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Lab 5. Carga Y Descarga De Un Capcitor
 

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    Lab 5. Carga Y Descarga De Un Capcitor Lab 5. Carga Y Descarga De Un Capcitor Document Transcript

    • Octubre 15, 2009
      Código: FIS 1033-03 Departamento de Física
      Laboratorio de Física Electricidad Ciencias Básicas
      Universidad del Norte – Colombia
      INFORME DE LABORATORIO “CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR”
      María Mónica Ruiz P. Jorge Mario Bustillo
      Email: mmruiz@uninorte.edu.co Email: jmbustillo@uninorte.edu.co
      Ingeniería Industrial Ingeniería Industrial
      ABSTRACT
      In this experiment we'll do the analysis for charging and discharging of a capacitor, observing the behavior of this when a current is passed through a simple circuit it does. With the help of DataStudio graphically we will determine the points of loading and unloading, as well as compare the capacitances of theoretical and practical, to established an error rate and consider it.
      RESUMEN
      En esta experiencia se verá el análisis correspondiente a la carga y descarga de un capacitor, observando su comportamiento cuando se le hace pasar una corriente a través de un circuito sencillo que lo incluya. Con la ayuda de DataStudio determinaremos gráficamente los puntos de carga y descarga, además de comparar las capacitancias teóricas y prácticas, con las que se establecerán un porcentaje de error y se analizará éste mismo.
      INTRODUCCION
      La experiencia de Carga y Descarga de un capacitor servirá a los estudiantes para aclarar y desarrollar los conceptos aprendidos en la parte teórica del curso, y así comprender la influencia de los capacitores en un circuito. Además de lo anterior se buscara familiarizar al estudiantado a desarrollar experiencias afines con la temática vista.
      En esta experiencia, se pretende aplicar el objetivo principal, el cual busca que el estudiante esté en la capacidad de determinar la forma como varia el diferencial de tensión en los bornes de un capacitor cuando se somete a un proceso de carga y descarga en un circuito RC serie.
      Por último, se evaluaran las graficas obtenidas, identificando de este modo, las variables que afectan la carga y descarga del capacitor.
      OBJETIVOS
      General:
      Determinar la forma como varia el diferencial de tensión en los bornes de un capacitor cuando se somete a un proceso de carga y descarga en un circuito RC serie.
      Específicos:
      Determinar el voltaje en un capacitor que se carga y se descarga en un circuito RC serie
      Calcular el tiempo que tarda el capacitor en alcanzar la mitad del voltaje máximo.
      Calcular la capacitancia del capacitor basado en el tiempo de vida media.
      Determinar la constante de tiempo capacitiva ()
      Comparar la capacitancia medida del capacitor con el valor establecido
      MARCO TEORICO
      Capacitor: En electricidad y electrónica, un condensador, capacitor o capacitador es un dispositivo que almacena energía eléctrica, es un componente pasivo. Está formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separados por un material dieléctrico (siendo este utilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúa como aislante) o por el vacío, que, sometidos a una diferencia de potencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas y negativa en la otra (siendo nula la carga total almacenada).
      right0Circuito RC: Un circuito RC es un circuito con un condensador y una resistencia, como muestra la figura. En un proceso de carga, cuando cerramos el interruptor S, el condensador no se carga instantáneamente, su carga evoluciona con el tiempo en forma exponencial:
      Q = Ce(1 - e-t/RC)
      left258445y la corriente en forma . Es decir, inicialmente toma el valor Io =   e/R, y después decrece exponencialmente con el tiempo. Al producto RC se le llama constante de tiempo del circuito t  y equivale al tiempo que el condensador tardaría en cargarse de continuar en todo momento la intensidad inicial Io. También equivale al tiempo necesario para que el condensador se cargue con una carga equivalente al 0,63 (1-1/e) de la carga final, o lo que es lo mismo que 4101465321945la intensidad decrezca hasta 0,37Io.
