Condensadores eléctricos

Introducción

El 29 de agosto de 1831, Michael Faraday, gran químico y físico inglés descubrió la inducción electromagnética, cuando observó que moviendo un imán a través de una bobina de alambre de cobre, se originaba una corriente eléctrica que fluía por el alambre.

Este experimento originó una serie de conclusiones que llevaba a Faraday al descubrimiento de campos electromagnéticos, los cuales fluyen por los inductores o bobinas que son tan útiles hoy en la fabricación de transformadores y motores eléctricos.

En el siguiente trabajo, se desarrollan dos elementos sumamente importantes en lo que respecta al almacenamiento de energía de pequeñas y grandes masas. Tal como es la función de carga y descarga de un condensador, el inductor o bobina es capaz de recuperar energía “concatenada” dentro de la superficie de los alambres que esta contiene.

O como es la de una bobina en un transformador creando campos magnéticos que facilitan el traspaso de energía eléctrica de un polo al otro. Las características de esos tan importantes dos componentes se explicaran detalladamente en este trabajo.

Condensadores eléctricos.

Un condensador eléctrico es un dispositivo de dos terminales que consiste en dos cuerpos conductores separados por un material no conductor. Tal material no conductor se conoce como aislante o dieléctrico. A causa del dieléctrico, las cargas no pueden moverse de un cuerpo conductor al otro dentro del dispositivo. Por tanto, éstas pueden transportarse entre los cuerpos conductores vía sistema de circuitos externos conectados a las terminales del capacitor. Un tipo muy sencillo llamado capacitor de placas paralelas se muestra en la siguiente figura. Los cuerpos conductores son cuerpos planos y rectangulares que están separados por un material dieléctrico.

Se define la capacidad de un condensador como la cantidad de electricidad, expresada en culombios, que es necesario transportar de una lamina a otra para crear una diferencia de potencial de un voltio entre ambas láminas. La cantidad de electricidad transportada se denomina carga. Aunque pareciera natural expresar la cantidad en culombios por voltio, se expresa en realidad en faradios o microfaradios, siendo un faradio la capacidad de uncondensador en el cual una carga de un culombio produce una diferencia de potencial de un voltio entre las dos láminas.

Un microfaradio = a una millonésima de faradio.

Un picofaradio = 10-12 faradios.

Si después de cargar el condensador, se desconecta el generador, abriendo los interruptores, la carga volverá gradualmente a la lámina inferior a través del aislamiento, puesto que no existe ningún aislamiento perfecto; pero si el tiempo es seco, transcurrirán varios días antes que la carga desaparezca completamente. El condensador puede descargarse en pocas millonésimas de segundo conectando los extremos de un trozo corto de hilo a ambas láminas.

La capacidad es inversamente proporcional a la distancia que los separa. La explicación a esto está en el hecho en el que los protones en exceso que hay sobre la barra inferior ejercen una fuerza de atracción sobre los electrones que abandonan esta lámina oponiéndose así a los flujos de los mismos, mientras que los electrones en exceso en la lamina superior repelen a los de la inferior favoreciendo así el flujo. Puesto que los electrones en exceso en la lamina superior están a alguna distancia del lugar donde se producen las separaciones, mientras que los protones en exceso están justamente en dicho sitio, las fuerzas repulsivas que favorecen el flujo de electrones son menores que las fuerzas atractivas que se oponen a él, y el generador tiene que realizar un trabajo parar separar los electrones de la lamina inferior.

La capacidad de un condensador varia también considerablemente con la naturaleza de la sustancia aislante comprendida entre las laminas, denominada generalmente dieléctrico, y la razón de la capacidad de un condensador dado con un dieléctrico determinado entre sus láminas, a la capacidad del mismo condensador cuando entre las láminas hay aire o existe el vacío, se denomina constante dieléctrica.

SUSTANCIA Constante Dieléctrica

Aceite 2,2 - 4,7

Agua 81

Aire 1

Ebonita 2,0 - 3,5

Goma Laca 2,9 - 3,7

Mica 2,5 - 6,6

Papel Parafinado 2,0 - 2,6

Vidrio 5,4 - 9,9

La razón de por qué la capacidad cambia por el dieléctrico es que los propios dieléctricos contienen un gran número de protones y electrones que, aunque no puedan fluir, son capaces sin embargo, de moverse apreciablemente. Esto és, están sujetos de modo elástico y no rígido. La deformación de la estructura del dieléctrico, producida al cargar el condensador, tiene un efecto fundamental sobre las fuerzas de atracción y repulsión que ayudan o se oponen al paso de la carga, y por tanto, un efecto fundamental sobre la capacidad.

