Condensadores y bobinas

Electrónica. Botella de Leyden. Bobinas eléctricas. Inductores

  • Enviado por: Eddie
  • Idioma: castellano
  • País: Venezuela Venezuela
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República Bolivariana de Venezuela.

Ministerio de Educación, Cultura y Deporte

Escuela Técnica Industrial “Joaquín Avellán”

Maracay - Aragua.

Contenido

Introducción

Desarrollo: Condensadores eléctricos.

Bobinas eléctricas

Capacitores e inductores prácticos

Conclusión

AnexosIntroducción

El 29 de agosto de 1831, Michael Faraday, gran químico y físico inglés descubrió la inducción electromagnética, cuando observó que moviendo un imán a través de una bobina de alambre de cobre, se originaba una corriente eléctrica que fluía por el alambre.

Este experimento originó una serie de conclusiones que llevaba a Faraday al descubrimiento de campos electromagnéticos, los cuales fluyen por los inductores o bobinas que son tan útiles hoy en la fabricación de transformadores y motores eléctricos.

En el siguiente trabajo, se desarrollan dos elementos sumamente importantes en lo que respecta al almacenamiento de energía de pequeñas y grandes masas. Tal como es la función de carga y descarga de un condensador, el inductor o bobina es capaz de recuperar energía “concatenada” dentro de la superficie de los alambres que esta contiene.

O como es la de una bobina en un transformador creando campos magnéticos que facilitan el traspaso de energía eléctrica de un polo al otro. Las características de esos tan importantes dos componentes se explicaran detalladamente en este trabajo.

Desarrollo.

Condensadores eléctricos.

Un condensador eléctrico es un dispositivo de dos terminales que consiste en dos cuerpos conductores separados por un material no conductor. Tal material no conductor se conoce como aislante o dieléctrico. A causa del dieléctrico, las cargas no pueden moverse de un cuerpo conductor al otro dentro del dispositivo. Por tanto, éstas pueden transportarse entre los cuerpos conductores vía sistema de circuitos externos conectados a las terminales del capacitor. Un tipo muy sencillo llamado capacitor de placas paralelas se muestra en la siguiente figura. Los cuerpos conductores son cuerpos planos y rectangulares que están separados por un material dieléctrico.

Se define la capacidad de un condensador como la cantidad de electricidad, expresada en culombios, que es necesario transportar de una lamina a otra para crear una diferencia de potencial de un voltio entre ambas láminas. La cantidad de electricidad transportada se denomina carga. Aunque pareciera natural expresar la cantidad en culombios por voltio, se expresa en realidad en faradios o microfaradios, siendo un faradio la capacidad de un condensador en el cual una carga de un culombio produce una diferencia de potencial de un voltio entre las dos láminas.

Un microfaradio = a una millonésima de faradio.

Un picofaradio = 10-12 faradios.

Si después de cargar el condensador, se desconecta el generador, abriendo los interruptores, la carga volverá gradualmente a la lámina inferior a través del aislamiento, puesto que no existe ningún aislamiento perfecto; pero si el tiempo es seco, transcurrirán varios días antes que la carga desaparezca completamente. El condensador puede descargarse en pocas millonésimas de segundo conectando los extremos de un trozo corto de hilo a ambas láminas.

La capacidad es inversamente proporcional a la distancia que los separa. La explicación a esto está en el hecho en el que los protones en exceso que hay sobre la barra inferior ejercen una fuerza de atracción sobre los electrones que abandonan esta lámina oponiéndose así a los flujos de los mismos, mientras que los electrones en exceso en la lamina superior repelen a los de la inferior favoreciendo así el flujo. Puesto que los electrones en exceso en la lamina superior están a alguna distancia del lugar donde se producen las separaciones, mientras que los protones en exceso están justamente en dicho sitio, las fuerzas repulsivas que favorecen el flujo de electrones son menores que las fuerzas atractivas que se oponen a él, y el generador tiene que realizar un trabajo parar separar los electrones de la lamina inferior.

La capacidad de un condensador varia también considerablemente con la naturaleza de la sustancia aislante comprendida entre las laminas, denominada generalmente dieléctrico, y la razón de la capacidad de un condensador dado con un dieléctrico determinado entre sus láminas, a la capacidad del mismo condensador cuando entre las láminas hay aire o existe el vacío, se denomina constante dieléctrica.

