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  UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA DE EL SALVADOR  FACULTAD DE INFORMÁTICA Y CIENCIAS  APLICADAS  ESCUELA DE CIENCIAS APLICADAS  “ING. JULIO CÉSAR ORANTES”  CÁTEDRA DE CIENCIAS Y MATEMÁTICAS 

CICLO 02 2016  FÍSICA III  SECCIÓN 01  MODALIDAD VIRTUAL 

   

    

“PRÁCTICA DE LABORATORIO N°2”         DOCENTE: ING. JOSÉ RAMÓN CORNEJO HERNÁNDEZ      GRUPO L2­6  ALUMNO 

CARNÉ 

GÓMEZ RIVERA, HÉCTOR ENRIQUE 

29­4679­2015 

MEJÍA POSADAS, JOSÉ ALFREDO 

29­5978­2014 

RAMÍREZ TRIGUEROS, CÉSAR DAVID 

29­5485­2012 

     FECHA DE ENTREGA: domingo, 11 de septiembre de 2016     

   

ÍNDICE     

  INTRODUCCIÓN……………………………………………………………………………...3    OBJETIVOS……………………………………………………………………………………..4    MARCO TEÓRICO……………………………………………………………………………..5    DESARROLLO DE LA PRÁCTICA………………………………………………………….9    CONCLUSIONES……………………………………………………………………………….    BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………………….             

2 

INTRODUCCIÓN   

  En  la  medida  que  la  tecnología  ha  evolucionado  han  ido  apareciendo  nuevas  necesidades,  una  de  esas  necesidades  es  el  hecho  que  se  necesitan  elementos  capaces  de  almacenar  una  carga  con  múltiples  propósitos,  como  el  de  ayudar  a  filtrar  una  señal,  o  colaborar  en  la  regulación  de  cierto  voltaje,  entre  otros  muchos usos. El elemento que cubre esta necesidad es el capacitor.      Los  capacitores  tienen  un  gran  número  de  aplicaciones  prácticas  en  dispositivos   tales  como  unidades  de  flash  electrónicas  para  fotografía,  láseres  de  pulso,  sensores de bolsas de aire para automóviles y receptores de radio y televisión.      Mediante  la  presente  práctica,  utilizando  un  simulador  de  un  capacitor donde se  pueden  variar  los  valores  de  sus  componentes,  se  realizaron  medidas  experimentales  se  realizaron  los  cálculos  necesarios  y  se  presentan   los  resultados  obtenidos  en  forma  tabulada  sobre  la  capacitancia, la carga eléctrica,  la  energía  potencial  y  el  campo  eléctrico  asociado  a  un capacitor, igualmente  se  deja  constancia   de  los  cálculos  realizados  y capturas de pantalla como evidencia  de la práctica                   

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OBJETIVOS  GENERAL      Por  medio  de  la  experimentación  determinar  de  qué  forma  y cuáles  de las  variables  involucradas  en  un  capacitor influyen en  su capacitancia y que el  estudiante describa con sus propias palabras el comportamiento de un  capacitor.  ESPECÍFICOS    ● Verificar  experimentalmente  si   el  diferencial  de  potencial  influye  en  la  capacitancia.  ● Identificar las variables que intervienen en un capacitor eléctrico.  ● Identificar  los  términos:  dieléctrico,  capacitancia,  energía  potencial  eléctrica.  ● Desarrollar  habilidades  para  aplicar  el  proceso  de  medición,   en  la  toma  de  lecturas en el sistema propuesto.  ● Determinar la dependencia de los parámetros de un capacitor.  ● Informar  por  escrito  los  datos  aplicando  cifras significativas, incertidumbre  absoluta, las gráficas correspondientes y el análisis de resultados.  ● Usar  el  simulador  en  línea  proporcionado  en  clase  para  el  cálculo  del  potencial eléctrico.  ● aprender a trabajar en equipo en la elaboración del reporte en línea.   

