Condensadores y Magnetismo: Funcionamiento, Tipos y Aplicaciones en Electrónica

Condensadores: Fundamentos y Aplicaciones

Los condensadores, al igual que las resistencias, son componentes fundamentales en electricidad, electrónica y comunicaciones. La función principal de un condensador es almacenar carga eléctrica. Se comporta como un depósito de electricidad, cuyo símil hidráulico podría ser un depósito de agua.

Definición de Condensador

Cuando se aplica una tensión a un condensador mediante una fuente externa, se genera un campo eléctrico en su interior. Este campo eléctrico permite que el condensador adquiera una determinada carga eléctrica (medida en Coulombs), lo que da lugar a una diferencia de potencial entre sus terminales.

Capacidad de un Condensador

La capacidad de un condensador se define como la relación entre la carga almacenada y la tensión aplicada:

Capacidad (C) = Carga (Q) / Tensión (V)

Las unidades de capacidad son los Faradios (F), donde:

1 Faradio (F) = 1 Coulomb (C) / 1 Voltio (V)

Submúltiplos comunes del Faradio:

• Milifaradio (mF): 1 mF = 10^-3 F
• Microfaradio (µF): 1 µF = 10^-6 F
• Nanofaradio (nF): 1 nF = 10^-9 F
• Picofaradio (pF): 1 pF = 10^-12 F

Relaciones entre submúltiplos:

• 1 mF = 1000 µF
• 1 µF = 1000 nF
• 1 nF = 1000 pF

Cálculo de la Capacidad

La capacidad de un condensador de placas paralelas se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

C = ε * (S / d)

Donde:

• C: Capacidad en Faradios (F)
• ε: Constante dieléctrica del material entre las placas
• S: Superficie de las placas en metros cuadrados (m²)
• d: Distancia de separación entre las placas en metros (m)

El valor práctico de la constante dieléctrica (ε) se calcula como: ε = 8.85 x 10^-12 * ε_r, donde ε_r es la constante dieléctrica relativa del material.

Características de los Condensadores

• Capacidad: Indica la cantidad de carga eléctrica (en Coulombs) que puede almacenar el condensador. Se calcula como Q = C * V.

• Tensión: Representa la tensión máxima que el condensador puede soportar de forma continua. Es importante no sobrepasar este valor para evitar daños en el componente. Este valor suele estar indicado en el cuerpo del condensador.

• Tolerancia: Al igual que otros componentes, la capacidad nominal de un condensador puede variar dentro de un cierto rango. Los condensadores electrolíticos suelen tener tolerancias altas, por ejemplo, entre -20% y +50%.

• Corriente de fuga: Se refiere a la pequeña corriente que puede fluir a través del dieléctrico cuando el condensador está sometido a tensión. Idealmente, esta corriente debería ser cero.

• Temperatura: La temperatura puede afectar las características del condensador, especialmente en los electrolíticos. Es importante mantener los condensadores alejados de fuentes de calor.

Tipos de Condensadores

• Papel
• Cerámica
• Plásticos
• Electrolíticos

Condensadores en Paralelo

Cuando se conectan dos condensadores en paralelo, la carga total almacenada es la suma de las cargas individuales:

Q_T = Q₁ + Q₂

Dado que Q₁ = C₁ * V y Q₂ = C₂ * V, entonces:

Q_T = C₁ * V + C₂ * V

La capacidad total (C_T) se define como Q_T / V, por lo tanto:

C_T = (C₁ * V + C₂ * V) / V

Simplificando, se obtiene:

C_T = C₁ + C₂

En general, la conexión de condensadores en paralelo aumenta la capacidad total del circuito, equivalente a un aumento en la superficie efectiva de las placas.

Condensadores en Serie

En un circuito serie, la corriente de carga es la misma para todos los condensadores. Según la ley de Kirchhoff, la suma de las tensiones en cada condensador es igual a la tensión total:

V_t = V₁ + V₂ + V₃

Dado que V = Q / C, se tiene:

V_t = Q / C_t = Q / C₁ + Q / C₂ + Q / C₃

Simplificando por Q, se obtiene:

1 / C_t = 1 / C₁ + 1 / C₂ + 1 / C₃

Carga y Descarga de un Condensador

• V_c(t): Tensión del condensador en función del tiempo.
• V_c(0): Tensión inicial del condensador (en t₀).
• V_B: Tensión de la fuente.
• e: Base de los logaritmos neperianos (aproximadamente 2.718).
• t: Tiempo en segundos (s).
• R: Resistencia en el circuito en Ohmios (Ω).
• C: Capacidad del condensador en Faradios (F).

Constante de Tiempo (τ)

La constante de tiempo (τ) se define como el tiempo que tarda un condensador en alcanzar el 63.2% de su carga máxima. Se calcula como:

τ = R * C

En un circuito con R = 10⁶ Ω y C = 10 * 10^-6 F, la constante de tiempo es:

τ = 10⁶ Ω * 10 * 10^-6 F = 10 s

Si la fuente de tensión es de 10V, después de 10 segundos la tensión del condensador será de 0.632 * 10V = 6.32V.