SUSTANCIA

Constante Dieléctrica

Aceite

2,2 - 4,7

Agua

81

Aire

1

Ebonita

2,0 - 3,5

Goma Laca

2,9 - 3,7

Mica

2,5 - 6,6

Papel Parafinado

2,0 - 2,6

Vidrio

5,4 - 9,9

La razón de por qué la capacidad cambia por el dieléctrico es que los propios dieléctricos contienen un gran número de protones y electrones que, aunque no puedan fluir, son capaces sin embargo, de moverse apreciablemente. Esto és, están sujetos de modo elástico y no rígido. La deformación de la estructura del dieléctrico, producida al cargar el condensador, tiene un efecto fundamental sobre las fuerzas de atracción y repulsión que ayudan o se oponen al paso de la carga, y por tanto, un efecto fundamental sobre la capacidad.

Para describir la relación carga - voltaje del dispositivo, transfiramos carga de una placa a la otra. Supongamos, por ejemplo, que por medio de un circuito externo, tomamos una carga pequeña que según la primera figura denominados q, de la placa inferior a la placa superior. Esto, por supuesto, deposita una carga +q en la placa superior y deja una carga -q en la inferior. Ya que mover estas cargas requiere la separación de cargas de diferente signo (recuérdense que cargas opuestas se atraen), se desarrolla una pequeña cantidad de trabajo, y la placa superior se eleva a un potencial que designaremos v con respecto a la placa inferior.

Cada elemento de carga q que transfiramos incrementa la diferencia de potencial entre las placas en una cantidad v . Por tanto, la diferencia de potencial entre las placas es proporcional a la carga transferida. Esto sugiere que un cambio en el voltaje entre terminales en una cantidad v origina un cambio correspondiente en la carga de la placa superior en una cantidad q. Así, la carga es proporcional a la diferencia de potencial. Esto significa que si un voltaje entre terminales v corresponde a una carga q en el capacitor ha sido cargado al voltaje v el cual es proporcional a la carga. Por lo tanto:

Condensadores y bovinas

C viene siendo la constante de proporcionalidad, conocida como la capacitancia del dispositivo en faradios. Los condensadores que satisfacen dicha anterior formula se denominan condensadores lineales puesto que su relación carga - voltaje es la ecuación de una linea recta con pendiente C. Puesto que la corriente se define como la razón de cambio de la carga, diferenciando la anterior formula, tenemos que:

Condensadores y bovinas

Tipos de Condensadores.

Los tipos comunes de Condensadores incluyen a los de cerámica (titanato de bario), Mylar, Teflón y poliestireno. Estos tipos están disponibles en escalas de valores de la capacitancia típicos desde 100 pF hasta 1 F con tolerancias de 3, 10% y 20%. Los productos resistencia - capacitancia de estos tipos están en la escala de 103 -F (cerámica) a 2 x 4 106 -F (Teflón)

Otro tipo de capacitor, que ofrece valores mayores de C, es el capacitor electrolítico. Este capacitor está fabricado con placas polarizadas de óxido de aluminio u óxido de tantalio y tiene valores de 1 a 100.000 F. Los productos resistencia - capacitancia, sin embargo, están en la escala de 10 a 103 -F, lo cual indica que los electrolíticos son más disparadores que los tipos no electrolíticos.

Además, puesto que los condensadores electrolíticos están polarizados, deben conectarse al circuito con la polaridad de voltaje apropiada. Si se usa la polaridad incorrecta, se reducirá el óxido y puede ocurrir una conducción abundante entre las placas.

Los condensadores electrolíticos son los que tienen mayor capacidad nominal, por su mayor relación capacidad/volumen. Ello los hace atractivos a simple vista para las aplicaciones de filtrado tipo de paso bajo. No obstante, su ESR es elevada, del orden de 0,1 W e incluso 1 W en los de aluminio, valor que aumenta con la frecuencia y al disminuir la temperatura. Su corriente de fugas aumenta si permanecen largo tiempo sin tensión aplicada. Debido a su gran tamaño, la inductancia de los condensadores de aluminio es elevada, lo que limita su utilización a frecuencias inferiores a 25 KHz. Se emplean principalmente en filtrado, desacoplamiento y acoplamiento a baja frecuencia. Ante la posible presencia de altas frecuencias, deben desacoplarse con un condensador de tipo distinto dispuesto en paralelo, que tenga pequeño valor y baja inductancia.