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MARCO TEÓRICO 

     El  condensador eléctrico  o capacitor eléctrico almacena energía en la forma de un  campo  eléctrico (es evidente cuando el capacitor funciona con corriente directa) y  se llama  capacitancia o capacidad a  la  cantidad  de cargas eléctricas que es capaz  de almacenar.     Para  hacer  un  capacitor,  basta  aislar  dos  conductores  uno  del  otro.  Para  almacenar energía en  este dispositivo hay que transferir carga  de un conductor al  otro,  de  manera  que  uno  tenga  carga  negativa  y  en  el  otro  haya  una  cantidad  igual de carga positiva.    Para  un  capacitor  en  particular,  la  razón  entre  la  carga  de  cada  conductor  y  la  diferencia  de  potencial  entre  los  conductores  es  una  constante  llamada  capacitancia.  La  capacitancia  depende  de  las  dimensiones  y  las  formas  de  los  conductores  y del material aislante  (si  lo  hay) entre ellos.  En  comparación con el  caso  en  que  sólo  hay  vacío  entre  los  conductores,  la  capacitancia  aumenta  cuando está presente un material aislante (un dieléctrico). La energía almacenada  en  un  capacitor  con  carga,  guarda  relación  con  el  campo  eléctrico  en  el espacio  entre los conductores.     En  la  mayoría  de las aplicaciones prácticas, cada conductor  tiene inicialmente una  carga  neta cero,  y los electrones son transferidos  de un  conductor al otro; a esta  acción   se  le  denomina  cargar   el  capacitor.  Entonces,  los  dos  conductores  tienen   cargas de  igual magnitud y  signo contrario,  y la carga  neta en  el  capacitor  en  su  conjunto permanece igual a cero.    Cuando  se  dice  que  un  capacitor  tiene  carga  ​Q,  o  que  una  carga  ​Q  está  almacenada  en  el  capacitor,  significa  que  el  conductor  con  el  potencial  más  elevado  tiene carga  y el conductor con el potencial más bajo tiene carga ​1Q (si se  supone que  es positiva).   

5 

      En  cada uno de estos símbolos, las líneas verticales (rectas o curvas) representan  los  conductores,  y  las  líneas horizontales  representan los  alambres  conectados  a  uno  y  otro  conductor.  Una  manera  común  de  cargar   un  capacitor  es  conectar  estos  dos  alambres  a  las  terminales  opuestas  de  una  batería.  Una  vez  establecidas  las cargas  ​Q y  ​2Q  en los  conductores,  se  desconecta la batería. Esto  da una diferencia de potencial fija V ab  entre los conductores (es decir, el potencial  del  conductor  con   carga  positiva  ​a  con  respecto  al  potencial  del  conductor  con  carga negativa ​b), que es exactamente igual al voltaje de la batería.     la diferencia  de potencial  V ab   entre los conductores  también es proporcional  a ​Q.  Si  se  duplica  la  magnitud  de  la  carga en cada conductor,  también se duplican la  densidad de  carga en  cada conductor  y el campo eléctrico en cada punto, al igual  que  la diferencia de  potencial entre  los conductores;  sin embargo, la razón entre  la carga y la diferencia de potencial no cambia. Esta razón se llama capacitancia C  del capacitor.    Cuanto mayor  es la capacitancia ​C de  un capacitor, mayor será la magnitud ​Q de  la  carga  en  el  conductor  de  cierta  diferencia  de  potencial  dada  V ab ,  y,  por  lo  tanto,  mayor  será  la  cantidad  de  energía  almacenada.  (Hay que  recordar que el   potencial  es  energía  potencial  por  unidad  de  carga.)  Así,  la  capacitancia  es  una  medida de la aptitud (capacidad) de un capacitor para almacenar energía.    La   forma  más  sencilla  de  un  capacitor  consiste  en  dos  placas  conductoras  paralelas, cada una  con área A, separadas por una distancia d que es pequeña en  comparación  con  sus  dimensiones  (ver  figura). Cuando las placas tienen carga, el  campo  eléctrico  está  localizado casi por completo en  la  región entre las  placas el  campo  entre  esas  placas es esencialmente uniforme, y las cargas en las placas se  distribuyen  de  manera  uniforme  en  sus  superficies  opuestas. Este arreglo recibe  el nombre de capacitor de placas paralelas. 

