Campos eléctricos y capacitancia

Introducción

Siempre que exista un voltaje eléctrico entre dos conductores separados, habrá 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. Sin embargo, cuando hablamos de campos, nos referimos a interacciones que pueden extenderse por espacios vacíos.

Es cierto que el concepto de "campo" es algo abstracto. Al menos con la corriente eléctrica, no es demasiado difícil imaginar pequeñas partículas llamadas electrones moviéndose entre los núcleos de los átomos dentro de un conductor, pero un "campo" ni siquiera tiene masa, y no necesita existir dentro de la materia en absoluto. .

A pesar de su naturaleza abstracta, casi todos tenemos experiencia directa con los campos, al menos en forma de imanes. ¿Has jugado alguna vez con un par de imanes, notando cómo se atraen o se repelen dependiendo de su orientación relativa? Hay una fuerza innegable entre un par de imanes, y esta fuerza no tiene "sustancia". No tiene masa, ni 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 se colocan limaduras de hierro cerca de un imán, se orientan a lo largo de las líneas del campo, lo que indica visualmente su presencia.

Los campos eléctricos

El tema de este capítulo son los campos eléctricos (y los dispositivos llamados condensadores que los explotan), no los campos magnéticos, pero existen muchas similitudes. Lo más probable es que también haya experimentado campos eléctricos. El capítulo 1 de este libro comenzó con una explicación de la electricidad estática y cómo materiales como la cera y la lana, cuando se frotan entre sí, producen una atracción física. Nuevamente, los físicos describirían esta interacción en términos de campos eléctricos generados por los dos objetos como resultado de sus desequilibrios de electrones. 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 force y un campo flux . El campo forzar es la cantidad de "empuje" que ejerce un campo a una 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 aproximadamente 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 oponerse en el espacio, así como la resistencia puede oponerse al flujo de electrones. 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 haya un camino para que salga una cantidad igual de electrones (¿recuerdas la analogía de la canica en el tubo?). Esta es la razón por la que los conductores deben estar conectados entre sí en una ruta circular (un circuito) para que se produzca una corriente continua. Sin embargo, por extraño que parezca, los electrones adicionales pueden "comprimirse" 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. La cantidad 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 los condensadores

Condensadores son componentes diseñados para aprovechar este fenómeno colocando dos placas conductoras (generalmente metálicas) muy próximas entre sí. Hay muchos estilos diferentes de construcción de condensadores, cada uno adecuado para clasificaciones y propósitos particulares. Para condensadores muy pequeños, serán suficientes dos placas circulares intercaladas con un material aislante. Para valores de condensador más grandes, las "placas" pueden ser tiras de papel de aluminio, intercaladas alrededor de un medio aislante flexible y enrolladas para que sean compactas. Los valores de capacitancia más altos se obtienen utilizando 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 de un capacitor es bastante simple, siendo poco más que dos líneas paralelas cortas (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 más antiguo y obsoleto para los 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 capacitor, 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:

A medida que 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 se “roban” 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 capacitor, mayor será el flujo de campo y mayor será la "carga" de energía que almacenará el capacitor.

Debido a que los capacitores 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 capacitor es función del voltaje entre las placas, así como de otros factores que discutiremos más adelante en este capítulo. La capacidad de un capacitor para almacenar energía en función del voltaje (diferencia de potencial entre los dos conductores) 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 voltaje. Cuando el voltaje a través de un capacitor aumenta o disminuye, el capacitor "resiste" el cambio extrayendo corriente o suministrando corriente a la fuente del cambio de voltaje, en oposición al cambio.

