LABORATORIO #4

LABORATORIO #42012

Carga almacenada en un condensador y corriente elctricaI. Objetivos: Determinar la carga almacenada en un condensador. Encontrar experimentalmente la capacidad de un condensador. Determinar la energa almacenada en un condensador.II. Experimento:A. Modelo Fsico:Capacitor Lo forman dos conductores cualesquiera separados por un aislador (o un vaco). Se lo utiliza para almacenar energa. En casi todas las aplicaciones prcticas, cada conductor tiene inicialmente una carga neta de cero y se transfieren electrones de un conductor al otro; a esto se le denomina cargar el capacitor. Una manera comn de cargar un capacitor consiste en conectar estos dos alambres a bornes opuestos de una batera. Una vez que se establecen las cargas Q y -Q en los conductores, se desconecta la batera. Esto proporciona una diferencia de potencial Vab fija entre los conductores (es decir, el potencial del conductor con carga positiva a con respecto al conductor con carga negativa b) que es exactamente igual al voltaje de la batera. El campo elctrico en cualquier punto de la regin entre los conductores es proporcional a la magnitud Q de la carga de cada conductor. Capacitancia [C] Es la relacin de carga respecto a la diferencia de potencial que no cambia. Cuanto mayor es la capacitancia C de un capacitor, tanto ms grande es la magnitud Q de la carga en cualquiera de los conductores con una diferencia de potencial determinada Vab y, en consecuencia, es mayor la cantidad de energa almacenada. Clculo de la capacitancia: capacitores en un vaco Se calcula la capacitancia C de un determinado capacitor hallando la diferencia de potencial Vab entre los conductores con una magnitud de carga Q dada y aplicando en seguida la ecuacin de capacitancia. Capacitores placas paralelasLa forma ms simple de un capacitor consiste en dos placas paralelas conductoras, cada una con un rea A, separadas por una distancia d que es pequea en comparacin con sus dimensiones.

= Eo (Capacitor placas paralelas en un vaco)Capacitor Esfrico Dos corazas conductoras esfricas y concntricas estn separadas por un vacio. La coraza interior tiene una carga total +Q y un radio exterior ra, y la coraza exterior tiene una carga total -Q y un radio exterior rb, (la coraza exterior esta unida a la coraza interior por varillas delgadas aislantes que tienen un efecto insignificante en la capacitancia).

Capacitor Cilndrico Un conductor cilndrico largo tiene un radio ra, y una densidad de carga lineal . Esta rodeado por uan coraza cilndrica coaxial con un radio interior rb y una densidad de carga lineal .La capacitancia depende slo de la permitividad del vaco y la geometra del capacitor; es directamente proporcional al rea A de cada placa e inversamente proporcional a su separacin d. Las cantidades A y d son constantes con respecto a un capacitor dado, y es una constante universal.Almacenamiento de energa en capacitores y energa de campo elctrico La energa potencial elctrica almacenada en un capacitor cargado es simplemente igual a la cantidad de trabajo que se necesit para cargarlo, es decir, para separar cargas opuestas y colocarlas en conductores diferentes. La energa potencial U de un capacitor cargado se halla calculando el trabajo W que se necesit para cargarlo. Supngase que al terminar de cargar el capacitor la carga final es Q y la diferencia de potencial final es V. De acuerdo con la ecuacin de capacitancia, estas cantidades se relacionan como sigue:

Sean Q y V la carga y la diferencia de potencial, respectivamente, en una etapa intermedia del proceso de carga; entonces v = q/C. En esta etapa, el trabajo dW que se requiere para transferir un elemento de carga adicional dq es:

