:

11 .04 𝑉

𝑉𝑠 = 8.636𝑥10−3 = 1278.369𝑉

𝐸𝑅 =

1278.369 𝑉 4𝑥10−3 𝑚

= 319592.25 𝑉/𝑚

Promedio=(878879+832271.875+556777.666+319592.25)/4 Promedio= 646880.197 V/m Distancia [mm]

Voltaje primario (Vp) [V] 75.9 10 57.5 8 28.85 6 11.04 4 Tabla 4.4 Rigidez dieléctrica del aire.

Voltaje de ruptura (Vs=VR) [V] 8788.79 6658.175 3340.666 1278.369

Campo Eléctrico ER [V/m] 878879 832271.875 556777.666 319592.25



Con ayuda del dispositivo anterior y de acuerdo a la tabla 4.5 introducimos las muestras de dieléctrico (una a la vez) juntando los electrodos de tal manera que la muestra quedará fija entre ellos; incrementamos lentamente la diferencia de potencial y determine el voltaje de ruptura correspondiente.

MADERA:

PAPEL CASCARON:

PLÁSTICO:

HULE:

VIDRIO:

ACEITE COMESTIBLE:

ACEITE #40:

Dieléctrico Madera Papel Cascarón Plástico Hule Vidrio Aceite comestible Aceite #40

Distancia (espesor) [m] 3.1x10-3 1.18x10-3 .23x10-3 1.7x10-3 52.8x10-3 3x10-3

¿Ocurrió ruptura? Si Si Si Si No Si

3x10-3 Si Tabla 4.5 Rigidez dieléctrica de varios materiales

Voltaje de ruptura [V] 43.3 42.8 94.7 144.1 147.4 60.7 95.9

Cálculos: 𝜀𝑅 = 𝜀𝑅 =

43.3𝑉 = 13967.741 𝑉/𝑚 3.1𝑥10−3 𝑚

42.8𝑉 = 36271.186 𝑉/𝑚 1.18𝑥10−3 𝑚

𝜀𝑅 =

94.7 𝑉 = 411739.13 𝑉/𝑚 . 23𝑥10−3 𝑚

𝜀𝑅 =

144.1 𝑉 = 84764.705 𝑉/𝑚 1.7𝑥10−3 𝑚

𝜀𝑅 =

147.4 𝑉 = 2791.666 𝑉/𝑚 52.8𝑥10 −3 𝑚

𝜀𝑅 =

60.7 𝑉 = 20233.333 𝑉/𝑚 3𝑥10 −3 𝑚

𝜀𝑅 =

95.9 𝑉 = 31966.666 𝑉/𝑚 3𝑥10 −3 𝑚

Campo eléctrico de ruptura [V/m] 13967.741 36271.186 411739.13 84764.705 2791.666 20233.333 31966.666

CUESTIONARIO: 1. Atendiendo a la tabla 4.5 ¿Por qué algunos materiales no rompen su rigidez dieléctrica? R: Un campo eléctrico ocasiona pequeños desplazamientos de las cargas ligadas en un material dieléctrico, dando lugar a la polarización. Si el campo eléctrico es muy fuerte, puede sacar a los electrones de las moléculas. Estos electrones se acelerarán bajo la acción del campo eléctrico, chocarán violentamente con la estructura molecular de la red y ocasionarán dislocaciones y daños permanentes en el material. EL material se convertirá en conductor. 2. A partir de los resultados anotados en la tabla 4.5 ¿Qué dieléctrico sólido, y que dieléctrico líquido es el mejor, considerando el voltaje de ruptura y la rigidez dieléctrica? R: EL vidrio es un buen aislante, resistió la mayor carga de voltaje de todos los materiales,} aunque si nos vamos por la rigidez, el hule es el que mejor se desempeña. EL aceite #40 es el que obtuvo mejor cantidad de voltaje y de rigidez dieléctrica. 3. De ejemplos en donde se apliquen pruebas de ruptura de rigidez dieléctrica. R: Cuando se va a cubrir un cable para que este soporte la corriente que llevará en su interior.

Aplicaciones Este material tiene diversas utilidades: 

En la elaboración de capas industriales, por ejemplo: parylene proporcionan una barrera dieléctrica entre el substrato y su ambiente. El Aceite mineral es extensivamente usado el interior eléctrico transformadores para asistir a refrescarse.



El ricino, es de uso frecuente adentro alto voltaje condensadores para ayudar a



prevenir descarga de corona y capacitancia del aumento. Algunos procesados, llamados electrets (ferroeléctricos), puede conservar exceso de



carga interna o “congelado en” la polarización. Tiene usos prácticos numerosos en el hogar y la industria. Se utilizan en la fabricación de condensadores, para que las cargas reaccionen.

Conclusión Obtenemos que el uso de materiales dieléctricos es de suma importancia, pues ayudan mucho en la prevención de accidentes al aislar electricidad proveniente de los campos en los que se requiera ;al igual que pueden apoyar en la actualidad al desarrollo de la tecnología y la ciencia, pues es indispensable el uso de la electricidad ,así como su control y aislamiento en determinados procesos y tiempos....