      3406140966470 En un proceso de descarga, partiendo de un condensador cargado, al cerrar el interruptor, el condensador se descarga a través de la resistencia, disminuyendo la carga en la forma Q = Qoe-t/RC. La intensidad comienza valiendo Qo/RC y  disminuyendo en la forma:
      6286560960Al producto RC se le llama constante de tiempo del circuito t  y equivale al tiempo que el condensador tardaría en descargarse de continuar en todo momento la intensidad inicial Io. También equivale al tiempo necesario para que el condensador adquiera una carga igual al 0,37 (1/e) de la carga inicial, o lo que es lo mismo que la intensidad decrezca hasta 0,37Io.
      PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
      Utilice la herramienta Power Amplifier del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una tensión al circuito resistencia-capacitor. Utilice el sensor de voltaje para medir la tensión a través del capacitor cuando se carga y descarga. Se empleará un suiche conmutable para seleccionar la acción de carga y descarga del capacitor.
      Utilice DataStudio para controlar la tensión de salida del interfaz y para registrar y mostrar la tensión a través del capacitor. Finalmente, mida el tiempo para que el capacitor se cargue a la mitad del máximo voltaje. Utilice la constante tiempo medio y el valor conocido de la resistencia para calcular la capacidad del capacitor. Compare el valor calculado con el valor nominal del capacitor.
      Configuración del ordenador
      Conecte el interfaz ScienceWorkshop al ordenador, encienda el interfaz y luego encienda el ordenador.
      Conecte un sensor de voltaje al Canal analógico B
      Conecte los cables a los terminales de “Salida” del interfaz
      4.Abra el archivo titulado: DataStudio
      El archivo DataStudio debe contener una gráfica de la tensión frente al tiempo y la ventana del generador de señales para controlar la " salida" de la fuente.
      El generador de señales se configura para una salida de voltaje DC con una magnitud de 5.0 voltios
      Calibración del sensor y montaje del equipo.
      Realice el montaje tal como se indica en la Figura 8.1
      Figura 8.1
      1.Coloque una resistencia de 3300-ohm () (marrón, negro, marrón) en un par de muelles de sujeción de componentes más próximos a los conectores tipo banana de la parte superior e inferior de la esquina derecha de la tarjeta AC/DC Electronics Lab.
      2.Conecte un capacitor de 330 microfaradios (µF) entre el muelles del extremo izquierdo de la resistencia de 3300 y el muelle más próximo a conector de la parte inferior.
      3.Conecte el circuito resistencia – capacitor de tal manera que cuando el suiche se coloque en la posición A el capacitor se cargue a través de la resistencia y cuando esté en la posición B se descargue.
      4.Conecte el sensor de voltaje en paralelo con los terminales del capacitor.
      5. Conecte los cables desde la fuente de poder Power Amplifier a los terminales tipo banana del la tarjeta AC/DC Electronics Lab.
      Toma de datos
      Antes de iniciar la toma de datos cerciórese que el capacitor este descargado, luego coloque el suiche en la posición A.
      Comience la toma de datos. ( Pulse ‘Start’ en DataStudio ) El generador de señales dará una salida automáticamente cuando inicie el registro de datos.
      3.Observe la gráfica de la tensión frente al tiempo.
      4.La toma de datos debe durar el tiempo que necesite el capacitor para alcanzar su máxima carga, sin parar la toma de datos coloque el suiche en la posición B, espere que se descargue totalmente y detenga la medición.
      5.En datos aparecerá ‘run #1’.
      Análisis de los datos
      1.Ajuste el tamaño de la gráfica si es necesario.
      2.Amplíe la zona de la gráfica. Utilice la herramienta ‘Scale to Fit’ en DataStudio : la gráfica seleccionada se amplia para ajustarse a la ventana gráfica.
      Utilice la herramientas de análisis de la ventana de gráficas para encontrar el tiempo para alcanzar el valor correspondiente a la mitad del máximo valor de voltaje alcanzado por el capacitor
      En DataStudio, pulse ‘Smart Tool’. Mueva el cursor al punto de la gráfica donde se inicie el aumento de tensión. Arrastre el ‘Smart Tool’ al punto donde la tensión sea unos 2.5 voltios. El tiempo para alcanzar " la mitad del máximo" es la coordenada x.
      Pregunta 1: Con el dato obtenido en el paso anterior. ¿Cómo puede obtener la capacitancia experimental del capacitor empleado?
