Conceptos Fundamentales de Electricidad y Magnetismo: Condensadores, Inducción y Propiedades Magnéticas
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Conceptos Fundamentales de Capacitores y Circuitos RC
Capacidad de un Condensador
La capacidad de un condensador es la cantidad de carga que puede almacenar por voltio de tensión. Se define mediante la fórmula:
C = Q / V
- Q: Carga almacenada, se mide en culombios (C).
- V: Tensión, se mide en voltios (V).
- C: Capacidad del condensador, se mide en faradios (F).
Las unidades de capacidad comunes y sus equivalencias son:
- Milifaradios (mF): 10⁻³ F
- Microfaradios (µF): 10⁻⁶ F
- Nanofaradios (nF): 10⁻⁹ F
- Picofaradios (pF): 10⁻¹² F
La capacidad de un condensador depende del tipo de material dieléctrico, de la superficie de las placas conductoras y de la distancia entre las placas.
Carga de un Condensador
La carga de un condensador se basa en la transferencia de electrones desde una placa hacia la otra.
La energía almacenada en un condensador (W) se calcula con las siguientes fórmulas:
W = 1/2 * Q * VW = 1/2 * C * V²
Régimen Permanente de Carga
En el régimen permanente de carga de un condensador, se cumplen las siguientes condiciones:
- Vcargado = Ebatería (La tensión en el condensador iguala la de la batería).
- I = 0 amperios (La corriente en el circuito es nula).
- Q = C * V (La carga almacenada es máxima).
Régimen Permanente de Descarga
En el régimen permanente de descarga de un condensador, las condiciones son:
- V = 0 voltios (La tensión en el condensador es nula).
- I = 0 amperios (La corriente en el circuito es nula).
- Q = 0 culombios (La carga almacenada es nula).
Tiempo de Carga y Descarga (Transitorio)
El tiempo de carga y descarga, también conocido como duración del transitorio (ttrans), se calcula como:
ttrans = 5 * R * C
- R: Resistencia del circuito, se mide en ohmios (Ω).
- C: Capacidad del condensador, se mide en faradios (F).
- ttrans: Duración del transitorio, se mide en segundos (s).
Rigidez Dieléctrica
La rigidez dieléctrica de un aislante de 1 cm de espesor se define como la tensión bajo la cual perderá sus propiedades aislantes. Esta propiedad se mide en kilovoltios por centímetro (KV/cm).
Fundamentos de Magnetismo y Electromagnetismo
Fuerza Magnética sobre un Conductor
Cuando el campo magnético y el conductor son perpendiculares, la fuerza (F) que actúa sobre el conductor se calcula como:
F = I * B * L
- F: Fuerza magnética, se mide en Newtons (N).
- I: Corriente eléctrica, se mide en amperios (A).
- B: Inducción magnética, se mide en Teslas (T).
- L: Longitud del conductor, se mide en metros (m).
Ley de Hopkinson
La Ley de Hopkinson, análoga a la Ley de Ohm para circuitos eléctricos, relaciona el flujo magnético (Φ), la fuerza magnetomotriz (Fmm) y la reluctancia (ℜ) en un circuito magnético:
Fmm = Φ * ℜ
- Φ: Flujo magnético, se mide en Webers (Wb).
- Fmm: Fuerza Magnetomotriz, se mide en amperios-vuelta (AV).
- ℜ: Reluctancia, se expresa en amperios-vuelta por Weber (AV/Wb).
Relación entre la Fuerza Electromotriz (FEM) y Bobinas de un Transformador
La relación entre las Fuerzas Electromotrices (FEM) y el número de espiras (N) de dos bobinas en un transformador ideal es:
FEM₁ / FEM₂ = N₁ / N₂
- FEM: Fuerza Electromotriz, se mide en voltios (V).
- N: Número de espiras de la bobina.
Coeficiente de Autoinducción de una Bobina
El coeficiente de autoinducción (L) de una bobina se relaciona con el número de espiras (N) y el flujo magnético (Φ) que la atraviesa por unidad de corriente (I). La fórmula proporcionada en el original es incompleta, pero el coeficiente se mide en Henrios (H).
L = N / [variable faltante en el original]
- L: Coeficiente de autoinducción, se mide en Henrios (H).
- N: Número de espiras.
Excitación Magnética
La excitación magnética (H) es la capacidad que tiene una bobina para crear un campo magnético. Se calcula como:
H = N * I / Llongitud
- N * I: Es la Fuerza Magnetomotriz (Fmm), y sus unidades son el amperio-vuelta (AV).
- Llongitud: Longitud de la bobina.
La Reluctancia
La reluctancia de un circuito magnético es la oposición que este presenta a la circulación del flujo magnético.
Ley de Faraday de la Inducción Electromagnética
La Ley de Faraday establece que si el flujo de campo magnético que atraviesa una bobina es variable respecto al tiempo, se induce en ella una Fuerza Electromotriz (FEM).
Propiedades y Materiales Magnéticos
Imanes
Los imanes naturales son cuerpos formados por minerales que poseen magnetismo. Cuando acercamos dos imanes entre sí, surgen entre ellos unas fuerzas de interacción magnéticas que son más intensas en las zonas denominadas polos, donde el comportamiento magnético es opuesto.
Flujo Magnético
El flujo magnético (Φ) es una magnitud proporcional al número de líneas de fuerza que atraviesan una superficie concreta. Su unidad es el Weber (Wb).
Inducción Magnética
La inducción magnética (B) es una magnitud que indica la densidad de líneas de fuerza del campo magnético, es decir, la cantidad de líneas de fuerza que pasan a través de una superficie unitaria. Su unidad es el Tesla (T).
La relación entre el flujo magnético, la inducción magnética y la superficie es:
Φ = B * S
- Φ: Flujo magnético.
- B: Inducción magnética.
- S: Superficie.
Brújula
La brújula está formada por una aguja magnética capaz de girar respecto a un eje. Teniendo en cuenta que los polos opuestos se atraen, el polo norte del imán siempre queda orientado hacia el polo sur del campo magnético terrestre. De esta forma, la aguja siempre apunta al norte.
Permitividad Magnética
La permitividad magnética (μ) se define como:
μ = μr * μ₀
- μr: Permitividad relativa.
- μ: Permitividad absoluta.
- μ₀: Permitividad del vacío.
En función del valor de la permitividad relativa (μr), los materiales se clasifican en:
- Materiales diamagnéticos
- Materiales paramagnéticos
- Materiales ferromagnéticos
Materiales Diamagnéticos
En presencia de un campo exterior, los materiales diamagnéticos lo rechazan, comportándose como un escudo para las líneas de fuerza. Su permitividad relativa (μr) es menor que 1.
Son ejemplos de materiales diamagnéticos:
- Hidrógeno (H)
- Nitrógeno (N)
- Cobre (Cu)
- Sodio (Na)
- Mercurio (Hg)
Materiales Paramagnéticos
En presencia de un campo exterior, los materiales paramagnéticos se comportan con indiferencia y las líneas de fuerza no se distorsionan. Su permitividad relativa (μr) es aproximadamente 1.
Son ejemplos de materiales paramagnéticos:
- Aire atmosférico
- Oxígeno (O₂)
- Magnesio (Mg)
- Aluminio (Al)
- Platino (Pt)
Materiales Ferromagnéticos
En presencia de un campo exterior, los materiales ferromagnéticos atraen las líneas de fuerza, concentrándolas en su interior. Su permitividad relativa (μr) es mucho mayor que 1.
Son ejemplos de materiales ferromagnéticos:
- Hierro (Fe)
- Cobalto (Co)
- Níquel (Ni)