Condensadores

Un condensador eléctrico (también conocido frecuentemente con el anglicismo capacitor, proveniente del nombre equivalente en inglés) es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico, Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío . Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.

Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.

La carga almacenada en una de las placas es proporcional a la diferencia de potencial entre esta placa y la otra, siendo la constante de proporcionalidad la llamada capacidad o capacitancia. En el Sistema internacional de unidades se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador en el que, sometidas sus armaduras a una diferencia de potencial de 1 voltio, estas adquieren una carga eléctrica de 1 culombio.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

Símbolo electrónico 

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Trabajo Eléctrico

                

Como hemos estudiado anteriormente, si aplicas una fuerza sobre una caja y esta se desplaza, decimos que la fuerza que ejercemos realiza un trabajo. De igual forma, si un cuerpo que se encuentra cargado ejerce una fuerza eléctrica de atracción o repulsión sobre otro que también se encuentre cargado, dicha fuerza realizará un trabajo mientras este último se desplace.

El trabajo eléctrico es el trabajo que realiza una fuerza eléctrica sobre una carga que se desplaza desde un punto A hasta otro punto B.

Si suponemos que la fuerza es constante durante todo el desplazamiento, se puede expresar de la siguiente forma:

W⃗ e(A→B)=F⃗ e⋅Δr⃗ AB

donde:

• W⃗ e(A→B) es el trabajo eléctrico. En el S.I. se mide en Julios (J).
• F⃗ e es la Fuerza eléctrica que sufre la carga. En el S.I. se mide en Newtons (N).
• Δr⃗ AB es el vector desplazamiento entre ambos puntos. En el S.I. se mide en metros (m).

Al igual que ocurre con otras fuerzas, como la fuerza gravitatoria, la fuerza eléctrica es una fuerza conservativa. Esto implica que:

•  El trabajo que realiza una fuerza eléctrica para mover un cuerpo cargado desde una posición A hasta otra B, únicamente depende de dichas posiciones y no del camino seguido para llegar de A a B.
• Cuando el camino que sigue el cuerpo entre A y B es un camino cerrado o un ciclo, el trabajo eléctrico es nulo.

Para más información: https://www.fisicalab.com/apartado/intro-trabajo-electrico#contenidos

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Aislantes y conductores

La diferencia entre ambos consiste en el tipo de enlace que tienen sus estructuras microscopicas.

Los conductores poseen enlaces metálicos o iónicos (intercambian e facilmente pues poseen muchos electrones de valencia) y estructura cristalina. Entre ellos podemos diferenciar 3 tipos:

1. Metálicos. 
2. Electrolíticos (poseen soluciones acuosas, siendo sus cargas libres iones)
3. Plasma (gas a alta presión que se ioniza) 

Los conductores metálicos más comunes son los cables que se encuentran presentes en las instalaciones eléctricas de la mayoría de las casas

Condensador es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico, en el caso de los electroliticos utilizan una solucion por entre sus placas

El plasma es estado de la materia, después del líquido, el sólido y el gaseoso que nosotros ya conocemos, aunque también se considera material. Es considerado un gas ionizado. El plasma se da a temperaturas y presiones muy altas.

Por su parte los no conductores poseen poseen enlaces covalentes, poseen carburo (polímeros, madera).Características: 

1. No tienen carga libre disponible
2. Cuando hay una diferencia de potencial muy alta entre sus extremos se puede romper el aislante y comportarse como un conductor con alto voltaje (un ejemplo de ésto es el aire, aislante que se rompe debido a la diferencia de potencial entre las nubes y el suelo; el resultado es el rayo)
3. Al cargarlo las cargas se distribuyen por todo su volumen.

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Pararayos

Un pararrayos es un instrumento cuyo objetivo es atraer un rayo ionizado del aire para conducir la descarga hacia tierra, de tal modo que no cause daños a las personas o construcciones. Fue inventado en 1752 por Benjamín Franklin. El primer modelo se conoce como «pararrayos Franklin», en homenaje a su inventor.

Estructura y Funcionamiento

Las instalaciones de pararrayos consisten en un mástil metálico (acero inoxidable, aluminio, cobre o acero) con un cabezal captador. El cabezal tiene muchas formas en función de su primer funcionamiento: puede ser en punta, multipuntas, semiesférico o esférico y debe sobresalir por encima de las partes más altas del edificio. El cabezal está unido a una toma de tierra eléctrica por medio de un cable de cobre conductor. La toma de tierra se construye mediante picas de metal que hacen las funciones de electrodos en el terreno o mediante placas de metal conductoras también enterradas. En principio, un pararrayos protege una zona teórica de forma cónica con el vértice en el cabezal; el radio de la zona de protección depende del ángulo de apertura de cono, y éste a su vez depende de cada tipo de protección. Las instalaciones de pararrayos se regulan en cada país por guías de recomendación o normas.

 

Esquema de la estructura y el funcionamiento de un pararrayos.

El objetivo principal de estos sistemas es reducir los daños que puede provocar la caída de un rayo sobre otros elementos. Muchos instrumentos son vulnerables a las descargas eléctricas, sobre todo en el sector de las telecomunicaciones, electromecánicas, automatización de procesos y servicios, cuando hay una tormenta con actividad eléctrica de rayos. Casi todos los equipos incluyen tecnologías electrónicas sensibles a las perturbaciones electromagnéticas y variaciones bruscas de la corriente. La fuente más importante de radiación electromagnética es la descarga del rayo en un elemento metálico o, en su caso, en un pararrayos. Las instalaciones de pararrayos generan pulsos electromagnéticos de gran potencia cuando funcionan.

