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Manual de laboratorio de Electricidad y Magnetismo Física III

12ava edición 1

Condensadores yBobinas en Circuitos de C.C.

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FFununddaammeennttoo TTeeóórricicoo -- CCOONDNDEENNSSAADDOORREESSLos condensadores son estructuras en las que se pueden almacenar cargas eléctricas en reposo. En su estructura básica, un condensador consta de dos placas metálicas que representan los electrodos del condensador. Por medio del aislamiento de las cargas se forma una diferencia de potencial eléctrico (tensión) U entre los electrodos. La imagen siguiente muestra como ejemplo un condensador de placas, con la superficie A y la distancia entre placas d, que porta la carga Q. Debido al aislamiento de cargas se forma un campo eléctrico entre las placas (no representado en esta imagen).

Entre las placas, por lo general, se encuentra un material aislante, esto es, el elemento que se conoce como dieléctrico (no representado en la parte superior). Entre la carga y la tensión existe una relación lineal; es válida la siguiente relaciónLa magnitud C representa la capacidad del condensador, y se expresa con la unidad faradio(símbolo: F).

La capacidad de un condensador se puede asumir como constante, y depende únicamente de la estructura geométrica y del dieléctrico empleado. Para un condensador de placas es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, ε0 es la constante eléctrica de campo y posee un valor de8.8542·10-12 AS/Vm, ε es el índicedieléctrico (carente de unidad), A la superficie de una placa y d la distanciaentre placas.Si un condensador se conecta a una tensión continua U0 a través de una resistencia de carga R, se carga debido a la presencia de dicha tensión, proceso durante el cual la tensión del condensador, de acuerdo con una función exponencial, aumenta de 0 V hasta alcanzar su valor final U0 (100%) (curva de carga de un condensador, véase la


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imagen de la izquierda). Si, a continuación, se desconecta el condensador de la fuente de tensión y se lo cortocircuita, se produce un proceso de descarga inverso al proceso de carga (véase la imagen de la derecha).

Ajustes de la fuente detensión continua

Rango: 10 V

Tensión de salida: 10 V

Ajustes del osciloscopio

Canal A 5 V / div

Canal B 200 mV / div

Base de tiempo: 200 ms / div

Modo de operación: X/T, DC

Trigger:Canal A / flanco ascendente / SINGLE / pre-Trigger 25%


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Proceso de carga del condensador en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se debe analizar el proceso de carga de un condensador de 100 µF (curva de la tensión del condensador y corriente de carga). Monte el circuito experimental representado a continuación.

La siguiente figura ilustra el montaje experimental:

Abra el instrumento virtual Fuente de tensión continua, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. En primer lugar, no conecte el instrumento.

Abra el instrumento virtual Osciloscopio a través de la opción de menú Instrumentos |Instrumentos de medición | Osciloscopio, o también pulsando la siguiente imagen, y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Aplique ahora un salto de tensión al condensador, conectando la fuente de tensión continua por medio de la tecla POWER. Arrastre el oscilo grama obtenido hacia la siguiente ventana


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CUESTIONARIO (EL CONDENSADOR)

1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de la tensión del condensador después de que se conecta la tensión continua?

A) Salta inmediatamente a un valor de aproximadamente 10 V y se mantiene en este valor.

B) Asciende linealmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

C) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y se mantiene en este valor.

D) Asciende exponencialmente hasta alcanzar un valor aproximado de 10 V y, a continuación, vuelve a descender a 0V

2.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de corriente de carga después de que se conecta la tensión continua?

A) Durante todo el proceso de carga se mantiene constante.B) En primer lugar, salta a un valor máximo y luego desciende linealmente hasta llegar

a cero.C) Asciende exponencialmente de cero a un valor máximo.D) En primer lugar, salta a un valor máximo y, a continuación, desciende

exponencialmente hasta llegar a cero.

3.- ¿Qué reacción ocasionaría una disminución de la resistencia de carga R13 en el valor máximo de la corriente de carga?

A) Ninguna.B) La corriente de carga disminuiría. C) La corriente de carga ascendería.

Separe el condensador de la tensión de alimentación retirando el cable del clavijero V43 y observe la tensión del condensador durante un tiempo prolongado.4.- ¿Qué sucede con la tensión del condensador?

A) Permanece constante. B) Aumenta.C) Desciende paulatinamente hasta llegar a 0 V.D) Primeramente asciende y luego desciende hasta 0 V.

5.- ¿Cómo se puede explicar esta reacción?A) El condensador, una vez que se ha retirado la tensión de alimentación, representa una

resistencia óhmica.A) El condensador se descarga a través de la resistencia interna de la medición.B) El condensador mantiene su tensión puesto que la carga no puede salir al exterior.

Vuelva a conectar la fuente de tensión continua para volver a cargar el condensador. Para analizar la influencia de la resistencia de entrada necesaria para la medición (ANALOG IN), separe ahora la conexión con el clavijero A+). Vuelva a separar ahora el cable que va al clavijero X43. A continuación, conecte A+, sólo brevemente, para comprobar la tensión del condensador y mida la tensión en largos intervalos de tiempo.

6.- ¿Qué se puede observar en contraposición a la medición continua?A) No se observa ninguna diferencia con la medición continua. B) La tensión desciende ahora más rápidamente.C) La tensión desciende ahora más lentamente. D) La tensión permanece ahora constante.


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Fundamento Teórico DE LA BOBINA EN EL CIRCUITODE CORRIENTE CONTINUA

Inductancia de una bobina

Junto al campo eléctrico, que aparece por ejemplo entre las placas de un condensador cargado, existe en la electrotecnia un segundo tipo de campo en forma de campo magnético. Mientras que el campo eléctrico aparece en el entorno de cargas en reposo, el campo magnético está ligado a portadores de carga en movimiento, esto es, a una corriente eléctrica.

La inductancia L de la bobina es, en este caso, un indicador de su capacidad para generar una tensión de autoinducción. Para una bobina alargada es válida la siguiente relación:

En esta ecuación, µ0 es la constante magnética de campo, µr la permeabilidad relativa del núcleo de la bobina, N el número de espiras, l la longitud de la bobina y A su sección transversal (véase la imagen siguiente).

La unidad de la inductancia es el henrio (símbolo H, 1 H = 1 Vs/A). Una bobina tiene una inductancia igual a 1 H si durante la modificación uniforme de la corriente que fluye por ella en1 A por segundo, se induce una tensión de autoinducción igual a 1 V.

Conexión y desconexión de una bobina

Si una bobina se encuentra en un circuito de corriente continua, la corriente que fluye por ella es constante -tomando en cuenta, en primer lugar, el proceso de conexión- de manera que no se genera ninguna tensión de autoinducción. La bobina actúa, por tanto, en este caso, como una resistencia óhmica, cuyo valor de resistencia (por lo general muy pequeño), resulta del valor de resistencia específico del material de la bobina al igual que de la longitud y sección transversal del alambre.

Cuando se conecta una bobina, en primer lugar, se forma su campo magnético; debido a las modificaciones resultantes del flujo, se crea una tensión de autoinducción que actúa opuestamente a la tensión aplicada. De esta manera no asciende la intensidad de corriente abruptamente en el circuito eléctrico (como ocurriría con una carga resistiva), sino que la corriente asciende paulatinamente hasta alcanzar un determinado valor final. Si sedesconecta la bobina, tiene lugar un proceso inverso: Al diluirse el campo magnético se origina una tensión de autoinducción, que tiene el mismo sentido que la tensión que se aplicaba anteriormente, y que en las bobinas con fuertes campos magnéticos puede adoptar valores más elevados. La tensión de autoinducción, en principio, mantiene el flujo de corriente que atraviesa la bobina, de manera que la corriente no varía abruptamente sino que desciende paulatinamente hasta llegar a cero.

Ajustes del osciloscopio

Canal A 2 V / div

Base de tiempo: 10 µs / div

Modo de operación: X/T, DC

Trigger:Canal A / flanco ascendente / pre- trigger 25%


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Experimento: La bobina en el circuito de corriente continua

En el experimento siguiente se analizará el proceso de desconexión de una bobina. Para ello, en primer lugar, se cargará la bobina con una tensión continua de 5 V y, a continuación, se abrirá el circuito de corriente por medio de un relé.

Monte el circuito experimental que se representa a continuación en la tarjeta de experimentación SO4203-6A: Aquí se debe cablear el relé 1 de manera que el clavijero X48 de la tarjeta de experimentación, en estado de reposo, se encuentre conectado al relé con la salida S (ANALOG OUT) de la interfaz.

La siguiente animación ilustra el montaje experimental:Abra el instrumento virtual Fuentede tensión continua,y seleccione los ajustes que se detallan en la tabla siguiente. Encienda a continuación el instrumento por medio de la tecla POWER.

Abra el instrumento virtualOsciloscopio, y seleccione losajustes que se detallan en la tabla siguiente.

Abra el panel de relés por medio de la opción de menú Instrumentos | Relé o pulsando la imagen que se encuentra a continuación.


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Cortocircuite brevemente el relé1 del panel para desconectar la bobina de la alimentación de tensión. Arrastre con el ratón el oscilograma obtenido en la siguiente ventana, y vuelva a conectar el relé en la posición inicial.

CUESTIONARIO (LA BOBINA)

1.- ¿Cuál es la trayectoria de la curva de tensión en la resistencia de descarga R2?

A) Salta a un elevado valor positivo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V B) Salta a un elevado valor negativo y desciende a continuación lentamente acercándose a 0 V. C) Salta inmediatamente a 0 V Permanece constante

Ahora, reemplace la resistencia de descarga: R2 = 500 Ώ por la resistencia R3 = 1500 Ώ y repita el experimento. Lleve el oscilograma a la siguiente ventana.

2.- ¿Cómo varía la curva de tensión?

A) No varía en lo absoluto.B) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación.C) La tensión desciende ahora rápidamente y el pico negativo muestra una pronunciación

marcada.D) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una

ligera pronunciación.E) La tensión desciende ahora lentamente y el pico negativo muestra una pronunciación

marcada.F) La tensión permanece constante.


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