• Author / Uploaded
• Andres Felipe

Citation preview

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020

Código:

Versión:

GUION PARA LA REALIZACIÓN DE LA PRÁCTICA

PRÁCTICA N° 2: Circuito RC LABORATORIO A UTILIZAR: Al ser la práctica virtual, deberá utilizarse el laboratorio virtual de la web: https://www.tinkercad.com/



INTRODUCCIÓN.

Al incluir un condensador en un circuito eléctrico se consigue regular el paso de corriente al resto de elementos, con la carga y descarga controlada de aquel. Las aplicaciones que tienen los condensadores son muchas, debiendo conocer las ecuaciones que rigen el comportamiento de estos dispositivos, para así calcular valores clave, como: tiempos, voltajes, corrientes, etc. 

PROPÓSITOS DE APRENDIZAJE

Describir el funcionamiento de una rama eléctrica consistente en un condensador, en serie con una resistencia, ante procesos de conexión y desconexión a fuentes de corriente directa.  -

COMPETENCIAS Analiza la carga y descarga del circuito en serie condensador-resistencia-fuente de voltaje. Obtiene el modelo matemático del proceso de carga y descarga en el condensador. Calcula tiempos de decaimiento y su relación con los valores de la capacitancia y resistencia.

 MARCO TEÓRICO Un circuito RC está constituido por una resistencia R y un condensador C, conectados en serie (figura 1). Teóricamente, el proceso de carga de un condensador al cual se le aplica una fem (fuerza electromotriz) es prácticamente instantáneo, sin embargo, al conectar una resistencia en serie, esta retrasa el proceso de carga y de descarga. La evolución temporal de carga y descarga del condensador puede ser obtenida a partir de las leyes de Kirchhoff.

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020

Código:

Versión:

PROCESO DE CARGA Cuando el circuito RC se conecta a una fuente de voltaje constante, el condensador empieza a acumular carga eléctrica (Figura 1a), este proceso no es inmediato sino que tiene un tiempo determinado. Si colocamos un voltímetro en el condensador, se podrá ver que el voltaje no es constante sino que aumenta en el tiempo hasta alcanzar un valor máximo (valor de la fuente). Si inicialmente el condensador estaba descargado, haciendo uso de las leyes de Kirchhoff, resulta:

−

V c =V 0 ( 1−exp

t RC

)

(1) Ahora, al conectar un amperímetro para medir la corriente en el condensador se observa que esta no es constante, sino que empieza desde un valor máximo y luego disminuye en el transcurso del tiempo. La función para la corriente en función del tiempo es: −

I c=I 0 exp

t RC

(2)

Antes de continuar, se recomienda la visualización de este corto vídeo: https://www.youtube.com/watch?v=-fiX-Q2TSJg

PROCESO DE DESCARGA En este caso, el condensador ha adquirido su máxima carga eléctrica. Para el proceso de descarga se desconecta la fuente de voltaje del circuito y se cierra el circuito entre la resistencia y el condensador de tal modo que éste se descargue a través de la resistencia (ver, figura 1b). Si se coloca un voltímetro en el condensador se observará que el voltaje no es constante sino que empieza desde un valor máximo y luego disminuye. La función de voltaje en el condensador en términos del tiempo está dada por:

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020

Código:

−

V d =V 0 exp

t RC

Versión:

(3)

Ahora, si se conecta un amperímetro para medir la corriente en el condensador se observa que la corriente no es constante sino que empieza a disminuir hasta extinguirse. La función para la corriente en términos del tiempo es:

I d =I 0 exp TIEMPO DE DECAIMIENTO (CONSTANTE DE TIEMPO)

Se define el tiempo de decaimiento (3) se obtiene:

τ

−

t RC

(4)

τ

cuando t=RC . En el caso de las ecuaciones (2) y

(5) Estas dos ecuaciones implican que en un tiempo τ la corriente en un proceso de carga disminuye a un 36% de su valor máximo y el voltaje en un proceso de descarga disminuye a un 36% de su valor máximo. Se deja al estudiante demostrar que, en el proceso de carga (de la ecuación (1)), en un tiempo τ , el voltaje aumenta hasta un 64% de su valor máximo. En el siguiente vídeo, se muestra el análisis de ambos procesos, carga y descarga: https://www.youtube.com/watch?v=C5lWplbeU3M 

