4_ Laboratorio Fisica 3

8/10/2019 4_ Laboratorio Fisica 3

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE INGENIERIA

Facultad de Ingeniería geológica minera y metalúrgica

Laboratorio de Física lll Página 1

CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR






I. OBJETIVOS:

Medir el tiempo de carga y descarga de un condensador, con ayuda de un

osciloscopio.

Comparar el tiempo que demora en cargarse y/o descargarse un

condensador.

Estudiar el comportamiento de las graficas de la carga y descarga de un

condensador obtenido en un osciloscopio.






II. FUNDAMENTO TEORICO:¿Qué es un condensador?

En electricidad y electrónica, un condensador o capacitor es un dispositivo que

está formado por un par de conductores, generalmente en forma de tablas, esferas o

láminas, separados por un material dieléctrico (utilizado para disminuir el campo

eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una

diferencia de potencial adquieren una determinada carga eléctrica.

A esta propiedad de almacenamiento de carga se le denomina capacidad ocapacitancia . En el Sistema internacional de unidades se mide en Farads (F),

siendo 1 farad la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras

a una diferencia de potencial de 1 volt , éstas adquieren una carga eléctrica de 1

culombio.

El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente:

Donde:

C: Capacidad

Q: Carga eléctrica

V: Diferencia de potencial

http://es.wikipedia.org/wiki/Electricidad


http://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nica


http://es.wikipedia.org/wiki/Conductor_el%C3%A9ctrico



http://es.wikipedia.org/wiki/Diel%C3%A9ctrico


http://es.wikipedia.org/wiki/Vac%C3%ADo


http://es.wikipedia.org/wiki/Diferencia_de_potencial


http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica



http://es.wikipedia.org/wiki/Capacitancia



http://es.wikipedia.org/wiki/Sistema_internacional_de_unidades


http://es.wikipedia.org/wiki/Faradio





http://es.wikipedia.org/wiki/Voltio


http://es.wikipedia.org/wiki/Culombio





















Tipos de condensador

Condensadores electrolíticos axiales Condensadores electrolíticos de tantalio

Condensadores de poliéster Condensadores cerámicos, "SMD

(Montaje superficial)" y de "disco"

Condensador de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas

paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad

eléctrica es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó

en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico,

funcionando bien a frecuencias elevadas.

Condensador de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada

para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas,

soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Estos

condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas,

pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire

http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio

http://es.wikipedia.org/wiki/Mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:CCeramicos.JPG

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Cpoli.JPG

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Tantalos.JPG

http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Celectr.JPG













http://es.wikipedia.org/wiki/Mica

http://es.wikipedia.org/wiki/Vidrio

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire






Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, reduce su higroscopia

y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos

de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Se utilizan dos cintas de papel

para evitar los poros que pueden presentar.

Condensadores autoregenerables. Los condensadores autoregenerables son

condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el

papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del

dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre

las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las

armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio querodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.

Condensador electrolítico. El dieléctrico es una disolución electrolítica que ocupa

una cuba electrolítica. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa

aislante muy fina sobre la cuba, que actúa como una armadura y el electrolito como

la otra. Consigue capacidades muy elevadas, pero tienen una polaridad

determinada, por lo que no son adecuados para funcionar con corriente alterna. La

polarización inversa destruye el óxido, produciendo una corriente en el electrolito

que aumenta la temperatura, pudiendo hacer arder o estallar el condensador.

Existen de varios tipos:

Condensador de aluminio. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta

pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de

alimentación y equipos de audio.

Condensador de aluminio seco. Es una evolución del anterior, que funciona a

frecuencias más altas. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.

Condensador de tantalio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores

que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación

capacidad/volumen, pero arden en caso de que se polaricen inversamente.

Condensador para corriente alterna. Está formado por dos condensadores

electrolíticos en serie, con sus terminales positivos interconectados.

http://es.wikipedia.org/wiki/Higroscop%C3%ADa

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito

http://es.wikipedia.org/wiki/Electrolito

http://es.wikipedia.org/wiki/Higroscop%C3%ADa






Condensador styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en

radio, por responder bien en altas frecuencias y ser uno de los primeros tipos de

condensador de plástico.

Condensador cerámico. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico.

Existen tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay

formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas

frecuencias, llegando hasta las microondas.

PROCESO DE CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR:

Conectamos el circuito RC a un generador de frecuencias, que ha sido configurada

con anterioridad para que nos proporcione una onda cuadrada como se observa en

la figura.

