Análisis de Experimento 3 Capacitancia y Dieléctricos

 

Práctica 3: Capacitancia y dieléctricos Santiago Buitrago Orlando Barbosa Giselle Varela  NRC : 6945 2. OBJETIVOS

General Describir la relación entre carga, carga, diferencia de potencial y capacitancia para un condensa condensador dor de placas paralelas.

Específicos ● Describir una relación relación empírica entr entre e la diferencia de potencial, (V ); y la carga, (Q), manteniendo la capacitancia, (C); del condensa condensador dor constante. ● Describir una relación empírica entre la carga, (Q); y la capacitancia, (C), manteniendo manteniendo la diferencia de potencial potencial constante. ● Describir la relación relación empírica entre la difere diferencia ncia de potencial, (V ); y la capacitancia, (C), manteniendo constante la carga (Q): ● Medir la constante dieléctrica de algunos algunos materiales no conductore conductores. s.

3. Actividad preliminar: En la acti ctivid vidad prelim limina inar de esta esta práctic ctica a realiza lizarremos un análisi lisis s de la carg rga a y la dife ferrenci cia a de potencial y la capacitancia de un capacitor de placas paralelas utilizando el simulador   https://phet.colorado.edu/es/simulation/capacitor-lab-basics . Esta actividad se realizarán dos etapas:

Etapa 1: Capacitancia constante, constante, variamos V y medimos la carga. Después de seguir las instrucciones del video a continuación: https://youtu.be/lJ6HhcqUr-E

 

Llene la tabla de V vs Q V (V) Q(C)  Ahora, usted usted deberá deberá construir un gráfico de de V vs Q, obtenga la pendiente pendiente y realice el análisis físico respectivo. 1. Con base en los resultados obtenidos obtenidos en el simulador simulador ¿Qué relación ex existe iste entre la carga y la diferencia de potencial? 2. ¿Qué valor tiene la pendiente pendiente y qué significado físico tiene?

Etapa 2: V constante. constante. variamos la capacitancia y medimos la carga Después de seguir las instrucciones del video en la etapa 2, responda la siguiente pregunta. pregunta. 3. Con base en los resultados obtenidos obtenidos en el simulador simulador ¿Qué relación ex existe iste entre la carga y la capacitancia?

4. ACTIVIDADES DE REALIZACIÓN PRÁCTICA En esta sta exp xpe erie ien ncia cia se estu studia la rela relac ción ión entre tre la ca carrga, el vo volt lta aje y la cap apa acit ita anci cia a de un cond conden ensa sado dorr de plac placas as pa para rale lela las. s. Se ma mant ntie iene ne cons consta tant nte e un una a de esta estas s cant cantid idad ades es,, la se seg gunda se va varría y se mide ide la ter terce cerra. Se inse inserrtan tan mate terria iale les s comu omunes entr tre e la las s pla laca cas s del condensador para determinar sus constantes dieléctricas.

En el video a continuación https://youtu.be/obHzrWFxypk se hace una explicación detallada del procedimiento y toma de datos.  Además, en esta experiencia experiencia se realizarán 5 casos , los casos 1, 2 y 3 se realizarán realizarán generando un gráfico de voltaje contra tiempo, de donde se extraerá la información necesaria para el análisis. Caso 1:

Mantenga C constante, varíe Q y mida V

Para realizar esta práctica práctica realice un montaje montaje como indica la figura 3.

 

Figura 3: Montaje demostrativo del caso 1 En la figura 3 el condensador de placas placas paralelas está conectado al electrómetro, que está conectado a tierra y y,, a su vez, una de las esferas a la fuente de voltaje voltaje de 3000 VDC. Caso 2:

Mantenga Q constante, varíe C y mida V

Para este caso tenga en cuenta el montaje que se muestra en la figura 4.

