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• Hans Talavera Zelada

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LABORATORIO N°3

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO

CARGA Y DESCARGA DE LOS CONDENSADORES

I.

OBJETIVOS   

II.

Efectuar pruebas que permitan diagnosticar el estado de los condensadores. Estudio de la variación del voltaje y la corriente durante el proceso de carga y descarga de un condensador. Estudio sobre los voltajes establecidos en un circuito en serie con condensadores.

MATERIALES Y EQUIPOS

FUENTE DE ALIMENTACIÓN REGULADORA mc. Electronics: Transforma potencia eléctrica de entrada ya sea de corriente alterna o continua, en una potencia de salida, tanto de corriente continua como alterna.

MULTIMETRO ANALÓGICO YX- 360 TRD (Sunwa): Son instrumentos con indicador de aguja, que pueden medir magnitudes de corriente, tensión y resistencia en diferentes rangos de medición.

MULTIMETRO DIGITAL RD700: Comprende las funciones de medición de voltaje continuo o alterno, corriente eléctrica, resistencia en un circuito.

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PROTOBOARD DE TIPO REGLETA: Es un tablero con orificios que se encuentran conectados eléctricamente entre sí de manera interna, habitualmente siguiendo patrones de líneas, en el cual se pueden insertar cables para el armado de circuitos electrónicos.

1 RESISTENCIA DE 10K

1 CONDENSADOR ELECTROLÍTICO 2,200 μF-16V

2 CABLES BANANA- COCODRILO

1 CONDENSADOR ELECTROLÍTICO 1,0 00

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6 CABLES DE CONEXIÓN CALIBRE 22 (aprox. 10 cm c/u)

2 CABLES COCODRILO- COCODRILO

1 CRONÓMETRO (RELOJ)

III.

FUNDAMENTO TEÓRICO 1. CONDENSADOR Conocido frecuentemente con el anglicismo capacitor, es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por la Permitividad eléctrica del vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

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Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente, al ser introducido en un circuito, se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de des carga.

2. ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES a. Asociación en serie de dos condensadores Capacidad Equivalente:

b. Asociación en paralelo de dos condensadores Capacidad Equivalente:

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3. CARGA DE UN CONDENSADOR Consideremos un condensador inicialmente descargado. Si se cierra el interruptor que le conecta a la batería, la carga empieza a fluir produciendo corriente en el circuito, el condensador se empieza a cargar. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la corriente cesa en el circuito.

En el circuito de la figura tendremos que la suma:



El extremo a tiene un potencial mayor que el extremo b de la resistencia R ya que la corriente fluye de a hasta b. De acuerdo a la ley de Ohm



La placa positiva del condensador b tiene mayor potencial que la placa negativa c, de modo que



El terminal positivo de la batería a tiene mayor potencial que el terminal negativo c, de modo que , donde es la fem de la batería.

La ecuación del circuito es:

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4. DESCARGA DEL CONSENDADOR Consideremos un circuito que consta de un condensador, inicialmente cargado, unido a una resistencia. Se cierra el interruptor y la carga del condensador disminuye exponencialmente con el tiempo.

Consideramos ahora el circuito que consta de un condensador, inicialmente cargado con carga Q y una resistencia R y se cierra el interruptor I. En el circuito de la figura tendremos que la suma:

 

Como la corriente va de a hacia b, el potencial de a es más alto que el potencial de b. Por la ley de Ohm En el condensador la placa positiva a tiene más potencial que la negativa b, de modo que

La ecuación del circuito es:

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5. CONDENSADOR ELECTROLÍTICO Un condensador electrolítico es un tipo de condensador que usa un líquido iónico conductor como una de sus placas. Típicamente con más capacidad por unidad de volumen que otros tipos de condensadores, son valiosos en circuitos eléctricos con relativa alta corriente y baja frecuencia. Este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar la tensión eléctrica de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente continua pero no corriente alterna.

Los condensadores electrolíticos pueden tener mucha capacitancia, permitiendo la construcción de filtros de muy baja frecuencia.

IV.

PROCEDIMIENTO PRUEBA DE CONDENSADORES a. Use el multímetro analógico en la función de Ohmímetro y coloque el Selector de Rangos a la posición R x 100. Esta escala es la adecuada para comprobar el estado del condensador proporcionado.

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Conecte el condensador según la FIG. 1 (a). Al conectar las puntas de prueba con el condensador, la aguja del multímetro debe deflexionar rápidamente hacia cero y luego retornar lentamente a su posición de reposo (infinito). Esta prueba se realiza cambiando alternativamente la polaridad del condensador conectado al multímetro FIG. 1 (b). Los posibles resultados y el diagnóstico respectivo sobre el estado del condensador son los siguientes: 

Si la aguja se mantiene en reposo (no se mueve), entonces el condensador está abierto y debe ser reemplazado.



