Reactancia XL y XC. Condensador en un circuito de corriente alterna: qué se debe acumular y por qué
¿Qué es la corriente alterna?
Si consideramos la corriente continua, puede que no siempre sea perfectamente constante: el voltaje a la salida de la fuente puede depender de la carga o del grado de descarga de la batería o batería galvánica. Incluso con una tensión estabilizada constante, la corriente en el circuito externo depende de la carga, lo que se confirma mediante la ley de Ohm. Resulta que esta tampoco es una corriente continua, pero dicha corriente tampoco puede llamarse alterna, ya que no cambia de dirección.
La variable generalmente se llama voltaje o corriente, cuya dirección y magnitud cambian no bajo la influencia de factores externos, como la carga, sino de manera bastante "independiente": así es como la produce el generador. Además, estos cambios deben ser periódicos, es decir. repitiéndose después de un cierto período de tiempo, llamado período.
Si el voltaje o la corriente cambian al azar, sin importar la periodicidad u otros patrones, dicha señal se llama ruido. Un ejemplo clásico es la “nieve” en la pantalla del televisor con una señal de transmisión débil. En la Figura 1 se muestran ejemplos de algunas señales eléctricas periódicas.
Para la corriente continua solo existen dos características: polaridad y voltaje de fuente. En el caso de la corriente alterna, estas dos cantidades claramente no son suficientes, por lo que aparecen varios parámetros más: amplitud, frecuencia, período, fase, .
Figura 1.
La mayoría de las veces en tecnología hay que lidiar con oscilaciones sinusoidales, y no sólo en ingeniería eléctrica. Imagínese la rueda de un coche. Cuando se circula uniformemente por una carretera buena y plana, el centro de la rueda describe una línea recta paralela a la superficie de la carretera. Al mismo tiempo, cualquier punto de la periferia de la rueda se mueve a lo largo de una sinusoide con respecto a la línea recta que acabamos de mencionar.
Esto se puede confirmar en la Figura 2, que muestra el método gráfico para construir una sinusoide: cualquiera que haya estudiado bien el dibujo tiene una excelente idea de cómo se llevan a cabo tales construcciones.
Figura 2.
Se sabe por el curso de física de la escuela que la onda sinusoidal es la más común y adecuada para estudiar una curva periódica. Exactamente de la misma forma se obtienen oscilaciones sinusoidales en , lo cual se debe a su estructura mecánica.
La figura 3 muestra una gráfica de corriente sinusoidal.
Figura 3.
Es fácil notar que la magnitud de la corriente varía con el tiempo, por lo tanto, el eje de ordenadas se designa en la figura como i(t), una función de la corriente versus el tiempo. El período completo de la corriente está indicado por una línea continua y tiene un período T. Si comenzamos a considerar desde el origen de coordenadas, podemos ver que primero la corriente aumenta, alcanza Imax, pasa por cero, disminuye a -Imax, después que aumenta y llega a cero. Luego comienza el siguiente período, que se muestra con la línea de puntos.
En forma de fórmula matemática, el comportamiento de la corriente se escribe de la siguiente manera: i(t)= Imax*sin(ω*t±φ).
Aquí i(t) es el valor instantáneo de la corriente, dependiendo del tiempo, Imax es el valor de amplitud (desviación máxima del estado de equilibrio), ω es la frecuencia angular (2*π*f), φ es el ángulo de fase.
La frecuencia circular ω se mide en radianes por segundo, el ángulo de fase φ se mide en radianes o grados. Esto último sólo tiene sentido en el caso de que existan dos corrientes sinusoidales. Por ejemplo, en los circuitos la corriente adelanta al voltaje 90˚ o exactamente un cuarto de período, como se muestra en la Figura 4. Si solo hay una corriente sinusoidal, entonces puedes moverla a lo largo del eje de ordenadas como quieras, y nada cambiará.
Figura 4. En circuitos con condensador, la corriente se adelanta al voltaje en un cuarto de período.
El significado físico de la frecuencia circular ω es qué ángulo en radianes “recorre” la sinusoide en un segundo.