6 

    En el SI la unidad de capacitancia es el ​Faradio​.    El símbolo del capacitor se muestra a continuación:   

     La capacidad depende de las características físicas del condensador:    ● Si  el  área  de  las  placas  que  están  frente  a  frente  es  grande  la  capacidad  aumenta  ● Si la separación entre placas aumenta, disminuye la capacidad  ● El   tipo de  material dieléctrico  que se aplica  entre  las placas también afecta  la capacidad.  ● Si se aumenta la tensión aplicada, se aumenta la carga almacenada.       Dieléctrico o aislante del condensador eléctrico    Un  dieléctrico  o  aislante  es  un  material  que  evita  el  paso  de  la  corriente,  y  su  función  es  aumentar  la  capacitancia  del   capacitor.  Los  diferentes materiales que  se  utilizan  como  dieléctricos  tienen  diferentes  grados  de  permitividad  (diferente  capacidad para el establecimiento de un campo eléctrico).   

    7 

Mientras  mayor  sea  la  permitividad,  mayor  es   la   capacidad  del  condensador  eléctrico. La capacitancia de un condensador está dada por la fórmula:     C = Er * A/d, donde:    ● C = capacidad  ● Er = permitividad  ● A = área entre placas  ● d = separación entre las placas     La   unidad  de  medida  es  el  Faradio.  Hay  submúltiplos  como  el  miliFaradio  (mF),  microFaradio (uF), el nanoFaradio (nF) y el picoFaradio (pF).     Las  principales  características  eléctricas  de  un  condensador  son  su  capacidad  o  capacitancia y su máxima tensión  entre placas (máxima  tensión que  es  capaz  de  aguantar sin dañarse).                   

8 

 

DESARROLLO DE LA PRÁCTICA    Héctor Enrique Gómez Rivera    Parte I: El Capacitor    2​  k=5    A=400 mm​      d=10 mm     ​ΔV=1.5 V   

     

 

9 

          k=5    A=400 mm​2​     d=10 mm     ​ΔV=1.5 V 

 

10 

     

      a) ¿Qué cambia al invertir la polaridad de la batería?    La dirección del campo eléctrico    b) ¿Qué sucede al retirar la batería una vez cargadas las placas?    La carga se mantiene    c) Describa con sus propias palabras qué es un capacitor:    Es un dispositivo que puede mantener una carga por cierto periodo de tiempo.                     11 

 

Parte II: Capacitancia  k=3    A=100 mm​2​     d=10 mm     ​ΔV=1.5 V 

       

   

12 

      Parte III: Efecto de la Constante Dieléctrica en la Capacitancia del  Condensador    2​ k=5    A=100 mm​      d=10 mm     ​ΔV=1.5 V 

   

13 

     

                                              14 

k=1    A=100 mm​2​     d=10 mm     ​ΔV=1.5 V 

     

   

15 

    a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3, L2.4 y L2.5  ¿Cómo afecta la constante dieléctrica a la capacitancia del condensador?  (incrementa o disminuye)    La capacitancia aumenta si la constante dieléctrica aumenta y viceversa.                                                    16 

Parte IV: Efecto de la Distancia de Separación entre Placas en la  Capacitancia del Condensador    k=3    A=100 mm​2​     d=5 mm     ​ΔV=1.5 V 

   

     

17 

      a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3 y L2.6 ¿Cómo  afecta la separación entre placas a la capacitancia del condensador?  (incrementa o disminuye)    La capacitancia aumenta cuando la separación de las placas es menor y  viceversa.                                                  18 

Parte V: Efecto del Área de las Placas en la Capacitancia del Condensador    2​ k=3    A=400 mm​      d=10 mm     ​ΔV=1.5 V 

     

   

19 

    a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3 y L2.7 ¿Cómo  afecta el área placas a la capacitancia del condensador? (incrementa o  disminuye)    La capacitancia aumenta cuando el área de las placas aumenta y viceversa.                                                    20 

Parte VI: Efecto de la Diferencia de Potencial en la capacitancia del  condensador    k=3    A=100 mm​2​     d=10 mm     ​ΔV=1.0 V 

   

     

21 

    a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3 y L2.8 ¿Cómo  afecta la diferencia de potencial a la capacitancia del condensador?  (incrementa o disminuye)    La capacitancia no cambia con la diferencia de potencial.                                                      22 