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica_t%C3%A9cnica

http://es.wikipedia.org/wiki/Cer%C3%A1mica_t%C3%A9cnica

http://es.wikipedia.org/wiki/Pl%C3%A1stico






Esta función de onda cuadrada se usada para cargar y descargar simultáneamente

un condensador. Una función de onda cuadrada se caracteriza por que genera unacorriente constante por un determinado tiempo, luego inmediatamente se invierte lapolaridad y permanece constante por ese determinado tiempo, y así completa unciclo, cargando y luego descargando el condensador al que será conectado.

Observamos en la figura que durante el primer semiperiodo de la señal la fem el

condensador se carga durante un tiempo T/2.

La carga q final del condensador en el instante t =T/2 se calcula a partir de la fórmula

)1(1 RC

t

eC q

En el instante t=T/2 el potencial en el condensador iguala a la fem, y el condensadorse descarga por completo. La carga del condensador en el instante t=T se calcula a

partir de la fórmula,

RC

T t

eqq

2/

12 .






Proceso de carga.

Cuando el interruptor se cierra, la corriente I aumenta bruscamente a su valormáximo y tiene el valor de I = E / R amperios (en este instante el condensador estaen corto circuito), y poco a poco esta corriente va disminuyendo hasta tener un valorde cero.

El voltaje en el condensador no varía instantáneamente y sube desde 0 voltios

hasta E voltios (E es el valor de la fuente de corriente directa conectado en serie

con R y C).

El tiempo que se tarda el voltaje en el condensador (Vc) en pasar de 0 voltios hasta

el 63.2 % del voltaje de la fuente está dato por la fórmula:

C R.

Donde la resistencia R está en Ohms y C en milifarads y el resultado estará en

milisegundos. Después de 5 el voltaje ha subido hasta un 99.3 % de su valor final

Al valor de se le denomina constante de tiempo o tiempo de relajación.

Los valores deVc e Icen cualquier momento, se pueden obtener con las siguientes

fórmulas:

RC

t

Oc eV V

).( R

eV I

RC

t

O

)(

RC

t

O R eV V

)(

Donde Vo es el voltaje inicial del condensador

http://www.unicrom.com/Tut_voltaje.asp

http://www.unicrom.com/Tut_resistencia.asp








Proceso de descarga.

Cuando el interruptor pasa de A a B, el voltaje en el condensador Vc empieza a

descender desde Vo (voltaje inicial en el condensador) hasta tener 0 voltios. La

corriente tendrá un valor máximo inicial de Vo/R y como la tensión disminuirá hasta

llegar a 0 amperios.

La corriente que pasa por la resistencia y el condensador es la misma. Acordarse

que en un circuito en serie la corriente es la misma por todos los elementos.

Los valores de Vc (tensión en el condensador) e I (corriente que pasa por R y C) en

cualquier instante se pueden obtener con las siguientes fórmulas:

RC

t

O

c eC

QV

.

RC

t

O e RC

Q I

RC

t

O R e

C

QV












Laboratorio de

Física III

Conocimientos

previos

no Libros, manuales

internet

Revisión de

los equipos

Resultados

obtenidos

Toma de

datos

DIAGRAMA DE FLUJO DEL

EXPERIMENTO REALIZADO

Resumir

materiales y

procedimientos

Si hay fallas

cambiar

Desarrollo de

procedimientos

"Carga y descarga de un condensador en un circuito RC"






IV. PROCEDIMIENTO:1. Poner en operación el osciloscopio y el generador de función.

2. Se usará la salida TTL del generador de función. Variar la frecuencia de la

onda cuadrada hasta obtener 250 Hz.

3. Conectar el generador de onda al canal 1 (conexión 12) del osciloscopio,

usando un cable con los terminales coaxiales.

4. El control 28 del osciloscopio debe estar en 0.5 ms/div ; el control 13 en 2 ó 5

V/div y el control 30 en posición “afuera”.

5. Verificar que un periodo completo de la onda cuadrada ocupa 8 dimensiones

horizontales y varíe la amplitud en el generador hasta que el voltaje de la onda

sea de 10 V.

6. Usando los elementos R1 y C1 de la caja de condensadores, establecer el

arreglo experimental de la figura.

7. Moviendo alternativamente el control 21 a CHA y CHB usted puede tener los

gráficos de VC vs. t y VR vs. t.

8. Recuerde que VC es proporcional a la carga del condensador y VR es

proporcional a la corriente en el circuito RC, así que lo que usted tiene en la

pantalla son en realidad gráficos de carga vs. tiempo y de corriente vs tiempo

como los mostrados en las figuras.9. Usando el control 13 y el control 11 logre que la curva VC vs t ocupe 5

cuadraditos verticalmente.