Figura 4: Montaje demostrativo del caso 2 En la fi figu gura ra 4 se mu mues estr traa el co cond nden ensa sado dorr de plac placas as para parale lela lass cone conect ctad ado o al el elec ectr tróm ómet etro ro y es este te úl últi timo mo a ti tier erra ra.. La fuente de voltaje se usa solamente para cargar la esfera e indirectamente el capacitor empleando el “transportador de carga”. Caso 3 :

Constantes dieléctricas

Para este caso debe apoyarse en el montaje de la figura figura 5.

Figura 5: Montaje demostrativo del caso 3 En este montaje se conecta el electrómetro a las placas del condensador y estas se se sepa para ran n un una a di dist stan anci cia a apro apropi piad ada a y lueg luego o se intr introd oduc uce e ca cada da un uno o de lo los s di diel eléc éctr tric icos os en entr tre e las placas para generar generar la gráfica de voltaje contra tiempo.

 

Caso 4:

Mantenga V constante, varíe C y mida Q

En la figura 6 se muestra la configuración configuración del equipo para este caso:

Figura 6: Montaje demostrativo del caso 4 Las placas del condensador condensador que está cone conectado ctado a la fuente de voltaje de 1000 VDC tienen una separación separación inicial de 6 cm. La jaula de Faraday está conectad conectada a al electrómetro y este a tierra. Caso 5 :

Mantenga C constante, varíe V y mida Q Toma de datos En el video a continuación https://youtu.be/obHzrWFxypk  encontrará la toma de datos datos y el profesor le suministrará el archivo de capstone donde podrá realizar todo el análisis necesario.

5. ANOTACIONES ANOTACIONES Y CÁLC CÁLCULOS ULOS DATOS Apoyándose en los resultados de las mediciones realizadas (sin usar ecuaciones y referenciando las gráficas obtenidas) conteste las siguientes preguntas:

Pregun Preg unta ta 1: ¿Q ¿Qué ué pued puedee conc conclu luir ir acer acerca ca de la relac elació ión n en entr tree la carg carga, a, (Q (Q)) y la dife diferren enci ciaa de potencial (V ) cuando la capacitancia capacitancia del condensador condensador es constante? Porr medi medio o de la gr gráf áfic icaa #1 la rela relaci ción ón en entr tree es esta tass va vari riab able less se será rá dire direct ctam amen ente te pr prop opor orci cion onal al,, R/ Po debido a que cuando se le introducen introducen cargas, la diferencia de potencial comienza a aumentar. aumentar.

Pregunta 2: Cuando aumenta la separación entre las placas, ¿cómo cambia la capa paci cita tan ncia del cap apaacito citorr? ¿Q ¿Qué ué rela lacción ión ha hayy ento ntonce nces entre tre la capa capaccita itancia ncia (C (C)) y la carga en sus placas cuando se mantiene mantiene constante la diferencia de potenc potencial, ial, (V )? R/ Es de nuestro conocimiento que la carga disminuye a medida que las placas se van separando, también a su vez sabemos que la capacitancia ( C)

es una medida de

almacenamiento de la carga, está al almacenar menos carga de igual forma disminuye (la cap capacit acitan anci cia) a) por lo cu cual al in indi dica ca que (C (C)) que se serí ríaa dire direct ctam amen ente te pro ropo porc rcio iona nall a la ca carrga ga.. Tod odo o esto lo podemos evidenciar en la gráfica #4.

 

Pregu gunt ntaa 3: Cua uand ndoo se ma man nti tieene la car carga en la lass pla placas cas del cap apac acit itoor consta nstan nte, te, ¿qué qué rel elaaci cióón hay en entr tree la capac apacit itan anci ciaa del del cond condeens nsad ador or y la dife diferrenc encia de potenc tencia ial, l, (V ) entre sus placas? ráfica #2 notam tamos que a med ediida que aumen entta la dista tan nci ciaa entre las plac acaas, la R/ Según la gráf difere erencia de poten enccial ial de igual manera aumenta, así mismo tam amb bién tenemos en cu cueenta que la capacitancia depende de la geometría (fórmula de capacitancia) , al aumentar la dist distan anci ciaa entr entree plac placas as la cap capacit acitan anci ciaa dism dismin inu uye. Se obt btie ien ne un unaa re rela laci ción ón in inv ver ersa same ment ntee  proporcional entre la capacitancia y la diferencia de potencial.