El trabajo total W que se necesita para aumentar la carga q del capacitor de cero a un valor final Q esW= Q2Esto tambin es igual al trabajo total que el campo elctrico realiza sobre la carga cuando el capacitor se descarga. En este caso q disminuye de un valor inicial Q a cero conforme los elementos de carga dq "caen" a travs de diferencias de potencial v que varan desde V hasta cero. Si se define como cero la energa potencial de un capacitor sin carga, entonces W de la ecuacin anterior es igual a la energa potencial del capacitor cargado. La carga almacenada final es Q = CV; por tanto, se puede expresar U (que es igual a W) como La forma final de la ecuacin muestra que el trabajo total que se requiere para cargar el capacitor es igual a la carga total multiplicada por la diferencia de potencial promedio 1/2V durante el proceso de carga.El campo E realiza trabajo al trasladar las cargas. La energa cintica resultante se transfiere al material del conductor por medio de colisiones con los iones, los cuales vibran prximos a sus posiciones de equilibrio en la estructura cristalina del conductor. Esta transferencia de energa aumenta la energa promedio de vibracin de los iones y, por consiguiente, la temperatura del material. Es as que gran parte del trabajo realizado por el campo elctrico se invierte en calentar el conductor, no en hacer que las cargas en movimiento se trasladen cada vez ms rpidamente. En los metales las cargas en movimiento siempre son electrones (-) y los huecos funcionan como (+). (+) a favor de E (-) en contra de E

Definimos la direccin de la corriente, que se representa como /, como aquella en la que hay un flujo de carga positiva. Definimos la corriente a travs del rea de seccin transversal A como la carga neta que fluye a travs del rea por unidad de tiempo. Por consiguiente, si una carga neta dQ fluye a travs de un rea en un tiempo dt, la corriente / a travs del rea es: (Definicin de corriente) Unidad es [A] (Ampere) B. Diseo:

C. Materiales: 1 Un restato 15 k Un potencimetro de 50 8 cables de conexin Un cronmetro Un condensador electroltico 500 microfaradios. Un ampermetro Un voltmetro Una fuente de alimentacin(hasta 10V)D. Variables Independientes:La variable independiente es el tiempo de descarga.E. Variables Dependientes:La variable dependiente es la intensidad de corriente.F. Rango de Trabajo:G. Procedimiento:1. Armar el circuito de la figura.2. Con ayuda del voltmetro verifique que la salida de la fuente sea de 10 voltios, el cual debe permanecer constante durante toda la experiencia.3. Active el circuito de carga, mediante el conmutador (hacia abajo) para que el condensador se cargue. Luego cambie la posicin del conmutador (hacia arriba) para lograr descargar el condensador a travs del restato. La lectura del ampermetro indicar la corriente de descarga la cual vara como funcin del tiempo, que puede ser fcilmente observado.4. Marque sobre un papel adjunto al restato, las posiciones de las cuales se producen al principio del proceso de descarga, intensidades de corriente que correspondan a las que se indican en la tabla 1.5. Para tabular los datos de esta tabla, mantener constante la intensidad de descarga, con la ayuda del restato, determinando con el cronmetro el tiempo total de demora este proceso. Se inicia el cronometraje al momento de accionar el conmutador y se termina cuando la aguja del ampermetro empieza a descender rpidamente a posicin cero.6. Repite el proceso de carga y descarga un mnimo de 3 veces para cada intensidad seleccionada, a fin de tener mayor precisin en el tiempo de descarga.7. Repetir el procedimiento anterior para los otros valores de intensidad de corriente de descarga.

a) Mediciones DirectasTabla 1Mediciones123456789

I(mA)0.10.150.200.250.300.350.400.450.5

t (s)13.310.78.56.95.64.63.72.81.59

13.510.88.57.15.74.53.82.42.1

13.310.78.47.15.74.73.62.72.2

b) Mediciones IndirectasTabla 2Mediciones123456789

Promedio de t13.4710.738.477.035.674.63.72.631.96

1/t (Prom)74.2393.2118.06142.25176.37217.4270.27380.23510.2

Q (mC)7.4213.9823.6135.5652.9176.09108.10171.10255.10

1. Anlisis Experimental:a) Grficas:b) Cuestionario:III. Conclusiones:IV. Bibliografa:LIBRO1: FSICATOMO: 2TEMA: EL CAMPO ELCTRICO AUTOR: HALLIDAY RESNICK KRANEPAGS: 656-664

LIBRO2: FSICA UNIVERSITARIATOMO: 3TEMA: EL CAMPO ELCTRICO AUTOR: SEARS SEMANSKYPAGS: 908-915

4UNAC -FIEE