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Circuitos Corriente alterna parte 1 - Monografía



 
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Electrónica. Capacitor. Inductor. Corriente alterna



 INTRODUCCIÓN


El almacenamiento de energía en elementos del circuito eléctrico es otro aspecto en el desarrollo de circuitos flexibles y útiles.
Dos elementos muy importantes de almacenamiento de energía son el inductor y el capacitor. Estos dos elementos terminales los han venido usando ampliamente los ingenieros electricistas por mas de cien años.
El almacenamiento de energía en elementos eléctricos puede describirse como análogo al almacenamiento de información en un circuito o en una gaveta de archivador, ya que esta puede utilizarse mas tarde para propósitos complejos.
Agregando inductores y capacitores al ya conocido resistor, se estará en posibilidad de construir circuitos eléctricos importantes y útiles.
En los radiorreceptores y televisores, los capacitores se emplean con inductores para constituir circuitos de sintonización. Estos son los que nos permiten seleccionar las estaciones de radio.
Los capacitores son también componentes muy importantes en los circuitos osciladores, los cuales producen voltajes alternos de alta frecuencia.

JUSTIFICACIÓN



Los circuitos eléctricos son parte de la estructura básica de la tecnología moderna y actualmente esta inseparablemente aplicado al análisis y diseño de circuitos eléctricos para diseñar complejos sistemas electrónicos, de comunicación, de computación y de control, así como productos de consumo.
El almacenamiento  de energía eléctrica en elementos del circuito provee una etapa muy importante en el desarrollo de circuitos adaptables y útiles. La energía eléctrica como se vera puede almacenarse en capacitores e inductores.
Los capacitores se emplean junto con los inductores y resistores para formar parte de circuitos cronizadores o temporizadores que a su vez controlan otros circuitos..
El empleo de la inducción electromagnética en alternadores y otro tipo de generadores es uno de los mas importantes. Dichas maquinas suministran la energía eléctrica que las compañías de generación eléctrica distribuyen en los hogares. Este tipo de inducción se emplea también para operar muchos tipos de maquinas y dispositivos como motores, transformadores, micrófonos, grabadoras, etc.

OBJETIVOS



Objetivo general:



Comprender e investigar diferentes términos básicos e información de importancia general relacionada con dos elementos pasivos que en la actualidad usamos a diario: : el capacitor y el inductor,

Objetivos específicos:



Ampliar los  conocimientos acerca de los elementos que almacenan energía.

Dar una definición de que es un capacitor y como están formados

Comprender como se comporta un capacitor en un circuito.

Conocer algunas de las aplicaciones comunes de los capacitores en el equipo electrónico.

Explicar en que consiste la inductancia y que es un inductor.

Investigar acerca de algunos métodos para medir y calcular los valores de la corriente y el voltaje en un circuito inductivo.

Conocer los distintos tipos de capacitores y bobinas utilizados mas comúnmente.

MARCO TEORICO



Antecedentes



El almacenamiento de energía eléctrica en dispositivos se ha venido procurando desde los tiempos de la botella de Leyden. Parte de la energía almacenada en estos dispositivos puede liberarse mas tarde y suministrarse a una carga.
En 1746 Pieter Vann Musschenbrock, profesor de física en Leyden, Holanda, almaceno carga en una botella con agua. Esta carga podía liberarse después, soltando una descarga o un choque, este fue el primer capacitor artificial, que proveyó los primeros medios para almacenar carga eléctrica. Se demostró que la carga almacenada era proporcional al espesor del vidrio y al área superficial de los conductores. Durante algún tiempo se pensó que el vidrio era esencial, hasta que en 1762 se probo que esto era erróneo cuando se hizo el primer capacitor de placas paralelas con dos grandes tableros cubiertos con hoja metálica.
Con el desarrollo del capacitor primario, el concepto de almacenamiento de carga siguió siendo explorados por Charles Augustin de Coulomb y otros, a medida que desarrollaban la primera teoría de la electricidad. Este estudio de electricidad se enfoco en la descripción cuantitativa con el trabajo de Coulomb, quien consiguió describir las ideas de la electrostática.
Muchos científicos también se interesaron en la teoría de la fuerza magnética. Hans Oersted, profesor de la universidad de Copenhague, descubrió el campo magnético asociado a una corriente eléctrica, concluyendo que el campo magnético era circular y se dispersaba en el espacio alrededor del alambre. Estos resultados se difundieron rápidamente.
Michael Faraday y Sir Humphrey Dhabi repitieron los experimentos de Oersted en 1821 y continuaron por décadas. Se construyo un anillo de hierro con dos devanados en lados opuestos. En 1831 Faraday conecto un devanado a una batería y el otro a un galvanómetro, y advirtió la naturaleza transitoria de la corriente inducida en el segundo devanado, que solo ocurría cuando la corriente del primero se iniciaba o se detenía conectando o desconectando la batería. En su honor, la unidad de capacitancía se denomina farad.
Durante el mismo periodo el estadounidense Joseph Henry estaba explorando los conceptos acerca del electromagnetismo y aquí Henry descubrió la auto-inducción con un solo devanado. Henry advirtió este principio al producirse una vivida chispa cuando un largo devanado de alambre se desconectaba de una batería. Henry fue honrado dándole su nombre a la unidad de auto-inducción.

