Un péndulo eléctrico

Los condensadores almacenan energía en forma de campo eléctrico y manifiestan eléctricamente esa energía almacenada como un potencial: voltaje estático . Los inductores almacenan energía en forma de campo magnético y manifiestan eléctricamente esa energía almacenada como un movimiento cinético de electrones: corriente .

Los condensadores y los inductores son dos caras de la misma moneda reactiva, que almacenan y liberan energía en modos complementarios. Cuando estos dos tipos de componentes reactivos se conectan directamente entre sí, sus tendencias complementarias para almacenar energía producirán un resultado inusual.

Si el condensador o el inductor arrancan en un estado cargado, los dos componentes intercambiarán energía entre ellos, de un lado a otro, creando su propio voltaje de CA y ciclos de corriente.

Si asumimos que ambos componentes están sujetos a una aplicación repentina de voltaje (digamos, de una batería conectada momentáneamente), el capacitor se cargará muy rápidamente y el inductor se opondrá al cambio de corriente, dejando el capacitor en el estado cargado y el inductor en el estado descargado.

Estado inicial:

Condensador cargado:voltaje en (+) pico; inductor descargado:corriente cero.

El capacitor comenzará a descargarse y su voltaje disminuirá. Mientras tanto, el inductor comenzará a acumular una "carga" en forma de campo magnético a medida que aumenta la corriente en el circuito.

Descarga del condensador:disminución de voltaje; carga del inductor:aumento de corriente.

El inductor, aún cargándose, mantendrá el flujo de corriente en el circuito hasta que el capacitor se haya descargado por completo, dejando cero voltaje a través de él.

Condensador completamente descargado:voltaje cero; inductor completamente cargado:corriente máxima.

El inductor mantendrá el flujo de corriente incluso sin aplicar voltaje. De hecho, generará un voltaje (como una batería) para mantener la corriente en la misma dirección. El condensador, al ser el receptor de esta corriente, comenzará a acumular una carga en la polaridad opuesta como antes.

Carga del condensador:aumento de voltaje (en polaridad opuesta); descarga del inductor:corriente decreciente.

Cuando el inductor finalmente se agote de su reserva de energía y los electrones se detengan, el capacitor habrá alcanzado la carga completa (voltaje) en la polaridad opuesta a la que tenía cuando comenzó.

Condensador completamente cargado:voltaje en (-) pico; inductor completamente descargado:corriente cero.

Ahora estamos en una condición muy similar a donde comenzamos:el capacitor a plena carga y cero corriente en el circuito. El condensador, como antes, comenzará a descargarse a través del inductor, provocando un aumento de la corriente (en la dirección opuesta como antes) y una disminución de la tensión a medida que agota su propia reserva de energía.

Descarga del condensador:disminución de voltaje; carga del inductor:aumento de corriente.

Eventualmente, el capacitor se descargará a cero voltios, dejando el inductor completamente cargado con plena corriente a través de él.

Condensador completamente descargado:voltaje cero; inductor completamente cargado:corriente en (-) pico.

El inductor, deseando mantener la corriente en la misma dirección, volverá a actuar como una fuente, generando un voltaje como una batería para continuar el flujo. Al hacerlo, el capacitor comenzará a cargarse y la corriente disminuirá en magnitud.

Carga del condensador:aumento de voltaje; descarga del inductor:corriente decreciente.

Eventualmente, el capacitor se cargará completamente nuevamente a medida que el inductor gasta todas sus reservas de energía tratando de mantener la corriente. El voltaje volverá a estar en su pico positivo y la corriente en cero. Esto completa un ciclo completo de intercambio de energía entre el condensador y el inductor.

Condensador completamente cargado:voltaje en (+) pico; inductor completamente descargado:corriente cero.

Esta oscilación continuará con una amplitud en constante disminución debido a las pérdidas de potencia de las resistencias parásitas en el circuito, hasta que el proceso se detenga por completo.

