1-CAPACIDAD

Se define capacidad C de un condensador como la relación entre la magnitud de la carga Q  de uno cualquiera de los conductores y la diferencia de potencial Vab entre ellos.

            La capacitancia es la propiedad de un circuito eléctrico, o elemento del circuito, para retardar un cambio en el voltaje que pasa  a través de él. El retardo es causado por la absorción o liberación  de energía y está asociado con un cambio de la carga eléctrica.

 En la mayoría de los casos, los conductores suelen tener cargas de igual magnitud y signo opuestos, de modo que la carga neta del condensador es nula. Entonces el campo eléctrico en la región comprendida entre los conductores es proporcional a la magnitud de esta carga y por tanto la diferencia de potencial Vab entre los conductores es también proporcional a la magnitud de carga Q.

            De esta definición se deduce que la mitad de capacidad es el coulomb por volt (1C/V). Una capacidad de un coulomb por volt se denomina  farad  (1F) en honor de Michael Faraday.  Como el farad es una unidad de capacidad grande se utilizan unidades de tamaño más adecuado, como el microfarad  (1mF= 10^-6 F) o el picofarad (1pF=10^-12F).

            Cuando se dice que un condensador tiene una carga Q, significa que la carga del conductor de mayor potencial es Q y la de menor potencial es –Q.

1.1-El Condensador.

            Dos Conductores cualesquiera separados por un aislador se dice que forman un condensador. El parámetro de circuito de la capacidad se representa con la letra C y se mide en Faradios.

Un Condensador se representa por el símbolo:

Las unidades de medida utilizadas en los condensadores es la descrita en el penúltimo párrafo del apartado anterior.

De la ecuación de capacidad anterior surgen dos observaciones importantes.

Primero, el voltaje no puede cambiar de forma instantánea  en las terminales del condensador. Dicha ecuación indica que este cambio produciría una corriente infinita, lo que físicamente es imposible.

 Segundo, si el voltaje en las terminales es constante, la corriente en el condensador es cero. Esto se debe a que no se puede establecer una corriente de conducción en el material dieléctrico del condensador. La corriente de desplazamiento solo se puede producir con un voltaje que varíe con el tiempo. Por lo tanto un condensador se comporta como un circuito abierto si el voltaje es constante

Los condensadores tienen muchas aplicaciones en circuitos eléctricos. Se utilizan para sintonizar los circuitos de radio, para suavizar la corriente rectificada suministrada por una fuente, para eliminar la chispa que se produce cuando se abre repentinamente un circuito con inductancia. El sistema de encendido de los motores de un coche tiene un condensador para eliminar chispazos al abrirse y cerrarse los platinos.

1.2-Acción de carga.

Si dos conductores separados por un material aislante, como el aire, el papel, el caucho, el plástico o el vidrio, se conectan a un generador de CC o a una batería, los electrones libres en el material conductor se orienta en la dirección de la tensión de excitación.

La batería que actúa como una bomba de electrones transfiere algunos de estos electrones libres del conductor A al  conductor B. La transferencia de electrones hace que el conductor B sea cada vez más negativo y el conductor A cada vez más positivo. Así se crea una diferencia de potencial entre los conductores.

Del material que pierde electrones se dice que está cargado positivamente y del que gana electrones se dice que está cargado negativamente.

Si el proceso de carga continua, con el tiempo el conductor B llegará a estar lo suficientemente cargado negativamente como para evitar transferencia adicional de electrones. Cuando esto ocurre, el voltaje medido del conductor A al conductor B es igual y opuesto a la tensión de excitación.

La rapidez del movimiento de los electrones está limitada por la resistencia de los materiales conductores. Por lo tanto, el proceso de carga requerirá de más tiempo si se utilizan materiales de resistencias más altas.

  1.3-Energía almacenada en un condensador,

            El proceso de transferencia de carga eléctrica de una placa del condensador a la otra, produce una acumulación de energía. Esta energía en forma de cargas eléctricas desplazadas, permanece almacenada por algún tiempo después de que se desconecta la tensión de excitación. La cantidad de energía almacenada en el condensador depende de la capacitancia y del voltaje a través de él, elevado al cuadrado. Por consiguiente:

En donde Wc= Energía acumulada en el condensador, joules (J)

                C= Capacitancia, farads (F)

                Vc= Voltaje medido entre placas de polaridad opuesta, volt (V)

            La energía almacenada en el condensador no se libera en el instante en que éste se desconecta del generador. La duración de la carga depende de factores tales como la resistencias del dieléctrico, la constante dieléctrica, la superficie de dispersión la humedad y la radioactividad del ambiente

1.4-Condensador de placas paralelas.