ELEMENTOS PASIVOS



Se les considera elementos pasivos a aquellos elementos que absorben energía. ( La energía que se le entrega es siempre no negativa: cero o positiva.)
Dos elementos pasivos muy importantes aparte del resistor  son el capacitor y el inductor, los cuales son muy distintos al resistor en propósito, operación y construcción.
A diferencia del resistor, ambos elementos solo presentan sus características cuando se hace un cambio en el voltaje o en la corriente del circuito en el que están conectados. Además si se considera la situación ideal, no disipa la energía como el resistor sino que la almacena en una forma que pueda regresar al circuito cuando lo requiera el diseño de este.


El capacitor


Los capacitores son unos de los componentes mas comunes de los circuitos eléctricos y cumplen varias funciones diferentes en un circuito. Puesto que no proporcionan una trayectoria de conducción para los electrones, se emplean para bloquear una corriente continua; sin embargo una corriente alterna puede fluir a través del circuito.
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. Por ejemplo en la figura 1 se han conectado dos placas paralelas de un material conductor separadas solo por aire mediante un interruptor y un resistor a una batería. Si al principio las placas paralelas están sin carga y se deja abierto el interruptor, no existirá una carga positiva o negativa neta en ninguna placa. Sin embargo en el momento en que se cierra el interruptor, la placa superior atrae electrones a través del resistor hacia la terminal positiva de la batería. Al principio abra un exceso de corriente, limitado en su magnitud por la resistencia presente. A continuación declinara el nivel de flujo. Esta acción crea una carga neta positiva en la placa superior. La terminal negativa repele los electrones que pasan del conductor inferior hacia la placa inferior a la misma velocidad con que atrae la terminal positiva. Esta transferencia de Electrones prosigue hasta que la diferencia de voltaje a través de las placas paralelas es exactamente igual al voltaje de la batería. El resultado final es una carga neta positiva en la placa superior y una carga negativa en la placa inferior.
Este elemento, construido sencillamente con dos placas conductoras
Paralelas separadas por un material aislante (en este caso, el aire) se denomina un capacitor.

La capacitancía


La capacitancía es una medida de la capacidad de un capacitor para almacenar cargas en sus placas; en otras palabras, su capacidad de almacenamiento.
Un capacitor tiene una capacitancía de  un farad si se deposita 1 coulomb de carga en las placas mediante una diferencia de voltaje de 1 volt a través de las placas.
La capacitancía de un capacitor depende de gran medida de tres factores: 1- del área  de sus placas  cuanto mas grande sea el área, mayor será la capacitancía. 2- del espacio o distancia entre las placas; cuanto mas cercanas están las placas, mayor será la capacitancía 3- del material dieléctrico.
Para diferentes materiales dieléctricos entre las mismas dos placas paralelas, se depositaran diferentes cantidades de carga en las placas.
El dieléctrico también determina la cantidad de líneas de flujo entre las dos placas y en consecuencia, la densidad del flujo dado que A esta fija.
La proporción de la densidad del flujo entre la intensidad del campo eléctrico en el dieléctrico se denomina la permitividad del dieléctrico. Esta es una medida de la facilidad con la que el dieléctrico permitirá el establecimiento de líneas de flujo dentro de el. Entre mas grande sea su valor, mas grande es la cantidad  de carga depositada en las placas y, en consecuencia, mayor la densidad del flujo para un área fija.
Para el vació, el valor de ` (representado por `0) es 8.85 %10-12F/m
La proporción de la permitividad de cualquier dieléctrico entre la del vació se denomina la permitividad relativa(`r)

PERMITIVIDAD RELATIVA DE DIVERSOS DIELECTRICOS



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Funcionamiento de un capacitor



Cuando las placas se conectan a una batería, los electrones de la placa conectada a la terminal positiva de la batería se mueven hacia esta. Esto provoca que la placa quede cargada positivamente. Al mismo tiempo la terminal negativa de la batería repele un numero igual de electrones hacia la otra placa, la cual queda cargada negativamente. En esta forma se produce un voltaje entre las placas. .
Cuando la batería se retira del circuito, las placas conservan sus cargas, y el voltaje permanece entre ellas. Si las placas se conectan entre si se establecerá un flujo de electrones a lo largo del circuito en sentido opuesto: de la placa negativa a la positiva. Cuando el voltaje entre las placas disminuye a cero, cesa el flujo de electrones y el capacitor queda completamente descargado.