En general, este comportamiento es similar al de un péndulo:a medida que la masa del péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás, se produce una transformación de energía de cinética (movimiento) a potencial (altura), de manera similar a la forma en que se transfiere la energía. en el circuito del condensador / inductor de ida y vuelta en las formas alternas de corriente (movimiento cinético de electrones) y voltaje (energía eléctrica potencial).

En la altura máxima de cada oscilación de un péndulo, la masa se detiene brevemente y cambia de dirección. Es en este punto que la energía potencial (altura) es máxima y la energía cinética (movimiento) es cero.

A medida que la masa se balancea hacia el otro lado, pasa rápidamente a través de un punto donde la cuerda apunta hacia abajo. En este punto, la energía potencial (altura) es cero y la energía cinética (movimiento) es máxima. Al igual que el circuito, la oscilación hacia adelante y hacia atrás de un péndulo continuará con una amplitud constantemente amortiguada, como resultado de la fricción del aire (resistencia) que disipa la energía.

También al igual que el circuito, las mediciones de la posición y la velocidad del péndulo trazan dos ondas sinusoidales (90 grados desfasadas) a lo largo del tiempo.

El péndulo transfiere energía entre la energía cinética y la potencial a medida que oscila de menor a mayor.

En física, este tipo de oscilación de onda sinusoidal natural para un sistema mecánico se llama Movimiento armónico simple (a menudo abreviado como "SHM"). Los mismos principios subyacentes gobiernan tanto la oscilación de un circuito capacitor / inductor como la acción de un péndulo, de ahí la similitud en efecto.

Es una propiedad interesante de cualquier péndulo que su tiempo periódico esté gobernado por la longitud de la cuerda que sostiene la masa, y no por el peso de la masa en sí. Es por eso que un péndulo seguirá oscilando a la misma frecuencia a medida que las oscilaciones disminuyan en amplitud. La tasa de oscilación es independiente de la cantidad de energía almacenada en él.

Lo mismo es cierto para el circuito de condensador / inductor. La tasa de oscilación depende estrictamente de los tamaños del condensador y el inductor, no de la cantidad de voltaje (o corriente) en cada pico respectivo de las ondas.

La capacidad de un circuito de este tipo para almacenar energía en forma de voltaje y corriente oscilantes le ha valido el nombre de circuito de tanque . Su propiedad de mantener una frecuencia natural única, independientemente de cuánta o poca energía se esté almacenando en ella, le da un significado especial en el diseño de circuitos eléctricos.

Sin embargo, esta tendencia a oscilar o resonar , a una frecuencia particular no se limita a circuitos diseñados exclusivamente para ese propósito. De hecho, casi cualquier circuito de CA con una combinación de capacitancia e inductancia (comúnmente llamado "circuito LC") tenderá a manifestar efectos inusuales cuando la frecuencia de la fuente de alimentación de CA se acerque a esa frecuencia natural.

Esto es cierto independientemente del propósito previsto del circuito.

Si la frecuencia de la fuente de alimentación de un circuito coincide exactamente con la frecuencia natural de la combinación LC del circuito, se dice que el circuito está en un estado de resonancia . Los efectos inusuales llegarán al máximo en esta condición de resonancia.

Por esta razón, necesitamos poder predecir cuál será la frecuencia de resonancia para varias combinaciones de L y C, y ser conscientes de cuáles son los efectos de la resonancia.

REVISAR:

• Un condensador y un inductor conectados directamente juntos forman algo llamado circuito de tanque , que oscila (o resuena ) en una frecuencia particular. A esa frecuencia, la energía se baraja alternativamente entre el capacitor y el inductor en forma de voltaje alterno y corriente 90 grados desfasados ​​entre sí.
• Cuando la frecuencia de la fuente de alimentación de un circuito de CA coincide exactamente con la frecuencia de oscilación natural de ese circuito establecida por los componentes L y C, una condición de resonancia habrá sido alcanzado.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de los fundamentos de la comunicación por radio
• Hoja de trabajo de resonancia