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Circuito RC




Enviado por francolupio



     

    Indice
    1.
    Introduccion

    2. Circuitos RC
    3. Carga de un
    capacitor

    4. Constante de tiempo
    5. Descarga de un
    capacitor

    6. Conclusiones
    7. Bibliografia

    1.
    Introduccion

    El presente trabajo es una investigación sobre el circuito RC, un
    circuito que cuenta con infinidad de aplicaciones, para ello se
    establece en primer lugar el desarrollo
    matemático del mismo , acompañado de un argumento
    teórico y seguido de ejemplos para apoyar las ideas
    planteadas en este trabajo.
    El simple acto de cargar o descargar un capacitor, se puede
    encontrar una situación en que las corrientes, voltajes y
    potencias si cambian con el tiempo, los
    capacitores
    tienen muchas aplicaciones que utilizan su capacidad de almacenar
    carga y energía; por eso, entender lo que sucede cuando se
    cargan o se descargan es de gran importancia practica.
    Muchos circuitos
    eléctricos contienen resistores y capacitores. La
    carga/ descarga de un capacitor tiene muchas aplicaciones.
    Por ejemplo algunos automóviles vienen equipados con un
    elemento mediante el cual los limpiadores del parabrisas se
    utilizan de manera intermitente durante una llovizna ligera. En
    este modo de operación los limpiadores permanecen apagados
    durante un rato y luego se encienden brevemente.
    La duración del ciclo encendido/apagado es determinada por
    la constante de tiempo de una combinación
    resistor-capacitor.

    2. Circuitos
    RC

    La figura ilustra un ejemplo de un circuito
    resistor-capacitor, o circuito RC. En la parte a del dibujo un
    interruptor completa el circuito en el punto A, de modo que la
    batería puede cargar las placas del capacitor. Cuando el
    interruptor esta cerrado, el capacitor no se carga de inmediato .
    En vez de lo anterior , la carga llega gradualmente a su valor de
    equilibrio de
    q= CVo, en donde Vo es la tensión de
    la batería.

    3. Carga de un
    capacitor

    Si cargamos al capacitor de la figura siguiente al poner
    el interruptor Sen la posición a. ¡ Que corriente se
    crea en el circuito cerrado resultante?, aplicando el principio
    de conservación de energía tenemos:

    En el tiempo dt una carga dq (=i dt) pasa a
    través de cualquier sección transversal del
    circuito. El trabajo ( =
    Є dq) efectuado por la fem debe ser igual a la
    energнa interna ( i2
    Rdt) producida en el resistor durante el tiempo dt, mas el
    incremento dU en la cantidad de energía U
    (=q2/2C) que esta almacenada en el capacitor. La
    conservación de la energía
    da:
    Є dq =
    i2 Rdt +
    q2/2C
    Є dq =
    i2 Rdt + q/c dq
    Al dividir entre dt se tiene:
    Є dq / dt =
    i2 Rdt + q/c dq/dt
    Puesto que q es la carga en la placa superior, la i positiva
    significa dq/dt positiva. Con i = dq/dt, esta ecuación se
    convierte en
    :
    Є = i Rdt + q/c
    La ecuación se
    deduce tambien del teorema del circuito cerrado, comodebe ser
    puesto que el teorema del circuito cerrado se obtuvo a partir del
    principio de conservación de energía . Comenzando
    desde el punto xy rodeando al circuito en el sentido de las
    manecillas del reloj, experimenta un aumento en potencial, al
    pasar por la fuentge fem y una disminución al pasar por el
    resistor y el capacitor , o sea :
    Є -i R –
    q/c = 0
    La cual es idéntica a la ecuación Є = i Rdt +
    q/c sustituimos primero por i por dq/dt, lo cual
    da:
    Є = R dq / dt + q/c
    Podemos reescribir
    esta ecuación así:
    dq / q – Є C = – dt / RC
    Si se integra este resultado para el caso en que q = 0 en t= 0,
    obtenemos: (despejando q),
    q= C Є ( 1
    – e-t/RC)
    Se puede comprobar que esta función q
    (t) es realmente una solución de la
    ecuación
    Є = R dq / dt + q/c ,
    sustituyendol en dicha ecuaciуn y viendo si
    reobtiene una identidad. Al
    derivar la ecuación q= C Є ( 1 –
    e-t/RC) con respecto al tiempo da:
    i =
    dq = Є e-t/RC
    dt
    R
    En las ecuaciones q=
    C Є ( 1 –
    e-t/RC) y i = dq = Є
    e-t/RC la cantidad RC
    tiene
    dt R
    las dimensiones de tiempo porque el exponente debe ser
    adimensional y se llama constantecapacitiva de
    tiempo τ C del
    circuito
    τ C
    = RC
    Es el tiempio en que ha aumentado la carga en el capacitor en un
    factor 1- e-1 (~63%) de su valor final C
    Є , Para demostrar esto ponemos t = τ
    C = RC en la ecuación q= C Є ( 1
    – e-t/RC) para obtener:
    q= C
    Є ( 1 – e-1) =
    0.63 C Є