Efecto del bloqueo: el voltaje entre las placas de un capacitor completamente cargado, es igual al voltaje de la batería a la cual se conecta y, además, de polaridad opuesta. Por esta razón, un capacitor cargado completamente bloquea la corriente en un circuito. El efecto de bloqueo del capacitor se emplea en muchos circuitos electrónicos.

Funcionamiento en un circuito de corriente alterna. Cuando un capacitor se conecta a una fuente de voltaje alterno, la polaridad del voltaje aplicado cambia a cada semiciclo. Como resultado, el capacitor alternativamente se carga, descarga y recarga, y cada semiciclo tiene polaridad opuesta.

Reactancia capacitativa: un capacitor permite que fluya corriente alterna en un circuito, pero se opone a ella. La oposición de un capacitor al flujo de la corriente alterna se denomina reactancia capacitativa. Esta disminuye cuando aumenta la frecuencia de la corriente en un circuito. Estas relaciones son muy importantes en los circuitos de sintonía, en los cuales los capacitores determinan la frecuencia a la que operan los circuitos.

Impedancia: la oposición total a la corriente en un circuito que incluye una combinación de resistencias y reactancia capacitativa, recibe el nombre de impedancia.

Código de colores para capacitores



Al igual que ocurre con los resistores, algunos tipos de condensadores llevan su valor impreso en la envoltura (principalmente los electrolíticos y los cilíndricos), pero la mayoría utilizan un código de colores que, en lo que se refiere al valor de la capacidad (expresada en PICOFARADIOS) y a la tolerancia, sigue el mismo criterio que aquellos. Algunos condensadores de alta calidad llevan, además, otras franjas de color para expresar el COEFICIENTE DE TEMPERATURA y la TANGENTE DEL ANGULO DE PERDIDAS, según un determinado código

Tipos de capacitores


Todos los capacitores se incluyen bajo uno de dos encabezados generales: fijos, variables o ajustables. El símbolo para un capacitor fijo es y para un capacitor variable. la línea curva representa la placa, la cual generalmente esta conectada al punto de voltaje mas bajo.
Condensadores fijos son aquellos cuya capacidad se fija en fábrica. Hay ocasiones en que se precisan condensadores cuya capacidad pueda ser regulada. Cuando disponen de un mando mecánico fácilmente accesible para tal fin, se llaman variables. Condensadores ajustables son un tipo especial de condensadores variables, generalmente de pequeña capacidad, cuyo mando mecánico es menos manejable, ya que, una vez ajustados no suelen volverse a retocar. Incluso se fija el ajuste por medio de una gota de lacre o cera. Se les llama generalmente padders y trimmers.

Los capacitores fijos



Actualmente existen muchos tipos de capacitores fijos. Algunos de los mas comunes son los de mica, de cerámica, electrolíticos, de tantalio y de película de poliéster.


Capacitores de mica.



Estos pequeños capacitores se fabrican colocando placas delgadas de estaño con laminas de mica que sirven como aislante. A continuación, el conjunto se moldea y se encapsula en material plástico. Este capacitor exhibe excelentes características para variaciones de temperatura y aplicaciones de alto voltaje. Existe un segundo tipo de capacitor de mica que se conoce como mica reconstituida, aunque el termino no significa reciclada ni de segunda mano.

Capacitor de cerámica.



Son capacitores pequeños muy utilizados en aparatos de radio y televisión se componen de un material aislante especial de  sobre el que se fijan las placas de plata del capacitor. La componente completa se trata con un aislamiento especial para que resista el calor y la humedad. Estos capacitores tienen una corriente de fuga muy baja y se usan tanto en las redes de cd como de ca.