MATERIALES Y EQUIPOS

Al ser la práctica virtual, solo se requiere computador y conexión a internet. Del laboratorio virtual, se necesitan: -

Una pila o la fuente de alimentación DC. Una resistencia. Un condensador electrolítico (los que tienen la forma cilíndrica). Al tener polaridad definida, el signo negativo está indicado por una línea junto a su terminal. Varios multímetros (para medir corrientes y voltajes)

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020

-

El osciloscopio (instrumento condensador). Cronómetro. Interruptor de doble vía.



PROCEDIMIENTO.

-

Código:

para

observar,

gráficamente,

Versión:

la

carga

del

Cada estudiante, de manera individual, realizará su propia práctica durante la sesión de laboratorio. Durante los siguientes días, podrá juntarse con otros compañeros, formando grupos que presentarán un único informe. Los montajes deberán incorporar, al menos, un voltímetro, que mida la carga y descarga del condensador; un amperímetro, que mida la corriente por la resistencia; un osciloscopio, que represente gráficamente el voltaje en el condensador, en función del tiempo; y mediciones de tiempo de carga y descarga, que pueden hacerse con un cronómetro o grabando con el celular los procesos involucrados. El circuito que pretende montarse es el que aparece en la Figura 2:

Figura 2: Esquema del circuito RC a montar en el laboratorio.

Una posible configuración, haciendo uso de los elementos disponibles en el laboratorio virtual, se muestra en la figura 3:

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020

Código:

Versión:

Figura 3: Montaje del circuito RC en el laboratorio virtual.

Deberá experimentar con los siguientes procedimientos: -

Modificación del valor de la resistencia y condensador. Se recomienda empezar con 1 mF y 10 kΩ. Fuente de alimentación de 10 V. Verificación de las constantes de tiempo. Toma de tiempos, tanto para la carga como para la descarga, en los que aparezcan los valores de la corriente y voltaje por la resistencia. Tensión de ruptura del condensador (compruebe lo que ocurre si se somete al condensador a demasiado voltaje). Polarización inversa (compruebe que si no se usa la polarización correcta, el condensador se destruye).

UNIVERSIDAD PONTIFICIA BOLIVARIANA FISICA ELÉCTRICA FORMATO PARA PRÁCTICAS DE LABORATORIO Fecha: Enero de 2020



Código:

Versión:

RESULTADOS.

Haciendo uso de, al menos, tres constantes de tiempo diferentes, deben mostrarse: -

-



Representaciones gráficas de i(t) y v(t) en el condensador, tanto para carga como para descarga. Estas gráficas deben realizarse apuntando las medidas experimentales mostradas en el voltímetro y amperímetro, en varios instantes de tiempo entre 0 y 2τ . Tabla comparativa entre los anteriores valores experimentales y los teóricos (deducidos de las fórmulas). Se incluirá una columna con la carga almacenada por el condensador en esos mismos instantes de tiempo. Deducción teórica de la máxima corriente que pasará por el circuito RC y verificación de la misma con la gráfica experimental. Utilice incertidumbres en las medidas experimentales, coincidentes con la precisión del multímetro. BIBLIOGRAFÍA Y CIBERGRAFÍA

Libros de física general: PASCO. Guías de laboratorio. 1996. FEYMAN, Richard. Física v1. Editorial Addison Weslley. México, 1998. SEARS, Francis y ZEMANSKY, Mark. Física Universitaria. V2. Pearson Educación, 1999. SERWAY, Raymond. Física. V2. Editorial Mc Graw Hill, México, 2001. Cibergrafía: Condensadores: https://www.youtube.com/watch?v=kIJTgJ3fE-U Carga de un condensador: https://www.youtube.com/watch?v=-fiX-Q2TSJg Descarga de un condensador: https://www.youtube.com/watch?v=5gGCZLDMN1E Análisis de la carga y descarga de un condensador: https://www.youtube.com/watch? v=C5lWplbeU3M