PRÁCTICA NÚMERO 2. CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR.

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1 PRÁCTICA NÚMERO 2. CARGA Y DESCARGA DE UN CONDENSADOR Introducción Teórica. Entre los distintos componentes que pueden formar parte de un circuito eléctrico, existe una clara diferencia entre los elementos que aportan energía al circuito, denominados elementos activos (generadores), y aquellos que reciben energía, que se conocen como receptores o componentes pasivos. Dentro de esta última categoría están los condensadores y las bobinas o inductores. Ciertamente, el comportamiento en un circuito de condensadores e inductores difiere notablemente del de las resistencias puesto que estas últimas consumen permanentemente energía mientras que los dos primeros no, sino que por el contrario la almacenan para cederla posteriormente. Sin embargo, puesto que estos tampoco aportan energía al circuito de forma permanente también se les incluye dentro de la categoría de elementos pasivos. Hay que resaltar que los elementos pasivos no existen en estado puro. Toda resistencia real tiene componentes capacitivas e inductivas. De la misma manera que un condensador posee elementos resistivos e inductivos, toda bobina tiene elementos capacitivos y resistivos. No obstante, el estudio de los diferentes componentes que realizaremos en todas estas Prácticas lo haremos suponiendo que son ideales. En esta práctica estudiaremos los generadores y las resistencias y condensadores, dejando el estudio de los inductores para la Práctica número Generadores. Una corriente eléctrica consiste en un movimiento de cargas en una dirección determinada. Cuando dicho desplazamiento se realiza a lo largo de un trayecto cerrado, nos encontramos con un circuito eléctrico. Fundamentalmente, los circuitos eléctricos son un medio para llevar energía de un lugar a otro. Ciertamente, cuando una carga q ha recorrido el circuito completo en su movimiento retornando a su punto inicial, de acuerdo con un principio básico, su energía potencial 8

2 debería ser igual a la que tenía inicialmente en dicho punto. Sin embargo, es sabido que en cualquier material conductor (excepto cuando se comporta como superconductor) existen elementos pasivos que se encargan de disminuir la energía potencial de las cargas que se mueven en su seno. Por tanto, si se desea mantener una corriente eléctrica circulando por un circuito resulta necesario introducir en él algún dispositivo que contrarreste dichas pérdidas de energía potencial aportando dicha energía. Ese dispositivo se denomina generador, el cual consta de dos bornes entre los cuales existe una diferencia de potencial, denominada fuerza electromotriz (es por ello que a estos dispositivos también se les denomine fuentes de fuerza electromotriz), que compensa la energía potencial eléctrica perdida en los elementos pasivos del circuito. El generador básicamente realiza una transformación de algún tipo de energía (química, mecánica, térmica, etcétera ) en energía potencial eléctrica y la transfiere al circuito al que se encuentra conectado, clasificándose en ocasiones a los generadores atendiendo a la naturaleza de la conversión energética. Otra clasificación de los mismos muy empleada es atendiendo a la tecnología utilizada para su fabricación. Así tendríamos: Electromagnéticos: que constituyen un núcleo importante de las denominadas máquinas eléctricas rotativas. Electrónicos: conocidos como fuentes de alimentación. Químicos: también conocidos como baterías (a veces conocidas también como pilas) que realizan reacciones electroquímicas de oxidación y reducción y convierten energía química en energía eléctrica. Asimismo, también nos encontramos con generadores que proporcionan fuerzas electromotrices constantes en el tiempo (generadores de corriente continua) y también variables en el tiempo. Dentro de estos últimos existe un caso de especial interés que son aquellos en los que la fuerza electromotriz cambia en el tiempo cambiando también su polaridad (corriente alterna). Este especial interés se debe a que casi todos los sistemas actuales domésticos e industriales de distribución de electricidad funcionan con corriente alterna. 9

3 Resistencias. Las resistencias en un circuito eléctrico cumplen una misión opuesta a la de los generadores ya que mientras estos últimos proporcionan energía eléctrica al circuito, los primeros se encargan de consumirla, al oponerse al paso de la corriente por su seno, y de transformarla generalmente en calor y de forma irreversible (este fenómeno se conoce como efecto Joule). El valor de la resistencia de un material depende, del tipo de material y de la temperatura. La capacidad disipadora de energía de la resistencia no suele ser el efecto deseado en el campo de la Electrónica; en dicho campo, las resistencias empleadas son de tamaño reducido y actúan como componentes auxiliares de otros más complejos permitiéndoles su funcionamiento y protegiéndolos. Las resistencias como elementos de un circuito se suelen ordenar atendiendo a los siguientes criterios: El tamaño: esta propiedad está en relación directa con la cantidad de potencia que se desee disipar. En Electrónica las resistencias empleadas suelen ser de pequeño tamaño. La constitución: esto es, el material con qué están hechas así como su forma. Así en función de su constitución nos encontramos con resistencias de película de carbón o metálica en las que la resistencia está constituida por un soporte cerámico sobre el que se deposita una película de carbón o de metal, respectivamente, que constituye la parte resistiva del componente, siendo recubierta la película por una resina o esmalte (sobre el esmalte se dibujan unas franjas de colores que permiten determinar el valor de la resistencia mediante tablas) y añadiendo al conjunto dos terminales metálicos que le permitan conectarse al circuito. Igualmente nos podemos encontrar con las resistencias bobinadas que suelen ser de mayor tamaño que las anteriores y que están formadas por un soporte aislante sobre el que se devana un conductor con ciertas propiedades resistivas. En algunos casos, una vez que se le han soldado los terminales, se recubre el arrollamiento con una película de vidrio. Las resistencias bobinadas son más precisas que las anteriores y su valor es menos sensible a los cambios con la temperatura. 10

