Tema: Campo eléctrico y potencial en las placas de un capacitor. I. Objetivos. Facultad de Ingeniería. Escuela de Eléctrica. Asignatura: Teoría Electromagnética. Que el estudiante comprenda la naturaleza de los campos eléctricos y el potencial entre las placas de un capacitor. Determinar la relación del campo eléctrico en función del voltaje, con un espaciamiento constante entre las placas de un capacitor. Determinar la relación del campo eléctrico en función de la distancia entre las placas paralelas de un capacitor, cuando el voltaje se mantiene constante. Medir el potencial en un capacitor de placas paralelas utilizando una punta de prueba, en función de la posición dentro de las placas. II. Introducción. Un capacitor es un elemento que se usa comúnmente para almacenar o liberar energía acumulada a través de dos placas de un material al circular un campo eléctrico a través de las mismas. En esencia, el capacitor consiste de dos conductores separados por un material dieléctrico o por medio del aire. El campo eléctrico E producido entre las placas de un capacitor es un campo eléctrico uniforme y la magnitud de este campo eléctrico puede ser medida con un medidor de campo eléctrico, como función de la distancia entre las placas (d) y el voltaje aplicado a las mismas (V). Además, si la carga almacenada en las superficies conductoras del capacitor comienza a tener variaciones en el tiempo tenderá a aparecer una densidad de corriente que incrementará su magnitud con respecto a la magnitud de esa variación, análisis con el cual se puede concluir que la impedancia de un capacitor está relacionada con la frecuencia de la variación de la carga eléctrica en el mismo. Para este caso se tendrá que un campo eléctrico uniforme E se produce entre las placas cargadas de un condensador de placas paralelas. La fuerza del campo se determina con el medidor de campo eléctrico, en función del espaciamiento d entre las placas y del voltaje U. El potencial f dentro del campo se mide con una punta de prueba. III. Equipo y Recursos. No. Descripción Cantidad 1 Capacitor de placas, 283X283 mm 2 2 Capacitor plate w. Hole d 55 mm 1 3 Placas espaciadoras, 1 set 1 4 Medidor de campo eléctrico 1 5 Probador de potencial 1 6 Fuente de energía, 0...600 VDC 1 7 Mechero de butano, X2000 1 8 Cartucho de Butano 2 9 Manguera de goma, i.d. 7 mm 1 10 Multímetro digital 2 11 Cable de conexión, 100 mm, green-yell 1 12 Cable de conexión, 750 mm, red 5 13 Cable de conexión, 750 mm, blue 5 14 Base de perfil l = 60 cm 1 GUÍA 2 Pág. Pág. 1
IV. Procedimiento. Parte I. Determinación de la relación entre el voltaje y el campo eléctrico, con un espaciamiento constante entre las placas del capacitor. 1. Verifique que en su mesa de trabajo se encuentren todos los elementos detallados en la lista de equipo y recursos. 2. Arme el circuito mostrado en la figura 1. Figura 1. 3. Verifique que la fuente de voltaje se encuentre inicialmente ajustada a cero voltios y conéctela al medidor del campo eléctrico como se muestra en la figura 1. 5. Asegúrese de que el medidor de campo eléctrico esté debidamente calibrado, lo cual se observa al encender sólo una de las luces del panel frontal del medidor de manera independiente. En caso de que no esté calibrado, consulte al respecto. 5. Conecte un multímetro digital (como voltímetro) al medidor de campo eléctrico. 6. Conecte el otro multímetro digital (como voltímetro) en paralelo a la fuente de voltaje y a las placas del capacitor. 7. Proceda realizar las lecturas de las mediciones de campo eléctrico para varios valores de voltaje con un espaciamiento constante entre las placas del capacitor. Ajuste las placas a una distancia d= 10 cm. 8. Complete a tabla de datos 1, incrementando gradualmente el voltaje de la fuente. Nota: Trate de no tocar de manera directa las placas del capacitor, de lo contrario podría recibir una descarga eléctrica. 9. Al completar la tabla de datos 1, reduzca a cero el voltaje de la fuente. GUÍA 2 Pág. Pág. 2