Período - T es el tiempo durante el cual la sinusoide completa una oscilación completa. Lo mismo se aplica a vibraciones de otras formas, por ejemplo, rectangulares o triangulares. El período se mide en segundos o unidades más pequeñas: milisegundos, microsegundos o nanosegundos.
Otro parámetro de cualquier señal periódica, incluidas las sinusoides, es la frecuencia, es decir, cuántas oscilaciones realiza la señal en 1 segundo. La unidad de frecuencia es el hercio (Hz), que lleva el nombre del científico del siglo XIX Heinrich Hertz. Entonces, una frecuencia de 1 Hz no es más que una vibración/segundo. Por ejemplo, la frecuencia de la red de iluminación es de 50 Hz, es decir, pasan exactamente 50 períodos sinusoidales por segundo.
Si se conoce el período de la corriente (se puede), entonces la fórmula le ayudará a determinar la frecuencia de la señal: f=1/T. Además, si el tiempo se expresa en segundos, el resultado estará en Hercios. Y viceversa, T=1/f, frecuencia en Hz, tiempo en segundos. Por ejemplo, si el período es 1/50=0,02 segundos o 20 milisegundos. En electricidad se utilizan con mayor frecuencia frecuencias más altas: KHz - kilohercios, MHz - megahercios (miles y millones de vibraciones por segundo), etc.
Todo lo que se ha dicho para la corriente también es válido para la tensión alterna: en la Fig. 6 basta con cambiar la letra I por U. La fórmula se verá así: u(t)=Umax*sin(ω*t± ϕ).
Estas explicaciones son más que suficientes para volver a experimentos con condensadores y explicar su significado físico.
El condensador conduce corriente alterna, como se muestra en el diagrama de la Figura 3 (ver artículo -). El brillo de la lámpara aumenta cuando se conecta un condensador adicional. Cuando los capacitores se conectan en paralelo, sus capacitancias simplemente se suman, por lo que podemos suponer que la capacitancia Xc depende de la capacitancia. Además, también depende de la frecuencia de la corriente, por lo que la fórmula queda así: Xc=1/2*π*f*C.
De la fórmula se deduce que con un aumento en la capacitancia del capacitor y la frecuencia del voltaje alterno, la reactancia Xc disminuye. Estas dependencias se muestran en la Figura 5.
Figura 5. Dependencia de la reactancia del condensador de la capacitancia.
Si sustituyes la frecuencia en hercios y la capacitancia en faradios en la fórmula, el resultado será en ohmios.
¿Se calentará el condensador?
Ahora recordemos el experimento con un condensador y un medidor eléctrico, ¿por qué no gira? El hecho es que el medidor cuenta la energía activa cuando el consumidor es una carga puramente activa, por ejemplo, lámparas incandescentes, un hervidor eléctrico o una estufa eléctrica. Para tales consumidores, el voltaje y la corriente están en fase y tienen el mismo signo: si multiplicas dos números negativos (voltaje y corriente durante el semiciclo negativo), el resultado según las leyes de las matemáticas sigue siendo positivo. Por tanto, el poder de dichos consumidores es siempre positivo, es decir. entra en la carga y se libera en forma de calor, como se muestra en la Figura 6 con la línea de puntos.
Figura 6.
En el caso de que se conecte un condensador al circuito de corriente alterna, la corriente y el voltaje no están en fase: la corriente está 90˚ por delante del voltaje en fase, lo que conduce a una combinación donde la corriente y el voltaje tienen signos diferentes.
Figura 7.
En estos momentos la potencia resulta negativa. En otras palabras, cuando la potencia es positiva, el capacitor se carga y cuando es negativa, la energía almacenada se libera de regreso a la fuente. Por lo tanto, en promedio resultan ceros y simplemente no hay nada que contar aquí.
El condensador, si por supuesto funciona correctamente, ni siquiera se calentará en absoluto. Por lo tanto, a menudo un condensador se llama resistencia sin vatios, lo que permite su uso en fuentes de alimentación de bajo consumo sin transformador. Aunque no se recomienda utilizar este tipo de bloques debido a su peligrosidad, a veces sigue siendo necesario.