    Grafica para el circuito

    Corriente i y carga del capacitor q. La corriente
    inicial es Io y la carga inicial en el capacitor es cero. La
    corriente se aproxima asintóticamente a cero y la carga
    del capacitor tiende asintóticamente a su valor final
    Qf.
    Grafica para los valores
    Є= 10v, R= 2000 Ώ y C= 1 μ

    Esta figura en la parte a muestra que si un
    circuito se incluye una resistencia junto
    con un capacitor que esta siendo cargado, el aumento de carga en
    el capacitor hacia su valor límite se retrasa durante su
    tiempo caracterizado por la constante de tiempo RC. Si un
    resistor presente (RC=0), la carga llegaría inmediatamente
    hacia su valor limite.
    Tambien en la parte a como se indica por la diferencia de
    potencial Vc, la carga aumente con el tiempo durante
    el proceso de
    carga y Vc tienede la valor de la fem
    Є.
    El tiempo se mide en el momento en que el interruptores conecta
    en a para t= 0.
    En la parte b de la figura La diferencia de potencial en el
    resistor disminuye con el tiempo, tendiendo a 0 en tiempos
    posteriores poruqe la corriente cae a cero una vez que el
    capacitor esta totalmente cargado. Las curvas esta
    dibujadas para el caso Є=
    10v, R= 2000
    Ώ y C= 1 μ F. Los triangulos negros representan las
    constantes de tiempos sucesivas.

    4. Constante de
    tiempo

    Después de un tiempo igual a RC, la corriente en
    el circuito R- C disminuye a 1/e ( cerca de 0.38) de su valor
    inicial. En este momento, la carga del capacitor ha alcanzado
    (1 – 1/e) = 0.632 de su valor final
    Qf= C Є .
    El
    producto RC
    es, pues una medida de que tan rápido se carga el
    capacitor. RC se llama constante de tiempo o tiempo de
    relajación del circuito y se representa con
    τ :
    τ = RC ( constante de tiempo para un circuito R
    – C).
    Cuando τ es pequeρa, el
    capacitor se carga rαpidamente; cuando es mas
    grande, la carga lleva mas tiempo.
    Si la resistencia es pequeña,es mas facil que fluya
    corriente y el capacitor se carga en menor tiempo.
    Ejemplos. Carga de un capacitor en un circuito RC
    1) Un capacitor descargado y una resistencia se conectan en serie
    con una bateria como se muestra en la figura
    siguiente. Si Є= 12v, C= 5 μ F
    y R= 8 x 10 5 Ώ, dterminese la
    constante de tiempo del circuito, la maxima carga en el
    capacitor, la maxima corriente en el circuito y la carga y la
    corriente cono funcion del tiempo.

     

     

    Solucion:
    La constante de tiempo del
    circuito es τ C = RC =
    (8 x 10 5 Ώ) (5 x
    10-6 F) = 4s.
    La
    Maxima carga en el cpacitor es Q= C Є =
    (5 x 10-6 F)(12V)= 60 μC.
    La maxima
    corriente en el circuito es
    I0 = ЄR = (12V) / (8×10
    5 Ώ) = 15 μ A.
    Utilizando estos
    valores y las
    ecuaciones q= C Є ( 1 –
    e-t/RC) y i = dq = Є
    e-t/RC
    dt R
    se encuentra que:
    q(t) = 60 ( 1 – e-t/4)
    μC
    I (t) 15 e-t/4
    μ A
    Las graficas de
    estas funciones son las
    siguientes:

    2) Un resistor R (=6.2M Ώ) y un capacitor C (=2.4
    μ F) estan conectados en serie, y a traves de esta
    combinaciσn se conecta una bateria de 12 V de resistencia
    interna insignificacnte . A) ΏCuál es la
    constante capacitiva de tiempo de estecircuito? B)
    ¿Qué tiempo después de haber conectado la
    bateria, la diferencia de potencial en el capacitor es igual a
    5.6 V?

