Capacitancia
Fuente: Yong P. Chen, PhD, Departamento de física & Astronomía, Facultad de Ciencias, Universidad de Purdue, West Lafayette, IN
Este experimento utili…
1. carga de un condensador
- Obtener un condensador comercial con una capacitancia C = 470 μF (o algún valor similar), una fuente de voltaje programable y un amperímetro (o multímetro puede medir actual).
- Con la fuente de tensión a 0 V, conecte el terminal "+" de la fuente de tensión a un terminal del condensador, con el amperímetro en el medio y conecte el terminal "−" de la fuente de voltaje a la terminal, como en la figura 1. La conexión puede realizarse con cables con pinzas o enchufes de plátano en recepción de puertos en el condensador e instrumentos.
- Cambiar la fuente de tensión de 0 V a 1 V (de aproximadamente 1 s), y observar el transitorio actual de lectura en el amperímetro. Hacer lo mismo con 2 V, 5 V y 10 V (para cada voltaje objetivo; esto significa que primero ir a 0 V, luego cambiar a la tensión de destino en alrededor de 1 s). Tenga en cuenta que la corriente transitoria es más grande para una mayor tensión de objetivo, como se esperaba de ecuación 2.
- Programa de la fuente de voltaje para generar una rampa de tensión de 0 V a 10 V en 5 s y grabar la lectura de "estado estacionario" de la metro del amperio durante la mitad de la rampa. Repita para un tiempo de rampa de 10 s, 20 s y 30 s. parcela la corriente observada versus la tasa de rampa de tensión (en V/s).
2. Ajuste de la capacitancia
- Apague la fuente de voltaje y reemplazarla con una batería de V 300 y vuelva a colocar el amperímetro una resistencia MΩ 1 (el propósito de este resistor es proporcionar protección adicional para limitar la corriente en el circuito); también Reemplace el condensador comercial con un condensador de placas paralelas con una separación ajustable entre las placas.
- Obtener un voltímetro de alta impedancia (o "Electrómetro") y conectarlo para medir la diferencia del voltaje V entre las dos placas (la impedancia alta impide la descarga del condensador durante el experimento cuando se conecta el electrómetro). Vea la figura 5.
- Conectar la batería de V 300 para el condensador de placas paralelas, espere hasta que el electrómetro alcanza el estado estacionario de 300 V (ahora el condensador está cargado por la fuente V 300) y entonces desconectar rápidamente la fuente de tensión de las placas. Vea la figura 6. El electrómetro todavía deberá leer 300 V.
- Ahora aumentar la distancia d entre las placas más grandes valores como 15 mm, 10 mm y 5 mm y observar y registrar el valor correspondiente en el electrómetro (V); representar V frente a d.
- Aumentar de nuevo d a ~ 20 mm, inserte un bloque plástico entre las dos placas y observar qué pasa con V que leer por el electrómetro. La reducción de V entre los resultados de las placas (con carga Q fijada en este caso) desde el ε constante dieléctrica más grande de la plástica (frente a aire) como el medio del condensador (vea las ecuaciones 1 y 3).
3. paralelo y serie capacitancias
- Obtener un capacímetro (un "medidor de LCR" o un multímetro con un modo de medición de capacitancia); obtener un protoboard para facilitar las conexiones eléctricas en esta parte del experimento.
- Obtener dos condensadores de "cerámica" comerciales con una capacitancia de 1 μF y utilice el medidor de capacitancia para verificar su capacidad, como en la figura 2.
- Conecte los dos condensadores en paralelo y use el medidor de capacitancia para medir la capacitancia total (entre los puntos A y B, ver figura 3).
- Conecte los dos condensadores en serie y utilice el medidor de capacitancia para medir la capacitancia total (entre los puntos A y B, ver figura 4).
Figura 3: diagrama que muestra dos capacitores conectados en paralelo.
Figura 4: diagrama que muestra dos capacitores conectados en serie.
Figura 5: diagrama mostrando la carga de un condensador mediante una fuente de tensión, mientras que lee el voltaje con un Electrómetro.
Figura 6: después de desconectar rápidamente la fuente de tensión en la figura 5, el voltaje y la carga en el condensador deben permanecer.
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Un condensador es esencial en los circuitos porque resiste los cambios de voltaje almacenando cargas iguales y opuestas en sus terminales conductores y luego suministrando energía cuando el suministro de voltaje cae.
Un condensador se compone de dos terminales conductores, como las dos placas de un "condensador de placa paralela", separadas por un material aislante o espacio. Cuando se aplica voltaje a través de un condensador, extrae corriente. Esto hace que los electrones se acumulen en una placa mientras son repelidos en la otra, almacenando así cargas iguales y opuestas en las dos placas.