Si la aguja se detiene durante la deflexión, entonces el condensador presenta fugas y debe ser reemplazado.

 Si la aguja se mantiene en cero, entonces el condensador está cortocircuitado y debe ser reemplazado.

VARIACIÓN DEL VOLTAJE EN EL CONDENSADOR DURANTE SU CARGA Y DESCARGA ¡Precaución! Antes de encender la fuente regulada de DC, para energizar un circuito, verifique que el voltaje de salida sea cero (perilla izquierda girada totalmente en sentido anti horario). b. Arme el circuito de la FIG. 3 Asegúrese de que se halle TOTALMENTE DESCARGADO el condensador haciendo un contacto entre sus bornes. No conecte el cable conector aún.

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c. CARGA: Conecte un extremo del cable conector al punto “a” y observe el voltímetro, tomando nota de su lectura cada 10 segundos (TABLA 1). Luego de 120 segundos, no desconecte el circuito aún, sino siga controlando el tiempo hasta que el condensador se cargue totalmente ( ), es decir, hasta que su voltaje tome su valor máximo (10V). Si en 5 minutos no llega a 10V, considerar que alcanzó su carga total y anotar el valor alcanzado en ese tiempo. d. Retire el cable conector del punto “a”. Tome nota de lo que indica el voltímetro.

e. DESCARGA: Con el condensador ya cargado totalmente, conecte el extremo del cable conector al punto “b” y observe el voltímetro, tomando nota de su lectura cada 10 segundos (TABLA II). Luego de 120 segundos, no desconecte el circuito aún, sino siga controlando el tiempo hasta que el condensador se descargue totalmente ( ), es decir, hasta que su voltaje tome su valor mínimo (0V).

f. Trazar las curvas características de voltaje en función del tiempo para la carga y descarga del condensador.

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CORRIENTE DURANTE LA CARGA Y DESCARGA DEL CONDENSADOR

g. Arme el circuito de la FIG. 4. Asegúrese que el condensador se halla completamente descargado. No conecte el cable conector. h. CARGA: Conecte un extremo del cable conector al punto “a” y observe el amperímetro, tomando nota de su lectura cada 10 segundos (TABLLA III). No desconecte el circuito aún, hasta que el condensador se cargue totalmente, es decir, segundos.

i.

DESCARGA: Con el condensador ya cargado totalmente, conecte el extremo del cable conector al punto “b” y observe el amperímetro, tomando nota de su lectura cada 10 segundos (TABLA IV).

j.

Trazar las curvas características de corriente en función del tiempo para la carga y descarga del condensador.

VOLTAJES EN UN CIRCUITO SERIE CON CONDENSADORES k. Arme el circuito mostrado en la FIG. 5, descargando previamente los condensadores, y encienda la fuente.

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i. Utilizando el voltímetro digital observe como varían los voltajes en los condensadores y la resistencia, ¿Cuál crece y cuál decrece? j. Tome nota de los voltajes establecidos finalmente en la resistencia y los condensadores. k. ¿Qué relación observa entre los voltajes establecidos en los condensadores y sus capacidades? Explicar teóricamente.

RESULTADOS OBTENIDOS TABLA I VARIACION DEL VOLTAJE DEL CONDENSADOR DURANTE SU CARGA t (seg)

0 10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 110 120 t total

Vc (medido) 0 3.7 6.06 7.53 8.42 9.01 9.37 9.56 9.67 9.74 9.82 9.83 9.88 10.08

Voltaje VS Tiempo 12

Voltaje del condensador

V.

10

8 6

4 2 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo de carga

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TABLA II VARIACION DEL VOLTAJE DEL CONDENSADOR DURANTE SU DESCARGA t (seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 t total Vc (medido) 10.08 6.11 4.03 2.68 1.74 1.17 0.77 0.53 0.36 0.26 0.19 0.14 0.11 0.02

Voltaje VS Tiempo Voltaje del condensador

12 10 8 6 4 2 0

0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo de Descarga

TABLA III VARIACION DE LA CORRIENTE DEL CONDENSADOR DURANTE SU CARGA t(seg) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 )

981 647 420 271 175 123.2 94.4 57.9 41.9 31.1 24.1 18.7 15.1

Corriente VS Tiempo 1200

Corriente del condensador

Ic (

1000

800 600

400 200

0 0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo de Carga

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TABLA IV VARIACION DE LA CORRIENTE DEL CONDENSADOR DURANTE SU DESCARGA 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

t (seg) Ic -981 -628 -403 -268.1 -174 -115.9 -80.4 -55.8 -39.4 ( )

120

-27.1 -19.6 -14.8 -11.4

Corriente Vs Tiempo 0

Corriente del Condensador

0

20

40

60

80

100

120

140

-200 -400

-600 -800 -1000 -1200

Tiempo de Descarga

TABLA V 0.02 3.48 6.36 9.86

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 Arme el circuito de la FIG.2 Regule la salida de la fuente a 10 V y conecte. Tome nota de la lectura en el amperímetro.

