6.1: Un péndulo eléctrico
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Los capacitores almacenan energía en forma de campo eléctrico, y manifiestan eléctricamente esa energía almacenada como potencial: voltaje estático. Los inductores almacenan energía en forma de campo magnético, y manifiestan eléctricamente esa energía almacenada como un movimiento cinético de los electrones: la corriente. Los capacitores y los inductores son lados opuestos de la misma moneda reactiva, almacenando y liberando energía en modos complementarios. Cuando estos dos tipos de componentes reactivos están conectados directamente entre sí, sus tendencias complementarias a almacenar energía producirán un resultado inusual.
Si el condensador o inductor arranca en un estado cargado, los dos componentes intercambiarán energía entre ellos, de un lado a otro, creando sus propios ciclos de voltaje y corriente de CA. Si asumimos que ambos componentes están sometidos a una aplicación repentina de voltaje (digamos, de una batería conectada momentáneamente), el condensador se cargará muy rápidamente y el inductor se opondrá al cambio de corriente, dejando el condensador en el estado cargado y el inductor en el estado descargado: (Figura a continuación)
Capacitor cargado: voltaje en pico (+), inductor descargado: corriente cero.
El condensador comenzará a descargarse, disminuyendo su voltaje. En tanto, el inductor comenzará a construir una “carga” en forma de campo magnético a medida que aumente la corriente en el circuito: (Figura a continuación)
Descarga del condensador: disminución de voltaje, Carga del inductor: aumento de corriente.
El inductor, aún cargando, mantendrá los electrones fluyendo en el circuito hasta que el condensador haya sido completamente descargado, dejando cero voltaje a través de él: (Figura abajo)
Capacitor completamente descargado: voltaje cero, inductor completamente cargado: corriente máxima.
El inductor mantendrá el flujo de corriente incluso sin tensión aplicada. De hecho, generará un voltaje (como una batería) para mantener la corriente en la misma dirección. El condensador, siendo el receptor de esta corriente, comenzará a acumular una carga en la polaridad opuesta como antes: (Figura a continuación)
Carga del condensador: aumento de voltaje (en polaridad opuesta), descarga del inductor: corriente decreciente.
Cuando el inductor finalmente se agota de su reserva de energía y los electrones se detienen, el condensador habrá alcanzado carga completa (voltaje) en la polaridad opuesta como cuando arrancó: (Figura abajo)
Capacitor completamente cargado: voltaje en pico (-), inductor completamente descargado: corriente cero.
Ahora estamos en una condición muy similar a donde empezamos: el condensador a plena carga y corriente cero en el circuito. El condensador, como antes, comenzará a descargarse a través del inductor, provocando un aumento en la corriente (en sentido opuesto al anterior) y una disminución en la tensión ya que agota su propia reserva de energía: (Figura a continuación)
Descarga del condensador: disminución de voltaje, carga del inductor: aumento de corriente.
Eventualmente el condensador se descargará a cero voltios, dejando el inductor completamente cargado con plena corriente a través de él: (Figura abajo)
Esta oscilación continuará con una amplitud decreciente de manera constante debido a las pérdidas de potencia de las resistencias parásitas en el circuito, hasta que el proceso se detenga por completo. En general, este comportamiento es similar al de un péndulo: a medida que la masa del péndulo oscila hacia adelante y hacia atrás, se produce una transformación de la energía de la cinética (movimiento) al potencial (altura), de manera similar a la forma en que la energía se transfiere en el circuito capacitor/inductor de ida y vuelta en la alternancia formas de corriente (movimiento cinético de electrones) y voltaje (energía eléctrica potencial).
A la altura máxima de cada oscilación de un péndulo, la masa se detiene brevemente y cambia de dirección. Es en este punto que la energía potencial (altura) está en un máximo y la energía cinética (movimiento) está en cero. A medida que la masa se balancea hacia atrás hacia el otro lado, pasa rápidamente a través de un punto donde la cuerda se apunta recto hacia abajo. En este punto, la energía potencial (altura) está en cero y la energía cinética (movimiento) está en el máximo. Al igual que el circuito, la oscilación de ida y vuelta de un péndulo continuará con una amplitud constantemente amortiguada, resultado de la fricción del aire (resistencia) que disipa la energía. También al igual que el circuito, las mediciones de posición y velocidad del péndulo trazan dos ondas sinusoidales (90 grados desfasadas) a lo largo del tiempo: (Figura abajo)
En física, este tipo de oscilación natural de onda sinusoidal para un sistema mecánico se llama Simple Harmonic Motion (a menudo abreviado como “SHM”). Los mismos principios subyacentes rigen 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 se rige por la longitud de la cuerda que sostiene la masa, y no por el peso de la masa en sí. Es por ello que un péndulo seguirá oscilando a la misma frecuencia a medida que las oscilaciones disminuyen en amplitud. La tasa de oscilación es independiente de la cantidad de energía almacenada en ella.
Lo mismo es cierto para el circuito capacitor/inductor. La tasa de oscilación depende estrictamente de los tamaños del condensador y el inductor, no de la cantidad de voltaje (o corriente) en cada pico respectivo en las ondas. La capacidad de dicho circuito para almacenar energía en forma de voltaje y corriente oscilantes le ha valido el nombre de circuito de tanque. Su propiedad de mantener una frecuencia única y natural independientemente de cuánta o poca energía se esté almacenando en ella le da especial importancia en el 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 acerca 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 la combinación LC del circuito, se dice que el circuito está en un estado de resonancia. Los efectos inusuales alcanzarán el máximo en esta condición de resonancia. Por esta razón, necesitamos poder predecir cuál será la frecuencia resonante para diversas combinaciones de L y C, y ser conscientes de cuáles son los efectos de la resonancia.
Revisar
- Un condensador y un inductor conectados directamente entre sí forman algo llamado circuito de tanque, que oscila (o resuena) a una frecuencia particular. A esa frecuencia, la energía se baraja alternativamente entre el condensador y el inductor en forma de voltaje y corriente alterna 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 de oscilación natural de ese circuito establecida por los componentes L y C, se habrá alcanzado una condición de resonancia.