Antes de instalar en tal bloque. condensador de enfriamiento, conviene comprobarlo simplemente conectándolo a la red: si el condensador no se ha calentado en media hora, entonces se puede incluir de forma segura en el circuito. De lo contrario, simplemente tendrás que tirarlo a la basura sin arrepentirte.
¿Qué muestra el voltímetro?
En la fabricación y reparación de diversos dispositivos, aunque no muy a menudo, es necesario medir tensiones alternas e incluso corrientes. Si una onda sinusoidal se comporta de manera tan inquieta, hacia arriba y hacia abajo, ¿qué mostrará un voltímetro normal?
El valor medio de una señal periódica, en este caso una sinusoide, se calcula como el área delimitada por el eje x y la representación gráfica de la señal, dividida por 2*π radianes o el período de la sinusoide. Dado que las partes superior e inferior son absolutamente iguales, pero tienen signos diferentes, el valor promedio de la onda sinusoidal es cero y no es necesario medirlo en absoluto, e incluso simplemente no tiene sentido.
Por tanto, el aparato de medición nos muestra el valor rms de la tensión o corriente. RMS es el valor de la corriente periódica a la que se libera la misma cantidad de calor con la misma carga que con corriente continua. En otras palabras, la bombilla brilla con la misma intensidad.
Esto se describe mediante fórmulas como esta: Isrk = 0.707*Imax= Imax/√2 para el voltaje la fórmula es la misma, solo cambia una letra Usrk=0.707*Umax=Umax/√2. Estos son los valores que muestra el dispositivo de medición. Se pueden sustituir en fórmulas al calcular utilizando la ley de Ohm o al calcular la potencia.
Pero esto no es todo lo que es capaz de hacer un condensador en una red de corriente alterna. El próximo artículo analizará el uso de condensadores en circuitos de pulsos, filtros de paso alto y bajo y generadores de onda sinusoidal y cuadrada.
Con un voltaje alterno en un capacitor real, además de la corriente de polarización, hay pequeñas corrientes de conducción a través del espesor del dieléctrico (corriente de volumen) y a lo largo de la superficie (corrientes de conducción y polarización del dieléctrico acompañan a las pérdidas de energía). .
Así, en un condensador real, junto con un cambio en la energía del campo eléctrico (esto caracteriza potencia reactiva Q ) debido a la imperfección del dieléctrico, se produce un proceso irreversible de conversión de energía eléctrica en calor, cuya velocidad se expresa potencia activa P . Por tanto, en el circuito equivalente, un condensador real debe estar representado por elementos activos y reactivos.
Dividir un condensador real en dos elementos es una técnica de cálculo, ya que es imposible separarlos constructivamente. Sin embargo, el mismo circuito equivalente tiene un circuito real de dos elementos, uno de los cuales se caracteriza únicamente por la potencia activa P (Q = 0), el otro por la potencia reactiva (capacitiva) Q(P = 0).
Circuito de repuesto para un condensador con conexión de elementos en paralelo.
Un condensador real (con pérdidas) se puede representar mediante un circuito paralelo equivalente. activo GRAMO Y capacitivoB Con conductividad (Fig. 13.15), y la conductividad activa está determinada por las pérdidas de potencia en el capacitor. G = P/U c 2 , y la capacitancia es el diseño del capacitor. Supongamos que se conocen las conductividades G y V c para dicho circuito y que el voltaje tiene la ecuación
u = umsinωt.
Se requiere determinar las corrientes en el circuito y la potencia. Un estudio de un circuito con resistencia activa y un circuito con capacitancia mostró que a un voltaje sinusoidal, las corrientes en ellos también son sinusoidales. Cuando las ramas G y B están conectadas en paralelo, según la primera ley de Kirchhoff, la corriente total i es igual a la suma de las corrientes en las ramas con conductividad activa y capacitiva:
yo = yo GRAMO + yo c , (13.30)
Considerando que la actual Yo G está en fase con el voltaje y la corriente yo c adelanta el voltaje por un cuarto de período, la ecuación de corriente total se puede escribir de la siguiente manera:
Diagrama vectorial de corrientes en un circuito con condensador.