VI.

CUESTIONARIO

1. Defina que es un condensador y explique cómo está constituido. Un condensador es un componente eléctrico que almacena carga eléctrica en forma de diferencia de potencial para liberarla posteriormente. También se suele llamar capacitor eléctrico. Un condensador está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. 2. Describa como está construido un condensador electrolítico y cuáles son sus usos. Los condensadores electrolíticos de aluminio se construyen a partir de dos tiras de aluminio, una de las cuales está cubierta de una capa aislante de óxido, y un papel empapado en electrolito entre ellas. La tira aislada por el óxido es el ánodo, mientras el líquido electrolito y la segunda tira actúan como cátodo. Esta pila se enrolla sobre sí misma, ajustada con dos conectores pin y se encaja en un cilindro de aluminio.

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Son valiosos en circuitos eléctricos, este es especialmente el caso en los filtros de alimentadores de corriente, donde se usan para almacenar la carga, y moderar la tensión eléctrica de salida y las fluctuaciones de corriente en la salida rectificada. También son muy usados en los circuitos que deben conducir corriente continua pero no corriente alterna. 3. Qué parámetros se debe especificar cuándo se desea comprar un condensador?    

El valor nominal, la capacidad (picofaradio, microfaradio, etc.) La máxima tensión de trabajo en voltios. Material del condensador. Dependiendo del fabricante también puede venir indicado otros parámetros como: La temperatura; La máxima frecuencia a la que pueden trabajar, etc.

4. ¿Se puede hacer la prueba de un condensador con el ohmímetro digital? cómo? El multímetro digital puede determinar la capacitancia cargando un capacitor con una corriente conocida y posteriormente mide la tensión resultante para calcularla. • Usar el multímetro digital (DMM) para asegurar que toda la alimentación del circuito esté desconectada. Si el capacitor está usando un circuito CA, configura el multímetro para una medición de tensión CA. Si está usando un circuito CD configura el multímetro para medir tensión CD. • Inspeccionar visualmente el capacitor. Si se observa fugas, grietas, protuberancias u otros signos de deterioro, reemplaza el capacitor. • Girar la perilla a modo de medición de capacitor. El símbolo normalmente está acompañado de otra función. Adicionalmente a esto suele ser necesario presionar un botón para activar la medición. • Para una medición correcta, el capacitor debe ser removido del circuito. Descarga el capacitor como se mencionó anteriormente. • Conectar los cables de prueba en las terminales del capacitor. Mantener los cables de prueba conectados por algunos segundos para dejar que el multímetro seleccione de manera automática el intervalo correcto. • Leer la medición en la pantalla. Si el valor de capacitancia se encuentra dentro del intervalo, el multímetro mostrará el valor del capacitor.

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5. En su experimento, qué función cumple el resistor de 10 k colocado en el circuito de carga del condensador. La función principal de la resistencia es aumentar el tiempo como producto de la carga y descarga del capacitor ya que este limita el paso de la corriente eléctrica en el experimento. Los condensadores se encargan de acumular la corriente eléctrica que se suministra a los componentes, las resistencias se encargan de reducir el voltaje de ésta a hasta los límites que requieren los componentes para poder funcionar. 6. Cómo podría hacer para que la carga del condensador de 2200 f sea más lenta o más rápida. Para que la carga del condensador sea lenta tendría que aumentar la resistencia en cambio para que sea rápida la carga tendría que disminuir la resistencia. 7. Calcule teóricamente el voltaje en su condensador en el instante t=40s y compárelo con el valor obtenido en su tabla Según la ecuacion calculamos la cantidad de carga en el instante t=40s Por lo tanto para el condensador de capacitancia de 2,200µF ()

∫ ( )

(

Reemplazando: Capacitancia Voltaje suministrado Tiempo que tomará a la corriente para decrecer hasta 1/e de su valor inicial resistencia en serie 

Reemplazando la carga para (



)

Luego el voltaje para T=40s ( (

)

(

)

) (

)

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8. Con los valores de voltaje en el condensador de su tabla 1 deduzca una tabla igual para los voltajes de la resistencia y grafique la curva Vr VS t

Voltaje de R VS Tiempo 12

Voltaje de la resistencia

10 8 6

4 2 0 0

20

40

60

80

100

120

140

Tiempo en segundos

9. Calcule el tiempo de carga del condensador de su circuito y compárelo con el tomado de su experimento () Según la siguiente formula determinamos el tiempo que duro todo el tiempo de carga del condensador de 2,200µF Intensidad de corriente que circula por el condensador. Fuente de Voltaje. Resistencia conectada en serie al circuito. Numero de Euler (2.7172) Por lo tanto derivando la cantidad de carga con respecto al tiempo obtenemos que el tiempo total de carga del condensador es igual a: segundos equivalente a 140 segundos de carga.

