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• Joel Condori

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GUÍA DE LABORATORIO

ELECTRICIDAD Y MAGNETISMO - FIS 113

CAPACITANCIA 1. OBJETIVOS.

❖ Identificar las variables que afectan la capacitancia. ❖ Determinar las relaciones entre carga, voltaje, y energía almacenada para un capacitor. ❖ Determinar experimentalmente la permitividad eléctrica. 2. FUNDAMENTO TEÓRICO.

Es necesario contar con los siguientes subtítulos en el informe que son parte del laboratorio: a) b) c) d) e) f)

El Capacitor y condensador. Capacitancia. Asociación de capacitores: Serie, paralelo y mixto Área de un capacitor. Constante de permitividad eléctrica en el vacío. Carga y Descarga de un capacitor.

3. PROCEDIMIENTO. 3.1 Materiales y Equipo Necesario.    

Simulador PHET Colorado. PC de escritorio o LAPTOP. Interfaz JAVA. Calculadora y EXCEL.

3.2 Parte A: Características de un capacitor. 3.2.1

Laboratorio de Capacitores.

a) Ingrese a https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/capacitor-lab y descargue

el simulador. En este caso el simulador funciona con un navegador directamente: CHROME, MOZILLA, MICROSOFT EDGE (Versiones actualizadas), seleccione la opción DESCARGAR y ejecute el software

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Figura 1. Interfaz de Inicio Laboratorio de Capacitores (PHET COLORADO) b) La interfaz de inicio es la siguiente, en la parte superior izquierda se tiene tres pestañas: Introducción, Dieléctrico y Varios Capacitores. Por ejemplo la pestaña Introducción puedes seleccionar o deseleccionar las siguientes opciones: En Mostrar (cargas de la placa y líneas de campo eléctrico) y en Mediciones (Capacitancia, carga de la placa, energía almacenada y voltímetro). Ahora responde las siguientes preguntas y siga las instrucciones:

Figura 2. Laboratorio de Capacitores (PHET COLORADO)  Con las dos primeras pestañas Introducción y Dieléctrico, busque variables que se utilicen para diseñar un capacitor.  Identifique los valores que se maximizan o minimizan para diseñar un capacitor con la máxima capacitancia ¿Hay elementos en la simulación que no afectan la capacitancia?  Con las dos primeras pestañas Introducción y Dieléctrico, explore las relaciones entre: carga, voltaje y energía almacenada para un capacitor.

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 Si quisiera diseñar un sistema de capacitores para almacenar la mayor cantidad de energía ¿Que utilizará? 3.2.2

Asociación de capacitores: Paralelo, Serie y Mixto.

a) Ingrese a https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/capacitor-lab y descargue el simulador. En este caso el simulador funciona con un navegador directamente: CHROME, MOZILLA, MICROSOFT EDGE (Versiones actualizadas), seleccione la opción DESCARGAR y ejecute el software

Figura 3. Laboratorio de Capacitores (PHET COLORADO) Responde las siguientes preguntas siguiendo las indicaciones planteadas a continuación:  Haga clic en la pestaña condensadores múltiples.  Haga clic en el botón de 3 en serie.  Mueva la corredera de voltaje al máximo y mida el voltaje a través de la batería con el voltímetro Vmax.  Cambie la configuración de los 3 condensadores.  Ahora mida el voltaje en cada capacitor.  ¿Cuál es la relación de los voltajes?  Usando la capacitancia indicada, encuentra la carga en cada capacitor.  ¿Cuál es la capacitancia total en faradios? Leer el medidor  Use la fórmula para encontrar la capacitancia total y compárela con el gráfico de barras.  Repita el procedimiento para 2 en serie y 2 en paralelo + 1 en serie. 3.3 Parte B: Cálculo de la permitividad eléctrica. a) Ingrese a https://phet.colorado.edu/es/simulation/legacy/capacitor-lab y descargue

el simulador. En este caso el simulador funciona con un navegador directamente:

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CHROME, MOZILLA, MICROSOFT EDGE (Versiones seleccione la opción DESCARGAR y ejecute el software:

actualizadas),

Figura 5. Laboratorio de Capacitores (PHET COLORADO) Responde las siguientes preguntas siguiendo las instrucciones detalladas a continuación:  En la pestaña Introducción coloque las placas en el área mínima 400 mm 2 y máxima separación de 5 mm.  Con los medidores proporcionados (carga, energía, campo eléctrico E y voltímetro) en la simulación, complete la siguiente tabla de datos.  Calcular la capacitancia usando: C0 = ε 0 A /d.  Aumente el voltaje de la batería y registre los valores del voltaje en el condensador (V), la carga en la placa (Q) y la energía almacenada (E)

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N

Diferencial de Potencial [V]

Carga Q [C]

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Energía Almacenada U [J]

Campo eléctrico entre placas E [V/m]

V2 [volt2]

E2 [V/m]2

Densidad de energía almacenada u[J/m3] U u= Ad

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 Tabla 1. Datos experimentales para determinar la permitividad eléctrica (PHET COLORADO)  Use Excel para tratar la relación entre (V 2, U), usando V2 en la columna más a la izquierda en Excel.  Use la ecuación U = ½ CV2, para determinar C0, usando la pendiente de la gráfica.  Compare este valor C0 con el C0 de la tabla, calcule el porcentaje de error.  Use Excel para tratar la relación entre (Q 2, U), usando Q2 en la columna más a la izquierda en Excel.  Use la ecuación U = Q2/2C, para determinar C0, usando la pendiente de la gráfica.  Compare este valor C0 con el C0 de la tabla, calcule el porcentaje de error.  Use Excel para tratar la relación entre (E2,U), usando E2 en la columna más a la izquierda en Excel.  Use la ecuación U = ½ ε 0 E2, para determinar ε 0, usando la pendiente de la gráfica.  Compare este valor ε 0 con el ε 0 = 8.85x10-12 F/m, calcule el porcentaje de error.

Bibliografía

Clarke, B. (2016). Lab Capacitor Investigation. Colorado. Dep. Of Applied Physics and Astronomy. (Abril de 2020). Construct the following electrical circuit (Capacitor), using PhET simulation, or using the following link. University of Sharjah , Emiratos Árabes Unidos. Loeblein, T. (Abril de 2020). Capacitores Laboratorio Virtual. Colorado, EEUU.