4 Resistencias de valor constante y variables: los materiales empleados para la fabricación de ambas suelen ser los mismos en ambos casos diferenciándose en las configuraciones. Así, las resistencias variables tiene tres terminales y están formadas por una pista, de forma circular, generalmente por la que se desliza el cursor. Entre el cursor y cada uno de los extremos de la resistencia el valor de la misma puede ser variado o ajustado. En Electrónica son ampliamente empleadas y se les suele conocer como potenciómetros. Ejemplos de todos los tipos de resistencias comentados anteriormente se pueden observar en la figura 2.1. Resistencia variable Resistencia bobinada Resistencias de película Figura 2.1. Tipos de resistencias eléctricas Condensadores. Dos conductores cualesquiera separados por un aislante constituye un condensador o capacitor. En casi todas las aplicaciones prácticas cada conductor se encuentra inicialmente descargado y al conectarlos a una batería, mediante transferencia de carga de la batería a los conductores, van adquiriendo una cierta carga (dicho proceso se denomina carga del condensador). En todo momento, ambos conductores tienen igual carga pero de signo opuesto de tal forma que entre ambos conductores existe un campo eléctrico y por tanto una diferencia de potencial que se opone a la externa responsable de su carga. El proceso de carga del condensador se detiene cuando la diferencia de potencial entre los conductores del mismo se iguala a la de la batería. Hay que resaltar que aunque cada placa se encuentra cargada, la carga neta del condensador sigue siendo nula, puesto que la carga de cada conductor es igual a la del otro pero con signo contrario. Es por ello que cuando se dice que un conductor tiene una carga Q realmente 11

5 lo que se está diciendo es que tiene una carga +Q en el conductor que se encuentra a mayor potencial y una carga Q en el conductor a menor potencial (supuesto Q positiva). En un condensador la energía transferida por el generador no se pierde irreversiblemente como ocurría en el caso de la resistencia sino que es almacenada en el campo electrostático que existe entre sus conductores, de tal forma que en un momento dado será capaz de devolverla al circuito. Existe una enorme variedad de condensadores y son muchas las sustancias que se emplean para su construcción. En ocasiones se les clasifica por la forma de sus armaduras (de sus conductores) y así tenemos planos, cilíndricos, de disco, de pastilla, etc., y en otras ocasiones se les clasifica según el material dieléctrico que tengan: de aire, mica, papel, cerámicos (figura 2.2), electrolíticos (figura 2.3), poliéster (figura 2.4), policarbonato, tántalo (figura 2.5), etc. Los tipos más comunes y más relevantes son los denominados bobinados o de rollo y los electrolíticos, existiendo otros tipos de tamaño más reducido cuyo uso está reservado principalmente para el montaje de circuitos electrónicos. Los condensadores bobinados se construyen con láminas muy finas de una sustancia conductora como el aluminio separadas por un material aislante tal como parafina o papel con aceite o un poliéster. Estos condensadores no tiene polaridad (y por tanto pueden ser conectados en el circuito en cualquier orientación) y el valor de sus parámetros es bastante estable con la temperatura. Los condensadores electrolíticos suelen tener un tamaño menor que los anteriores para un mismo valor de la capacidad. Son más sensibles a los cambios con la temperatura y tienen una polaridad ya determinada. El dieléctrico está constituido, en general, por una delgada capa de óxido de aluminio depositada sobre una de las placas conductoras hecha de este metal. La oxidación se produce mediante un baño electrolítico (de ahí su nombre) de una sal de amoníaco y aplicando una diferencia de potencial a las dos armaduras de aluminio que se encuentran sumergidas en dicho baño. 12

6 Figura 2.2. Condensador cerámico Figura 2.3. Condensador electrolítico Figura 2.4. Condensador de poliéster Figura 2.5. Condenador de tántalo Análisis Teórico del Circuito RC. Desde el punto de vista de la teoría de circuitos, el parámetro que caracteriza la resistencia eléctrica es la resistencia, denotada por R (medida en ohmios en el S.I., Ω), de tal forma que cuanto mayor es su valor peor conductor es y mayor cantidad de energía disipa por unidad de tiempo. Esta pérdida de energía implica que en la resistencia se produce una caída de potencial dada por la ley de Ohm: V = I R (2.1) siendo I la intensidad de corriente que atraviesa al conductor. Por otra parte, el parámetro que caracteriza a un condensador es la capacidad, denotada como C (medida en faradios en el S.I., F), que da cuenta de la cantidad de carga que puede almacenar dicho condensador para una diferencia de potencial dada. Así, la diferencia de potencial entre las placas de un condensador que se encuentra cargado con una carga q viene dada por: q V = (2.2) C 13