 

DESARROLLO JOSE ALFREDO MEJIA POSADAS  PARTE I: EL CAPACITOR   

TABLA L2.1 

BATERÍA EN +1.5 V 

  PARÁMETRO 

VALOR  MEDIDO 

VALOR  CALCULADO 

CAPACITANCIA 

C= 

0.18x10​­11 ​F 

1.7708*10­10  F 

CARGA ELÉCTRICA 

Q= 

0.27x10​­11 ​C 

2.655*10­10 C 

ENERGÍA POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

0.20x10​­11​ J 

1.99125*10­10 J 

CAMPO ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

750 V/m 

750 V/m 

Captura de pantalla:    

  23 

    DESARROLLO

   

TABLA L2.2 

BATERÍA EN ­1.5 V 

  PARÁMETRO 

VALOR  MEDIDO 

VALOR  CALCULADO 

CAPACITANCIA 

C= 

0.18x10​­11 ​F 

1.7708*10​­10​  F 

CARGA ELÉCTRICA 

Q= 

0.27x10​­11 ​C 

­2.655*10​­10​ C 

ENERGÍA POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

0.20x10​­11​ J 

1.99125*10​­10 ​J 

CAMPO ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

750 V/m 

­750V/m 

24 

Captura de pantalla:   

         

DESARROLLO 

   

25 

    10. ​Ahora retire la batería y observe qué pasa.      PREGUNTAS:    a) ¿Qué cambia al invertir la polaridad de la batería?     R/ Cambia el valor de la carga(Q) y el Campo Eléctrico (E)     b) ¿Qué sucede al retirar la batería una vez cargadas las placas?     R/ La carga de las placas se mantiene     c) Describa con sus propias palabras qué es un capacitor:     R/ Es una especie de almacén de energía eléctrica, ya que conserva la carga  una vez cargado por la batería 

  PARTE II: CAPACITANCIA    Tabla L2.3 

CONFIGURACIÓN  DEL CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS DE  VALOR  LOS  CALCULADO  MEDIDORES 

26 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 3 

CAPACITANCIA 

C= 

0.27*10­12 F 

2.655*10­10 F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

0.40*10­12 C 

3.9825*10​­10​ C 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

0.30*10­12 J 

2.98688*10​­10 ​J 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.5  V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

450 V/m 

450 V/m 

    PARTE III:  EFECTO  DE  LA  CONSTANTE  DIELÉCTRICA  EN  LA  CAPACITANCIA  DEL  CONDENSADOR      Tabla L2.4  CONFIGURACIÓN  DEL CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  VALOR  DE LOS  CALCULADO  MEDIDORES 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 5 

CAPACITANCIA 

C= 

0.44*10​­12​ F 

4.425*10­10 F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

6.64*10​­13​ C 

6.6375*10​­10 ​C 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

4.98*10​­13​ J 

4.97812*10​­10 ​J 

27 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.5  V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

750 V/m 

750 V/m 

   

 

      28 

  Tabla L2.5  CONFIGURACIÓN  DEL CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  VALOR  DE LOS  CALCULADO  MEDIDORES 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 1 

CAPACITANCIA 

C= 

0.09*10​­12​ F 

8.85*10​­11​ F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

1.33*100​­13​ C 

1.3275*10​­10​ C 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

1.00*10​­13​ J 

9.9563*10​­11​ J 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.5  V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

150 V/m 

150 V/m 

 

   

29 

      PREGUNTAS:  a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3, L2.4 y L2.5 ¿Cómo afecta  la constante dieléctrica a la capacitancia del condensador? (incrementa o  disminuye)    R/ De acuerdo a los resultados obtenidos en las Tablas L2.3, L2.4 y L2.5  podemos decir que la capacitancia del condensador disminuye o aumenta  en función de si disminuye o aumenta la constante dieléctrica.    PARTE IV:  EFECTO  DE  LA  DISTANCIA  DE  SEPARACIÓN  ENTRE  PLACAS  EN  LA  CAPACITANCIA DEL CONDENSADOR      Tabla L2.6  CONFIGURACIÓN DEL  CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  VALOR  DE LOS  CALCULADO  MEDIDORES 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 3 

