Introducción
Siempre que existe un voltaje eléctrico entre dos conductores separados, hay un campo eléctrico dentro del espacio entre esos conductores. En electrónica básica, estudiamos las interacciones de voltaje, corriente y resistencia en lo que respecta a los circuitos, que son caminos conductores a través de los cuales pueden viajar los electrones. Cuando hablamos de campos, sin embargo, estamos tratando con interacciones que pueden extenderse por el espacio vacío.
Es cierto que el concepto de un “campo” es algo abstracto. Al menos con corriente eléctrica, no es demasiado difícil imaginar pequeñas partículas llamadas electrones que se mueven entre los núcleos de átomos dentro de un conductor, pero un “campo” ni siquiera tiene masa, y no necesita existir dentro de la materia. .
A pesar de su naturaleza abstracta, casi todos tenemos experiencia directa con los campos, al menos en forma de imanes. ¿Alguna vez has jugado con un par de imanes, notando cómo se atraen o repelen entre sí dependiendo de su orientación relativa? Hay una fuerza innegable entre un par de imanes, y esta fuerza no tiene “sustancia”. No tiene masa, color ni olor, y si no fuera por la fuerza física ejercida sobre los imanes mismos, sería completamente insensible para nuestros cuerpos. Los físicos describen la interacción de los imanes en términos de campos magnéticos en el espacio entre ellos. Si las limaduras de hierro se colocan cerca de un imán, se orientan a lo largo de las líneas del campo, indicando visualmente su presencia.
Los campos eléctricos
El tema de este capítulo son los campos eléctricos (y dispositivos llamados condensadores que los explotan), no los campos magnéticos, pero hay muchas similitudes. Lo más probable es que también hayas experimentado campos eléctricos. El capítulo 1 de este libro comenzó con una explicación de la electricidad estática y cómo los materiales como la cera y la lana, cuando se frotaban entre sí, producían una atracción física. Nuevamente, los físicos describirían esta interacción en términos de campos eléctricos generados por los dos objetos como resultado de sus desequilibrios electrónicos. Baste decir que siempre que exista un voltaje entre dos puntos, habrá un campo eléctrico manifestado en el espacio entre esos puntos.
La fuerza de campo y el flujo de campo
Los campos tienen dos medidas: un campo fuerza y un campo flujo . El campo fuerza es la cantidad de “empuje” que un campo ejerce a cierta distancia . El campo flujo es la cantidad total, o efecto, del campo a través del espacio . La fuerza de campo y el flujo son más o menos análogos al voltaje (“empuje”) y la corriente (flujo) a través de un conductor, respectivamente, aunque el flujo de campo puede existir en un espacio totalmente vacío (sin el movimiento de partículas como los electrones), mientras que la corriente solo puede tener lugar donde hay electrones libres para moverse. El flujo de campo puede ser opuesto en el espacio, así como el flujo de electrones puede ser opuesto por la resistencia. La cantidad de flujo de campo que se desarrollará en el espacio es proporcional a la cantidad de fuerza de campo aplicada, dividida por la cantidad de oposición al flujo. Así como el tipo de material conductor dicta que la resistencia específica del conductor a la corriente eléctrica , el tipo de material aislante que separa dos conductores dicta la oposición específica al flujo de campo.
Normalmente, los electrones no pueden entrar en un conductor a menos que exista un camino para que salga una cantidad igual de electrones (¿recuerdan la analogía del mármol en el tubo?). Esta es la razón por la cual los conductores deben conectarse entre sí en una ruta circular (un circuito) para que ocurra corriente continua. Sin embargo, por extraño que parezca, los electrones adicionales pueden “exprimirse” en un conductor sin una ruta de salida si se permite que se desarrolle un campo eléctrico en el espacio en relación con otro conductor. El número de electrones libres adicionales agregados al conductor (o electrones libres eliminados) es directamente proporcional a la cantidad de flujo de campo entre los dos conductores.