La capacidad del componente para almacenar carga se denomina capacitancia y se mide en unidades llamadas faradios.
Este video utiliza un condensador de placa paralela para ilustrar el concepto de capacitancia y su dependencia de los factores físicos y la configuración de la red.
Cuando se aplica una fuente de energía a un circuito, el condensador extrae "corriente de carga" hasta que sus conductores están completamente cargados. La cantidad de carga 'Q' que puede almacenar un condensador depende de la capacitancia 'C' del componente y de la magnitud de la tensión suministrada 'V'.
Cuando el voltaje cae, la carga de los conductores del condensador fluye hacia el circuito, generando corriente hasta que se agota la carga almacenada, estabilizando así la fluctuación del voltaje. Corriente es la tasa de cambio en la cantidad del cargo. Combinando esto con la ecuación anterior, podemos decir que el flujo de corriente que sale del condensador es la capacitancia multiplicada por la tasa de cambio en el voltaje.
El valor de C es constante para un condensador dado, y se puede obtener usando esta ecuación, que muestra que C es directamente proporcional a A - el área de la superficie de la placa, d - la distancia de la brecha y epsilon - la constante dieléctrica o "permitividad" del material aislante entre las placas.
La constante dieléctrica es una medida del grado en que el material se polariza en un campo eléctrico.
Así, dada la relación entre épsilon y C, y C y Q; A un voltaje dado, mayor será la permitividad y mayor será la capacidad de almacenamiento de carga del condensador.
El vacío tiene una constante dieléctrica de 8,85x10-12 faradios por metro, denotada ?0. Otros medios generalmente tienen valores de permitividad más altos, que se escalan a ?0 y se denominan permitividad "relativa" del medio. Por ejemplo, la permitividad relativa del aire es aproximadamente uno, los polímeros varían de 2 a 4 y el agua destilada es 80.
Ahora que se han explicado las propiedades físicas que afectan a la capacitancia, echemos un vistazo a cómo medir la capacitancia en elementos capacitivos individuales o en red.
Para comenzar, reúna los siguientes materiales: un condensador comercial con una capacitancia cercana a 470 micro faradios, una fuente de voltaje programable y un amperímetro o multímetro que pueda medir la corriente.
A continuación, con la fuente de voltaje configurada en 0 V, conecte su terminal positivo al amperímetro. A continuación, conecte el otro puerto del amperímetro al condensador, utilizando cables con abrazaderas o enchufes tipo banana. Esto permite la medición de la corriente de salida del condensador. Después de eso, conecte el puerto negativo de la fuente de voltaje al otro terminal del condensador.
Luego, cambie la fuente de voltaje de 0 a 1 V y observe la lectura de corriente transitoria en el amperímetro. A continuación, vuelva a ajustar el voltaje a 0 antes de aumentar a 2 V, 5 V y finalmente a 10 V. Para cada voltaje objetivo, deje un segundo de reposo a 0 V entre cambios a diferentes voltajes objetivo. Observe la corriente transitoria a medida que cambia el voltaje.
Como predice la ecuación, se espera que la corriente transitoria sea mayor para un voltaje objetivo mayor.
Por último, programe la fuente de voltaje para generar una rampa de voltaje de 0 V a 10 V durante 5 segundos y registre la lectura del amperímetro de "estado estacionario" a mitad de la rampa. A continuación, repita para tiempos de rampa de 10 s, 20 s y 30 s.
Ahora obtenga un condensador de placa paralela con separación ajustable entre las placas, y use una batería de 300V como fuente de voltaje. Reemplace el amperímetro con una resistencia de 1 mega-ohmio. Esta resistencia proporciona una protección adicional que limita el flujo de corriente en el circuito.
En segundo lugar, conecte un voltímetro de alta impedancia, o electrómetro, entre las dos placas para medir la diferencia de voltaje.
A continuación, conecte la batería al condensador y espere hasta que el electrómetro también alcance el estado estable de 300 V, lo que indica que el condensador está completamente cargado. A continuación, desconecte rápidamente la batería de las placas. El electrómetro aún debe marcar 300 V.
Repita la medición después de disminuir la distancia entre las placas a 15, 10 y 5 mm.
Finalmente, con una distancia entre la placa del condensador de 20 mm, inserte una losa de plástico entre las dos placas y observe qué sucede con la lectura de voltaje del electrómetro.
Para el condensador comercial, el gráfico de la corriente medida frente a la tasa de rampa de voltaje revela una relación lineal entre los dos parámetros.
Esto cumple con la relación predicada por esta ecuación, que derivamos anteriormente en el video. Según la ecuación, la pendiente de la línea es igual a la capacitancia.