    Solución:
    a)De la ecuación τ C = RC
    tenemos:
    τ C
    = RC = (6.2M Ώ) (2.4
    x10-6 F) = 15 s
    b) La diferencia de potencial en el capacitor es de Vc
    = q/c, lo cual, de acuerdo con la ecuación q= C Є (
    1 – e-t/RC) puede escribirse
    Vc = q/c = Є ( 1 –
    e-t/RC)
    Al
    despejar t obtenemos (usando τ
    C = RC)
    t= –
    τ C ( 1 –
    Vc )
    Є
    t = – (15s) ln (1 – 5.6 V ) 9.4
    s
    12v

    5. Descarga de un
    capacitor

    Considerese el circuito de la siguiente figura que
    consta de un capacitor con una carga inicial Q, una resistencia y
    un interruptor. Cuando el interruptor está abierto (parte
    a), existe una diferencia de potencial Q / C a través del
    capacitor y una diferencia de potencial cero a traves de la
    resistencia ya que I = 0. Si el interruptor se cierra al tiempo t
    = 0, el capacitor comienza a descargarse a traves de la
    reisistencia. En algún tiempo durante ladescarga, la
    corriente en el circuito es I y la carga del capacitor es q
    (parte b) .
    De la segunda Ley de Kirchhoff,
    se ve que la caída de potencial a traves de la
    resistencia, IR, debe ser igual a la diferencia de potencial a
    través del capacitor, q / C:
    IR = q
    c

    Sin embargo, la corriente en el circuito debe ser igual
    a la rapidez de decrecimiento de la carga en el capacitor. Es
    decir, I = – dq/ dt, así la ecuación IR = q/c viene
    a dar :
    – R dq = q
    dt c
    dq = – 1 dt
    q RC

    Integrando esta expresión y utilizando el hecho
    de que q= Q para t = 0 se obtiene:

     Diferenciando la última
    ecuación con respecto al tiempo se tiene la corriente como
    función del tiempo:

     

    donde la corriente inicial Io = Q/RC. Por lo
    tanto, se ve que la carga del capacitor y la corriente decaen
    exponencialmente a una rapidez caracterizada porla constante de
    tiempo
    τ = RC.

    Gráfica para el circuito

     

     

    Corriente i y carga del capacitor q como funciones del
    tiempo para el circuito. La corriente Io y la carga inicial Qo:
    tanto i como q se acercan asintóticamente a cero.
    Ejemplos. Descarga de un capacitor en un circuito RC
    1) Considerese el capacitor C descargandose a traves de la
    resistencia R como muestra la figura. a) Después de
    cuántas constantes de tiempo la carga en el capacitor
    será la cuarta parte de su valor inicial?

     

     

    Solución: La carga en el capacitor varía
    con el tiempo de acuerdo con la ecuación
    q(t) = Qe-t/RC
    donde q es la carga inicial en el
    capacitor. Para determinar el tiempo que tomaría la carga
    en caer hasta una cuarta parte de su valor inicial, se sustituye
    q 8t) = Q / 4 en esta expresión y se despeja para t:
    ¼ Q = Qe-t/RC
    o
    ¼ = e-t/RC

