Practica condensador, Capacitancia
Estas prácticas son parte del curso experimental de electromagnetismo apoyado por el proyecto PAPIME PEI 104222 de la Universidad Nacional Autónoma de México
Objetivos de la práctica
Entender que es la capacitancia.
Construir un condensador.
Experimentar como es el desarrollo de un capacitor.
Experimentar cómo funciona la capacitancia en los materiales.
Material de referencia e introductorio
En el año 1745, Ewald Georg von Kleist, descubrió que la carga eléctrica se podía almacenar, para ello, conectó un generador electrostático a un volumen de agua en un recipiente de vidrio mediante un cable. Un año después, Pieter van Musschenbroek, diseñó un condensador similar, llamado botella de Leyden.
Botella de Leyden
La botella de Leyden permite almacenar cargas eléctricas comportándose como un condensador o capacitor. La varilla metálica y las hojas de estaño conforman la armadura interna. La armadura externa está constituida por la capa que cubre la botella. La misma botella actúa como un material dieléctrico (aislante) entre las dos capas del condensador. El nombre de condensador proviene de las ideas del siglo XIX sobre la naturaleza de la carga eléctrica que asimilaban ésta a un fluido que podía almacenarse tras su condensación en un dispositivo adecuado como la botella de Leyden.
¿Cómo funciona un capacitor?
El capacitor es un dispositivo electrónico que almacena energía en un campo eléctrico interno. Es un componente electrónico pasivo básico junto con resistencias e inductores. Todos los capacitores consisten en la misma estructura básica, dos placas conductoras separadas por un aislante, llamado dieléctrico, que puede ser polarizado con la aplicación de un campo eléctrico. La capacidad es proporcional al área de la placa, A, e inversamente proporcional a la distancia entre las placas, d.
(La capacitancia es una propiedad geométrica que debe calcularse)
El primer capacitor fue la jarra de Leyden, desarrollada en 1745. Comprendía un frasco de vidrio forrado con una lámina metálica en las superficies interior y exterior y se usaba originalmente para almacenar cargas eléctricas estáticas. Benjamín Franklin usó uno para probar que los rayos eran electricidad, lo que se convirtió en una de las primeras aplicaciones registradas.
La construcción axial se basa en capas alternas de láminas metálicas y dieléctricas, o un dieléctrico metalizado por ambos lados enrollado en forma cilíndrica. Las conexiones a las placas conductoras pueden ser a través de una lengüeta insertada o una tapa final conductora circular.
El tipo radial suele consistir en capas alternas de metal y dieléctricas. Las capas de metal están unidas en los extremos. Las configuraciones radiales y axiales están pensadas para ser montadas a través de agujeros.
Los capacitores de montaje en superficie también dependen de capas conductoras y dieléctricas alternas. Las capas metálicas de cada extremo están unidas por un tapón de soldadura para el montaje en superficie.
¿Qué es la capacitancia?
La capacitancia es la capacidad de un componente o circuito para recoger y almacenar energía en forma de carga eléctrica, es decir, la capacitancia es la cantidad de carga que un conductor puede retener sin fugas al aire y está determinada por la siguiente formula:
¿Cómo calcular la capacitancia usando dieléctricos?
Para calcular la capacitancia con dieléctricos debemos agregar la variable K que es la constante dieléctrica del material esta varia y según que material se utilice y a continuación se adjunta una tabla de ayuda con la constante dieléctrica de algunos materiales
Experimento propuesto
3 hojas de papel
1 pliego de papel aluminio
Jumpers o alambre
Batería
Cinta
Pegamento
Multímetro
Paso 1
Como se observó anterior mente una de las variables que se necesita saber para calcular un capacitor es el área de nuestro material conductor y para esta práctica utilizaremos el aluminio como este material y el papel como material dieléctrico.
Para comenzar con esta práctica el alumno deberá recortar dos cuadrados que midan 15 cm x 15 cm, así como 3 cuadrados de papel que midan 16 cm x 16 cm. el objetivo es que el material conductor quede en el centro del dieléctrico para que no tenga perdidas. Una vez recortado procederemos a pegar un cuadrado de aluminio sobre un cuadrado de papel como se ve en la imagen.
Paso 2
A continuación, colocaremos un pedazo de alambre o jumper sobre el aluminio y lo pegaremos con cinta, este será una de las dos terminales que tendrá nuestro capacitor con lo que mediremos su capacitancia y el voltaje que puede almacenar nuestro capacitor.
Paso 3
Una vez que ya tenemos nuestro pedazo de aislante y conductor con terminal procederemos a colocar otro pedazo de aislante y conductor con terminal como lo hicimos en el paso uno. Y finalizaremos colocando el ultimo cuadrado de papel que tapara el aluminio.
Paso 4
Ahora que ya hemos terminado de elaborar nuestro capacitor, lo conectaremos a nuestro multímetro para ver su capacitancia y está la compararemos con la capacitancia que obtenemos de la formula:
Paso 5
Finalmente, para comprobar su funcionamiento colocaremos una batería en las dos terminares y dejaremos cargar el capacitor por 30 segundos para después medir voltaje entre sus terminales.
VID_20221009_092042.mp4Simulador
Para un mayor entendimiento del tema y una ayuda visual del flujo de electrones y la importancia de la relación entre las distancia de las placas, se sugiere experimentar en el siguiente simulador cual es la respuesta que ofrece un capacitor al modificar su área y distancia de separación entre las placas.
Reto
Diseñar dos capacitores mas, uno mas pequeño y otro mas grande, ambos capacitores serán calculados para obtener cuantos Faradios mide cada uno. A partir de esos tres, realizar una tabla de la relación del área que tienen los capacitores con su valor.
A continuación se tomara cada uno de los capacitores y se les moldeara para tener diferentes formas como se ve en la imagen de arriba donde se esta doblando a la mitad uno y realiza mediciones de cada uno para calcular su valor. En base a las mediciones ¿Tienen el mismo valor?¿Por que?, ¿Existe una relación entre la forma geométrica de un capacitor con un su valor en Faradios?