Para determinar el valor efectivo de la corriente total I usando el método de suma de vectores, construimos un diagrama vectorial de acuerdo con la ecuación
Yo = Yo G + Yo C
Valores efectivos de los componentes actuales:
IG = GU (13.31)
Yo C = B C U (13.32)
El vector que se muestra primero en el diagrama vectorial es tensión U
(Fig. 13.16, a), su dirección coincide con la dirección positiva del eje desde el cual se miden los ángulos de fase (fase de voltaje inicial φa
=0). Vector I GRAMO
coincide en dirección con el vector U, y vector I C
dirigido perpendicular al vector U con un ángulo positivo. En el diagrama vectorial se puede ver que el vector de voltaje total está por detrás del vector de corriente total en un ángulo φ
, cuyo valor es mayor que cero pero menor que 90º. Vector yo
es la hipotenusa de un triángulo rectángulo, cuyos catetos son los vectores constituyentes I G e I C: 
Bajo tensión u = U m senωt según el diagrama vectorial, la ecuación actual
i = soy pecado(ωt + φ )
Triángulo de conducción para un condensador.
Dividimos los lados de los triángulos actuales, expresados en unidades de corriente, por el voltaje U. Obtenemos un triángulo de conductividad similar (figura 13.16, b), cuyos catetos son los activos G = IG /U y capacitivo B s = I s / U conductividad, y la hipotenusa es la conductividad total del circuito. Y = I/U . Del triángulo de conductividades
La relación entre los valores efectivos de voltaje y corriente se expresa mediante las fórmulas.
Yo = UY
U = I/Y (13.35)
A partir de los triángulos de corrientes y conductividades, determine las cantidades.
porqueφ = I G /I = G/Y; pecado φ = Ic/I = Bc/Y; tg φ = I C /I G = B c /G. (13.36)
Potencia del circuito con condensador.
Expresión de potencia instantánea de un condensador real.
p = ui = U m senωt * I m sen (ωt+φ)
coincide con la expresión de la potencia instantánea de la bobina. Se pueden realizar razonamientos similares a los realizados al considerar el gráfico de potencia instantánea (ver Fig. 13.11) para un capacitor real con base en el gráfico de la Fig. 13.17. Los valores de las potencias activa, reactiva y aparente se expresan mediante las mismas fórmulas que se obtuvieron para la bobina [ver. (13.19) - (13.22)]. Esto es fácil de demostrar si los lados del triángulo actual, expresados en unidades actuales, se multiplican por el voltaje U. Como resultado de la multiplicación, se obtiene un triángulo de potencia similar (figura 13.16, c), cuyos catetos son poderes; activo
P = UI G = UIcosφ
reactivo
Q = UI C = UIsinφ
Circuito equivalente de condensadores con conexión en serie de elementos.
Un condensador real, como en el diagrama de diseño, se puede representar mediante una conexión en serie de dos secciones: con activo R
Y capacitivoincógnita Con
resistencias. En la figura. 13.18, y dicho circuito se muestra en comparación con un circuito paralelo 
Conexiones de conductividad activa y capacitiva (Fig. 13. 18.6). Todas las conclusiones y fórmulas obtenidas para la bobina siguen siendo válidas para el condensador, siempre que la reactancia inductiva se sustituya por una capacitiva. Los condensadores utilizados en la práctica tienen pérdidas de energía relativamente bajas. Por lo tanto, en circuitos equivalentes suelen estar representados únicamente por la parte reactiva, es decir capacidad C
Las secciones del circuito donde los elementos individuales (resistencia R y condensador C) están conectados en serie tienen un circuito equivalente como se muestra en la figura. 13.18, a. Si está interesado, lea cuáles se utilizan en la industria.
>> Condensador en circuito CA
§ 33 CONDENSADOR EN CIRCUITO DE CA
La corriente continua no puede fluir a través de un circuito que contenga un condensador. De hecho, en este caso el circuito resulta abierto, ya que las placas del condensador están separadas por un dieléctrico.
La corriente alterna puede fluir a través de un circuito que contiene un condensador. Esto se puede verificar mediante un simple experimento.