V de la fuente (V) V del medidor de campo (V) E (kv/m) 0 10 20 30 40 50 75 100 125 150 175 200 225 250 Tabla 1. Campo Eléctrico en función del voltaje aplicado con d= constante. Parte II. Determinación de la relación entre el campo eléctrico y el espaciamiento de las placas paralelas del capacitor, cuando el voltaje aplicado se mantiene constante. 1. Utilizando el mismo circuito implementado en la parte 1 ajuste la distancia entre las placas del capacitor a una distancia d = 10cm. 2. Ajuste gradualmente el voltaje de la fuente de voltaje hasta llegar a 200V. 3. Realice las lecturas de las mediciones de campo eléctrico para diferentes espaciamientos entre las placas del capacitor. 4. Complete a tabla de datos 2, incrementando gradualmente la distancia entre las placas para los valores especificados. D entre placas (cm) V del medidor de campo (V) E (kv/m) 7 10 13 15 17 20 23 25 Tabla 2. Campo eléctrico en función de la distancia entre las placas con V= constante. Parte III. Medición del potencial en el condensador de placas paralelas por medio de una punta de prueba, en función de la posición. 1. Arme el sistema mostrado en la figura 2. GUÍA 2 Pág. Pág. 3
Figura 2. 2. Coloque las placas a un espaciamiento de d= 10cm. 3. Cortocircuite con un cable los terminales (-) y tierra de la fuente de 0...300V. 4. Conecte la sonda de prueba al medidor de campo eléctrico (terminal color rojo). 5. Asegúrese de la buena conexión de la manguera de goma con el contenedor del gas butano y la entrada de la sonda. 6. Realice las conexiones entre el medidor de campo y la fuente de voltaje (véase la figura 2). 7 Verifique la correcta implementación del sistema y las conexiones respectivas. Consulte al respecto. 8. Aplique el gas butano (según lo indicado por el instructor) entre las placas del capacitor. 9. Incremente lentamente el voltaje de la fuente a 250V. 10. Complete la tabla de datos 3, incrementando gradualmente la distancia (X) entre la sonda y las placas para los valores especificados. Nota: Considere que para obtener datos más precisos, es necesario que la llama se mantenga lo más fijo posible. Cualquier interferencia podría afectar las mediciones. Consulte al respecto. X (cm) φ (V) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Tabla 3. Relación del potencial en función de la posición entre las placas del capacitor. GUÍA 2 Pág. Pág. 4
Figura 4. Disposición física del capacitor de placas.. Figura 3. Variación del potencial en función de la posición V. Análisis de los resultados. Parte I. 1. Dibuje la distribución de las líneas de flujo dentro delas placas del capacitor y la dirección que éstas presentan. 2. Utilizando una escala apropiada construya la grafica de E vrs U. 3. Explique en que se fundamenta el comportamiento de la grafica anterior. Parte II. 1. Utilizando una escala apropiada construya la grafica de E vrs d. 2. Explique el comportamiento de la grafica anterior y las relaciones matemáticas que lo sustentan. 3. Grafique los valores de la tabla 2, pero ahora utilizando una escala logarítmica (log-log). Explique las ventajas y/o desventajas que se obtiene con este tipo de grafica. Parte III. 1. Realice la gráfica de φ(v) vrs X(cm). 2. Explique cual es el objetivo de aplicar gas butano entre las placas del capacitor cargado. 3. Explique en que se fundamenta el comportamiento de la curva del numeral 1 de esta parte. 4. Explique a que se debe la variación del potencial en el capacitor de acuerdo la posición de la punta de la sonda de prueba según las mediciones obtenidas. VI. Discusión Complementaria. VII. Bibliografía. o Edminister, Joseph A. Electromagnetismo. Schaum- McGrawhill. o Hayt, William: Teoría Electromagnética. Mc-GrawHill, México 1997. o William H. Hayt & Jack E. Kemmerly. Análisis de Circuitos en Ingeniería, 5ta edición / 3ra edición en Español McGraw-Hill 1993. o Gourishankar. Conversión de Energía Electromecánica. Ediciones Alfaomega. GUÍA 2 Pág. Pág. 5