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Esfera conductora cargada

El campo eléctrico de una esfera conductora con carga Q se puede obtener mediante la aplicación directa de la ley de Gauss. Considerando una superficie gaussiana de la forma de una esfera de radio r > R , el campo eléctrico tiene la misma magnitud en cada punto de la superficie y esté dirigido hacia afuera. Luego el flujo eléctrico ser exactamente el campo eléctrico multiplicado por el área de la superficie esférica..

El campo eléctrico se ve que es idéntico al de una carga puntual Q situada en el centro de la esfera. Puesto que todas las cargas residir en la superficie conductora, una superficie gaussiana en r < R no abarcar carga alguna y por su simetría se puede ver que ser cero en todos los puntos interiores de un conductor esférico.   

Bibliografia: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbasees/electric/elesph.html#c2

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Ley de Gauss

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Ley de Gauss para el campo eléctrico

Cuando una distribución de carga tiene una simetría sencilla, es posible calcular el campo eléctrico que crea con ayuda de la ley de Gauss. La ley de Gauss deriva del concepto de flujo del campo eléctrico.

Flujo del campo eléctrico

El flujo del campo eléctrico se define de manera análoga al flujo de masa. El flujo de masa a través de una superficie S se define como la cantidad de masa que atraviesa dicha superficie por unidad de tiempo.

El campo eléctrico puede representarse mediante unas líneas imaginarias denominadas líneas de campo y, por analogía con el flujo de masa, puede calcularse el número de líneas de campo que atraviesan una determinada superficie. Conviene resaltar que en el caso del campo eléctrico no hay nada material que realmente circule a través de dicha superficie.

Como se aprecia en la figura anterior, el número de líneas de campo que atraviesan una determinada superficie depende de la orientación de esta última con respecto a las líneas de campo. Por tanto, el flujo del campo eléctrico debe ser definido de tal modo que tenga en cuenta este hecho.

Una superficie puede ser representada mediante un vector dS de módulo el área de la superficie, dirección perpendicular a la misma y sentido hacia afuera de la curvatura. El flujo del campo eléctrico es una magnitud escalar que se define mediante el producto escalar:

 Cuando la superficie es paralela a las líneas de campo (figura (a)), ninguna de ellas atraviesa la superficie y el flujo es por tanto nulo. E y dS son en este caso perpendiculares, y su producto escalar es nulo.

Cuando la superficie se orienta perpendicularmente al campo (figura (d)), el flujo es máximo, como también lo es el producto escalar de E y dS.

Ley de Gauss

El flujo del campo eléctrico a través de cualquier superficie cerrada es igual a la carga q contenida dentro de la superficie, dividida por la constante ε0.

 La superficie cerrada empleada para calcular el flujo del campo eléctrico se denomina superficie gaussiana.

Matemáticamente,

La ley de Gauss es una de las ecuaciones de Maxwell, y está relacionada con el teorema de la divergencia, conocido también como teorema de Gauss. Fue formulado por Carl Friedrich Gauss en 1835.

Para aplicar la ley de Gauss es necesario conocer previamente la dirección y el sentido de las líneas de campo generadas por la distribución de carga. La elección de la superficie gaussiana dependerá de cómo sean estas líneas.

Bibliografia: http://acer.forestales.upm.es/basicas/udfisica/asignaturas/fisica/electro/gauss.html

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Distribución de cargas

Hemos visto, según la ley de Coulomb , que la existencia de una carga estática origina una interacción cuando en las proximidades se sitúa alguna otra carga, de modo que esta segunda sufre una fuerza dada por dicha ley. El espacio en torno a la carga ha cobrado una nueva propiedad. De un modo similar a como se define el campo gravitatorio para dar cuenta de las interacciones que se producen entre cuerpos con masa, se define el campo eléctrico como una propiedad del espacio que rodea a un cuerpo cargado, de modo tal que cuando en esa región se sitúa una carga de prueba q0, dicha carga experimenta una fuerza dada por la ley de Coulomb. La magnitud campo eléctrico es vectorial y corresponde a la fuerza por unidad de carga situada en ese punto.

Distribución discreta de cargas

Cuando tenemos una única carga puntual la expresión del campo resulta ser:

Para un conjunto de cargas, lo que se conoce como conjunto discreto de cargas, la suma vectorial produce un campo que, como consecuencia de la superposición viene dado por:

Distribución continua de cargas

En muchas situaciones no se tienen distribuciones discretas de carga, sino que los puntos donde se encuentran las cargas están tan próximos entre sí que puede suponerse que se trata de una distribución continua de cargas. Para poder considerar estos casos, hay que considerar la ley de Coulomb mediante un paso al límite. Esto nos lleva a considerar el concepto de densidad de carga.

1. En efecto, si consideramos un volumen en el que se encuentra una distribución continua de carga con una carga total q, si consideramos un elemento de volumen D V, la cantidad de carga contenida en ese elemento será D q. De este modo, llamamos densidad volumétrica de carga al cociente

Cuando en el cuerpo material que tiene la carga existen una y dos dimensiones despreciables frente a la tercera - es decir, el cuerpo es básicamente superficial o lineal - se definen respectivamente las densidades superficial y lineal de carga:

       2. Densidad superficial de carga 

      3. Densidad lineal de carga

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