Tengamos fuentes de voltaje continuo y alterno, y el voltaje constante en los terminales de la fuente es igual al valor efectivo del voltaje alterno. El circuito consta de un condensador y una lámpara incandescente (figura 4.13), conectados en serie. Cuando se enciende el voltaje continuo (el interruptor se gira hacia la izquierda, el circuito se conecta a los puntos AA"), la lámpara no se enciende. Pero cuando se enciende el voltaje alterno (el interruptor se gira hacia la derecha, el circuito está conectado a los puntos BB"), la lámpara se enciende si la capacitancia del condensador es lo suficientemente grande.
¿Cómo puede fluir corriente alterna a través del circuito si en realidad está abierto (las cargas no pueden moverse entre las placas del capacitor)? El caso es que el condensador se carga y descarga periódicamente bajo la influencia de una tensión alterna. La corriente que fluye en el circuito cuando se recarga el condensador calienta el filamento de la lámpara.
Establezcamos cómo cambia la intensidad de la corriente con el tiempo en un circuito que contiene solo un capacitor, si se puede despreciar la resistencia de los cables y las placas del capacitor (figura 4.14).
voltaje del condensador
La intensidad de la corriente, que es la derivada del tiempo de la carga, es igual a:
En consecuencia, las fluctuaciones de corriente van por delante en fase de las fluctuaciones de voltaje a través del capacitor en (figura 4.15). 
La amplitud de la corriente es:
Yo m = U m C. (4.29)
Si ingresa la designación
y en lugar de las amplitudes de corriente y voltaje usando sus valores efectivos, obtenemos
El valor Xc, el inverso del producto C de la frecuencia cíclica y la capacitancia eléctrica del capacitor, se llama capacitancia. El papel de esta cantidad es similar al papel de la resistencia activa R en la ley de Ohm (ver fórmula (4.17)). El valor efectivo de la corriente está relacionado con el valor efectivo del voltaje en el capacitor de la misma manera que la corriente y el voltaje están relacionados según la ley de Ohm para una sección de un circuito de CC. Esto nos permite considerar el valor de X c como la resistencia del condensador a la corriente alterna (capacitancia).
Cuanto mayor sea la capacidad del condensador, mayor será la corriente de recarga. Esto es fácil de detectar por el aumento de la incandescencia de la lámpara a medida que aumenta la capacitancia del condensador. Mientras que la resistencia de un capacitor a la corriente continua es infinita, su resistencia a la corriente alterna tiene un valor finito Xc. A medida que aumenta la capacidad, disminuye. También disminuye al aumentar la frecuencia.
En conclusión, observamos que durante el cuarto de período en que el capacitor se carga a su voltaje máximo, la energía ingresa al circuito y se almacena en el capacitor en forma de energía de campo eléctrico. En el siguiente cuarto del periodo, cuando el condensador se descarga, esta energía se devuelve a la red.
La resistencia de un circuito con condensador es inversamente proporcional al producto de la frecuencia cíclica y la capacitancia eléctrica. Las fluctuaciones de corriente van por delante de las fluctuaciones de tensión en fase.
1. ¿Cómo se relacionan entre sí los valores efectivos de corriente y voltaje en un capacitor en un circuito de corriente alterna?
2. ¿Se libera energía en un circuito que contiene sólo un condensador si se puede despreciar la resistencia activa del circuito?
3. El disyuntor es una especie de condensador. ¿Por qué el interruptor abre el circuito de manera confiable?
Myakishev G. Ya., Física. 11º grado: educativo. para educación general Instituciones: básica y perfil. niveles / G. Ya Myakishev, B. V. Bukhovtsev, V. M. Charugin; editado por V. I. Nikolaeva, N. A. Parfentieva. - 17ª ed., revisada. y adicional - M.: Educación, 2008. - 399 p.: enfermo.
Planificación temática de calendario, tareas para escolares de 11º grado en descarga de física, Física y astronomía en línea
Un condensador en un circuito de corriente alterna o corriente continua, que a menudo se denomina simplemente condensador, consta de un par de placas cubiertas con una capa de aislamiento. Si se suministra corriente a este dispositivo, recibirá una carga y la retendrá durante algún tiempo. Su capacidad depende en gran medida del espacio entre las placas.