            El tipo de condensadores más frecuentes consiste en principio en dos placas conductoras paralelas y separadas por una pequeña distancia. Todo el campo del condensador está comprendido entre estas dos placas, y las cargas sobre estas placas están distribuidas uniformemente  sobre sus superficies opuestas. Esta disposición se conoce como condensador de placas paralelas.

            En los circuitos de radio se utilizan con mucha frecuencia condensadores variables capacidad puede variar. Estos condensadores suelen tener cierto número de placas metálicas paralelas fijas conectadas entre sí que constituyen una “placa” del condensador, mientras que un segundo juego de placas móviles (también conectadas entre sí) forman la otra “placa”.

            Las placas móviles están montadas en un eje y pueden interlaminarse entre las fijas con mayor o menor extensión. El área efectiva del condensador es la de la porción interlaminada de las placas. Un condensador variable se representa por el símbolo:

1.5-Condensadores en serie y en paralelo.

En la figura 1 se ha conectado en serie dos condensadores entre los puntos a y b, que se mantienen a una diferencia de potencial constante Vab. Inicialmente ambos condensadores están descargados. En esta conexión, los dos condensadores tienen la misma carga Q. Podría plantearse la cuestión de que la placa inferior C1 y la superior C2 tuvieran cargas diferentes que las otras placas, pero en ese caso la carga neta de cada condensador no sería nula y el campo eléctrico resultante en el conductor de unión de los condensadores ocasionaría un flujo de corriente que circularía hasta reducir a cero la carga total de cada uno. Por consiguiente, en una conexión en serie la magnitud de la carga de todas las placas es la misma.

Figura 1:

            En base a la figura 1 tenemos que:

            La Capacidad equivalente C de una combinación en serie se define como la de un solo condensador de carga Q igual a la de la combinación, cuando la diferencia de potencial V es igual.

En la figura 2 hay dos condensadores conectados en paralelos entre los puntos a y b. En este caso la diferencia de potencial Vab=V es la misma para ambos, y las cargas y no son necesariamente iguales, son:

La carga total suministrada por la fuente es:

            La capacidad equivalente c de una combinación en paralelo se define como la de un solo condensador cuya carga total es igual que la de la figura 2 en su primera parte.

Figura 2:

1.6-Efecto de un dieléctrico.  

La mayor parte de los condensadores tienen entre sus placas un material sólido no conductor o dieléctrico. Un tipo normal de condensador son los constituidos por tiras de chapa metálica, que constituyen las placas, separadas por tiras de papel parafinado o láminas de plástico como el mylar, que actúan de dielectro.

En los condensadores electrolíticos el dielectro es una película finísima de un oxido no conductor situada entre una placa metálica y una disolución conductora. Debido al pequeño espesor del dielectro, condensadores electrolíticos de dimensiones relativamente pequeñas pueden llegar a tener  entre 100 y 1000 mF.

            La capacitancia de un condensador de dimensiones dadas es mayor cuando hay un dielectro entre las placas que cuando están separadas por el aire o por el vacío. Este efecto puede demostrarse con la ayuda de un electrómetro sensible, un dispositivo que puede medir la diferencia de potencial entre dos conductores sin que pase carga alguna de uno a otro.

             Un condensador está cargado con una carga Q y una diferencia de potencial Vo. Cuando se sitúa entre las  placas una lámina de dielectro como parafina, vidrio o poliestireno, se observa que la diferencia de potencial disminuye hasta un valor V. Al quitar el dielectro, la diferencia de potencial vuelve a su valor inicial, lo que demuestra que las cargas iniciales de las placas no han sido afectadas por la inserción del dielectro.

La capacitancia inicial del condensador Co, era:

            Como Q no varía y se observa que V es menor que Vo, se deduce que C es mayor que Co. La relación entre C y Co se llama constante dieléctrica del material K.

            Como C siempre es mayor que Co, las constantes dieléctricas de todos los dielectros son mayores que la unidad.

2-INDUCTANCIA.

            Inductancia (también denominada inductancia propia) es la propiedad de un circuito o elemento de un circuito para retardar el cambio en la corriente que pasa por él. El retardo está acompañado por absorción  o liberación de energía y se asocia con el cambio en la magnitud del campo magnético que rodea los conductores.

En cualquier circuito, todo flujo magnético, alrededor de los conductores que transportan la corriente, pasa en la misma dirección a través de la ventana formada por el circuito.