Una desventaja de los condensadores electrolíticos es que están polarizados, lo que obliga a que la tensión entre sus bornes tenga siempre una polaridad determinada. Puede obtenerse un condensador no polarizado conectando dos condensadores electrolíticos iguales en oposición-serie, resultando un condensador con capacidad mitad y la misma tensión nominal que la de los condensadores empleados.

Condensadores en Serie.

La capacitancia equivalente de las conexiones en serie y paralelo son una analogía directa de la conductancia equivalente. Consideremos primero la conexión en serie de N capacitores como se muestra a continuación

Si aplicamos LVK, encontramos que:

Por lo tanto:

Y si tenemos en serie C1 + C2, CS se saca como si estuvieran en paralelo. Por lo tanto, la capacitancia equivalente es el producto sobre la suma de dos capacitancias individuales.

La Botella de Leyden

Es uno de los condensadores más simples, descubierto alrededor de 1745, de forma independiente, por el físico holandés Pieter van Musschenbroek de la Universidad de Leyden y el físico alemán Ewald Georg von Kleist. La botella de Leyden original era una botella de cristal llena de agua y cerrada, con un alambre o una aguja que traspasaba el tapón y estaba en contacto con el agua. La botella se cargaba sujetándola con una mano y poniendo la parte saliente del alambre en contacto con un dispositivo eléctrico. Cuando se interrumpía el contacto entre el alambre y la fuente eléctrica y se tocaba el alambre con la mano, se producía una descarga que se presentaba como una sacudida violenta. La botella de Leyden actual está recubierta por una capa de estaño tanto por la parte interior como por la exterior. El contacto eléctrico se realiza con una barra de latón que atraviesa el tapón de la botella y que está en contacto con la capa interior de metal mediante una cadena. Se produce una descarga completa cuando se conectan las dos capas por medio de un conductor. La botella de Leyden se utiliza todavía para demostraciones y experimentos en los laboratorios.

  • Inductancia: La inductancia de un circuito es la relación entre la fuerza electromotriz inducida en él por una corriente variable, y la velocidad de variación de dicha corriente. Los componentes diseñados de modo que presenten adrede un valor de inductancia elevado se denominan bobinas eléctricas, inductancias o inductores. Consisten básicamente en un conductor arrollado de forma que se incremente el concatenamiento del flujo magnético creado por la corriente variable que circule por las espiras. La inductancia de una bobina depende de sus dimensiones, del número de vueltas del hilo (espiras) y de la permeabilidad del núcleo, m . De todos los componentes pasivos, es el que más cambia con la frecuencia.

Los inductores se clasifican según el tipo de núcleo sobre el que están devanados. Los dos tipos más generales son los de núcleo de aire y los de núcleo magnético (hierro o ferrita). En cualquier caso, un inductor real presenta, además de la inductancia, una resistencia en serie y una capacidad distribuida en el bobinado. Esta capacidad se representa por un condensador en paralelo en un modelo de parámetros concentrados. 

Bobinas Eléctricas.

Justo como las cargas estáticas ejercen fuerzas las unas sobre las otras, se encuentra que las cargas en movimiento o corrientes también influyen una a otra. La fuerza que se experimenta entre dos alambres conductores de corriente vecinos la determinó experimentalmente Ampere en los árboles del siglo diecinueve. Estas fuerzas pueden caracterizarse por la existencia de un campo magnético. Este a su vez puede explicarse en términos de flujo magnético que forma trayectorias cerradas alrededor de corrientes eléctricas. El origen del flujo, por supuesto es la corriente eléctrica.

Un inductor o bobina eléctrica es un dispositivo de dos terminales que consiste en un alambre conductor embobinado. Una corriente que fluya a través del dispositivo produce un flujo magnético Ø el cual forma trayectorias cerradas encerrando las bobinas construidas en el inductor:

Supónganse que la bobina contiene N vueltas y que el flujo Ø pasa a través de cada vuelta. En este caso, el flujo total concatenado por las N vueltas de la bobina es:

Este flujo total se conoce por lo común como flujo concatenado. La unidad de flujo magnético es weber (Wb) así llamado por el físico alemán Wilhelm Weber (1804-1891). En un inductor lineal, el acoplamiento por flujo es directamente proporcional a la corriente que fluye a través del dispositivo. Por tanto podemos afirmar que:

Donde L, la constante de proporcionalidad, es la inductancia en webers por amperes. La unidad de 1 Wb/A se conoce como henry (H). Denominada así por el físico norteamericano Joseph Henry (1797 - 1878).