El condensador se puede fabricar de diferentes formas, pero la esencia del trabajo y sus elementos principales permanecen inalterados en cualquier caso. Para comprender el principio de funcionamiento, es necesario considerar su modelo más simple.
El dispositivo más simple tiene dos placas: una de ellas está cargada positivamente y la otra, por el contrario, cargada negativamente. Aunque estos cargos son opuestos, son iguales. Se atraen con cierta fuerza, que depende de la distancia. Cuanto más cerca estén las placas entre sí, mayor será la fuerza de atracción entre ellas. Gracias a esta atracción, el dispositivo cargado no se descarga.
Sin embargo, basta con colocar cualquier conductor entre las dos placas y el dispositivo se descargará instantáneamente. Todos los electrones de la placa cargada negativamente se transferirán inmediatamente a la placa cargada positivamente, lo que resultará en la ecualización de la carga. En otras palabras, para eliminar la carga del condensador, basta con cortocircuitar sus dos placas.
Los circuitos electricos son de dos tipos: permanente o variables. Todo depende de cómo fluya la corriente eléctrica en ellos. Los dispositivos en estos circuitos se comportan de manera diferente.
Para considerar cómo se comportará un condensador en un circuito de CC, es necesario:
- Tome una fuente de alimentación de CC y determine el valor del voltaje. Por ejemplo, "12 voltios".
- Instale una bombilla del mismo voltaje.
- Instale un condensador en la red.
No habrá ningún efecto: la bombilla no se encenderá, pero si quitas el condensador del circuito, aparecerá la luz. Si el dispositivo está conectado a una red de corriente alterna, simplemente no se cerrará y, por lo tanto, ninguna corriente eléctrica podrá pasar por aquí. Constante: no se puede pasar a través de la red a la que está conectado el condensador. Todo se debe a las placas de este dispositivo, o mejor dicho, al dieléctrico que separa estas placas.
Puede asegurarse de que no haya tensión en la red de corriente continua de otras formas. Puedes conectar cualquier cosa a la red, lo principal es que el circuito incluye una fuente de corriente eléctrica constante. El elemento que señalará la ausencia de tensión en la red o, por el contrario, su presencia, también puede ser cualquier aparato eléctrico. Lo mejor es utilizar una bombilla para estos fines: brillará si hay corriente eléctrica y no se encenderá si no hay voltaje en la red.
Podemos concluir que el condensador no es capaz de conducir corriente continua a través de sí mismo, pero esta conclusión es incorrecta. De hecho, una corriente eléctrica aparece inmediatamente después de que se aplica voltaje, pero desaparece instantáneamente. En este caso, pasa en tan sólo unas fracciones de segundo. La duración exacta depende de la capacidad del dispositivo, pero esto normalmente no se tiene en cuenta.
Para determinar si fluirá corriente alterna, el dispositivo debe estar conectado al circuito apropiado. La principal fuente de electricidad en este caso debería ser un dispositivo que genere corriente alterna.
La corriente eléctrica continua no fluye a través del condensador, pero la corriente alterna, por el contrario, sí, y el dispositivo resiste constantemente la corriente eléctrica que lo atraviesa. La magnitud de esta resistencia está relacionada con la frecuencia. La dependencia aquí es inversamente proporcional: cuanto menor es la frecuencia, mayor es la resistencia. si a fuente de corriente alterna conecte el condensador, entonces el valor máximo de voltaje aquí dependerá de la intensidad de la corriente.
Un circuito simple que consta de:
- Fuente actual. Debe ser variable.
- Consumidor de corriente eléctrica. Lo mejor es utilizar una lámpara.
Sin embargo, vale la pena recordar una cosa: la lámpara se encenderá solo si el dispositivo tiene una capacidad bastante grande. La corriente alterna tiene tal efecto en el condensador que el dispositivo comienza a cargarse y descargarse. Y la corriente que pasa por la red durante la recarga aumenta la temperatura del filamento de la lámpara. Como resultado, brilla.