El campo eléctrico de condensadores
Los condensadores son componentes diseñados para aprovechar este fenómeno colocando dos placas conductoras (generalmente de metal) muy cerca unas de otras. Existen muchos estilos diferentes de construcción de condensadores, cada uno adecuado para clasificaciones y propósitos particulares. Para condensadores muy pequeños, bastarán dos placas circulares que intercalan un material aislante. Para valores de condensadores mayores, las “placas” pueden ser tiras de papel de aluminio, intercaladas alrededor de un medio aislante flexible y enrolladas para ser compactas. Los valores de capacitancia más altos se obtienen mediante el uso de una capa de óxido aislante de espesor microscópico que separa dos superficies conductoras. En cualquier caso, sin embargo, la idea general es la misma: dos conductores, separados por un aislante.
El símbolo esquemático para un condensador es bastante simple, ya que es poco más que dos líneas cortas y paralelas (que representan las placas) separadas por un espacio. Los cables se unen a las placas respectivas para la conexión a otros componentes. Un símbolo esquemático antiguo y obsoleto para condensadores mostraba placas intercaladas, que en realidad es una forma más precisa de representar la construcción real de la mayoría de los condensadores:
Cuando se aplica un voltaje a través de las dos placas de un condensador, se crea un flujo de campo concentrado entre ellas, lo que permite que se desarrolle una diferencia significativa de electrones libres (una carga) entre las dos placas:
Como el campo eléctrico se establece por el voltaje aplicado, los electrones libres adicionales se ven obligados a acumularse en el conductor negativo, mientras que los electrones libres son “robados” del conductor positivo. Esta carga diferencial equivale a un almacenamiento de energía en el condensador, que representa la carga potencial de los electrones entre las dos placas. Cuanto mayor sea la diferencia de electrones en las placas opuestas de un condensador, mayor será el flujo de campo y mayor será la “carga” de energía que almacenará el condensador.
Debido a que los condensadores almacenan la energía potencial de los electrones acumulados en forma de campo eléctrico, se comportan de manera bastante diferente a las resistencias (que simplemente disipan energía en forma de calor) en un circuito. El almacenamiento de energía en un condensador es una función del voltaje entre las placas, así como otros factores que discutiremos más adelante en este capítulo. La capacidad de un condensador para almacenar energía en función del voltaje (diferencia de potencial entre los dos cables) da como resultado una tendencia a tratar de mantener el voltaje a un nivel constante. En otras palabras, los condensadores tienden a resistir cambios en caída de voltaje . Cuando el voltaje a través de un condensador aumenta o disminuye, el condensador “resiste” el cambio al extraer corriente o suministrar corriente a la fuente del cambio de voltaje, en oposición al cambio.
Para almacenar más energía en un condensador, se debe aumentar el voltaje a través de él. Esto significa que se deben agregar más electrones a la placa (-) y retirar más de la placa (+), lo que requiere una corriente en esa dirección. Por el contrario, para liberar energía de un condensador, el voltaje a través de él debe disminuirse. Esto significa que parte del exceso de electrones en la placa (-) debe devolverse a la placa (+), lo que requiere una corriente en la otra dirección.
Así como la Primera Ley del Movimiento de Isaac Newton (“un objeto en movimiento tiende a permanecer en movimiento; un objeto en reposo tiende a permanecer en reposo”) describe la tendencia de una masa a oponerse a los cambios en la velocidad, podemos establecer un La tendencia del capacitor a oponerse a los cambios en el voltaje como tal: “Un capacitor cargado tiende a permanecer cargado; un condensador descargado tiende a permanecer descargado “. Hipotéticamente, un condensador sin tocar mantendrá indefinidamente cualquier estado de carga de voltaje que se haya dejado. Solo una fuente externa (o drenaje) de corriente puede alterar la carga de voltaje almacenada por un condensador perfecto:
Sin embargo, en términos prácticos, los condensadores eventualmente perderán sus cargas de voltaje almacenadas debido a las rutas de fuga internas para que los electrones fluyan de una placa a la otra. Dependiendo del tipo específico de condensador, el tiempo que tarda una carga de voltaje almacenada en auto disiparse puede ser un largo (¡varios años con el condensador sentado en un estante!).