Cuando el interruptor de un circuito eléctrico se cierra, el aumento de corriente en el circuito produce un aumento del flujo. El cambio del flujo genera un voltaje en el circuito que se opone al cambio de  corriente.

Esta acción de oposición es una manifestación de la ley de Lenz en la que cualquier voltaje magnético inducido se generará siempre en una dirección tal, que se opone a la acción que lo causa.

 La inductancia se simboliza con la letra L y se mide en henrios (H) y su representación gráfica es por medio de un hilo enrollado, algo que recuerda que la inductancia se debe a un conductor ligado a un campo magnético. La fuente del campo magnético es la carga en movimiento, o corriente. Si la corriente varía con el tiempo, también el campo magnético varía con el tiempo. Un campo que varía con el tiempo induce a un voltaje en cualquier conductor presente en el campo. El parámetro de circuito de la inductancia relaciona el voltaje inducido con la corriente.

La magnitud del voltaje inducido en cualquier bobina, por un flujo magnético variable es proporcional al numero de vueltas de la bobina y a la velocidad de variación del flujo a través  de su ventana. Esta relación se conoce como ley de Faraday. Expresada en términos matemáticos:

En donde  e= voltaje inducido en la bobina (V)

                 N= número de vueltas conectadas en serie en la bobina

                df/dt= velocidad de variación

El signo menos proviene de la ley de Lenz, e indica que el voltaje se genera en una dirección opuesta al cambio de flujo que lo causa. Debido a su acción de oposición, el voltaje inducido magnéticamente se denomina frecuentemente fuerza contra-electromotriz.

Un cambio en la magnitud o dirección de la corriente en cualquier conductor o bobina siempre establecerá un voltaje en una dirección opuesta al cambio. Por tanto la dirección de la tensión inducida dependerá de si la corriente está aumentando o disminuyendo.

Asimismo, cualquier cambio de la velocidad del flujo de electrones en un conductor en una bobina establecerá un voltaje que podrá retardar, pero no evitar dicho cambio.

2.1-Inductancia concentrada.

            La inductancia propia de un circuito se puede incrementar añadiendo en serie una inductancia concentrada, llamada inductancia o inductor. La inductancia concentrada es una bobina de alambre con o sin núcleo ferromagnético. Si la inductancia concentrada es mucho mayor que la inductancia propia producida por los alambres de conexión, que es el caso común, la inductancia de los alambres de conexión puede despreciarse.

            Cuando se analizan circuitos que contienen inductancias concentradas, debe considerase la resistencia de la bobina y la caída de voltaje debida a esa resistencia.

La figura a) muestra un inductor. Si se le asigna la dirección de referencia de la corriente en el inductor en la dirección de la caída de voltaje entre las terminales del inductor se obtienen:                                                   a)

            Donde V se mide en voltios L en Henryos, I en amperios y T en segundos. Si la corriente sigue la dirección de aumento de voltaje en el inductor, la ecuación se escribe con un signo negativo.

Viendo la ecuación, el voltaje entre las terminales de un inductor es proporcional a la variación con el tiempo de la corriente en el inductor. Al llegar a ese punto se pueden hacer dos observaciones. Primero, si la corriente es constante, el voltaje en el inductor ideal es cero.       

 De esta manera el inductor se comporta como un cortocircuito para una corriente constante. Segundo, la corriente no puede cambiar en forma instantánea en un inductor; es decir la corriente no puede variar en una cantidad finita en un tiempo cero. La ecuación nos indica que este cambio requeriría un voltaje infinito, y los voltajes infinitos no son posibles.

2.2-Energía almacenada en una bobina.

            Para establecer el flujo alrededor de un conductor con corriente, la fuente suministra energía eléctrica. Toda esta energía se almacena en el campo como energía magnética; nada se consume. Cuando la corriente se disminuye, el flujo que circunda los alrededores se disminuye, haciendo que la energía liberada se libere.

            La energía almacenada en el campo magnético es diferente a las pérdidas de energía en los conductores, las cuales se transforman en energía calorífica. De este modo, cuando se analizan las relaciones de energía en un inductor, es conveniente hacer un modelo de circuito equivalente, que muestre la inductancia y la resistencia por separado.

            La energía almacenada en el campo magnético de un inductor, en un instante de tiempo, es proporcional a la inductancia propia del inductor y al cuadrado de la corriente en ese instante. Expresado en términos matemáticos queda:

En donde WFk= energía acumulada en la inductancia en un tiempo T, (j)

                Ik= corriente en el tiempo T, (A)

                L= Inductancia (H)

3-CORRIENTE ELÉCTRICA.

