Carga y Descarga de Capacitor: Experimento Práctico de Circuito RC

Materiales Necesarios para el Experimento de Carga y Descarga de Capacitor

Para realizar el experimento, reúne los siguientes elementos:

• Batería de 6 V
• Dos capacitores electrolíticos, 1 000 µF mínimo (ej. Radio Shack #272-1019, 272-1032 o equivalentes)
• Dos resistencias de 1 kΩ
• Un interruptor unipolar unidireccional (SPST) (un interruptor de luz doméstico funciona bien)

Los valores grandes de capacitancia son esenciales para lograr constantes de tiempo lo suficientemente largas para mediciones precisas con voltímetro y cronómetro.

Dado que la mayoría de los capacitores a estos valores son electrolíticos, son sensibles a la polaridad. El terminal negativo suele marcarse con una línea o series de líneas que apuntan hacia él; el terminal positivo puede tener un signo +. Conectar un capacitor al revés casi con certeza causará su falla, incluso a 6 V. Los capacitores electrolíticos fallados pueden explotar, liberando químicos cáusticos y emitiendo un olor fétido. Ten precaución.

Nota de seguridad: Si no estás seguro sobre las marcas de polaridad, consulta la hoja de datos o un instructor calificado.

Recursos Relacionados

• Lessons In Electric Circuits, Volumen 1, Capítulo 13: "Capacitores"
• Lessons In Electric Circuits, Volumen 1, Capítulo 16: "Constantes de Tiempo RC y L/R"

Objetivos de Aprendizaje

Después de completar este laboratorio deberías ser capaz de:

• Describir el comportamiento de carga de un capacitor en un circuito RC.
• Describir el comportamiento de descarga.
• Calcular la constante de tiempo τ = RC.
• Explicar cómo las conexiones en serie y paralelo alteran la capacitancia total.

Esquemático del Circuito de Carga y Descarga

Configuración del Experimento

Procedimiento

Medición del Voltaje Durante la Carga

Ensambla el circuito de carga y cierra el interruptor. Usa un voltímetro para registrar el voltaje a través del capacitor a lo largo del tiempo. Observa el aumento gradual y exponencial en lugar de un salto repentino.

Para reiniciar el capacitor a cero voltios, haz un cortocircuito en sus terminales con un trozo de cable.

La constante de tiempo τ de un circuito RC es igual al producto de resistencia y capacitancia. Para una resistencia de 1 kΩ y un capacitor de 1 000 µF, τ = 1 s. Este es el tiempo necesario para que el voltaje del capacitor alcance aproximadamente el 63,2 % del voltaje de la batería.

Graficar el voltaje versus tiempo en papel milimetrado revela la curva exponencial inversa característica. Una constante de tiempo de un segundo ofrece resolución limitada, así que podemos ralentizar el circuito deliberadamente.

Modificación de la Constante de Tiempo

Aumenta τ ajustando:

• la resistencia total (ej. usando más resistencias en serie), o
• la capacitancia total (ej. usando capacitores en serie o paralelo).

Experimenta con diversas combinaciones en serie y paralelo de las dos resistencias y dos capacitores para encontrar la configuración que produzca la curva de carga más lenta.

Recuerda: al conectar capacitores, asegúrate de que los terminales negativos estén orientados hacia el terminal negativo de la batería.

El circuito de descarga se comporta de forma similar, pero el voltaje comienza en el nivel de la batería y decae lentamente una vez que se abre el interruptor. Repite los experimentos con diferentes arreglos de resistencias y capacitores, siempre respetando la polaridad.

Simulación por Computadora

Esquemático SPICE con números de nodo:

Netlist (copia el siguiente texto en un archivo de texto plano llamado rc.cir):

Circuito de carga de capacitor
v1 1 0 dc 6
r1 1 2 1k
c1 2 0 1000u
.ic 0
.tran 0.1 5
.uic
.plot tran v(2,0)
.end

Hojas de Trabajo

• Hoja de Trabajo de Cálculos de Constante de Tiempo
• Hoja de Trabajo de Capacitores