• Author / Uploaded
• Douglas José Martí

Citation preview

Universidad de El Salvador. Facultad de Ciencias Naturales y Matemática. Escuela de Física.

Corto 02: Laboratorio de Condensadores por simulación. Grupo: 04. Integrantes:

Carnet:

Guevara Hernández, Jacqueline Sofía.

GH

Martí De Paz, Douglas José.

MD16031

Santos Hernández, Diana Elizabeth.

SH

Ventura Huezo, Keren Jeannette.

VH18006

Cátedra: Teoria Electromágnetica. Cadetrático: BsC. José Roberto Dimas Valle. Observaciones y calificación:

San Salvador, 19 de septiembre de 2020.

Laboratorio de Condensadores: Introducción1 (Esta actividad está diseñada para ser trabajada en línea.) Este laboratorio usa el Capacitor Lab: Basics de Simulaciones Interactivas PhET en la Universidad de Colorado Boulder, bajo la licencia de CC-BY 4.0 https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-lab-basics_es.html

Objetivos de Aprendizaje Los estudiantes podrán: ● Identificar las variables que afectan la capacitancia y de qué forma ● Determinar las relaciones entre carga, voltaje y energía almacenada para un condensador. ● Relacionar el diseño del sistema de condensadores con su capacidad de almacenar energía. ● Explicar cómo usar un condensador para encender una bombilla. ● Describir la descarga de un condensador a una bombilla. Desarrolla tu comprensión: Abre la ventana de Capac.3itancia, luego explora para desarrollar tus propias ideas sobre cómo se diseña un condensador.

Figura 1:

Explica tu comprensión: Utiliza tus propias palabras e imágenes capturadas de la simulación para mostrar que puedes: 1. Identifica y describe qué características de un condensador pueden ser modificadas para hacer un condensador con la mayor capacitancia. Las placas de un capacitor (conductores) están colocadas más cerca entre sí. Las placas más grandes ofrecen más superficie.

a) ¿Qué características de la simulación utilizaste para ayudarte? 1 Actividad traducida por Diana López. Diseño original de Trish Loeblein. Mayo,2020

Se procedio a modificar el área y la distancia de separación entre las placas.

2. Diseñar experimentos para encontrar las relaciones entre carga, voltaje y energía almacenada para un condensador. Resume tus procedimientos y hallazgos experimentales. El procedimiento anterior muestra que el área de las placas del condensador y la separación entre dichas placas influye directamente en la cantidad de Capacitancia que es capaz de almacenar. Primeramente, haremos la simulación con voltaje constante.

Figura 2.1: Condensador de área máxima y distancia mínima cargado.

Figura 2.2: Condensador de área mínima y distancia mínima cargado.

Figura 2.3: Condensador de área máxima y distancia máxima cargado.

Figura 2.3: Condensador de área mínima y distancia máxima cargado.

Resultados: La relación directa entre el voltaje (V), carga (Q) y energía almacenada (E) es:  Mayor distancia entre placas (d) y menor área de placas (A) igual a Q y E en valores mínimos. El voltaje se mantiene constante  Mayor área de placas (A) y menor distancia entre placas (d) igual a Q y E en valores máximos. El voltaje se mantiene constante Repetimos el proceso para la descarga:

Figura 2.4: Condensador de área mínima y distancia mínima desconectado de la fuente.

Figura 2.5: Condensador de área mínima y distancia máxima desconectado de la fuente.

Figura 2.6: Condensador de área máxima y distancia mínima desconectado de la fuente.

Figura 2.7: Condensador de área máxima y distancia máxima desconectado de la fuente.

Resultados: La relación directa entre el voltaje (V), carga (Q) y energía almacenada (E) es:  A mayor distancia entre placas (d) la carga (Q) es constante, la energía almacenada (E) y el voltaje (V) aumentan  A menor distancia entre las placas (d), la carga es constante y la energía almacenada (E) y el voltaje (V) disminuyen. a) ¿Qué características de la simulación utilizaste para ayudarte? Se modifico la distancia y el área del condensador para obtener una visualización de la relación entre la carga, el voltaje y la energía almacenada.

3. Si quisieras diseñar un sistema de condensadores para almacenar la mayor energía, Describe cómo lo lograrías y que usarías.

Para el diseño de un condensador con mayor capacidad de almacenamiento de energía se usaría una batería o fuente que permita argar el capacitor, cables de conexión, el capacitor de placas paralelas y se puede utilizar un aislante entre las placas o bien el vacio, en este caso se hace en vacio puesto que el simulador no permite el uso de aislante. En cuanto a su funcionamiento, es necesario que las placas tengan un área máxima y estén separadas la menor distancia posible, así en el simulador se observó que con estas características el capacitor logró almacenar hasta 1.99 pJ , mientras que si el área era mínima y la distancia también, la energía almacenada era de 0.50 pJ, si el área era máxima y la distancia también, la energía era de 0.40 pJ y finalmente si el área era mínima y la distancia máxima, la energía almacenada era de 0.09 pJ. En este punto cabe destacar que el diseño descrito es el mejor observando que un capacitor se carga cuando se transporta electrones de una placa a la otra realizando trabajo y este se transforma en energía cinética que finalmente se almacena en el campo eléctrico como

energía potencial, es decir, el almacenamiento de energía en el capacitor dependerá directamente del voltaje y de su capacitancia, en vista de que el voltaje en este caso es constante, la capacitancia será la que determine la cantidad de energía que se puede almacenar y en vista de que esta depende directamente del área e inversamente de la distancia, las condiciones descritas son las óptimas

Figura 3.1: Capacitor de placas paralelas con área máxima y distancia mínima. Desarrolla tu comprensión: Explora la ventana de la Bombilla para investigar cómo usar un condensador para encender una bombilla.

Figura 4: Simulación del capacitor y bombilla.

Explica tu comprensión: Utiliza tus propias palabras e imágenes capturadas de la simulación para mostrar cómo utilizar un condensador para encender una bombilla.

4. ¿Cuáles son los componentes necesarios para utilizar un condensador para encender una bombilla y cómo funciona el sistema?

Para crear un circuito que haga funcionar una bombilla se necesita: un condensador una fuente (bateria), dos interruptores, conexciones

El sistema a crear para hacer funcionar es crear un circuito paralelo colocando l bateria, el condensador y la bombilla en forma paralela, los interruptores se colocn en

serie

con

el

condensaror

(uno

en

cada

extremo)

Primeramente se carga el condensador, colocando los interruptores completamente a l izquierda del circuito, luego desconectamos el condensador completamente cargado y d ultimo colocamos los interruptores al lado derecho del circuito para encender la bombilla esta causara una descarga en el condensador, por lo que el tiempo en que la bombill funcione dependera de la energia almacenada en el condensador. 5. ¿Cómo se usaría un condensador para encender una bombilla en comparación con el uso de una batería como se muestra a continuación?

Figura 5: Simulación de bombilla conectada a la bateria. A) Usa la ventana del Kit de Construcción de Circuitos: CD Introducción para probar tus ideas y proporcionar pruebas de apoyo.

Figura 5-A: Simulación de bombilla conectada a la bateria y al voltímetro.

Con la ayuda de una fuente o batería cargamos las placas del condensador que l un interruptor desconectamos de la batería para cerrar el circuito, la corriente comenzará a fluir a través de las placas, atravesando el bombillo encendiéndolo e el proceso de descarga y que como consecuencia el bombillo poco a poco perderá hasta que el condensador este completamente descargado.

Figura 5.1: Simulación del capacitor y bombilla conectados.

En cambio, en un circuito de corriente continua el flujo es constante y la energía es y la tasa de descarga es mayor en comparación al del condensador, por lo tanto, el tiene mayor duración al encenderse.

Figura 5.2: Circuito de bombilla y bateria conectados.

6. Describe lo que ocurre cuando un condensador se descarga para poder encender a una bombilla. Incluye el uso de tantas herramientas en la simulación como sea posible en tus observaciones. Para esta descripción se utiliza un capacitor de área máxima (400 mm2), a una distancia mínima (2.0 mm2), la capacitancia es de 1.77 pF para las condiciones geométricas descritas, inicialmente el capacitor se carga con 1.500 V, el campo entre las placas es muy fuerte, mientras que la carga en superficie de la cara superior corresponde a 2.66 pC.

