Electricidad y Magnetismo.

Practicas de Laboratorio.

 

CAPACITORES  DE PLACAS  PARALELAS  CON  DIELÉCTRICO

 

Objetivo: Aprender como  varía el capacitor usando diferentes materiales  como dieléctrico.

Introducción: Dieléctricos

 Al analizar a los capacitores hemos mencionado que un factor que determina la capacidad para almacenar carga por unidad de diferencia de potencial es el medio en el cual se encuentran los conductores; en particular, hemos considerado hasta el momento que el espacio entre los conductores está vacío. Ahora procederemos a tratar la situación en donde el espacio entre los conductores está ocupado por algún material dieléctrico o no conductor. Como ha sido mencionado anteriormente la distribución de carga en los conductores es debida a la fuerza eléctrica que ejercen unas cargas sobre otras; es decir, del campo eléctrico que actúa sobre las cargas "libres" en los conductores. Para analizar el comportamiento eléctrico de los materiales no conductores comenzaremos por proponer un modelo sencillo de cómo está distribuida la carga eléctrica en cada átomo (o molécula) del material.
 Supongamos que un átomo (o molécula) está compuesta por un centro "puntual" de carga eléctrica positiva, y por una "nube esférica" de carga eléctrica negativa distribuida uniformemente, de tal manera que en ausencia de campos eléctricos actuando sobre el átomo el centro de carga negativo coincide con el centro de carga positivo, en condiciones de equilibrio, como se indica en la figura 8.a.[1] Cuando el material dieléctrico es sometido a la presencia de un campo eléctrico Em, se ejercen fuerzas eléctricas sobre la carga de cada átomo; sobre la carga positiva en la dirección del campo eléctrico, mientras que sobre la carga negativa en sentido contrario, por lo que los centros de carga positiva y negativa tienden a desplazarse hasta quedar en una nueva situación de equilibrio, como se señala en la figura 8.b. El desplazamiento de los centros de carga es pequeño y la carga negativa sigue fuertemente ligada, sin libertad de desplazarse por el material; y, más aún, supondremos que el desplazamiento de la "nube" de carga negativa ocurre prácticamente sin deformarse.


(a) Átomo en ausencia de campo eléctrico. (b) Átomo en presencia de campo eléctrico. (c) Momento dipolar eléctrico generado.

La nueva posición de equilibrio es debida al balance entre las fuerzas eléctricas ejercidas por el campo eléctrico aplicado, que tienden a separar a los centros de carga eléctrica del átomo, y las fuerzas eléctricas de atracción entre los centros de carga al estar separados un distancia d.En estas condiciones cada átomo o molécula se vuelve un dipolo eléctrico, como se indica en la figura 8.c, por lo que decimos que el material está "eléctricamente polarizado".

 Cada uno de los dipolos eléctricos en el material produce un campo eléctrico, afectando el campo eléctrico que hizo que apareciera el dipolo en cada átomo o molécula. Entonces, tenemos al menos dos caminos a seguir, uno referente a las características de los momentos dipolares eléctricos en el material, y otro ligado a los efectos asociados a un material dieléctrico polarizado. Para tratar cualquiera de las dos líneas es conveniente caracterizar el estado polarizado del dieléctrico.

Correlación  con temas  y subtemas  del programa  de estudio vigente:


Unidad

Tema

Subtema

1

Electrostática

    • introducción
    • sistemas de unidades  electrostáticas

1.3 Cargas eléctricas y sus propiedades

Material y equipo necesario:
1.-  Generador de Van de Graff                   1.-  Aire      
2.-  Maquina Wimshurst                             2.-  Papel
3.-  Placas paralelas                                  3.-  Plástico
4.-  Voltímetro                                        4.-  Telas

Metodología:
CONDENSADOR CON DIELÉCTRICO  repetiremos las  indicaciones anteriores  introduciendo entre las láminas del capacitor los  distintos  materiales: plástico, papel, lana, seda y  algodón.
 



 

Volts Dieléctricos

Distancia Cm

Plástico

Papel

Seda

Lana

Algodón

0.5

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1.5

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2.5

 

 

 

 

 

                                                                                                                                                                     

 

Sugerencias didácticas:

  • Propiciar  la búsqueda  y selección  de información  de temas a fines a la practica

              En libros de texto, revistas  de actualidad científica,  en internet.

  • Propiciar el debate para plantear  otras alternativas para el estudio  de la generación de cargas eléctricas
  • Uso de video   para mejorar  la comprensión  de los conceptos
  • Desarrollo de  nuevos modelos didácticos  por los  mismos alumnos
  • Uso de software y  laboratorios virtuales  en la solución de problemas y  como  complementó de  la comprensión de conceptos
  • Elaborar  con el estudiante  un banco de problemas  para reforzar los temas vistos en clase 

 

PREGUNTAS
1.- Las  placas  de un condensador  se encuentran  conectadas  a  una batería. ¿Que le suceded  a la carga de las placas  si se desconecta  los abales de la batería?

2.- Las  placas  de un condensador  se encuentran  conectadas  a  una batería. ¿Qué  sucede  ala carga  si se desconectan los cables  de la batería y se  conectan entre si?

3.- Si  se desea  aumentar  el voltaje de operación  máximo  de un condensador  de placas paralelas.  ¿Cómo puede conseguirse?

4.- puesto que  las cargas  de las placas  de un condensador  de placas paralelas  son de signo contrario, se atraen. Por tanto, se  requiere un trabajo positivo para  aumentar la separación entre placas. ¿Qué ocurre  con el trabajo externo realizado en este proceso?

5.- se le pide  construya  un condensador  de tamaño pequeño y gran capacitancia. ¿Qué factores son importantes en su diseño?

Reporte  del alumno (resultados):

1.- Contestar el cuestionario
2.- El alumno   describirá  el procedimiento del experimento paso a paso, enriqueciéndolo con imágenes fotográficas, del experimento.
3.- Hará  las mediciones  tal como fueron indicadas  y las registrara en las tablas que se incluyen
4.- Llevará acabo  una investigación  que incluya:
a.- Los tipos de condensadores comerciales con dieléctrico, su costo, donde  se pueden comprar.
b.- La aplicación de los condensadores en circuitos  electrónicos  y eléctricos   en electrodomésticos  así como de uso industrial en maquiladoras  y en la CFE

 

Bibliografía preliminar:
Libro de texto  oficial de la materia
Serway   Raymon y Jewett John.
Física II: Texto basado en calculo
                                   Ed. Internacional Thompson Editores,  ISBN 970-696-340-0

Lea Susan  y Burke John (2000)
Física  la naturaleza de  las cosas.  Volumen
Ed. Internacional Thompson Editores,  ISBN  968-7529-38-5
 
Reese Donald Lane (2002)
Física  Universitaria: Volumen II
Ed. Internacional Thompson Editores,  ISBN  970=686=103=3

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Elaborado en: Enero del 2004 | Ultima actualización: febrero del 2010.