7 Supongamos, entonces, un circuito RC como el que se representa en la figura 2.6. Figura 2.6. Circuito RC en el que inicialmente el condensador se encuentra descargado y el interruptor abierto. Al cerrar el interruptor, comenzará a circular una corriente por el circuito de tal forma que el condensador comenzará a cargarse alcanzándose el momento en el que se cargue completamente y la diferencia de potencial entre sus placas iguale a la fuerza electromotriz de la fuente, dejando así de circular corriente por el circuito, con lo que a partir de ese momento el condensador hace comportarse al circuito como si este estuviese abierto. Podemos diferenciar así dos estadíos en el circuito: el primero, en el que el condensador se va cargando y la corriente del circuito varía en el tiempo, que se le denomina régimen transitorio; y el segundo, en el que el valor de la corriente ya no varía en el tiempo (en este caso se anula), que se denomina régimen estacionario. La duración del régimen transitorio dependerá, como veremos posteriormente, de los valores de la resistencia y de la capacidad. Analicemos ahora de forma matemática el circuito. Atendiendo a la ley de las mallas de Kirchhoff y a las ecuaciones (2.1) y (2.2), la ecuación del circuito es: q C dq + R = V 0 (2.3) dt que es una ecuación diferencial ordinaria de primer orden con término independiente constante. La solución de la misma es: t / RC q( t) = V C(1 e ) (2.4) 0 con lo que la tensión en el condensador será: t / RC V ( t) = V (1 e ) (2.5) c 0 14

8 Como la exponencial es adimensional debe ocurrir que RC tenga dimensiones de tiempo. A esa magnitud τ = RC es a lo que se denomina constante de tiempo del circuito RC que representa físicamente el tiempo necesario para que el condensador adquiera el 63% de la carga total o de la tensión del generador. De (2.5) queda claro que el condensador adquiere la misma tensión que la fuente sólo para tiempos infinitos y de ahí que podamos concluir que el estacionario sólo se alcanzaría de forma teórica para tiempos infinitos. Sin embargo, en la práctica se considera que el condensador está totalmente cargado y por tanto se ha alcanzado el régimen estacionario cuando han transcurrido cinco constantes de tiempo. Es por ello que los valores de R y C gobiernan la duración del transitorio en este circuito Desarrollo Experimental. El objetivo de esta práctica es analizar la carga y descarga de un condensador en un circuito RC midiendo para ello la tensión en los bornes del condensador (pues como sabemos la tensión y la carga en el condensador son proporcionales) con ayuda del osciloscopio. Para ello realizaremos un montaje de un circuito RC alimentado por el generador de señal, se utilizará una onda cuadrada de 1 V de tensión (de pico a pico) y una frecuencia de 10 khz. Se determinará la constante de tiempo de carga del condensador y se comprobará con el osciloscopio midiendo la diferencia de tensión en bornes del condensador. Se les proporciona una resistencia y un condensador cuyos datos nominales son: R=2kΩ, C=3 nf. Con estos valores la constante de tiempo teórica del circuito RC es: RC = 6 µs. El procedimiento experimental a seguir será el siguiente (teniendo en cuenta que hay que completar la Tabla 2.1): 1. Medir con ayuda del polímetro de la forma más aproximada posible los valores de la capacidad y de la resistencia. 2. Con el generador de señal generar la onda que se requiere en el enunciado de la práctica. Comprobar con ayuda del osciloscopio y de la forma más precisa posible que la onda generada es correcta. 15

9 3. Montaje del circuito y medida de tensión con ayuda del osciloscopio. Determinación de la constante de tiempo del circuito RC en la pantalla del osciloscopio teniendo en cuenta la interpretación gráfica que de la constante de tiempo se da en la figura 2.7. Figura 2.7. Interpretación gráfica de la constante de tiempo. Tabla 2.1. Resultados Experimentales Magnitud Escala de Medida Valor Incertidumbre Capacidad Resistencia Amplitud de la Señal Frecuencia de la Señal Constante de Tiempo 16

10 Aplicación Numérica con MATLAB Código: % simulacion del circuito RC V0= 1; R=2e3;C=3e-9;tau=R*C; Tf=50e-6; t=(0:tf/1000:tf);vc=v0*(1-exp(-t/tau)); plot(t,vc); axis([0 Tf ]); grid; ylabel('tension en voltios'); xlabel(' tiempo en segundos'); Tabla 2.2 Resultados numéricos Magnitud Valor Error Relativo Constante de Tiempo 17