1 DEPARTAMENTO DE FISICA LABORATORIO VIRTUAL FISICA ELECTROMAGNETICA CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS Objetivo General: Analizar el funcionamiento de un condensador elemental. Objetivos específicos 1. Analizar la relación entre la intensidad de campo eléctrico y la diferencia de potencial de las placas de un condensador de placas paralelas, manteniendo constante la distancia de separación entre ellas. 2. Analizar la relación entre la intensidad de campo eléctrico y la separación entre las placas de un condensador de placas paralelas, manteniendo constante la diferencia de potencial entre ellas. Teoría Se llama condensador a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El condensador está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios. Los condensadores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante, aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna, lo cual lo convierte en dispositivo muy útil cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico. Para un condensador se define su capacidad, como la razón entre la carga que posee uno de los Conductores y la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es proporcional a la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial: C= Condensador de placas paralelas. En su forma más sencilla, un condensador está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (-Q) y la otra positivamente (+Q) y sus cargas son iguales, la carga neta del sistema es 0. Sin embargo, se dice que el condensador se encuentra cargado con una carga Q. Las dos placas paralelas tienen igual área A y están separadas una distancia d como en la figura 1. Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas 2 Figura 1 La carga por unidad de área en cada placa es σ = Q/A. Si las placas están muy cercanas una de la otra, podemos despreciar los efectos de los extremos y suponer que el campo eléctrico es uniforme entre las placas y cero en cualquier otro lugar. La capacidad del condensador está dada por: C= ε0 es la constante de permisividad eléctrica del vacío. La energía eléctrica almacenada U entre las placas del condensador, está relacionada con la diferencia de potencial eléctrico V entre ellas y la distancia de separación de las mismas, así: U = ½ CV2 Procedimiento. 1. Ingrese al siguiente link donde visualizará la interfaz gráfica como lo muestra la Figura 2: https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-labbasics_es.html y seleccione la opción “capacitance”. Figura 2. Capacitancia del condensador de placas paralelas Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas 3 2. Desconecte el condensador de la pila como muestra la Figura 3. Figura 3 3. Mediante la flecha vertical es posible modificar la separación de las placas y con la flecha horizontal se varía el tamaño del área de las placas. 4. Mantenga constante el área de las placas en 200 mm 2 y varíe la distancia entre ellas, observe en cada caso la variación de la capacitancia y lleve los datos a la Tabla 1. d (mm) 2 4 6 8 10 C (pf) Tabla 1 5. Elabore una gráfica de C vs d con los datos de la tabla 1. (tome C en el eje vertical) 6. ¿Cómo es la variación de la capacitancia del condensador de placas paralelas con respecto a la distancia entre las placas? 7. Mantenga constante la distancia entre las placas del condensador de placas paralelas en d = 6 mm y varíe el área de las placas, observe en cada caso la variación de la capacitancia y lleve los datos a la Tabla 2. A (mm2) 200 250 300 350 400 C (pf) Tabla 2 8. Elabore una gráfica de C vs A con los datos de la tabla 2. (tome C en el eje vertical) Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas 4 9. ¿Cómo es la variación de la capacitancia del condensador de placas paralelas con respecto al área de las placas? 10. ¿La capacitancia de un condensador depende de la carga que almacena? Energía almacenada en el condensador 1. 2. 3. 4. Conecte ahora el condensador a la pila. (Figura 1) Haga clic en todos los cuadros de datos para observar los valores que se muestran. Separe las placas en la máxima distancia de 10 mm y el área de la placa a 100 mm2 Traslade el medidor de voltaje (Voltímetro) cerca de las placas. (dar clic sobre el medidor y arrastrarlo). 5. Arrastre la punta del cable color naranja hasta la placa superior y la punta del cable negro hasta la placa inferior para que el medidor de voltaje tome la lectura. (Figura 4) Figura 4 6. Varíe el potencial de la pila (para ello se desplaza el botón de Voltaje de la pila hacia arriba y abajo), observe el condensador y los diferentes valores que genera el programa. a. Observando el valor de la Capacitancia. ¿Varía? ¿Porqué? b. Observando el valor de la Carga en las placas del condensador. ¿Varía? ¿Porqué? c. Observando el valor de la Energía almacenada. ¿Varía? ¿Porqué? 7. Varíe el potencial de la pila a 0.25V (para ello se desplaza el botón de Voltaje de la pila hacia arriba). Visualice el valor de le energía eléctrica almacenada U, la carga Q y la Capacidad del condensador y lleve estos valores a la Tabla 3. Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas V (V) 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 U(pJ) Q(pC) V2(V2) C(pf) 5 Tabla 3 8. Complete la tabla 3 con los valores de V2. 9. Elabore una gráfica de la energía almacenada (U) vs Diferencia de potencial en las placas (V) con los datos de la tabla 3. (tome U en el eje vertical) 10. ¿Cómo es la variación de la Energía del condensador de placas paralelas con respecto a la diferencia de potencial aplicada a las placas? 11. ¿La capacitancia de un condensador depende de la carga que almacena? 12. Linealice la gráfica obtenida en el numeral 8. Grafique U vs V2 con los datos de la tabla 3. (tome U en el eje vertical) 13. ¿Podría encontrar el valor de la Capacitancia, a partir de este gráfico? ¿Cómo? 14. Elabore una gráfica de la carga eléctrica almacenada (Q) vs Diferencia de potencial en las placas (V) con los datos de la tabla 3. (tome Q en el eje vertical) 15. ¿Podría encontrar el valor de la Capacitancia, a partir de este gráfico? ¿Cómo? 16. ¿Si se hubiese tomado datos con una distancia entre las placas del condensador diferente, cambiaría la pendiente de esta gráfica? Explique. 17. Si las placas de un condensador cargado, se acercan entre sí. ¿Qué sucede con la diferencia de potencial, la carga, la capacidad y la energía almacenada? 18. ¿Para qué sirve un condensador? Bibliografía [1] C. Mendoza, “GUIAS DE LABORATORIO DE FÍSICA ELECTROMAGNETICA,” 2018. [2] https://phet.colorado.edu/sims/html/capacitor-lab-basics/latest/capacitor-labbasics_en.html. Guías Laboratorio virtual de Física II - UFPS Condensador de placas paralelas