13.1: Campos Eléctricos y Capacitancia

Es cierto que el concepto de “campo” es algo abstracto. Al menos con la corriente eléctrica no es demasiado difícil imaginar partículas diminutas llamadas electrones moviéndose entre los núcleos de 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 cada uno de nosotros tiene experiencia directa con los campos, al menos en forma de imanes. ¿Alguna vez has jugado con un par de imanes, notando cómo se atraen o repelen entre sí dependiendo de su orientación relativa? Hay una fuerza innegable entre un par de imanes, y esta fuerza carece de “sustancia”. No tiene masa, ni color, ni olor, y si no fuera por la fuerza física ejercida sobre los propios imanes, 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 las limaduras de hierro se colocan cerca de un imán, se orientan a lo largo de las líneas del campo, indicando 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, sino que hay muchas similitudes. Lo más probable es que también hayas 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 frotaban unos contra otros, producían una atracción física. Nuevamente, los físicos describirían esta interacción en términos de campos eléctricos generados por los dos objetos como resultado de sus desequilibrios electrónicos. Baste decir que siempre que exista una tensión 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: una fuerza de campo y un flujo de campo. La fuerza de campo es la cantidad de “empuje” que un campo ejerce sobre una cierta distancia. El flujo de campo 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 ser opuesto en el espacio, así como el flujo de electrones puede ser opuesto por la resistencia. 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 la resistencia específica de ese 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 a un conductor a menos que haya un camino para que salga una cantidad igual de electrones (¿recuerdas la analogía de mármol-en-tubo?). Es por ello que los conductores deben estar conectados entre sí en una trayectoria circular (un circuito) para que se produzca corriente continua. Por extraño que parezca, sin embargo, los electrones adicionales pueden ser “exprimidos” en un conductor sin un camino para salir si se permite que un campo eléctrico se desarrolle en el espacio en relación con otro conductor. El número de electrones libres adicionales añadidos al conductor (o electrones libres retirados) es directamente proporcional a la cantidad de flujo de campo entre los dos conductores.

El campo eléctrico de los capacitores

Los capacitores son componentes diseñados para aprovechar este fenómeno al colocar 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 capacitores muy pequeños bastarán con dos placas circulares intercalando un material aislante. Para valores de condensadores más grandes, las “placas” pueden ser tiras de lámina metálica, intercaladas alrededor de un medio aislante flexible y enrolladas para mayor compacidad. Los valores de capacitancia más altos se obtienen mediante el uso de una capa de espesor microscópico de óxido aislante 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 para un condensador es bastante sencillo, siendo poco más de dos líneas cortas y paralelas (que representan las placas) separadas por un hueco. Los cables se unen a las placas respectivas para la conexión a otros componentes. Un símbolo esquemático antiguo y obsoleto para capacitores mostraba placas intercaladas, lo que en realidad es una forma más precisa de representar la construcción real de la mayoría de los capacitores:

Cuando se aplica un voltaje a través de las dos placas de un condensador, se crea un flujo de campo concentrado entre ellas, permitiendo 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 son “robados” del conductor positivo. Esta carga diferencial equivale a un almacenamiento de energía en el condensador, representando la carga potencial de los electrones entre las dos placas. Cuanto mayor sea la diferencia de electrones en placas opuestas de un condensador, mayor será el flujo de campo y mayor “carga” de energía almacenará el condensador.

Debido a que los condensadores 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 la energía en forma de calor) en un circuito. El almacenamiento de energía en un condensador es una función del voltaje entre las placas, así como de otros factores que discutiremos más adelante en este capítulo. La capacidad de un condensador 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 capacitores tienden a resistir cambios en la caída de voltaje. Cuando el voltaje a través de un condensador aumenta o disminuye, el condensador “resiste” el cambio extrayendo corriente de o suministrando corriente a la fuente del cambio de voltaje, en oposición al cambio.