Corriente en el Circuito

Aplicando la ley de Ohm, la corriente en el circuito es:

I_c = (V_B - V_c) / R

La corriente máxima es I_c(máx) = V_B / R. La corriente en función del tiempo es:

I_c(t) = I_c(máx) * e^{(-t / RC)}

Cuando t = 0, I_c(t) = V_B / R (valor máximo).

Cuando t = RC (constante de tiempo), la corriente disminuye un 63.2%.

Después de 5τ, el condensador está prácticamente cargado y la corriente es casi cero.

Tensión del Condensador en Función del Tiempo

V_c(t) = V_c(0) * e^{(-t / RC)}

Corriente de Descarga

En el momento inicial de la descarga (t = 0), la corriente máxima es:

I_c(máx) = V_c(0) / R

A medida que el condensador se descarga, su tensión disminuye, y la corriente también disminuye tendiendo a cero.

Cuando el condensador está descargado, V_c = 0, entonces I_c = 0.

La corriente en función del tiempo durante la descarga es:

I_c(t) = (V_c(0) / R) * e^{(-t / RC)}

Energía Almacenada en un Condensador

La carga eléctrica almacenada en un condensador puede realizar trabajo. La energía almacenada durante la carga se devuelve durante la descarga. La diferencia de potencial entre las placas de un condensador con carga Q y capacidad C es:

V = Q / C

En el proceso de carga, la tensión varía de 0 a V. El valor medio de la tensión es V / 2. El trabajo necesario para trasladar la carga Q a través de esta tensión media es:

W = Q * V / 2

Dado que Q = C * V, la energía eléctrica (W) almacenada en el condensador es:

W = 1/2 * C * V²

Magnetismo y Electromagnetismo

El magnetismo es un fenómeno físico caracterizado por un campo de fuerzas que puede actuar sobre ciertos materiales. Al igual que el campo eléctrico, es invisible y actúa a distancia.

Campo Magnético

Se dice que existe un campo magnético en la región del espacio donde se manifiestan fuerzas magnéticas. Es la fuerza que se manifiesta alrededor de un imán.

La magnetita es un mineral de hierro que actúa como un imán natural. Los materiales ferromagnéticos, como el hierro, el níquel y el cobalto, pueden adquirir propiedades magnéticas.

Otros materiales, como el cobre y el aluminio, son diamagnéticos y no adquieren propiedades magnéticas.

Unidades Magnéticas

• Densidad magnética (B): B = Φ / S (1 Tesla = 1 Weber / m²)
• Flujo magnético (Φ): Φ = B * S (1 Weber = 1 Tesla * m²)
• Otras unidades: Maxwell (Mx) y Gauss (G)
• Equivalencias: 1 Weber = 10⁸ Maxwell, 1 Tesla = 10⁴ Gauss

Permeabilidad Magnética

La permeabilidad (µ) es la capacidad de un material para ser atravesado por un campo magnético. A mayor permeabilidad, mayor facilidad para que el material se vea influenciado por el campo magnético.

Electromagnetismo

El electromagnetismo estudia la relación entre la electricidad y el magnetismo. Se basa en los siguientes principios:

• La circulación de corriente eléctrica genera un campo magnético.
• El movimiento relativo entre un conductor y un campo magnético genera electricidad.

Michael Faraday descubrió que un campo magnético puede generar una corriente eléctrica, el efecto contrario al descubierto por Oersted.

Bobinas y Solenoides

Una bobina es un arrollamiento de hilo conductor, generalmente cobre, sobre un soporte. Un solenoide es una bobina con forma helicoidal.

Electroimán

Cuando una corriente continua circula por una bobina, se genera un campo magnético a su alrededor, comportándose como un imán. A esto se le llama electroimán. La intensidad del campo magnético es proporcional al número de espiras de la bobina y a la corriente que circula.

Núcleo Magnético

Un núcleo de material ferromagnético (como el hierro dulce) dentro de una bobina aumenta la fuerza del campo magnético. El hierro, al tener mayor permeabilidad que el aire, concentra las líneas de fuerza, aumentando la densidad del flujo magnético.

Fuerza Magnetomotriz (f.m.m)

La fuerza magnética generada por una bobina es mayor cuanto mayor sea la corriente y el número de espiras. La fuerza magnetomotriz (f.m.m) se define como:

f.m.m = I * N (Amperios * vuelta)

Por ejemplo, una bobina de 500 espiras con una corriente de 2 A produce una f.m.m de 1000 Av.

Aplicaciones del Electromagnetismo: El Contactor

El contactor es un dispositivo que utiliza la fuerza magnética de un electroimán para cerrar contactos. Es ampliamente utilizado en sistemas de automatismo.