FS-321 Electricidad y Magnetismo I UNAH

Universidad Nacional Autonoma de Honduras

Facultad de CienciasEscuela de Fısica

Ruptura de Dielectrico

Elaborado por: Ing. Francisco Solorzano, Amanda Giron, Leorely Reyes y Rene Hernandez

I. Objetivos

1. Observar y comprender el fenomeno: ruptura de un material dielectrico.

2. Comprender el significado fısico de la rıgidez dielectrica.

3. Calcular la rigidez dielectrica del aire.

II. Materiales y equipo

Fuente de Alto Voltaje D. C.

Divisor de voltaje.

Multımetro.

Soporte especial de madera.

Cables para realizar conexiones.

Hojas de papel.

III. Marco teorico

Para entender el comportamiento de un material dielectrico expuesto a un campo electrostatico, se comenzarapor medio de un analisis cualitativo a nivel microscopico desde un punto de vista clasico. En cada uno de losatomos que forman al dielectrico se pueden encontrar electrones y protones, la interaccion de estas cargascon el campo electrico produce un desplazamiento de dichas cargas en direcciones opuestas tal como puedeverse en la figura 1.Los desplazamientos son pequenos comparados con las dimensiones atomicas, sin embargo, es suficiente paracrear dipolos electricos, y por lo tanto producir la polarizacion del dielectrico.

Figura 1: Dielectrico polarizado

Ruptura de Dielectrico 1

FS-321 Electricidad y Magnetismo I UNAH

Un campo electrico muy intenso puede sacar a los electrones de las moleculas. Los electrones que son ace-lerados bajo la accion del campo electrico, chocan violentamente con la estructura molecular de la red yocasionan separaciones y danos permanentes en el material. Debido a las colisiones, puede presentarse unacorriente de avalancha y en ese momento el material se convierte en un conductor. El fenomeno se denominaruptura dielectrica, la intensidad maxima de campo electrico que un material dielectrico puede resistir antesde que ocurra la ruptura dielectrica se conoce como rigidez dielectrica.

Ya que la carga tiende a acumularse en las puntas, el campo electrico es mas intenso en las superficies agudas.El pararrayos funciona utilizando este principio, ya que esta conectado a tierra, y cuando se colocan nubescargadas sobre este, adquiere de la tierra carga con signo opuesto a la de la nube. El campo electrico intensoque se produce alrededor de la punta del pararrayos, permite la ruptura del dielectrico (aire) y la descargade la nube por medio del pararrayos hacia tierra.

IV. Descripcion del montaje

Con los materiales citados se establecera el circuito mostrado en la fig.2. El soporte de madera (1) serviracomo sosten de las piezas metalicas (2), que estaran sometidas a una alta tension electrica. Como puedeobservar en la fig.2, la fuente de alto voltaje (3) proveera la tension electrica necesaria para que ocurra laruptura del aire; la fuente estara conectada al divisor de voltaje (4) y del divisor de voltaje se obtendra latension en las piezas metalicas haciendo un puente como se observa en la fig.2.

Para saber el voltaje que ofrece la fuente de alta tension se aprovecharan las posibilidades ofrecidas por eldivisor de voltaje. Para ello se conectara un multımetro (5), colocando una de sus puntas en el nodo utilizadocomo tierra y la otra punta en el nodo del divisor de voltaje que ofrece la menor tension. La tension de lafuente se sabra multiplicando el valor dado por el voltımetro con un factor propio del divisor de voltaje.

Figura 2: Montaje

Ruptura de Dielectrico 2

FS-321 Electricidad y Magnetismo I UNAH

V. Procedimiento experimental

1. Asegure continuidad en los cables de conexion a utilizar y que la fuente D.C. se encuentre al mınimo.

2. Configure el montaje, de acuerdo a la fig.2.

3. Afloje el ajustador de la pieza metalica mas cercana a la regla (esta es la unica que usted manipulara),dejando la otra fija.

4. Coloque el numero de hojas de papel deseado entre las puntas de las piezas metalicas, de manera quepuedan deslizarse suavemente. Asegurese que las piezas metalicas no esten en contacto.

5. Encienda la fuente D.C. y ajuste el voltaje lentamente desde la mınima tension hasta observar un arcoelectrico entre las puntas de las piezas metalicas (ruptura del aire como dielectrico).

6. Lea el valor dado por el multımetro y regıstrelo en la tabla 1.

7. Repita los pasos 3, 4, 5 y 6 hasta completar la tabla 1.

VI. Datos experimentales

Rellene con los datos experimentales las siguiente tabla:

Dato Cantidad de hojas Distancia de separacion Voltajedi (m) Vi (V)

12345

Tabla 1: Tabla de registro de datos experimentales.

VII. Calculos

1. A partir de los datos registrados en la tabla1, rellene apropiadamente la tabla siguiente:

i di (m) Vi (V) V fi (V)

1

2

3

4

5

Tabla 2: Datos necesarios, previo a encontrar la ruptura dielectrica del aire.

En la tabla1 V fi es el voltaje de la fuente. Recuerde que se obtiene multiplicando Vi por un factorpropio del divisor de voltaje usado.

2. Tomando en cuenta los datos de las columnas di y V fi de la tabla2, realice un ajuste de datos a laecuacion de la forma V f = Ed+ b; encontrando la pendiente (E), el intercepto (b) y las incertidumbresasociadas a dichas cantidades.

Ruptura de Dielectrico 3

FS-321 Electricidad y Magnetismo I UNAH

VIII. Resultados

1. Muestre en un solo grafico lo siguiente:

Los datos de las columnas di y V fi de la tabla2.

La ecuacion de ajuste de datos lineal encontrada.

2. Muestre el valor de la rigidez dielectrica del aire. Compare con el valor teorico dado en la fuentebibliografica de su preferencia y encuentre la incertidumbre de exactitud.

IX. Cuestionario

1. ¿Como se puede modelar el circuito formado por las piezas metalicas y la fuente de alto voltaje?

2. ¿Cual es el significado fısico de la rigidez dielectrica?

3. Imagine otro montaje experimental, diferente al usado, donde la puntas de las piezas metalicas son masfinas, y realiza el experimento nuevamente con el mismo procedimiento. ¿Como cambiarıan los valoresde voltaje con el nuevo montaje experimental en relacion al montaje usado?

4. Un investigador decide repetir el procedimiento de esta practica con una ligera diferencia: en lugarde quitar las hojas que definen la distancia entre las varillas, las deja en posicion. Con ello pretendedeterminar la constante dielectrica ya no del aire sino del papel. ¿Es esto posible? Explique por que yliste ventajas/desventajas de este procedimiento y como lo mejorarıa.

5. Mencione al menos tres aplicaciones del fenomeno fısico rompimiento de un dielectrico.

X. Conclusiones

Bibliografia

Ruptura de Dielectrico 4