10.Usando el control 25 trate que el gráfico VC vs t permanezca estacionario.

11.Mida el tiempo t en el cual el voltaje a través del condensador va de 0 0.63

VO, en la curva de carga. (VO es el voltaje máximo que alcanza el

condensador). 12.Mida el tiempo en el cual el voltaje a través del condensador va de V 0 a 0.37

V0, en la curva de descarga del condensador. 13.Cambie el control 21 a CHB y observe la corriente en función del tiempo. 14.Mida el tiempo en que la corriente decae a 37% de su valor inicial. 15.Jale hacia afuera el control 16 y coloque el control 21 en posición ADD, se

observará la onda cuadrada. 16.Mida con un multímetro digital el valor en ohmios de la resistencia que ha

usado en el circuito RC. Usando el valor de t obtenido experimentalmente y la

relación t=RC determine el valor de la capacitancia. 17.Use la resistencia R1 y el condensador C2, y repita los pasos del 7 al 16. 18.Repita los pasos del 7 al 16 usando las combinaciones posibles de

resistencias y condensadores dados en la caja.






19. Apague el osciloscopio y el generador por un momento y trate de resolver con

lápiz y papel el siguiente problema: En el circuito de la figura 7. (a)¿Cuál es la

corriente en el instante en que el interruptor se coloca en la posición 1?(b)¿Cuál es la corriente un instante muy posterior al instante en el que se hace

la conexión? (c) ¿Cuáles son los valores mínimo y máximo de corriente que se

obtienen al poner el interruptor S a la posición 2? (d) ¿Cuál es el máximo

voltaje a través del condensador? 20.Monte el circuito de la figura 8 y verifique experimentalmente sus respuestas al

problema planteado en 19. Use un valor de voltaje para la onda cuadrada de

10 V.






V. CÁLCULOS Y RESULTADOS:Los resultados obtenidos en el laboratorio son los siguientes:

TABLA 1

N° R(Ω) τ(ms) C(µF)

R1 9,98 0,09 0,01

R2 6,83 0,06 0,01

R3 3,24 0,03 0,01

R1 9,98 0,27 0,03

R2 6,83 0,185 0,03

R3 3,24 0,092 0,03






VI. OBSERVACIONES:

Al momento de graduar la frecuencia del generador de función de onda

cuadrada, tratar de aproximarse al valor descrito por el manual, o si no

apuntar la frecuencia real que se esté utilizando.

VII. RECOMENDACIONES:

Armar correctamente el circuito, ya que esto puede influenciar en los cálculos

del problema.

Establecer las escalas apropiadas para la frecuencia y el voltaje másconvenientes para que la grafica este en los márgenes de la pantalla delosciloscopio.

Cuadrar muy bien la grafica para poder tomar las medidas directamente de lapantalla del osciloscopio, y así obtener mediciones más exactas.






VIII. CONCLUSIONES:

El tiempo que demora en cargarse o descargarse un condensador es muy

pequeño, se podría decir en fracciones de segundos. Esto es una

característica de los condensadores, que se pueden aplicar en la tecnología

moderna, como por ejemplo en el flash de las cámaras fotográficas.

Como podemos notar en las graficas, estas presentan una tendencia a una

expresión exponencial, ya que, crece muy rápido por pequeños intervalos de

tiempo. Esto lo podemos corroborar con las expresiones de dichas funciones

expuestas en el fundamento teórico.

Notamos que el tiempo de carga de un condensador, depende de las

condiciones al que se encuentra y también del material del que está hecho.

Podemos encontrar condensadores con diferentes tiempos de carga, peroestas diferencias son casi despreciables.

Luego de que el capacitor este totalmente cargado, todo el circuito funciona

como un circuito abierto, ya que la corriente es inversamente proporcional a

voltaje ente los terminales del capacitor.

El tiempo de carga de un condensador depende de la resistencia que está

incluida en el circuito, esto es, si la resistencia es muy grande el condensador

tardara más tiempo en cargarse que si la resistencia es pequeña.






IX. BIBLIOGRAFIA:

Universidad Nacional de Ingeniería - Manual de Laboratorio de Física General

Francis W.Sears, Mark W. Zemansky, Hugh D. Young, Roger A. Freedman.

Física Universitaria - Volumen II, undécima edición Editorial Pearson de

México S.A., México 2004 -Págs. 947-953.

Serway Física – Volumen 2 Física. Cuarta edición Editorial Mc Graw Hill.

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