En la anterior formula vemos que un incremento en i produce un incremento correspondiente . Este incremento en  produce un voltaje en la N-ésima vuelta de la bobina. El hecho de que los voltajes ocurren al cambiar el flujo magnético fue descubierto en primer lugar por Henry.

Sin embargo, Henry repitió el error de Cavendish con el resistor, al omitir la publicación de sus descubrimientos. Como resultado de lo anterior, se otorga a Faraday el crédito por el descubrimiento de la Ley de inducción electromagnética. Esta Ley establece que el voltaje es igual a la razón del cambio del tiempo del flujo magnético total. En forma matemática, la ley es:

Y si la unimos con la penúltima formula, tenemos que:

Es evidente que si i se incrementa, se establece un voltaje entre los terminales del inductor. Este voltaje se opone a un incremento de i pero si este no fuera el caso, esto es, si la polaridad se invirtiera, el voltaje inducido podría “ayudar” a la corriente. Esto no puede ser verdadero físicamente porque la corriente se incrementaría indefinidamente.

El símbolo de circuitos y la convención corriente - voltaje del inductor se muestran el la figura al principio de las “Bobinas Eléctricas”. Justo como en los casos del resistor y el capacitor, si la dirección de corriente o asignación de voltajes, pero no ambas, se invierten; entonces debe emplearse un signo negativo en el miembro derecho.

En los inductores con núcleo magnético se observa también que, por la saturación del núcleo, la inductancia decrece al aumentar la corriente, y que el coeficiente de temperatura es positivo o negativo, dependiendo del coeficiente de permeabilidad del núcleo. La eficiencia volumétrica es mayor que en las bobinas con núcleo de aire, pero, por contra, la susceptibilidad a campos magnéticos externos es mayor por cuanto el núcleo concentra los campos magnéticos externos, en mayor grado si se trata de un núcleo abierto que si se trata de un núcleo cerrado. La histéresis da lugar también a efectos no lineales.

Almacenamiento de energía en inductores

Una corriente i al fluir a través de un inductor, origina que se produzca un flujo concatenado total  que pasa a través de las vueltas de la bobina, constituyendo así el dispositivo. Justo como se realiza el trabajo de mover cargas entre las placas de un capacitor, es necesario un trabajo semejante para establecer el flujo ø en el inductor. Se dice que el trabajo o energía que se requiere en este caso se almacena en el campo magnético.

El inductor ideal, como el capacitor ideal no disipa potencia alguna. Por tanto la energía almacenada en el inductor se puede recuperar. Supóngase que el inductor, por medio de un circuito externo, se conecta en paralelo con un resistor. En este caso la corriente a través de la combinación inductor-resistor hasta que la energía previamente almacenada en el inductor es absorbida por el resistor y la corriente es cero.

Bobinas en Serie y en Paralelo.

La conexión en serie de N bobinas, como veremos en la siguiente figura, aplicando la LVK, vemos que:

Por lo cual podemos escribir que:

En el Circuito, podemos sacar el voltaje así:

Por tanto, la inductancia equivalente de N inductores en serie es simplemente la suma de las inductancias individuales. Además es evidente que una corriente inicial es igual a la que fluye por la conexión en serie. Por lo tanto, la Ley de Ohm rige este circuito.

En el circuito paralelo tenemos:

Donde i (t0) es la corriente en LP en t = t0 . Si este circuito es una red equivalente de la conexión en paralelo, entonces las ecuaciones anteriores requieren que la inductancia en paralelo equivalente este dada por:

Capacitores e inductores prácticos.

Los capacitores disponibles en el mercado se fabrican en una alta variedad de tipos, valores y escalas de voltaje. El tipo del capacitor se clasifica en general según la clase del dieléctrico utilizada, y su capacitancia se determina según el tipo de dieléctrico y la geometría física del dispositivo. La escala de voltaje o voltaje de trabajo es el voltaje máximo que puede aplicarse con seguridad al capacitor. Los voltajes que exceden este valor pueden dañar en forma permanente al dispositivo o hacer que falle el dieléctrico.

Los capacitores sencillos a menudo se fabrican empleando dos hojas de lámina de metal las cuales están separadas por un material dieléctrico. Las laminas y el dieléctrico son comprimidos en conjunto en forma laminar y a continuación se enrollan o pliegan en un paquete compacto. Los conductores eléctricos unidos a cada hoja de placa de metal constituyen las terminales del capacitor.

