Constantes dieléctricas y capacitancia

Manual de Prácticas
Secretaría/División: División de Ciencias Básicas
Área/Departamento: Electricidad y Magnetismo
Práctica 5
Constantes dieléctricas y
capacitancia
Elaborado por:
M.I. Juan Carlos
Cedeño Vázquez
Ing. Juan Manuel Gil
Pérez
Ing. Francisco Miguel
Pérez Ramírez
Revisado por:
M.I. Mayverena
Jurado Pineda
Quím. Antonia del
Carmen Pérez León
Autorizado por:
Vigente a partir
de :
Ing. Gabriel Alejandro
Jaramillo Morales
8 de agosto de 2016
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Seguridad en la ejecución
Peligro o Fuente de energía
Riesgo asociado
Tensión Alterna
Tensión Continua
Electrocución
Daño a equipo
1
2
1. Objetivos de aprendizaje
I.
Objetivo General:
El alumno determinará la propiedad de los conductores conocida como
capacitancia. Realizará experimentos que le ayuden a determinar la relación de
la capacitancia en función de sus propiedades geométricas y observará la
influencia de los dieléctricos en las características de los capacitores.
II.




Objetivos específicos:
Definir y comprender el concepto de capacitancia.
Definir y comprender el concepto de constante dieléctrica.
Definir y comprender el concepto de rigidez dieléctrica y campo eléctrico de
ruptura.
Definir al capacitor como elemento que almacena carga y energía.
2. Introducción
El condensador a veces denominado capacitor, es un dispositivo formado por dos
conductores, generalmente en forma de placas o láminas, separados por un material
dieléctrico, que sometidos a una diferencia de potencial adquieren una determinada carga
eléctrica.
Si el campo eléctrico aplicado al dieléctrico es muy intenso, empezará a sacar electrones de
las moléculas y el material se convertirá en un conductor. En el caso de un dieléctrico
sólido, una chispa o una descarga disruptiva atraviesa el material y el dieléctrico se perfora
en el proceso que tiene lugar.
Para cada dieléctrico existe un cierto límite de la intensidad de campo eléctrico por encima
del cual el material pierde sus propiedades aislantes y se convierte en conductor. La
intensidad máxima de campo eléctrico que un dieléctrico puede soportar sin rotura se
denomina rigidez dieléctrica, medida normalmente en V/m.
La rigidez dieléctrica de un dieléctrico depende de las propiedades físicas del material,
condiciones del medio ambiente, naturaleza y duración de la diferencia de potencial
aplicada así como de su frecuencia cuando esta última es alterna.
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La capacitancia de un capacitor no depende de su carga ni de la diferencia de potencial
aplicada, sino de factores geométricos del dispositivo.
3. Equipo y Material
Foto 1.
Fuente de 0-60 [V]
y 0-3.3 [A] de c.d.
Foto 2.
Puente de
impedancias.
Foto 5.
Muestras de cartón,
hule y madera.
Foto 6.
Foco y Capacitor de
1[F].
Foto 7.
Caja para prueba de
ruptura.
Foto 10.
Muestras de vidrio,
hule y acrílico.
Foto 11. Regla
graduada de plástico.
Foto 9.
Capacitor de placas
planas.
Foto 11.
Cables para conexión
(proporcionados por los
alumnos).
3
Foto 3.
Multímetro digital
con cables.
Foto 4.
Vernier.
Foto 8.
Variac.
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4. Desarrollo
Actividad 1 Relación entre la capacitancia y los factores geométricos de un capacitor
Con el equipo y material propuesto, verifica el comportamiento de la capacitancia con respecto a la distancia
de separación entre las placas y con respecto a la variación del área de las mismas. Diseña una tabla de datos
para registrar los valores de capacitancia leídos, obtén un modelo matemático para cada una de las relaciones
de las variables involucradas y dibuja las gráficas que muestren el comportamiento.