Para almacenar más energía en un capacitor, se debe aumentar el voltaje a través de él. Esto significa que se deben agregar más electrones a la placa (-) y quitar más de la placa (+), lo que requiere una corriente en esa dirección. Por el contrario, para liberar energía de un condensador, se debe reducir el voltaje a través de él. Esto significa que algunos de los electrones en exceso en la placa (-) deben 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 de velocidad, podemos establecer la tendencia de un capacitor a oponerse a los cambios de voltaje como tales:“Un capacitor cargado tiende a permanecer cargado; un condensador descargado tiende a permanecer descargado ". Hipotéticamente, un capacitor que se deja intacto mantendrá indefinidamente cualquier estado de carga de voltaje en el que lo haya dejado. Solo una fuente externa (o drenaje) de corriente puede alterar la carga de voltaje almacenada por un capacitor perfecto:

Sin embargo, en términos prácticos, los condensadores eventualmente perderán sus cargas de voltaje almacenadas debido a 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 autodisiparse puede ser largo tiempo (¡varios años con el condensador en un estante!).

Cuando aumenta el voltaje a través de un capacitor, toma corriente del resto del circuito, actuando como una carga de energía. En esta condición, se dice que el condensador está cargando , porque hay una cantidad cada vez mayor de energía almacenada en su campo eléctrico. Tenga en cuenta la dirección de la corriente de electrones con respecto a la polaridad del voltaje:

Por el contrario, cuando se reduce el voltaje a través de un capacitor, el capacitor suministra corriente al resto del circuito, actuando como una fuente de energía. En esta condición, se dice que el condensador está descargándose . Su reserva de energía, que se mantiene 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 capacitor descargado (un aumento repentino de voltaje), el capacitor tomará corriente de esa fuente, absorbiendo energía de ella, hasta que el voltaje del capacitor 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 se conecta una resistencia de carga a un capacitor cargado, el capacitor suministrará corriente a la carga, hasta que haya liberado toda su energía almacenada y su voltaje disminuya 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 pensar que los condensadores actúan como baterías de celda secundaria.

La elección del material aislante entre las placas, como se mencionó anteriormente, tiene un gran impacto sobre la cantidad de flujo de campo (y por lo tanto, la carga) que se desarrollará con cualquier cantidad dada de voltaje aplicado a través de las placas. Debido al papel de este material aislante en afectar 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 del flujo de campo eléctrico se denomina permitividad del dieléctrico.

La medida de la capacidad de un capacitor para almacenar energía para una cantidad determinada 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 de voltaje (exactamente cuánta corriente producirá para una tasa determinada de cambio de voltaje). La capacitancia se denota simbólicamente con una “C” mayúscula y se mide en la unidad de Faradio, 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 microFaradios confusamente grandes:por ejemplo, ¡un condensador grande que he visto tenía una clasificación de 330.000 microFaradios! ! ¿Por qué no declararlo como 330 miliFarads? No sé.

El nombre obsoleto del condensador

Un nombre obsoleto para un condensador es condensador o condensador . Estos términos no se utilizan en ningún libro nuevo o diagrama esquemático (que yo sepa), pero pueden encontrarse en la literatura electrónica más antigua. Quizás el uso más conocido del término "condensador" es en la ingeniería automotriz, donde se utilizó un pequeño capacitor llamado con ese nombre para mitigar las chispas excesivas a través de los contactos del interruptor (llamados "puntos") en los sistemas de encendido electromecánico.

REVISAR:

• Los capacitores reaccionan contra cambios de voltaje al suministrar o extraer corriente en la dirección necesaria para oponerse al cambio.
• Cuando un capacitor se enfrenta a un voltaje creciente, actúa como una carga :dibuja corriente a medida que almacena energía (la corriente va en el lado positivo y sale por el lado negativo, como una resistencia).
• Cuando un capacitor se enfrenta a un voltaje decreciente, actúa como una fuente :suministra corriente a medida que libera la energía almacenada (la corriente sale por el lado positivo y por el negativo, como una batería).
• La capacidad de un capacitor para almacenar energía en forma de campo eléctrico (y, en consecuencia, oponerse a los cambios de voltaje) se denomina capacitancia . Se mide en la unidad de Farad (F).
• Los condensadores solían ser conocidos comúnmente por otro término: condensador (deletreado alternativamente "condensador").