Para el condensador de placa paralela con carga fija, el gráfico de voltaje entre las placas frente a la distancia entre las placas es lineal. Esto, de nuevo, apoya las relaciones teóricas. Sabemos que la capacitancia y la distancia entre placas son inversamente proporcionales. También sabemos que cuando la carga del conductor es fija, la capacitancia y el voltaje también son inversamente proporcionales. La combinación de estas dos ecuaciones revela que el voltaje y la distancia de la placa son directamente proporcionales entre sí cuando la carga es fija.
Esta ecuación también predice que con una carga fija, cuanto mayor sea la constante dieléctrica del medio de separación, menor sería el voltaje entre las placas. Esto se confirmó cuando el aire en el espacio fue reemplazado por plástico y vimos una caída en la lectura del voltímetro.
Los condensadores se utilizan en una gran variedad de aplicaciones científicas y de ingeniería para almacenar, cargar y descargar selectivamente la electricidad.
Los condensadores son esenciales para el procesamiento de señales eléctricas. Por ejemplo, los biólogos utilizaron una prueba de dos opciones para evaluar cómo los ratones reconocen y responden a diferentes vocalizaciones ultrasónicas. En primer lugar, los archivos de sonido se graban a partir de ratones vivos y se recortan con filtros de paso alto para seleccionar la frecuencia.
Los circuitos de filtro de paso alto utilizan condensadores para bloquear las oscilaciones de baja frecuencia, ya que la conducción entre las placas de condensadores generalmente aumenta a frecuencias más altas y disminuye a bajas frecuencias. Luego, los sonidos de frecuencia variable se reproducen simultáneamente en dos ubicaciones separadas, lo que permite a los ratones migrar hacia la vocalización preferida.
Si bien las fuentes de alimentación son de CA con corriente fluctuante, muchos dispositivos electrónicos, como las computadoras, requieren alimentación de CC. Los condensadores se utilizan dentro de los adaptadores de alimentación de CA para filtrar las señales eléctricas y estabilizar el suministro de CC, proporcionando una fuente suave e ininterrumpida.
Acabas de ver la introducción de JoVE a los condensadores. Ahora debe comprender el concepto de capacitancia, cómo medir este parámetro físico y cómo propiedades como la distancia entre placas o el material de separación afectan el valor de capacitancia. Como siempre, ¡gracias por mirar!
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Q1: What is capacitance and how does a capacitor store charge?
Capacitance is the ability of a capacitor to store charge, measured in Farads. A capacitor consists of two conductive plates separated by an insulating material. When voltage is applied, electrons accumulate on one plate while being repelled from the other, creating equal and opposite charges. This charge storage stabilizes voltage fluctuations in circuits.
Q2: How does plate separation affect capacitance in a parallel plate capacitor?
Capacitance is inversely proportional to the distance between plates. As the gap distance decreases, capacitance increases, allowing the capacitor to store more charge at the same voltage. This relationship is described by the equation C = εA/d, where d is the plate separation, A is plate area, and ε is the dielectric constant.
Q3: What role does dielectric material play in capacitor performance?
The dielectric material between capacitor plates determines the permittivity, or dielectric constant, which directly affects charge storage capacity. Materials with higher permittivity values, such as distilled water with a relative permittivity of 80 compared to air's value of one, enable capacitors to store significantly more charge at a given voltage.
Q4: How is current related to voltage changes in a capacitor?
Current flowing through a capacitor equals capacitance multiplied by the rate of voltage change over time. When voltage changes rapidly, larger transient currents flow. This relationship explains why capacitors pass high-frequency signals while blocking low-frequency oscillations, making them useful in high-pass filter circuits for resistor capacitor resistor inductor and inductor capacitor circuits.
Q5: What happens when a capacitor discharges after the voltage supply is removed?
When voltage is disconnected, stored charge flows from the capacitor's conductors back into the circuit, generating current until the charge is depleted. This discharge process stabilizes voltage fluctuations by supplying energy when the external voltage supply drops, making capacitors essential for maintaining steady electrical signals.
Q6: How do capacitors function in AC power adapters and signal processing?
Capacitors filter electrical signals and stabilize DC supplies in AC power adapters, providing smooth, uninterrupted power to devices like computers. In signal processing, capacitors in high-pass filter circuits block low-frequency oscillations while allowing higher frequencies to pass, enabling selective frequency filtering in applications like ultrasonic vocalization analysis.
Q7: What physical factors determine the capacitance value of a parallel plate capacitor?
Capacitance depends on three physical factors: plate surface area (A), gap distance (d), and the dielectric constant (ε) of the insulating material. The relationship is C = εA/d, showing capacitance increases with larger plate area and higher permittivity, but decreases as the gap distance increases.