      La capacitancia experimental del capacitor empleado la puedo obtener, después de hacer el ajuste lineal a la grafica obtenida, de la siguiente forma
      Sabiendo que C=1τ τ=1C=10.904=1.1062
      τ=RC C=τR=1.1062 s3300Ω=3.352*10-4F=335.2μF
      Entonces la capacitancia obtenida fue de 335.2 µF.
      Determine la capacitancia experimental y compárelo con el valor nominal indicado. Halle el error.
      Seleccione la zona de la gráfica que corresponda a la carga del capacitor (suiche en la posición A), Empleando la herramienta “fit” seleccione aquel ajuste que arroje menor error cuadrático medio (rms). Escriba esta ecuación en el informe y compárela con la ecuación que investigó en la sección “actividades de fundamentación teórica”.
      Pregunta 2: Con los datos obtenidos en el paso anterior. ¿Cómo puede determinar mediante este método la capacitancia experimental?
      La capacitancia experimental del capacitor empleado la puedo obtener, después de hacer el ajuste lineal a la grafica obtenida, de la siguiente forma
      Sabiendo que C=1τ τ=1C=10.904=1.1062
      τ=RC C=τR=1.1062 s3300Ω=3.352*10-4F=335.2μF
      Entonces la capacitancia obtenida fue de 335.2 µF.
      Pregunta 3: ¿Cuánto fue la carga máxima obtenida por el capacitor en el proceso de carga?
      Tenemos el valor de la capacitancia del capacitor y el ∆V máximo proporcionado por la grafica. Por lo tanto la carga máxima Q la podemos hallar haciendo uso de la formula, Q = C*∆V.
      Entonces, Q = 335.2 µF * 9.912 V
      Q = 3322.5 µC
      Utilizando este método, determine la capacitancia experimental y compárelo con el valor indicado. Halle el error.
      Capacitancia experimental:
      C=1τ τ=1C=10.904=1.1062
      τ=RC C=τR=1.1062 s3300Ω=3.352*10-4F=335.2μF
      Capacitancia teórica:
      330 μF
      Porcentaje de error = Cteorica-CexperimentalCteorica*100
      % error=330 μF-335.2μF330μF*100
      % error=±1.57 %
      -13335446405DATOS OBTENIDOS
      Grafica 1
      Figura 1. Carga y descarga de un capacitor.
      En esta gráfica podemos claramente observar el comportamiento de un capacitor cuando es cargado y descargado. El comportamiento grafico que realiza el capacitor cuando es cargado lo observamos en la primera parte de la grafica cuando la línea amarilla se acerca al valor de 10 V y la línea morada tiende a 0 (cero). Cuando el capacitor alcanza su valor máximo entonces cerramos el interruptor para que la corriente no pase, lo que nos genera que se descargue el capacitor y las dos graficas se encuentren en el valor de 0 (cero).
      ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
      Preguntas Problematológicas
      ¿En qué forma varía la carga Q del capacitor a medida que este se carga?
      Mientras el capacitor se está cargando la carga de él también va aumentando hasta llegar a su carga máxima, cuando llega a su carga máxima el capacitor no permite que la corriente siga trascurriendo.
      Cuando el capacitor se descarga a través de la resistencia ¿Qué sucede con la energía que se había “acumulado” en las placas del capacitor?
      La energía acumulada por las placas del capacitor transcurre por el circuito y pasa por la resistencia mientras ésta va disipando la carga que tenía el capacitor, hasta que ésta llega a ser cero.
      ¿Se cumple la ley de Kirchhoff para los voltajes en el circuito RC del montaje?
      “La suma algebraica de todos los voltajes alrededor de cualquier trayectoria cerrada en un circuito es igual a 0.”
      Vemos claramente que si se cumple entonces la ley de kirchhoff para los voltajes en el circuito RC ya que estamos en una trayectoria cerrada y por tanto se pueden encontrar las diferencias de potencial en el circuito.
      BIBLIOGRAFIA
      [1] C.C. Darío, O.B. Antalcides. “Física electricidad para estudiantes de ingeniería”. Ediciones Uninorte. 2008.
      [2] SEARS, Francis W., ZEMANSKY, Mark W., YOUNG, Hugh D., FREEDMAN, Roger A., “Física Universitaria con física moderna”. Vol. 2. Undécima edición. 2005.