Capacitor electrolítico. (tipo lata y tipo tubular)



Estos se usan con mayor frecuencia en situaciones donde se requieren capacitancias del orden de uno a varios miles de microfaradios. Se diseñan principalmente para usarse en redes en donde se aplicaran voltajes de cd en el capacitor, debido a que poseen buenas características aislantes entre las placas en una dirección, pero adquieren las características de un conductor en la otra. Existen capacitores electrolíticos que pueden usarse en circuitos de ca ( para encender motores) y en caso donde el capacitor invertirá la polaridad del voltaje de cd durante breves periodos. La construcción básica del capacitor electrolítico consiste en un rollo de placa de aluminio recubierto en uno de sus lados con un oxido de aluminio, donde el aluminio es la placa positiva y el oxido es el dieléctrico. Se coloca una capa de papel o una gasa saturada con un electrolito sobre el oxido de aluminio en la placa positiva. Después se pone otra capa de aluminio sin el recubrimiento de oxido sobre esta placa para que funcione como la placa negativa. La terminal negativa del capacitor por lo general es aquella que no tiene una identificación visible en el encapsulado. La positiva se señala mediante símbolos como +,D, %, etc. Los de tipo tubular tienen la ventaja de  ser mas pequeños y tienen  un recipiente metálico encerrado en un tubo aislante y se fabrican también en unidades dobles, triples y cuádruples en un cilindro.

Capacitores de papel.


Esta variedad común de capacitor esta constituida por varias capas de papel de estaño, separadas por papel encerado, como componente dieléctrico. Los alambres que salen de los extremos se conectan a las placas de papel de estaño. El conjunto se enrolla apretadamente, formando un cilindro y se sella con compuestos especiales. Para proporcionar rigidez, algunos fabricantes encapsulan estos capacitores en materiales plásticos. Los capacitores moldeados de este tipo soportaran choques, calor y humedad hasta un punto elevado.

Capacitores de tantalio



Existen fundamentalmente dos tipos de capacitores de tantalio: el sólido y el húmedo. En cada caso, se comprime polvo de tantalio de alta pureza en forma rectangular o cilíndrica . después la conexión del ánodo (+) simplemente se inserta a presión en las estructuras resultantes. El resultado es una estructura con un área de superficie muy grande en un volumen limitado. Mediante la inmersión en una solución ácida, se deposita un recubrimiento de dióxido de manganeso en el área superficial grande y porosa. A continuación se añade un electrolito para establecer contacto entre el área de la superficie y el cátodo, y se produce un capacitor sólido de tantalio. Si se deposita un ácido  húmedo adecuado se denomina un capacitor de tantalio húmedo.

Capacitor de Mylar ( película de poliéster)



Un capacitor de Mylar se construye con placas de hoja metálica delgada y un dieléctrico de Mylar. Estos se cortan en largas y estrechas tiras y se enrollan juntas, formando un cuerpo compacto. Los valores de capacitancía van de 0.001 a 1 microfaradio. Los voltajes de trabajos nominales llegan a alcanzar los 1 600 volts. Este capacitor se usa tanto para redes de cd como de ca.

Capacitores variables



Los capacitores variables se emplean para circuitos de sintonía. En ellos existe menor oposición a una corriente de  determinada frecuencia. Un tipo de capacitor variable, llamado de preajuste, esta constituido por dos placas metálicas, separadas por una hoja de dieléctrico de mica. La separación entre las placas puede ajustarse con un tornillo. Cuando se aumenta la distancia entre las placas, disminuye el valor de la capacitancía.
Otro tipo de capacitor variable consta de dos conjuntos de placas metálicas, separadas por aire o por hojas de aislamiento de mica. Un conjunto de placas, el conjunto del estator, no se mueve y esta aislado del marco del capacitor en el cual esta montado. El otro conjunto de placas, el conjunto del rotor, esta conectado al eje y por ello puede girarse. Las placas del rotor pueden moverse libremente dentro o fuera de las placas del estator. Por consiguiente, la capacitancía del capacitor puede ajustarse en forma sencilla, desde el valor mas bajo hasta el mas alto. Su mayor uso se da cuando se requiere un ajuste fino d la capacitancía, en unión con otros capacitores mayores, a los que se conectan en paralelo.

El inductor



También llamados inductores o choques son componentes formados por varias vueltas o espiras de alambre enrolladas sobre una forma cilíndrica, cuadrada o rectangular. Las bobinas pueden tener núcleo que generalmente es de hierro o ferrita. Los inductores con núcleo de hierro a menudo se utilizan para filtrar o allanar la corriente de salida de un circuito rectificador. Los inductores se emplean también con los capacitores en circuitos de sintonía de radio y televisión y en circuitos osciladores Cuando una bobina no tiene núcleo, se dice que tiene núcleo de aire. Las bobinas enrolladas en una capa suelen llamarse solenoides

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solenoide

La palabra inductor viene de inductancia que es un fenómeno eléctrico que ocurre en las bobinas y la palabra choque se deriva del efecto de oposición a la variación de la corriente que se produce en una bobina.

INDUCTANCIA.



En las bobinas ocurre un fenómeno de oposición a las variaciones de la corriente eléctrica.
En otras palabras, si la corriente en un circuito trata de subir o bajar y en ese circuito hay una bobina, ella se opone a que la corriente suba o baje.
Esta oposición que se presenta en las bobinas se llama inductancia, se mide en henrios ( en honor al físico estadounidense Joseph Henry) y se representa por medio de la letra L. Esta resistencia al cambio de corriente es el resultado de la energía almacenada dentro del campo magnético de una bobina. Todas las bobinas de alambre tienen inductancia.
En los circuitos electrónicos actuales se usan bobinas pequeñas con inductancias de milihenrios (mH) o microhenrios (l H). Un henrio representa la inductancia de una bobina si se produce un volt de FEM inducida, cuando la corriente cambia al ritmo de un ampere por segundo.
La inductancia de un inductor depende fundamentalmente de cuatro factores: 1- el numero de vueltas de alambre devanado, 2-el área de la sección transversal de la bobina, 3- la permeabilidad de los materiales de su núcleo y 4- la longitud de la bobina
La inductancia de una bobina depende de la cantidad y el diámetro de las espiras, a mayor diámetro, mayor inductancia y a mayor numero de espiras, también tiene mayor inductancia.
La inductancia de una bobina también aumenta cuando tiene un núcleo de hierro u otro material magnético y es mayor que cuando tiene núcleo de aire.
Debido a que la bobina solo reacciona ante las variaciones de la corriente, no se opone a la corriente continua (cc) y solo presenta oposición a la alterna (ca)

Reactancia inductiva



La reactancia inductiva es la oposición al cambio de la corriente en una bobina, originado por la inductancia de esta. El ohm es la unidad de la reactancia inductiva y XL su símbolo literal. El valor de la reactancia inductiva depende de la inductancia de la bobina y de la frecuencia de la corriente que circula por ella. La reactancia inductiva es directamente proporcional tanto a la frecuencia como a la inductancia. Según aumente la frecuencia aumentara la reactancia inductiva. Esta ultima aumenta también si aumenta la inductancia de un circuito.

Los símbolos



La función primaria de un inductor es introducir una inductancia, no una resistencia ni capacitancía, en la red. Por esta razón, los símbolos empleados para la inductancia son los siguientes

Tipos de inductores.



Los inductores al igual que los capacitores no son ideales. A cada inductor se asocia una resistencia igual a la resistencia de las vueltas de alambre y una capacitancía parásita debido a la capacitancía entre las vueltas de la bobina.
Se clasifican por distintos aspectos. La principal división es la de bobinas fijas y variables.
Las fijas tienen una inductancia estable que está dada por sus características fijas.
Las variables pueden cambiar su inductancia por medio de diferentes métodos.

Bobinas fijas



Las bobinas también se dividen según el tipo de núcleo utilizado. Los principales tipos son los de núcleo de hierro, aire y ferrita.

Bobinas con núcleo de hierro.


Son las que tienen una mayor inductancia debido a este tipo de núcleo. Este núcleo se fabrica con laminas que se van intercalando dentro de la bobina, también reciben el nombre de choques y se hallan en circuitos de baja frecuencia.

Bobinas con núcleo de aire.



Tienen una inductancia muy pequeña y se usan en circuitos de alta frecuencia, especialmente en sintonizadores de radio y transmisores de baja potencia. También se usan como choques de radiofrecuencia para eliminar ciertas señales indeseables en algunos circuitos.

Bobinas con núcleo de ferrita.



Son muy usadas por su alto rendimiento y sus buenas características. El núcleo de ferrita esta formado por polvo de hierro combinado por otros elementos que le dan muy buenas propiedades magnéticas.
Un núcleo de ferrita puede aumentar la inductancia de una bobina de 1mH, hasta valores de 500mH.

Bobinas variables.



En los circuitos transmisores y receptores de radio se usan con mucha frecuencia bobinas cuya inductancia puede alterarse.
El principal método para producir esta variación es el de mover un núcleo de ferrita en forma cilíndrica dentro de la bobina. Este núcleo se fabrica en forma de tornillo para que se pueda ajustar fácilmente.





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