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Laboratorio 5 Capacitancia
Física II
AUTORES
Daniela Alexandra Avendaño puentes / 48192009 RESUMEN La capacitancia es la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica. Los capacitores son dispositivos que almacenan energía, disponibles en muchos tamaños y formas. Consisten en dos placas de material conductor (generalmente un metal fino) ubicado entre un aislador de cerámica, película, vidrio u otros materiales, incluso aire. El aislante también se conoce como un dieléctrico y aumenta la capacidad de carga de un capacitor. A veces, los capacitores se llaman condensadores en la industria automotriz, marina y aeronáutica. Las placas internas están conectadas a dos terminales externos, que a veces son largos y finos, y se asemejan a diminutas antenas o patas metálicas. Estos terminales se pueden conectar a un circuito. Los capacitores y las baterías almacenan energía. Mientras que las baterías liberan energía poco a poco, los capacitores la descargan rápidamente. Un capacitador acumula energía (voltaje) a medida que fluye la corriente a través de un circuito eléctrico. Ambas placas mantienen cargas iguales, y a medida que la placa positiva recoge una carga, una carga igual fluye fuera de la placa negativa. ABSTRACT Capacitance is the ability of a component or circuit to collect and store energy in the form of electrical charge. Capacitors are energy-storing devices, available in many sizes and shapes. They consist of two plates of conductive material (usually a thin metal) sandwiched between an insulator made of ceramic, film, glass, or other materials, even air. The insulator is also known as a dielectric and increases the charge capacity of a capacitor. Capacitors are sometimes called capacitors in the automotive, marine, and aeronautical industries.
The inner plates are connected to two outer terminals, which are sometimes long and thin, and resemble tiny metal antennas or legs. These terminals can be connected to a circuit. Capacitors and batteries store energy. While batteries release energy little by little, capacitors discharge it quickly. A capacitor accumulates energy (voltage) as current flows through an electrical circuit. Both plates hold equal charges, and as the positive plate picks up a charge, an equal charge flows out of the negative plate. PALABRAS CLAVES: Condensador, Capacitancia, Circuitos INTRODUCCIÓN ¡Explorar cómo funciona un condensador! Cambia el tamaño de las placas y añade un dieléctrico para ver cómo afecta la capacidad eléctrica. Cambia el voltaje y ve las cargas que se acumulan en las placas. La simulación muestra el campo eléctrico en el condensador y mide el campo de tensión y energía eléctrica.
Q = carga ( coulombs, C ) 𝜀 = permitividad del aire ( 8.85∗10−12c2Nm2) ENERGÍA ec 5 .W=12(CV2) Donde W= Energía almacenada (Joules ,J ) C = Capacitancia ( Faradios, F ) CAPACITOR CON DIELECTRICO ec 6 .C=𝜀 0 ∗𝜀RAd Donde A = área de las placas ( m2 ) d = separación de las placas ( m ) 𝜀 0 = permitividad del aire ( 8.85∗10−12c2Nm2) 𝜀r = constante dieléctrica de cada material ( K ) Simulador capacitor lab Este software nos permite realizar una simulación el comportamiento de un capacitor de placas paralelas en el vacío, estas conectadas a una batería la cual puede generar una variación de voltaje y de igual manera, el área y la distancia entre las placas puede ser modificado acorde a las necesidades de la simulación. El voltaje de la batería puede variar entre -1.5 voltios y 1.5 voltios. Por otra parte, el área de las placas se puede modificar entre 100 mm^2 y 400 mm^2. y por último, la distancia entre las placas puede ser
entre 5mm y 10mm. Dentro del simulador también nos podemos encontrar con la simulación de un dieléctrico y de múltiples capacitores. RESULTADOS
- Manipulación de las dimensiones del capacitor de placas paralelas y Comparación de valores teóricos con los obtenidos mediante el simulador. En esta primera parte del laboratorio, a partir de la modificación en el simulador, se comparará los datos experimentales obtenidos en la simulación y lis datos teóricos por medio de las fórmulas estudiadas en clase, como los son: la capacitancias, carga, campo eléctrico y energía. 1.1 Como primera simulación, se utilizó una batería de 0.804v, un capacitor de placas paralelas con un área de y 400mm^2 y una separación de 5mm entre las placas. Obteniendo los siguientes valores:
VALORES TEORIOCS DE CAPACITANCIA, CARGA, ENERGIA Y CAMPO
ELECTRICO.
CAPACITANCIA
ec 1 .C=0.28∗10−121.101V=0.25431425∗10−12F ec 2 .C=8.85∗10−12c2Nm20.0001455m20.005m=0.257535∗10−12F CARGA ec 3 .Q=1.101V∗0,26∗10−12F=0.28626∗10−12coulomb CAMPO ELECTRICO ec 4 .E→=0.28626∗10−128.85∗10−12c2Nm2∗0.0001455m2=2.23074∗102NC ENERGÍA ec 5 .W=120,26∗10−121.101V2=0.15758613∗10−12J
1.3 Como tercera simulación, se utilizó una batería de -1.059V un capacitor de placas paralelas con un área de y 195.5mm^2 y una separación de 7.9mm entre las placas. Obteniendo los siguientes valores: VALORES TEORIOCS DE CAPACITANCIA, CARGA, ENERGIA Y CAMPO ELECTRICO. CAPACITANCIA ec 1 .C=0.23∗10−121.059V=0.2171860246∗10−12F ec 2 .C=8.85∗10−12c2Nm20.0001955m20.0079m=0.2190094937∗10−12F CARGA
VALORES TEORIOCS DE CAPACITANCIA (CON Y SIN DIELECTRICO) , CARGA,
ENERGIA Y CAMPO ELECTRICO.