Para almacenar más energía en un condensador, se debe aumentar el voltaje a través de él. Esto significa que se deben agregar más electrones a la placa (-) y más quitarse de la placa (+), necesitando una corriente en esa dirección. Por el contrario, para liberar energía de un condensador, se debe disminuir el voltaje a través de él. Esto significa que algunos de los electrones sobrantes en la placa (-) deben ser devueltos a la placa (+), necesitando 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 afirmar la tendencia de un condensador a oponerse a los cambios de voltaje como tales: “Un condensador cargado tiende a permanecer cargado; un condensador descargado tiende a permanecer descargado”. Hipotéticamente, un condensador dejado intacto mantendrá indefinidamente cualquier estado de carga de voltaje en el que se le haya dejado. Solo una fuente externa (o drenaje) de corriente puede alterar la carga de voltaje almacenada por un condensador perfecto:

Hablando prácticamente, sin embargo, los condensadores eventualmente perderán sus cargas de voltaje almacenadas debido a las trayectorias 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 mucho tiempo (¡varios años con el condensador sentado en una repisa!).

Cuando aumenta el voltaje a través de un condensador, extrae corriente del resto del circuito, actuando como una carga de energía. En esta condición se dice que el condensador se está cargando, debido a que hay una cantidad cada vez mayor de energía que se almacena en su campo eléctrico. Observe la dirección de la corriente electrónica con respecto a la polaridad del voltaje:

Por el contrario, cuando disminuye el voltaje a través de un condensador, el condensador suministra corriente al resto del circuito, actuando como fuente de alimentación. En esta condición se dice que el condensador está descargando. Su reserva de energía, que se mantiene en el campo eléctrico, está disminuyendo ahora a medida que la energía se libera al resto del circuito. Observe la dirección de la corriente electrónica con respecto a la polaridad del voltaje:

Si de repente se aplica una fuente de voltaje a un condensador sin carga (un aumento repentino de voltaje), el condensador extraerá corriente de esa fuente, absorbiendo energía de ella, hasta que el voltaje del condensador sea igual al de la fuente. Una vez que el voltaje del condensador alcanzó este estado final (cargado), su corriente decae a cero. Por el contrario, si se conecta una resistencia de carga a un condensador cargado, el condensador suministrará corriente a la carga, hasta que haya liberado toda su energía almacenada y su voltaje decae a cero. Una vez que el voltaje del condensador alcanza este estado final (descargado), su corriente decae a cero. En su capacidad para cargarse y descargarse, se puede pensar que los capacitores actúan como baterías de celdas secundarias.

La elección del material aislante entre las placas, como se mencionó anteriormente, tiene un gran impacto en la cantidad de flujo de campo (y por lo tanto cuánta carga) 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 de flujo de campo eléctrico se denomina permitividad del dieléctrico.

La medida de la capacidad de un condensador para almacenar energía para una cantidad dada de caída de voltaje se llama capacitancia. No es sorprendente que la capacitancia sea también una medida de la intensidad de oposición a los cambios en el voltaje (exactamente cuánta corriente producirá para una tasa dada de cambio en el voltaje). La capacitancia se denota simbólicamente con una “C” mayúscula, y se mide en la unidad del Farad, abreviada como “F”

Convención, por alguna extraña razón, ha favorecido el prefijo métrico “micro” en la medición de grandes capacitancias, y tantos capacitores están clasificados en términos de valores de MicroFarad confusamente grandes: por ejemplo, un condensador grande que he visto fue calificado con 330,000 MicroFarads!! ¿Por qué no declararlo como 330 milifaradios? No lo 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 para el término “condensador” es en la ingeniería automotriz, donde se utilizó un pequeño condensador 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 los cambios de voltaje suministrando o extrayendo corriente en la dirección necesaria para oponerse al cambio.
• Cuando un condensador se enfrenta a un voltaje creciente, actúa como una carga: extrayendo corriente a medida que absorbe energía (corriente que va en el lado negativo y sale por el lado positivo, como una resistencia).
• Cuando un condensador se enfrenta a una tensión decreciente, actúa como fuente: suministrando corriente a medida que libera energía almacenada (corriente que sale por el lado negativo y en el lado positivo, como una batería).
• La capacidad de un condensador para almacenar energía en forma de campo eléctrico (y en consecuencia para oponerse a los cambios de voltaje) se llama capacitancia. Se mide en la unidad del Farad (F).
• Los condensadores solían ser conocidos comúnmente por otro término: condensador (alternativamente deletreado “condensador”).