Para describir la relación carga - voltaje del dispositivo, transfiramos carga de una placa a la otra. Supongamos, por ejemplo, que por medio de un circuito externo, tomamos una carga pequeña que según la primera figura denominados q, de la placa inferior a la placa superior. Esto, por supuesto, deposita una carga +q en la placa superior y deja una carga -q en la inferior. Ya que mover estas cargas requiere la separación de cargas de diferente signo (recuérdense que cargas opuestas se atraen), se desarrolla una pequeña cantidad de trabajo, y la placa superior se eleva a un potencial que designaremos v con respecto a la placa inferior.

Cada elemento de carga q que transfiramos incrementa la diferencia de potencial entre las placas en una cantidad v . Por tanto, la diferencia de potencial entre las placas es proporcional a la carga transferida. Esto sugiere que un cambio en el voltaje entre terminales en una cantidad vorigina un cambio correspondiente en la carga de la placa superior en una cantidad q. Así, la carga es proporcional a la diferencia de potencial. Esto significa que si un voltaje entre terminales v corresponde a una carga q en el capacitor ha sido cargado al voltaje v el cual es proporcional a la carga. Por lo tanto:

C viene siendo la constante de proporcionalidad, conocida como la capacitancia del dispositivo en faradios. Los condensadores que satisfacen dicha anterior formula se denominan condensadores lineales puesto que su relación carga - voltaje es la ecuación de una linea recta con pendiente C. Puesto que la corriente se define como la razón de cambio de la carga, diferenciando la anterior formula, tenemos que:

Inductor

Un inductor o bobina es un componente pasivo de un circuito eléctrico que, debido al fenómeno de la autoinducción, almacena energía en forma de campo magnético. Un inductor está constituido usualmente por una cabeza hueca de una bobina de conductor, típicamente alambre o hilo de cobre esmaltado. Existen inductores con núcleo de aire o con núcleo de un material ferroso, para incrementar su capacidad de magnetismo.Los inductores pueden también estar construidos en circuitos integrados, usando el mismo proceso utilizado para realizar microprocesadores.

En estos casos se usa, comúnmente, el aluminio como material conductor. Sin embargo, es raro que se construyan inductores dentro de los circuitos integrados; es mucho más práctico usar un circuito llamado "girador" que, mediante un amplificador operacional, hace que un condensador se comporte como si fuese un inductor.

La bobina o inductor por su forma (espiral de alambres enrollados) almacena energía en forma decampo magnético

La bobina almacena energía eléctrica en forma de campo magnético cuando aumenta la intensidad de corriente, devolviéndola cuando ésta disminuye.

Comportamiento en corriente continúa

Una bobina ideal en corriente continua se comporta como un cortocircuito (conductor ideal), ya que al ser i(t) constante, es decir, no varía con el tiempo, no hay autoinducción de ninguna f.e.m.

Una bobina real en régimen permanente se comporta como una resistencia cuyo valor RL (figura 5a) será el de su devanado.

En régimen transitorio, esto es, al conectar o desconectar un circuito con bobina, suceden fenómenos electromagnéticos que inciden sobre la corriente (ver circuitos serie RL y RC).

Comportamiento en corriente alterna

En corriente alterna, una bobina ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente eléctrica que recibe el nombre de reactancia inductiva, XL, cuyo valor viene dado por el producto de la pulsación por la inductancia, L:

Si la pulsación está en radianes por segundo (rad/s) y la inductancia en henrios (H) la reactancia resultará en ohmios.

Al conectar una CA senoidal v (t) a una bobina aparecerá una corriente i (t), también senoidal, esto es, variable, por lo que, como se comentó más arriba, aparecerá una fuerza contra electromotriz, -e (t), cuyo valor absoluto puede demostrase que es igual al de v (t). Por tanto, cuando la corriente i (t) aumenta, e (t) disminuye para dificultar dicho aumento; análogamente, cuando i (t) disminuye, e (t) aumenta para oponerse a dicha disminución. Esto puede apreciarse en el diagrama de la figura 3. Entre 0º y 90º la curva i (t) es negativa, disminuyendo desde su valor máximo negativo hasta cero, observándose que e (t) va aumentando hasta alcanzar su máximo negativo. Entre 90º y 180º, la corriente aumenta desde cero hasta su valor máximo positivo, mientras e (t) disminuye hasta ser cero. Desde 180º hasta los 360º el razonamiento es similar al anterior.

Dado que la tensión aplicada, v (t) es igual a -e (t), o lo

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