Cuando aumenta el voltaje a través de un condensador, toma corriente del resto del circuito, actuando como una carga de potencia. En esta condición, se dice que el condensador se está cargando , porque hay una cantidad creciente de energía almacenada en su campo eléctrico . Observe la dirección de la corriente de electrones con respecto a la polaridad del voltaje:
Por el contrario, cuando disminuye el voltaje a través de un condensador, el condensador suministra corriente al resto del circuito, actuando como una fuente de energía. En esta condición, se dice que el capacitor está descargando . Su reserva de energía, mantenida en el campo eléctrico, está disminuyendo ahora a medida que se libera energía al resto del circuito. Tenga en cuenta la dirección de la corriente con respecto a la polaridad del voltaje:
Si una fuente de voltaje se aplica repentinamente a un condensador sin carga (un aumento repentino de voltaje), el condensador extraerá corriente de esa fuente, absorbiendo energía, hasta que el voltaje del condensador sea igual al de la fuente. Una vez que el voltaje del capacitor alcanza este estado final (cargado), su corriente decae a cero. Por el contrario, si una resistencia de carga está conectada a un condensador cargado, el condensador suministrará corriente a la carga, hasta que haya liberado toda su energía almacenada y su voltaje decaiga a cero. Una vez que el voltaje del capacitor alcanza este estado final (descargado), su corriente decae a cero. En su capacidad para cargarse y descargarse, se puede considerar que los capacitores actúan de manera similar a las baterías de celda secundaria.
La elección del material aislante entre las placas, como se mencionó anteriormente, tiene un gran impacto en la cantidad de flujo de campo (y, por lo tanto, cuánta carga) se desarrollará con cualquier cantidad de voltaje aplicado a través de las placas. Debido al papel de este material aislante que afecta el flujo de campo, tiene un nombre especial: dieléctrico . No todos los materiales dieléctricos son iguales: la medida en que los materiales inhiben o fomentan la formación de flujo de campo eléctrico se denomina permitividad del dieléctrico.
La medida de la capacidad de un capacitor para almacenar energía para una cantidad dada de caída de voltaje se llama capacitancia . No es sorprendente que la capacitancia también sea una medida de la intensidad de la oposición a los cambios en el voltaje (exactamente cuánta corriente producirá para una tasa de cambio de voltaje dada). La capacidad se simboliza simbólicamente con una “C” mayúscula, y se mide en la unidad de Farad, abreviada como “F”.
La Convención, por alguna extraña razón, ha favorecido el prefijo métrico “micro” en la medición de capacitancias grandes, y muchos capacitores están clasificados en términos de valores de microFarad confusamente grandes: por ejemplo, un capacitor grande que he visto fue calificado ¡330,000 microFaradios! ¿Por qué no declararlo como 330 milliFarads? No lo sé.
Nombre obsoleto del capacitor
Un nombre obsoleto para un condensador es condensador o condensador . Estos términos no se usan en ningún libro nuevo o diagrama esquemático (que yo sepa), pero pueden encontrarse en la literatura electrónica más antigua. Quizás el uso más conocido para el término “condensador” es en ingeniería automotriz, donde se usó un pequeño condensador llamado por ese nombre para mitigar las chispas excesivas a través de los contactos del interruptor (llamados “puntos”) en los sistemas de encendido electromecánico.
REVISIÓN:
- Los condensadores reaccionan contra los cambios de voltaje al suministrar o extraer corriente en la dirección necesaria para oponerse al cambio.
- Cuando un condensador se enfrenta a un voltaje decreciente, actúa como una fuente : suministra corriente al liberar energía almacenada (corriente que sale del lado positivo y del lado negativo, como una batería).
- Cuando un condensador se enfrenta a un voltaje decreciente, actúa como una fuente : suministra corriente a medida que libera energía almacenada (corriente que sale del lado negativo y del lado positivo, como una batería).
- La capacidad de un condensador para almacenar energía en forma de campo eléctrico (y, en consecuencia, para oponerse a los cambios de voltaje) se llama capacitancia . Se mide en la unidad de Farad (F).
- Los condensadores solían ser conocidos comúnmente por otro término: condensador (alternativamente deletreado “condensador”).
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