La corriente de recarga depende en gran medida de la capacidad del dispositivo conectado a la red eléctrica de CA. La dependencia es directamente proporcional: cuanto mayor es la capacidad, mayor es el valor que caracteriza la intensidad de la corriente de recarga. Para verificar esto, solo necesitas aumentar la capacidad. Inmediatamente después de esto, la lámpara comenzará a brillar más, ya que sus filamentos se calentarán más. Como puede ver, un condensador, que actúa como uno de los elementos de un circuito de corriente alterna, se comporta de manera diferente a una resistencia constante.
Cuando se conecta un condensador de CA, comienzan a ocurrir procesos más complejos. Una herramienta como un vector te ayudará a comprenderlos mejor. La idea principal del vector en este caso será que se puede representar el valor de una señal que varía en el tiempo como el producto de una señal compleja, que es función del eje que representa el tiempo y un número complejo, que, en por el contrario, no está relacionado con el tiempo.
Dado que los vectores están representados por una determinada magnitud y un determinado ángulo, se pueden dibujar en forma de flecha que gira en el plano de coordenadas. El voltaje en el dispositivo va ligeramente por detrás de la corriente, y ambos vectores por los que están designados giran en el sentido contrario a las agujas del reloj en el plano.
Un condensador en una red de corriente alterna se puede recargar periódicamente: adquiere algo de carga o, por el contrario, la libera. Esto significa que el conductor y la fuente de corriente alterna de la red intercambian constantemente energía eléctrica entre sí. Este tipo de electricidad en ingeniería eléctrica se llama reactiva.
El condensador no permite el paso de corriente eléctrica continua a través de la red. En este caso tendrá una resistencia igual al infinito. La corriente alterna es capaz de pasar a través de este dispositivo. En este caso, la resistencia tiene un valor finito.
Esto puede confirmarse fácilmente mediante experimentos. Puede encender una bombilla conectándola a una fuente de alimentación de CA a través de un condensador. El altavoz o los auriculares seguirán funcionando si no se conectan al receptor directamente, sino a través de un condensador.
Un condensador consta de dos o más placas metálicas separadas por un dieléctrico. Este dieléctrico suele ser mica, aire o cerámica, que son los mejores aislantes. Es bastante natural que la corriente continua no pueda pasar a través de un aislante de este tipo. Pero, ¿por qué pasa corriente alterna a través de él? Esto parece tanto más extraño cuanto que las mismas cerámicas en forma de, por ejemplo, rodillos de porcelana aíslan perfectamente los cables de corriente alterna, y la mica funciona perfectamente como aislante en planchas eléctricas y otros dispositivos de calefacción que funcionan correctamente con corriente alterna.
A través de algunos experimentos pudimos “probar” un hecho aún más extraño: si en un capacitor un dieléctrico con propiedades aislantes comparativamente pobres se reemplaza por otro dieléctrico que es un mejor aislante, entonces las propiedades del capacitor cambiarán de modo que el paso de corriente alterna el paso por el condensador no se ve obstaculizado, sino al contrario, se facilita. Por ejemplo, si conecta una bombilla a un circuito de corriente alterna a través de un condensador con un dieléctrico de papel y luego reemplaza el papel con un aislante tan excelente; como vidrio o porcelana del mismo espesor, la bombilla comenzará a brillar más. Un experimento de este tipo llevará a la conclusión de que la corriente alterna no sólo pasa a través del condensador, sino que también pasa más fácilmente cuanto mejor sea el aislante y su dieléctrico.
Sin embargo, a pesar de todo lo aparentemente convincente de tales experimentos, la corriente eléctrica, ni continua ni alterna, no pasa a través del condensador. El dieléctrico que separa las placas del condensador sirve como una barrera confiable al paso de la corriente, cualquiera que sea, alterna o directa. Pero esto no significa que no habrá corriente en todo el circuito al que está conectado el condensador.
Un condensador tiene una determinada propiedad física que llamamos capacitancia. Esta propiedad consiste en la capacidad de acumular cargas eléctricas en las placas. Una fuente de corriente eléctrica puede compararse aproximadamente con una bomba que bombea cargas eléctricas a un circuito. Si la corriente es constante, entonces las cargas eléctricas se bombean todo el tiempo en una dirección.