Figura 6.1: Capacitor cargado. Una vez que se conecta el capacitor a la bombilla se puede notar que: 1. La capacitancia permanece constante, como es de esperar en vista que depende de la forma del capacitor. 2. La carga en la superficie de la placa superior disminuye a medida que transcurre el

3. 4.

5.

6.

tiempo, pues tal como lo indican las líneas de dirección de la corriente, los electrones están siendo transportados desde la placa superior hasta la placa inferior y luego al bombillo hasta cerrar el circuito. La energía almacenada disminuye con el tiempo, debido a que está siendo transformada de energía potencial a energía eléctrica para que el bombillo se ilumine. Las líneas del campo eléctrico disminuyen, es decir, la intensidad del campo eléctrico es menor a medida que pasa el tiempo, esto puesto que la carga existente en las superficies de las placas ha sido distribuida en el circuito y por lo tanto, la densidad de carga es menor con el tiempo. El voltaje disminuye rápidamente y luego se ralentiza sin embargo sigue disminuyendo, esto indica que la energía almacenada está siendo transformada y por lo tanto hay una variación en el potencial, el capacitor se está “descargando”, la aparente ralentización indica un comportamiento logarítmico del proceso de descarga en función del tiempo. La intensidad corriente disminuye en función del tiempo, si bien esta observación no se hace notoria explícitamente en la simulación es posible observarla en la variación lumínica del bombillo que es cada vez más débil.

Figura 6.2: Proceso de descarga del capacitor, las gráficas de barra indican: capacitancia (verde), carga en la placa superior (roja) y energía almacenada (amarillo), las flechas azules indican la dirección de la corriente.

7. Investiga para encontrar una aplicación práctica donde se use la energía almacenada en un condensador. (citar referencias) El desfibrilador Un aparato que se usa para reanimar enfermos en situaciones de emergencia. El desfibrilador usa un condensador que puede almacenar 360 Joules y entregar esta energía al paciente en 2ms.

Figura : Desfibrilador externo semiatumatico DefiMax biphasic . Apoyo energético Muchos proyectos en ingeniería, como el diseño de elevadores, requieren de ciclos donde en una etapa se requiera una baja descarga de energía y otros de una alta descarga (como cuando el elevador desciende y asciende). Esta demanda requiere de sistemas que permitan una regulación precisa de la energía suministrada y una alta capacidad de almacenamiento de energía. De esta manera los supercondensadores suministran la energía necesaria para subir el elevador sin necesidad de sobrecargar la red eléctrica. Almacenamiento de energía: Uno de los usos más extendidos de supercondensadores es su uso en sistemas microelectrónicos, memorias de computadoras y relojes y cámaras de alta precisión. Su uso permite mantener el funcionamiento de los dispositivos durante horas e incluso días. En laboratorios científicos donde se necesita una enorme cantidad de energía en unos instantes para hacer usada en aceleradores de partículas o equipos semejantes, la energía de la compañía eléctrica no es suficiente para ello. En estos casos se utilizan bancos de capacitores, donde se almacena la energía en una gran cantidad de capacitores para ser utilizada en el instante requerido.

Figura : Banco de Capacitores en Laboratorios FermiLab, Estados Unidos.

Referencias. 





Real Sociedad Española de Física. (s. f.). APLICACIONES II. APLICACIONES DEL CONDENSADOR. Recuperado 18 de septiembre de 2020, de http://rsefalicante.umh.es/TemasCampoElectrico/Electrico11.htm#:~:text=El %20desfibrilador%20usa%20un%20condensador,un%20destello%20s%C3%BAbito %20de%20luz Montilla, V. (2016, 30 marzo). Aplicaciones de los condensadores en la ingeniería. Recuperado 18 de septiembre de 2020, de https://www.slideshare.net/veritomonti1272/aplicaciones-de-los-condensadores-en-laingeniera-60190878