Pregunta 4: ¿Cómo cambia la magnitud de la capacitancia la introducción de un dieléctrico entre sus placas? R/ Cuando se introduce la tabla de madera (dieléctrico), la magnitud de la capa capaci cita tanc ncia ia va dis ism minuy inuyen end do, cuan cuand do ya es está tá toda toda la ta tab bla de mad ader eraa se obser bserv va en la gráfica #3 si se intenta mantener constante las cargas, la capacitancia tiende a aumentar ya que que es inversamente proporcional a la diferencia de potencial. potencial.

Pregun Preg unta ta 5: ¿Q ¿Qué ué relac elació ión n em empí píri rica ca pu pued edee de deri riva varr en entr tree la carg carga, a, la dife diferrenci enciaa de potencial y la capacitancia de un capacitor? R/ Podemos establecer la ecuación C = Q/V gracias a las relaciones de  proporcionalidad vistas anteriormente, en la cual mencionamos que C es directamente proporcional a Q y que C es inversamente proporcional a V. V.

Gráficas Gráfi cas sacadas sacadas del video video suministrad suministrado o Gráfica Gráfica #1

 

Gráfica #2

Gráfica #3

Gráfica #4

 

Gráfica #5

Conclusión En este análisis de experimento se determinaron las relaciones entre la capacitancia (C), la carga (Q) y la diferencia de potencial (V) en 5 casos específicos. El primer caso, en el cual mantenemos la capacitancia constante y variamos la carga para medir la diferencia diferencia de potencial. Se puede puede observar en el video que entre más carga se le suministra al capacitor, más diferencia de potencial hay hay.. En la gráfica podemos observar lo anteriormente dicho, ya que cada vez vez que se toca el capacitor con la paleta cargada, la diferencia de potencial aumenta. En el segundo caso, en el cual tenemos que la carga es constante, variamos la capacitancia y medimos la diferencia de potencial. Debido a que variamos la capacitancia por medio de la distancia, esto significa que la capacitancia es menor menor,, entonces vemos cómo la diferencia de potencial se hace mayor a medida de que aumenta la distancia. En la gráfica se observa ese cambio, si tomamos el tiempo cómo referencia, que a mayor tiempo, mayor la distancia. En el tercer caso, que es donde tenemos la carga constante, variamos el dieléctrico y medimos la diferencia de de potencial, podemos observar que cuando introducimos introducimos el dieléctrico la diferencia de potencial disminuyó. disminuyó. En la gráfica vemos cómo disminuye cuando se va insertando el dieléctrico y luego cuando ya ya está insertado, la diferencia de potencial intenta mantenerse mantenerse constante en una menor, menor, pero debido al error humano este varía un poco, pero en una situación sin este error, debería mantenerse constante.

 

En el cuarto caso, la diferencia de potencial se mantiene constante, varía la capacitancia y medimos la carga. carga. Cuando se realiza esto, podemos ver que a medida de que hay una mayor distancia entre las placas del capacitor, la carga es menor cada vez que se mete dentro de la jaula de Faraday. Faraday. En la gráfica podemos observar lo anteriormente mencionado, mencionado, vemos cómo cada carga va haciéndose menor con respecto al tiempo, que en realidad es cada vez que metemos la paleta con la carga dentro de la jaula de Faraday. Faraday.

En último y quinto caso, tenemos la capacitancia constante, variamos la diferencia de potencial y se mide mide la carga. El ensayo es con diferencia de potencial menor a mayor, haciéndolo haciéndolo 3 veces. La primera vez que cargamo cargamoss la paleta y la metemos a la jaula de Faraday observamos observamos en la gráfica que esta tiene una carga 0,0013, más o menos, y mientras aumentamos la diferencia de potencial esta se va haciendo mayor.. Podemos concluir, mayor concluir, que entre mayor sea la diferencia de potencial, mayor  va a ser la carga.