¿Cómo se comportará un condensador en un circuito de CC?
Nuestra "bomba eléctrica" bombeará cargas sobre una de sus placas y las expulsará desde la otra placa. La capacidad de un condensador para mantener una cierta diferencia en el número de cargas en sus placas se llama capacidad. Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador, más cargas eléctricas puede haber en una placa en comparación con la otra.
En el momento en que se enciende la corriente, el capacitor no está cargado; la cantidad de cargas en sus placas es la misma. Pero la corriente continúa. La “bomba eléctrica” empezó a funcionar. Colocó las cargas en un plato y comenzó a bombearlas desde el otro. Una vez que comienza el movimiento de cargas en el circuito, significa que la corriente comienza a fluir en él. La corriente fluirá hasta que el condensador esté completamente cargado. Una vez alcanzado este límite, la corriente se detendrá.
Por lo tanto, si hay un condensador en un circuito de CC, una vez cerrado, la corriente fluirá por él durante el tiempo necesario para cargar completamente el condensador.
Si la resistencia del circuito a través del cual se carga el condensador es relativamente pequeña, entonces el tiempo de carga es muy corto: dura una fracción insignificante de segundo, después del cual la corriente se detiene.
La situación es diferente en el circuito de corriente alterna. En este circuito, la “bomba” bombea cargas eléctricas en una dirección u otra. Habiendo creado apenas un exceso de cargas en una placa del condensador en comparación con la cantidad en la otra placa, la bomba comienza a bombearlas en la dirección opuesta. Las cargas circularán continuamente en el circuito, lo que significa que, a pesar de la presencia de un condensador no conductor, habrá corriente en él: la corriente de carga y descarga del condensador.
¿De qué dependerá la magnitud de esta corriente?
Por magnitud de corriente nos referimos al número de cargas eléctricas que fluyen por unidad de tiempo a través de la sección transversal de un conductor. Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador, más cargas se necesitarán para "llenarlo", lo que significa que más fuerte será la corriente en el circuito. La capacitancia de un condensador depende del tamaño de las placas, de la distancia entre ellas y del tipo de dieléctrico que las separa, su constante dieléctrica. La porcelana tiene una constante dieléctrica mayor que el papel, por lo que al reemplazar papel con porcelana en un capacitor, la corriente en el circuito aumenta, aunque la porcelana es un mejor aislante que el papel.
La magnitud de la corriente también depende de su frecuencia. Cuanto mayor sea la frecuencia, mayor será la corriente. Es fácil entender por qué sucede esto imaginando que llenamos un recipiente con una capacidad de, por ejemplo, 1 litro con agua a través de un tubo y luego lo bombeamos desde allí. Si este proceso se repite una vez por segundo, por el tubo fluirán 2 litros de agua por segundo: 1 litro en una dirección y 1 litro en la otra. Pero si duplicamos la frecuencia del proceso: llenamos y vaciamos el recipiente 2 veces por segundo, entonces fluirán 4 litros de agua por el tubo por segundo; aumentar la frecuencia del proceso con la misma capacidad del recipiente condujo a un aumento correspondiente en la cantidad de agua que fluye a través del tubo.
De todo lo dicho se pueden sacar las siguientes conclusiones: la corriente eléctrica, ni continua ni alterna, no pasa a través del condensador. Pero en el circuito que conecta la fuente de CA al condensador, fluye la corriente de carga y descarga de este condensador. Cuanto mayor sea la capacitancia del condensador y mayor sea la frecuencia de la corriente, más fuerte será esta corriente.
Esta característica de la corriente alterna se utiliza ampliamente en la ingeniería de radio. En él también se basa la emisión de ondas de radio. Para ello, excitamos una corriente alterna de alta frecuencia en la antena transmisora. Pero, ¿por qué fluye corriente por la antena, si no es un circuito cerrado? Fluye porque hay capacitancia entre la antena y los cables de contrapeso o tierra. La corriente en la antena representa la corriente de carga y descarga de este capacitor, este capacitor.