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10. En la práctica le resulto igual el tiempo de carga al tiempo de descarga? A que se debe esto? Durante la experiencia en el laboratorio el tiempo de carga y descarga del condensador muy cercano debido a que solo se debió desconectar el circuito sacando unos de los jumper por el cual circulaba la corriente eléctrica. Además una vez que se cargaba el condensador totalmente ya no aumentaba su carga eléctrica almacenada. 11. En la práctica, le resultó igual el tiempo de carga al tiempo de descarga? A qué se debe esto? Teóricamente el tiempo de carga es igual al tiempo de descarga, pero de acuerdo a la experiencia en el laboratorio el tiempo de carga con el tiempo de descarga son diferentes. Esta diferencia puede ser ocasionada por deterioro de los instrumentos de medición o la manera en que se midió los tiempos.

12. Con los datos de la tabla V calcule la carga almacenada en cada uno de los condensadores, ¿Qué puede concluir respecto de la carga en condensadores conectados en serie? Rigiéndonos a la teoría acerca de la cantidad de carga que existe en un condensador, este viene dado por la relación de la capacidad y el voltaje. Es decir:  Para el primer condensador de capacidad igual a 2,200µF y de voltaje obtenido en la experiencia igual a 3,48V.

 Para el segundo condensador de capacidad igual a 1,000µF y de voltaje obtenido en la experiencia igual a 6,36V.

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Según la teoría de los condensadores conectados en serie, tiene que cumplirse la siguiente relación:

Las cargas se asemejan, pero en realidad cuando don condensadores están conectados en serie, la corriente es igual en cada capacitor, y entonces, la variación de carga también debe ser la misma. Por lo tanto, todos los capacitores en serie se cargan (o descargan) en la misma cantidad en todo instante de tiempo. Por lo tanto, la carga final también será igual en cada capacitor.

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VII.

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OBSERVACIONES • El tiempo de carga es menor al tiempo de descarga y esto es debido a la resistencia que ponen los cables utilizados. • En la variación de corriente es positiva durante su carga la intensidad de corriente es positiva mientras que en la variación de corriente es negativa. • En el voltaje del circuito en serie con los condensadores el voltaje del capacitor uno aumenta mientras que en el capacitor dos disminuye y en la resistencia decrece rápidamente.

VIII.

IX.

CONCLUSIONES  A través del siguiente trabajo nos pudimos dar cuenta sobre ciertas cosas, por ejemplo que la relación que hay entre el tiempo con la carga del condensador, es un tipo de relación directa lo cual mientras mayor es el tiempo mayor es la carga que va a tener el condensador.  Por otro lado la relación que tiene la descarga del condensador con respecto al tiempo es una relación indirecta, a medida que transcurre más tiempo, la carga del condensador es menor.  Con respecto a los gráficos en el de descarga se puede ver que en el inicio de las mediciones las diferencias de voltaje de descarga eran mayores con respecto a los intervalos de descarga finales, la diferencia de voltaje mientras avanza el tiempo, disminuyen los intervalos de descarga.  Lo que nos lleva a tener una curva logarítmica. Con respecto a la carga del condensador en el inicio, la diferencia de carga de un intervalo de voltaje es mayor mientras avanza el tiempo a que cuando nos acercamos al límite de la carga máxima del condensador, lo que nos lleva a tener una curva con forma exponencial, o logarítmica, pero con el signo contrario. RECOMENDACIONES  

Probar el correcto funcionamiento de cada componente para así no tener problemas en la ejecución. Tener cuidado al momento de conectar el circuito de acuerdo al circuito diseñado o la función del multímetro si es voltímetro o amperímetro y no cometer errores al momento de la ejecución del experimento. Controlar el tiempo de carga y descarga con mucha precisión

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X.

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BIBLIOGRAFIA    

https://es.scribd.com/document/301027152/Practica-9-Lab-Fisica-II http://plasmalab.aero.upm.es/~practicasfisica/LabFisicaIIFiles/Informes/Guiones/CargaDescarga.pdf https://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico#/media/File:Condensat ors.JPG http://ing.unne.edu.ar/pub/fisica3/170308/lab/tpn3.pdf

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