Péndulo Eléctrico: Cómo Capacitores e Inductores Intercambian Energía

Los capacitores 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 movimiento cinético de electrones: corriente.

Los capacitores e inductores son caras opuestas de la misma moneda reactiva, almacenando y liberando energía en modos complementarios. Cuando estos dos tipos de componentes reactivos se conectan directamente, sus tendencias complementarias de almacenar energía producirán un resultado inusual.

Si el capacitor o el inductor comienza en un estado cargado, los dos componentes intercambiarán energía entre ellos, de ida y vuelta, creando sus propios ciclos de voltaje y corriente de CA.

Si asumimos que ambos componentes son sometidos 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 al capacitor en estado cargado y al inductor en estado descargado.

 

Estado Inicial:

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

 

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

 

Capacitor descargando: voltaje disminuyendo; inductor cargando: corriente aumentando.

 

El inductor, aún cargando, mantendrá la corriente fluyendo en el circuito hasta que el capacitor se haya descargado completamente, dejando cero voltaje a través de él.

 

Capacitor totalmente descargado: voltaje cero; inductor totalmente cargado: corriente máxima.

 

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

 

Capacitor cargando: voltaje aumentando (en polaridad opuesta); inductor descargando: corriente disminuyendo.

 

Cuando el inductor finalmente se agota de su reserva de energía y los electrones se detienen, el capacitor habrá alcanzado carga completa (voltaje) en la polaridad opuesta a como empezó.

 

Capacitor totalmente cargado: voltaje en pico (-); inductor totalmente descargado: corriente cero.

 

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

 

Capacitor descargando: voltaje disminuyendo; inductor cargando: corriente aumentando.

 

Eventualmente el capacitor descargará a cero voltios, dejando al inductor totalmente cargado con corriente completa a través de él.

 

Capacitor totalmente descargado: voltaje cero; inductor totalmente cargado: corriente en pico (-).

 

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

 

Capacitor cargando: voltaje aumentando; inductor descargando: corriente disminuyendo.

 

Eventualmente el capacitor se cargará completamente de nuevo a medida que el inductor agota todas sus reservas de energía intentando mantener la corriente. El voltaje estará nuevamente en su pico positivo y la corriente en cero. Esto completa un ciclo completo de intercambio de energía entre el capacitor e inductor.

 

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

 

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

En general, este comportamiento es análogo al de un péndulo: a medida que la masa del péndulo oscila de ida y vuelta, hay una transformación de energía de cinética (movimiento) a potencial (altura), de manera similar a como la energía se transfiere en el circuito capacitor/inductor de ida y vuelta en las formas alternantes de corriente (movimiento cinético de electrones) y voltaje (energía potencial eléctrica).

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

Al oscilar de vuelta, pasa rápidamente por un punto donde la cuerda apunta recto hacia abajo. En este punto, la energía potencial (altura) es cero y la energía cinética (movimiento) es máxima. Como el circuito, la oscilación de ida y vuelta de un péndulo continuará con amplitud amortiguada constantemente, resultado de la fricción del aire (resistencia) disipando energía.

También como el circuito, las mediciones de posición y velocidad del péndulo trazan dos ondas senoidales (90 grados fuera de fase) en el tiempo.

 

El péndulo transfiere energía entre cinética y potencial al oscilar de bajo a alto.

 

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

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

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

La capacidad de tal circuito para almacenar energía en forma de voltaje y corriente oscilantes le ha valido el nombre de circuito tanque. Su propiedad de mantener una única frecuencia natural independientemente de cuánta o poca energía se almacene en él le da significado especial en 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 para un circuito coincide exactamente con la frecuencia natural de oscilación del circuito establecida por los componentes L y C, se dice que el circuito está en un estado de resonancia. Los efectos inusuales alcanzarán su máximo en esta condición de resonancia.

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

 

REPASO:

• Un capacitor e inductor conectados directamente forman un circuito tanque, que oscila (o resuena) a una frecuencia particular. A esa frecuencia, la energía se alterna entre el capacitor y el inductor en forma de voltaje y corriente alternos 90 grados fuera de fase entre sí.
• Cuando la frecuencia de la fuente de alimentación para un circuito de CA coincide exactamente con la frecuencia natural de oscilación de ese circuito establecida por los componentes L y C, se habrá alcanzado una condición de resonancia.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

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