CAPACITANCI A 

C= 

0.53*10​­12​ F 

5.31*10​­10​ F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=5.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

7.97*10​­13 ​C 

7.965*10​­10​ C 

30 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

5.98*10​­13​ J 

5.9738*10​­9​ J 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.5 V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

900 V/m 

900 V/m 

 

 

31 

          32 

PARTE V:  EFECTO  DEL  ÁREA  DE  LAS  PLACAS  EN  LA  CAPACITANCIA  DEL  CONDENSADOR      Tabla L2.7  CONFIGURACIÓN DEL  CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  DE LOS  MEDIDORES 

VALOR  CALCULAD O 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 3 

CAPACITANC IA 

C= 

0.11*10​­11​ F 

1.062*10​­9​ F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

0.16*10​­11​ C 

1.593*10​­9​ C 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 400  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq = 

0.12*10​­12 ​J 

1.1948*10​­9​ J 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.5 V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

450 V/m 

450 V/m 

 

 

33 

    PARTE VI:  EFECTO  DE  LA  DIFERENCIA  DE  POTENCIAL  EN  LA  CAPACITANCIA  DEL  CONDENSADOR     

       

  34 

Tabla L2.8  CONFIGURACIÓN  DEL CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  VALOR  DE LOS  CALCULADO  MEDIDORES 

CONSTANTE  DIELÉCTRIC A 

k = 3 

CAPACITANCI A 

C= 

0.11*10​­11​ F 

1.062*10​­9 

SEPARACIÓ N DE  PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

0.11*10​­11 ​C 

1.062*10​­9 

ÁREA DE  LAS PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq  = 

0.05*10​­11 ​J 

5.31*10​­10 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.0  V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

299 V/m 

300 V/m 

     PREGUNTAS:  a) Compare los resultados obtenidos en las Tablas L2.3 y L2.8 ¿Cómo afecta la diferencia  de potencial a la capacitancia del condensador? (incrementa o disminuye)     35 

R/Observando los resultados notamos que la Capacitancia Aumenta     

Tabla L2.8  CONFIGURACIÓN DEL  CAPACITOR 

PARÁMETROS 

LECTURAS  VALOR  DE LOS  CALCULAD MEDIDORES  O 

CONSTANTE  DIELÉCTRICA 

k = 3 

CAPACITANCIA 

C= 

2.66*10​­12​ F 

2.655*10​­13​ F 

SEPARACIÓN  DE PLACAS 

d=10.0  mm 

CARGA  ELÉCTRICA 

Q= 

2.65*10​­13 ​C 

2.655*10​­13​ C 

ÁREA DE LAS  PLACAS 

A= 100  mm​2 

ENERGÍA  POTENCIAL  ELÉCTRICA 

ΔUq  = 

1.32*10​­13​ F 

1.3275*10​­13​ F 

DIFERENCIA  DE  POTENCIAL 

ΔV=1.0 V 

CAMPO  ELÉCTRICO  (Placa) 

E= 

299 V/m 

300 V/m 

     

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                                                                                              37 

 

       

     

  ● Mediante  la  práctica  pudimos  comprobar  que  la  capacitancia  es  directamente proporcional a la constante dieléctrica.  ● Igualmente comprobamos  que la capacitancia  es  directamente proporcional  al área de las placas que componen el capacitor.  ● También  se  pudo  comprobar  que  la  capacitancia  es  inversamente  proporcional  a  la  distancia  de  separación  de  las  placas  que  componen  el  capacitor.  ● Comprobamos  del  mismo  modo  que  el  potencial  eléctrico  no  influye  en  el  valor de la capacitancia.   

                 

CONCLUSIONES 

 

 

 

       

   

 

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BIBLIOGRAFÍA      Condensador – Capacitor. Dieléctrico – Aislante. (n.d) Obtenida de  http://unicrom.com/condensador­capacitor­dielectrico­aislante/      Sears, F.W. ,Zemansky, M.W., Young, H.D. y Freedman, R.A. (2009). Física  Universitaria 12ª Edición. Vol. 2. México. Addison­Wesley­Longman/Pearson  Education.       

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