Los capacitores prácticos, a diferencia de los ideales, disipan en general una pequeña cantidad de potencia. Esto se debe principalmente a las corrientes de dispersión que ocurre dentro del material dieléctrico del dispositivo. Los dieléctricos prácticos tienen una conductancia diferente de cero, lo cual permite que una corriente óhmica fluya entre las capas del condensador. Esta corriente se incluye fácilmente en un circuito equivalente del dispositivo colocando una resistencia en paralelo con una capacitancia ideal:

Rc representa las pérdidas óhmicas del dieléctrico y C la capacitancia. La resistencia de dispersión Rc, es inversamente proporcional a la capacitancia C. Por tanto, el producto de la resistencia de dispersión y la capacitancia RcC, cantidad que con frecuencia dan los fabricantes, es útil para especificar las perdidas del capacitor.

Los inductores prácticos, como las capacitores prácticos, tienden a votar o disipar cierta cantidad de potencia. Esto resulta de las perdidas óhmicas asociadas al alambre del que se hace la bobina del inductor y de la pérdidas en el núcleo debidas a corrientes inducidas que aparecen en el núcleo alrededor del cual se enrolla la bobina.

Se puede realizar un circuito equivalente de un inductor colocando una resistencia en serie con un inductor ideal, donde RL representa las perdidas óhmicas y L la inductancia.

Los inductores están disponibles con valores de menos 1 H a 100 H. Se obtienen valores grandes de inductancia empleando muchas vueltas y materiales de núcleo ferrosos (hierro); por lo consiguiente, a medida que la inductancia crece, la resistencia en serie general crece.

Como el resistor y el amplificador operacional, el capacitor se puede fabricar en forma de circuito integrado. Sin embrago, los intentos de integrar el inductor no han tenido mucho éxito por las restricciones geométricas y porque los semiconductores no ofrecen las propiedades magnéticas necesarias. Por esta razón, en muchas instalaciones los circuitos se diseñan usando solo resistores y dispositivos electrónicos, tales como los amplificadores operacionales.

Tipos de Condensadores.


Conclusión

Los condensadores no son más que dispositivos que permiten la carga y descarga de energía y por lo tanto el almacenamiento de las mismas en el tiempo que sea necesario. Por tanto, son dispositivos que evitan el disparo repentino del flujo de energía almacenando una cantidad de la misma dentro de ellos.

La capacidad de los condensadores dependen no solo de los materiales “dieléctricos” que usan los diferentes fabricantes, sino también de la distancia que tienen las placas de separación. El flujo de protones y electrones dentro del capacitor dependen de la distancia que los separa, pues dicha distancia facilita o impide el mas rápido traspaso de contaminante a las placas.

Los inductores o bobinas eléctricas constan de una serie de alambres enredados de manera uniforme alrededor de un núcleo que en la mayoría de veces es de hierro para que el flujo de energía eléctrica que pase por el alambre, de ciertas vueltas que originen un campo magnético dentro y alrededor del núcleo.

Si hablamos en incorporar condensadores en circuitos básicos, obtenemos que los condensadores conectados en serie se comportan como resistores en paralelo; y cuando se conectan en paralelo se comportan como resistores en serie. Por lo tanto, la capacidad de los capacitores es inversamente proporcional a la tensión aplicada.

La inductancia de un circuito es, como su resistencia eléctrica, una constante del mismo. Se dice que un circuito tiene una inductancia de un henrio cuando una variación de 1ª por segundo en una corriente que circula por el circuito induce en el mismo un fem de 1V

Tal como R es la resistencia expresada en ohmios en los circuitos de Corriente Continúa, Z es la impedancia en los circuitos de Corriente Alterna, y también se mide en ohmios.

+

q

v

-

Dieléctrico

Condensadores y bovinas

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i

+ N Ø

v N

-

Condensadores y bovinas

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Condensadores y bovinas

Margen de utilización aproximado para diversos tipos de condensadores según su dieléctrico.

Las líneas atrazos indican variaciones debidas a la tecnología, valor, etc.

El campo magnético creado por una bobina de núcleo de aire como la anterior puede ser intensificado aumentando la corriente aplicada o llenando el espacio vacío dentro de la misma con un núcleo de material magnético, que concentre mejor las líneas de fuerza. Otra es construyendo la bobina en múltiples capas, es decir realizando un nuevo devanado encima del primer arrollamiento, uno encima del segundo, y así sucesivamente.