CAPACITOR
Constante del material = 5 ec 1 .C=1.45∗10−130.327V=4.434250765∗10−13F ec 6 .C=5∗8.85∗10−12c2Nm20.000100m20.010m=4.425∗10−13F CARGA ec 3 .Q=0.327V∗4.43∗10−13F=1.44861∗10−13Coulomb CAMPO ELECTRICO ec 4 .E→=1.44861∗10−138.85∗10−12c2Nm2∗0.000100m2=1.636847∗102NC
ENERGÍA
ec 5 .W=124,43∗10−130,2327V2=2.36847735∗10−14J 2.2 Como segunda simulación con dieléctrico, se utilizó una batería de 0.208V un capacitor de placas paralelas con un área de y 198.7mm^2 y una separación de 7.7mm entre las placas y en medio de las mismas un dieléctrico (teflón) con una constante del material = 2.1 Obteniendo los siguientes valores: VALORES TEORIOCS DE CAPACITANCIA (CON Y SIN DIELECTRICO) , CARGA, ENERGIA Y CAMPO ELECTRICO. CAPACITOR Constante del material ( TEFLON )= 2. ec 1 .C=0.99∗10−130.208V=0.4759615385∗10−12F
CAPACITOR
Constante del material (PAPEL )= 3. ec 1 .C=0.18∗10−110.714V=0.2521008403∗10−11F ec 6 .C=3.5∗8.85∗10−12c2Nm20.000400m20.0077m=0.24784∗10−11F CARGA ec 3 .Q=0.714V∗0.25∗10−11F=0.1785∗10−11Coulomb CAMPO ELECTRICO ec 4 .E→=0.1785∗10−118.85∗10−12c2Nm2∗0.000400m2=5.042372∗102NC ENERGÍA ec 5 .W=120.25∗10−110,714V2=0.637245∗10−12J 2.4 Como Cuarta simulación con dieléctrico, se utilizó una batería de -0.417V un capacitor de placas paralelas con un área de y 286.6mm^2 y una separación de 10mm entre las placas y en medio de las mismas un dieléctrico (Vidrio) con una constante del material = 4.7. Obteniendo los siguientes valores:
CAPACITOR
Constante del material (VIDRIO )= 4. ec 1 .C=0.05∗10−110.417V=0.11990407673∗10−11F ec 6 .C=4.7∗8.85∗10−12c2Nm20.0002866m20.01m=0.11921127∗10−11F CARGA ec 3 .Q=0.417V∗0.12∗10−11F=0.05004∗10−11Coulomb CAMPO ELECTRICO ec 4 .E→=0.05004∗10−118.85∗10−12c2Nm2∗0.0002866m2=1.972867∗102NC ENERGÍA ec 5 .W=120.12∗10−110,417V2=0.104334∗10−12J
Ceq=1/c1+1/c2+1/c Ceq= 1/1.8010-13^ + 1/1.3010-13^ + 1/2.30*10- Ctotal=1/Ceq Ctotal= 1/1.75 10-13^ f Ctotal= 0.568 10-13^ f CARGA: Q=1.166v 0.568 10-13^ f Q= 0.662210-13^ C ENERGIA ALMACENADA: W=½(0.568 10-13^ f(1.166^2 v) W=0.38611 10-13^ J 3.2 en esta simulación de capacitores en paralelo tomamos c1: 1.8010-13^ f c2: 1.1010-13^ f y c3: 2.7010-13^ f y un voltaje de 0.636 v CAPACITOR:
Ceq=c1+c2+c Ceq= 1.8010-13^ + 1.1010-13^ + 2.7010- Ctotal=Ceq Ctotal= 5.6010-13^ f CARGA: Q=0.636v* 5.6 10-13^ f Q=3.561610-13^ C ENERGIA ALMACENADA: W=½(5.610-13^ f(0.636^2 v) W=1.1325 *10-13^ J CONCLUSIONES En la comparación de los datos prácticos comparados con los teóricos podemos determinar utilizando las ecuaciones dada en el principio tenemos una alta exactitud de la obtención de datos, esto gracias a que el simulador tiene como base las mismas ecuaciones en las que se hizo el ejercicio, cabe resaltar que en el caso de los capacitores en serie y en paralelos al cambiar las dos estructuras el campo eléctrico se mantenía y se calculaba el resto de datos en base de una capacitancia total. BIBLIOGRAFIA
- https://www.fluke.com/es-co/informacion/mejores-practicas/aspectos- basicos-de-las-mediciones/electricidad/que-es-la-capacitancia#:~:text=La %20capacitancia%20se%20expresa%20como,Faraday%20(1791%2D1867).