    Tomando logaritmos de ambos lados, se encuentra que
    :
    -ln4 = -t / RC
    o
    t= RCln4 = 1.39 RC
    b) La energía almacenada en el capacitor decrece con el
    tiempo cuando está descargando. ¿ Después de
    cuántas constantes de tiempo la energía almacenada
    se reduciría la cuarta parte de su valor inicial?
    Solución: Utilizando las ecuaciones se puede expresar la
    energía almacenada en el capacitor en cualquier tiempo
    :
    U = q2 = Q2 e-2t/RC =
    Uo e-2t/RC
    2C 2C
    donde Uo es la energía inicial almacenada en el
    capacitor como en el inciso a), ahora considerese U =
    Uo /4 y despejes t:
    1/4Uo = Uo e-2t/RC
    ¼ =
    e-2t/RC
    Nuevamente, tomando logaritmos de ambos
    lados y despejando t se obtiene:
    t = ½ RC ln4 = 0. 693 RC
    2) Un capacitor C se descarga a través de un resistor R.
    a) ¿ Después de cuantas constantes de tiempo
    disminuye su carga a la mitad de su valor inicial? b) ¿
    Después de cuántas constantes de tiempo, la
    energía almacenada disminuye su valor inicial?
    Solución: a) La carga en el capacitor varía de
    acuerdo con la ecuación
    q(t) = Qe-t/RC
    1/2Q =
    Qe-t/RC
    -ln2 = -2/ τ
    C
    t = τ
    C ln2 / 2 = 0.35
    La carga cae a la mitad de su valor inicial después de
    0.69 constantes de tiempo.
    b) La energía del capacitor es
    U = q2 = Q2 e-2t/RC =
    Uo e-2t/RC
    2C 2C
    1/2Uo = Uo
    e-2t/RC
    -ln 2 = -2t/ τ
    C
    t = τ
    C ln2/2 = 0.35 τ
    C
    La energía almacenada
    cae a la mitad de su valor inicial después de
    transcurridas 0.35 constantes de tiempo. Esto sigue
    siendo así dependientemente de cuál haya sido la
    energía almacenada inicialmente. El tiempo ( 0.69 τ
    C) necesario para que la carga caiga a la
    mitad de su valor inicial es mayor que el tiempo (0.35
    τ C) necesario para que la
    energía siga a la mitad de su valor inicial.

    6.
    Conclusiones

    Los capacitores tienen muchas aplicaciones que utilizan
    su capacidad de almacenar carga y energía
    El acto de cargar o descargar un capacitor, se puede encontrar
    una situación en que las corrientes, voltajes y potencias
    si cambian con el tiempo.
    Cuando τ es
    pequeρa, el capacitor se carga
    rαpidamente; cuando es mas grande, la carga
    lleva mas tiempo.
    Si la resistencia es pequeña,es mas facil que fluya
    corriente y el capacitor se carga en menor tiempo.
    Cuando se carga un capacitor ,la corriente se aproxima
    asintóticamente a cero y la carga del capacitor tiende
    asintóticamente a su valor final Qf y el aumento de carga
    en el capacitor hacia su valor límite se retrasa durante
    su tiempo caracterizado por la constante de tiempo RC. Si un
    resistor presente (RC=0), la carga llegaría inmediatamente
    hacia su valor limite.
    Cuando se descarga un capacitor.la corriente Io y la carga
    inicial Qo: tanto i como q se acercan asintóticamente a
    cero.La carga en el capacitor varía con el tiempo de
    acuerdo con la ecuación q(t) = Qe-t/RC.
    la caída de potencial a traves de la resistencia, IR, debe
    ser igual a la diferencia de potencial a través del
    capacitor, q / C entonce IR = q/c .
    Cuando el interruptor está abierto, existe una diferencia
    de potencial Q / C a través del capacitor y una diferencia
    de potencial cero a traves de la resistencia ya que I = 0. Si el
    interruptor se cierra al tiempo t = 0, el capacitor comienza a
    descargarse a traves de la
    reisistencia.

    7. Bibliografia

    1) Serway Raymond A. "Fisica Tomo II"
    Tercera edición en español
    ,Editorial Mc Graw Hill. Mexico, 1992
    2) Halliday David / Resnick Robert / Krane Kenneth S. "Fisica
    Vol.2"
    Tercera edición en español , Editorial Continental.
    México,
    1996
    3) Cutnell John D. / Jonson Kenneth W. "Fisica"
    Primera edición , Editorial Limusa. México,
    1986
    4) Sears Francis W. / Zemansky Mark W. / Young Hugh D./ Freedman
    Roger A.
    " Fisica Universitaria Vol.2 " novena edición, Editorial
    Addison Wesley. México, 1998

     

     

     

     

     

     

    Autor:

    Franco Lupio Bobadilla

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