3.17: Carga y Descarga de Capacitores
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En este experimento, intentaremos conocer los siguientes conceptos:
- Acción de carga del condensador
- Acción de descarga de capacitores
- Cálculo constante de tiempo
- Capacitancia en serie y paralelo
Capacitores de carga y descarga de piezas y materiales del experimento
Para realizar este experimento, necesitarás lo siguiente:
- Batería de 6 voltios
- Dos capacitores electrolíticos grandes, 1000 µF como mínimo (catálogo de Radio Shack # 272-1019, 272-1032 o equivalente)
- Dos resistencias de 1 kΩ
- Un interruptor de palanca, SPST (“Monopolo, Single-Throw”)
Se requieren condensadores de gran valor para este experimento para producir constantes de tiempo lo suficientemente lentas como para rastrear con un voltímetro y un cronómetro. Tenga en cuenta que la mayoría de los condensadores grandes son del tipo “electrolítico”, ¡y son sensibles a la polaridad! Un terminal de cada condensador debe estar marcado con un signo de polaridad definida. Por lo general, los condensadores del tamaño especificado tienen una marca negativa (-) o una serie de marcas negativas apuntando hacia el terminal negativo. Los capacitores muy grandes suelen ser etiquetados por polaridad mediante una marca positiva (+) junto a un terminal.
Si no se presta atención a la polaridad adecuada, casi seguramente resultará en una falla del condensador, incluso con un voltaje de fuente tan bajo como 6 voltios. Cuando los condensadores electrolíticos fallan, normalmente explotan, arrojando productos químicos cáusticos y emitiendo malos olores. ¡Por favor, trate de evitar esto!
Recomiendo un interruptor de luz doméstico para el “interruptor de palanca SPST” especificado en la lista de piezas.
Lectura adicional
- Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, Capítulo 13: “Capacitores”
- Lecciones En Circuitos Eléctricos, Volumen 1, capítulo 16: “Constantes de Tiempo RC y L/R”
Diagrama esquemático del circuito de carga y descarga
Ilustración del experimento
Instrucciones del experimento
Medición del voltaje de su circuito
Construya el circuito de “carga” y mida el voltaje a través del condensador cuando el interruptor esté cerrado. Observe cómo aumenta lentamente con el tiempo, en lugar de repentinamente como sería el caso con una resistencia. Puede “restablecer” el condensador a un voltaje de cero cortando a través de sus terminales con un trozo de cable.
La “constante de tiempo” (τ) de un circuito resistor-condensador se calcula tomando la resistencia del circuito y multiplicándola por la capacitancia del circuito. Para una resistencia de 1 kΩ y un condensador de 1000 µF, la constante de tiempo debe ser de 1 segundo. Esta es la cantidad de tiempo que tarda el voltaje del condensador en aumentar aproximadamente 63.2% desde su valor actual hasta su valor final: el voltaje de la batería.
Es educativo trazar el voltaje de un condensador de carga a lo largo del tiempo en una hoja de papel cuadriculado, para ver cómo se desarrolla la curva exponencial inversa. Para trazar la acción de este circuito, sin embargo, debemos encontrar una manera de ralentizarlo. ¡Una constante de tiempo de un segundo no proporciona mucho tiempo para tomar lecturas de voltímetro!
Cambio de la Constante de Tiempo de un Circuito
Podemos aumentar la constante de tiempo de este circuito de dos maneras diferentes:
- Cambiar la resistencia total del circuito, y/o
- Cambio de la capacitancia total del circuito.
Dado un par de resistencias idénticas y un par de condensadores idénticos, experimente con varias combinaciones en serie y paralelo para obtener la acción de carga más lenta. Ya deberías saber a estas alturas cómo se necesitan conectar múltiples resistencias para formar una mayor resistencia total, pero ¿qué pasa con los capacitores?
Este circuito le demostrará cómo cambia la capacitancia con las conexiones de condensadores en serie y en paralelo. Solo asegúrate de insertar el condensador (es) en la dirección correcta: ¡con los extremos etiquetados como negativo (-) eléctricamente “más cercanos” al terminal negativo de la batería!
El circuito de descarga proporciona el mismo tipo de cambio de voltaje del condensador, excepto que esta vez el voltaje salta a voltaje completo de la batería cuando el interruptor se cierra y cae lentamente cuando se abre el interruptor.
Experimente una vez más con diferentes combinaciones de resistencias y capacitores, asegurándose como siempre de que la polaridad del condensador sea correcta.
Simulación por Computadora
Esquema con números de nodo SPICE:
