Conceptos Fundamentales de Electricidad: Faradio, Condensadores, Resistividad y Superconductividad

Faradio o Farad

Es una unidad de capacidad eléctrica en el sistema MKS. Un faradio es la capacidad de un condensador entre cuyas armaduras existe una diferencia de potencial eléctrico de 1 voltio cuando está cargado con una cantidad de electricidad igual a un culombio.

Existen dos tipos de condensadores: fijo (polarizados o no polarizados) y variables.

Si derivamos la ecuación q = C * V con respecto al tiempo, obtenemos dq/dt = i = C * dv/dt, donde i representa la intensidad de corriente.

Para mover una pequeña cantidad de carga dq desde una placa hacia otra en sentido contrario a la diferencia de potencial, se debe realizar un trabajo dW = (q/C) * dq.

Para cargar un condensador se realiza un trabajo, y parte de este trabajo queda almacenada en forma de energía potencial electrostática.

Carga y Descarga de un Condensador

Carga

• Transferencia de electrones desde una placa hacia otra.
• No es instantáneo; no se puede cambiar bruscamente de carga ni de tensión. Evoluciona en un tiempo determinado.
• El proceso de carga se mantendrá hasta que la tensión del capacitor se iguale a la fuerza electromotriz (fem) de la batería, quedando una intensidad nula.

Descarga

• Empieza a descargarse cuando se corta el suministro de energía.
• La carga del condensador se va perdiendo paulatinamente en un lapso de tiempo.

Conexión de Condensadores

Serie

En una conexión en serie, la carga (q) es la misma en cada condensador. La tensión total es la suma de las tensiones individuales (Veq = V1 + V2 + ... + Vn). Usando V = q/C, obtenemos:

q/Ceq = q/C1 + q/C2 + ... + q/Cn

Si q ≠ 0, podemos dividir por q para obtener la fórmula de la capacidad equivalente en serie:

1/Ceq = Sumatoria (j=1 hasta n) de (1/Cj)

La inversa de la capacidad equivalente es la suma de las inversas de las capacidades individuales.

Paralelo

En una conexión en paralelo, la tensión (V) es la misma en cada condensador. La carga total (Qeq) es la suma de las cargas individuales (Qeq = q1 + q2 + ... + qn). Usando q = C * V, obtenemos:

Qeq = Ceq * V

La capacidad equivalente en paralelo es la suma de las capacidades individuales:

Ceq = C1 + C2 + ... + Cn = Sumatoria (j=1 hasta n) de Cj

La carga total también es la suma de las cargas individuales:

Qeq = q1 + q2 + ... + qn = Sumatoria (j=1 hasta n) de Qj

La capacidad equivalente es Ceq.

Resistividad y Temperatura

La resistividad de un conductor metálico casi siempre se incrementa al aumentar la temperatura. A medida que la temperatura se incrementa, los iones del conductor vibran con mayor amplitud, lo que hace más probable que un electrón en movimiento colisione con un ion. Esto dificulta la deriva de los electrones a través del conductor y con ello reduce la corriente.

En un pequeño intervalo de temperatura (hasta 100°C aprox.), la resistividad de un metal queda representada por la ecuación:

ρ(T) = ρ₀[1 + α(T - T₀)]

Donde:

• ρ(T) es la resistividad a una temperatura T.
• ρ₀ es la resistividad a una temperatura de referencia T₀.
• α es el coeficiente de temperatura de resistividad (varía para cada material).

Superconductividad

Algunos materiales, que incluyen algunas aleaciones y óxidos metálicos, presentan un fenómeno llamado superconductividad. Al principio, conforme la temperatura desciende, la resistividad (ρ) disminuye de manera uniforme, como la de cualquier metal, pero después de cierta temperatura crítica, ocurre una fase de transición y ρ cae abruptamente hasta cero.

Una vez que se ha establecido una corriente en un superconductor en forma de anillo, continúa de forma indefinida sin la presencia de ningún campo que la impulse.