Material y Equipo
a.
b.
Puente de impedancias.
Capacitor de placas planas
paralelas.
En el siguiente espacio anota tus resultados
c.
Regla de plástico graduada.
Conclusiones del experimento
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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Actividad 2 Relación entre la capacitancia y el material dieléctrico utilizado
Obtén los valores de capacitancia leídos cuando colocas entre las placas planas paralelas cada uno de los
diferentes materiales dieléctricos proporcionados. Después retira cada uno de los dieléctricos y registra de
nuevo los valores de capacitancia. Registra en una tabla los valores de capacitancia leídos. A partir de los
resultados, obtén el valor de la permitividad del diélectrico y de la permitivad relativa (constantes dieléctricas
de los materiales).
Material y equipo
a.
b.
Puente de impedancias.
Capacitor de placas planas
paralelas.
c.
d.
Muestras de vidrio, hule y acrílico.
Vernier.
En el siguiente espacio anota tus resultados
Conclusiones del experimento
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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Actividad 3 Campo eléctrico de ruptura
Analiza con tus compañeros la propiedad de rigidez dieléctrica. Con el equipo propuesto, determina el campo
eléctrico de ruptura del aire y de las distintas muestras de materiales. Elabora una tabla para el registro de
resultados. Emplea el siguiente modelo matemático:
Er = VAB / d
Donde:
Er : Campo eléctrico de ruptura
VAB: Diferencia de potencial proporcionado por el transformador
d: Espesor de la muestra del material
Material y equipo
a. Multímetro digital con cables.
b. Vernier.
c. Variac.
En el siguiente espacio anota lo solicitado
d.
e.
Caja para prueba de ruptura.
Muestras de madera, hule y cartón.
Conclusiones del experimento
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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Actividad 4 Utilidad del capacitor y cálculo de la energía
Utilizando el equipo propuesto, realiza un experimento para comprobar la propiedad de los capacitores para
almacenar carga eléctrica. Toma en cuenta la polaridad del capacitor para su correcta conexión a la fuente.
Calcula la energía proporcionada en el proceso de carga del capacitor y posteriormente determina la energía
disipada por el foco en medio minuto.
Material y equipo
a.
Fuente de poder de 60[V] a 0- 3.3 [A] de c.d
d. Cables para conexión
(proporcionados por los alumnos).
b. Multímetro digital con cables.
c. Foco y capacitor de 1 [F].
En el siguiente espacio anota tus resultados
Conclusiones del experimento
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
__________________________________________________________________
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5. Bibliografía
 Jaramillo G., A. Alvarado. Electricidad y Magnetismo. Segunda edición. Ed. Trillas,
México, 2004.
 Serway R., J.W. Jewett. Electricidad y Magnetismo. Sexta edición. Ed. Thomson.
México, 2005.
 Sears F., M. Zemansky, H. Young. Física Universitaria. Undécima edición. Ed.
Pearson. México, 2004.
 Tipler, P. A.: Física para la ciencia y la tecnología .Vol. 2, Ed. Reverté, España,
2003.
 Resnick R.,D. Halliday, K. Krane: Física. Vol. 2, Ed. CECSA, México, 2005.
6. Anexos
Cuestionario previo.
1. ¿Qué es un material dieléctrico?
2. Define el concepto de capacitancia y menciona cuáles son sus unidades en el Sistema
Internacional (SI).
3. ¿Qué es un capacitor?
4. Describe la configuración física de un capacitor.
5. Define el concepto de constante dieléctrica.
7. Define el concepto de campo eléctrico de ruptura.
Para la modificación de esta práctica durante el semestre 2016-2, se agradece la aportación
sustantiva de:
M. en D. Elizabeth Aguirre Maldonado
Ing. Rigoberto Flores Zárate
Ing. María del Carmen Melo Díaz
Ing. Raymundo Gaytán Pérez
M.I. Rigel Gámez Leal
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