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PRÁCTICA No 5. COMBINACIÓN DE CAPACITORES EN SERIE
Y PARALELO
Valeria Padilla Valderrama¹, Liliana Cárdenas Marín², Ivan Caballero Melendez³. Docente: Henry Núñez Coavas. Grupo GB1A. Universidad del Atlántico (Sede Norte). Práctica realizada el 26/09/2022; Informe entregado el 11/10/2022. Resumen Los condensadores se caracterizan por su capacidad para almacenar energía y generar diferentes campos eléctricos, siendo conductores aislados por un vacío o dieléctrico .la cantidad de carga por unidad de voltaje que resulta de la conexión de los condensadores a una fuente de energía o diferencia en potencial eléctrico es conocida como capacitancia. A partir de las simulaciones presentadas, se determinará la relación matemática que hace alusión a la capacitancia equivalente de condensadores conectados en serie y en paralelo. Palabras clave : Condensadores, batería, capacitancia, voltaje. Abstract Capacitors are characterized by their ability to store energy and generate different electric fields, being conductors isolated by a vacuum or dielectric. The amount of charge per unit of voltage that results from the connection of the capacitors to a source of energy or difference in potential electrical energy is known as capacitance. From the simulations presented, the mathematical relationship that refers to the equivalent capacitance of capacitors connected in series and in parallel will be determined. Keywords: Capacitors, battery, capacitance, voltage. INTRODUCCIÓN Un material dieléctrico es aquel que posee baja conductividad eléctrica, por lo que en la mayoría de las aplicaciones se emplea como aislante. Tiene la propiedad de formar dipolos eléctricos que pueden ser polarizados. En otras palabras, no conduce, pero sí almacena cargas eléctricas. Se trata de un elemento de alta resistividad, gran resistencia de aislamiento y temperatura de resistencia negativa. En este caso, todos los electrones de los átomos con los que se forma un agregado sólido, gas o líquido quedan ligados a los núcleos, por lo que no hay electrones de conducción.
Fue Faraday quien, utilizando equipos sencillos, descubrió la propiedad de un material dieléctrico y sus aplicaciones en el electromagnetismo. El término, que proviene del griego “ dia ” y eléctrico, que significa “a través de” electricidad, fue ideado por William Whewell como respuesta a una solicitud de Faraday. Uno de los aspectos que caracteriza a un medio dieléctrico es que cuando se coloca en un campo eléctrico, no conduce las cargas. Esto se debe a que no tiene electrones sueltos o libres que se desplacen por el material, generando polarización dieléctrica. Gracias a este efecto , las cargas positivas se transportan hacia la dirección del campo y las negativas en posición contraria. Este fenómeno produce un campo eléctrico interno que lo minimiza a nivel global dentro del material con esta capacidad aislante. En casos de materiales dieléctricos con moléculas débilmente unidas, estas no solo se polarizan, sino que se reorientan para alinearse con el campo. Por ello, todos los materiales dieléctricos tienen la capacidad de ser aislante , pero los aislantes no son necesariamente dieléctricos. Su función en electricidad y magnetismo es incrementar la capacitancia , o la capacidad de un componente para recoger y almacenar energía. Según el material o el medio, el grado de permitividad para el establecimiento de un campo eléctrico varía considerablemente. MÉTODO EXPERIMENTAL Materiales ● Simulador PhET Metodología Lo primero que se realizó fue abrir el simulador PhET cuyo enlace estaba dado en la presentación del tema (https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/capacitor-lab) y se dio
Figura 1. Imágenes tomadas de las cinco muestras de la Tabla 1. Gráfica 1. C vs. A/L para geometría de un capacitor con L y V (1,5V) constantes En esta gráfica se corrobora la relación lineal y directamente proporcional que existe entre la capacitancia y el área sobre la distancia, siendo esta última (L) con magnitud constante.
Tabla 2. Geometría de un capacitor, A y V (1.5V) constantes C (F) A (mm²) L (mm²) A/L (m) 0.39x10⁻¹² (^) 240.4 5.5 0. 0.35x10⁻¹² 240.4 6 0. 0.30x10⁻¹² (^) 240.4 7.1 0. 0.26x10⁻¹² 240.4 8.1 0. 0.23x10⁻¹² (^) 240.4 9.3 0. Figura 2. Imágenes tomadas de las cinco muestras de la Tabla 2.
𝐀 Figura 3. Imágenes tomadas de las cinco muestras de la Tabla 3. Gráfica 3. Q vs V con A/L constante. Se corrobora la inversa proporcionalidad que existe entre la carga y el voltaje. Con base a lo planteado en la ecuación pendiente corresponde a la capacitancia. 𝑄 = 𝐶𝑉 𝖠 𝐶 = 𝑄^ , podemos afirmar que la
PARTE 2
Tabla 4. Capacitor con material dieléctrico, A/L constante Q (C) V (V) A/L (m) 9.55x10⁻¹ ³
4.06x10⁻¹ ³
2.16x10⁻¹ ³
0.76x10⁻¹ ³
2.65x10⁻¹ ³
Figura 4. Imágenes tomadas de las cinco muestras de la Tabla 4. Material teflón.
𝐀 También, la permitividad del dieléctrico puede expresarse en términos de la permitividad del vacío 𝐶 = ε 𝐴 Para la capacitancia de un capacitor de placas paralelas. Es importante entender que al elegir el material dieléctrico estos deben cumplir con
características que permitan que [3] l os electrones de los átomos o moléculas, que se
aglutinan para formar el agregado sólido, líquido o gas, participan en el enlace, quedando fuertemente ligados a los núcleos, de modo que no existen electrones de conducción (portadores de carga libres) capaces de desplazarse por el volumen del material de esta manera tendremos opciones a utilizar en sólido, líquido o gaseoso: el vidrio, el papel, la madera, la porcelana, la cerámica, la cera, la mica y algunos plásticos;líquidos son el aceite mineral, el aceite de ricino y las siliconas, entre otros. Se utilizan como condensadores y selladores;en forma de gas, algunos ejemplos son el aire, el nitrógeno y el hexafluoruro de azufre. En la experimentación simulada utilizamos como material dieléctrico el teflón capaz de cumplir un excelente rol. PARTE 3 A Tabla 5 Capacitancia (C)/pF Carga (Q) / pC Voltaje (V) / V Energía (J) /pC C1 = 3.00x10⁻¹³ 0.26x10⁻¹² (^) 0.375 0.20x10⁻¹² C2 = 1.90x10⁻¹³ 0.32x10⁻¹² (^) 0.918 0.24x10⁻¹² C3 = 1.30x10⁻¹³ 0.37x10⁻¹² (^) 1.5 0.28x10⁻¹² Capacitancia total (Ct) 6.2x10⁻¹³ Carga total (Qt) 0.95x10⁻¹ ²
Figura 5. Imágenes tomadas de las redes de capacitores con disposición mixta. B Tabla 6 Capacitancia (C)/pF Carga (Q) / pC Voltaje (V) / V Energía (J) /pC C1 = 1.80x10⁻¹³ 0.14x10⁻¹² (^) 0.789 0.11x10⁻¹² C2 = 1.70x10⁻¹³ 0.16x10⁻¹² (^) 0.6 0.12x10⁻¹² C3 = 1.50x10⁻¹³ 0.17x10⁻¹² (^) 0.54 0.13x10⁻¹² Capacitancia total (Ct) 5x10⁻¹³ Carga total (Qt) 0.47x10⁻¹ ²
Anexos