3.1-Movimiento de cargas

            La presencia de un campo eléctrico permanente en el seno de un conductor es la causa del movimiento continuado de las cargas libres. En términos de potencial puede decirse que para que se mantenga una corriente eléctrica es necesario que exista una diferencia de potencial constante entre los extremos del conductor. Si ésta disminuye por efecto de la circulación de las cargas, el campo eléctrico llega a hacerse nulo y cesa el movimiento.

            Esta es la situación que corresponde a esos desplazamientos de carga que se producen cuando un conductor aislado se carga o descarga eléctricamente. Una carga es capaz de desplazares libremente entre dos puntos de un campo eléctrico siempre que entre esos puntos considerados exista  una diferencia de potencial. Por tanto para que se origine una corriente eléctrica en un conductor es condición necesaria que entre sus extremos exista una diferencia de potencial

            Debido a su facilidad de manejo, en electrocinética para describir las propiedades del campo en el interior de un conductor se recurre a la noción de diferencia de potencial, también denominada tensión eléctrica porque de ella depende el movimiento de las cargas libres de un punto a otro. El sentido de la corriente eléctrica depende no sólo del signo de la diferencia de potencial, sino también del signo de los elementos portadores de carga o cargas móviles presentes en el conductor. Si las partículas se mueven en un mismo sentido la corriente se denomina corriente continua, por el contrario si cambian periódicamente de sentido se denomina corriente alterna. Se toma como sentido de la corriente el del flujo de cargas positivas. El movimiento de los electrones cargados negativamente en una dirección es equivalente al flujo de cargas positivas en sentido opuesto

            En un conductor metálico los portadores de carga son los electrones (-), por lo que su desplazamiento se producirá del extremo del conductor a menor potencial hacia el extremo a mayor potencias, o en términos de signos desde el polo negativo hacia el positivo. En una disolución salina los portadores de carga son iones tanto positivos como negativos; cuando se somete dicha disolución a una diferencia de potencial constante, como la producida entre los bornes de una pila, se generarán movimientos de carga de sentidos opuestos; las cargas positivas se desplazarán por la disolución del extremo de mayor potencial al de menor potencial, o lo que es lo mismo, del polo positivo de la pila al polo negativo, y las negativas en sentido contrario. Algo semejante sucede en un medio gaseoso ionizado como el que se produce en el interior de un tubo fluorescente o de neón sometido a una diferencia de potencial intensa.

La corriente eléctrica es un cambio con respecto al tiempo del movimiento de cargas eléctricas. Se define como el flujo de cargas eléctricas que , por unidad de tiempo, atraviesan una área transversal.

Un conductor es cualquier material que permita esencialmente el paso libre de corriente cuando se conecta a una batería u otra fuente de energía eléctrica. En los conductores metálicos, los electrones libres se mueven aleatoriamente alrededor de la estructura de cristal del material, hasta la aplicación de una tensión de excitación, también denominada fuente de tensión. Algunas fuentes comunes de tensión son: Baterías, generadores electromecánicos, celdas solares.

            Una batería es un conjunto de celdas conectadas en serie, paralelo o en combinación serie paralelo. Las celdas electroquímicas almacenan energía química para convertirla después en energía eléctrica.

            El generador de cc es una máquina electromecánica que proporciona un voltaje de salida de cc cuando se hace girar con una máquina motriz. Las máquinas motrices convencionales son los motores diesel, de gasolina, turbinas de vapor, hidráulicas, etc., etc.

El generador de cc mantiene un voltaje constante para todas las condiciones de carga, desde vacío hasta carga nominal.

            Los voltajes alternos se pueden producir por máquina electromecánicas denominadas generadores de CA. Un generador de CA opera por el mismo principio de la máquina de cc, excepto que su voltaje de salida es alterno. La ventaja de una fuente de voltaje de CA, es que el voltaje se puede aumentar o disminuir por medio de un transformador de una máquina de CA se puede obtener un voltaje de cc por medio de un rectificador.

            Las fuentes de voltaje se pueden conectar en serie, en paralelo, y en serie-paralelo, según necesidades del circuito. Cuando las fuentes de tensión están conectadas en serie el voltaje neto de salida es la suma algebraica de los voltajes parciales. La conexión en paralelo requiere que todas las fuentes tengan idéntico voltaje. Fuentes de voltaje de diferente valor nominal pueden hacer que las fuentes de mayor voltaje alimenten a las de menor voltaje  y causar daños permanentes a las fuentes.