Impedancias.
En el instante inicial en que se conecta la FEM de tensión continua a las placas del condensador, se origina una circulación de corriente por un tiempo, hasta que el condensador se carga, y entre sus placas aparece una diferencia de potencial de igual valor a la FEM aplicada, y con las mismas polaridades que la fuente continua al cual está conectado. En este instante, deja de circular corriente por el circuito.
En las imagen superior, puedes observar, a la izquierda, el circuito inicial cuando está abierto el interruptor. Al cerrarse el interruptor, comienza a circular una corriente al instante que comienza a cargar el condensador (centro); a medida que se carga el condensador, la corriente de carga disminuye su intensidad; este efecto es similar al efecto de las cámaras de drenado de un barco, estas cámaras son cámaras vacías en las cuales, se abre una válvula y entra agua de mar al interior. Con esto se nivela el barco en varías situaciones. Bueno, cuando se abre la válvula, el agua que entra del mar directamente, entra a una presión enormemente alta, ya que es todo el mar el que empuja al agua a que entre; similar a toda la corriente de la fuente de alimentación; pero cuando ya está muy lleno y casi a punto de llenar toda la cámara del barco; o la capacidad del condensador; el agua entra muy sin tanta presión hasta que se llena completamente, momento en el cual deja de entrar mas agua. En ese punto se puede equipara al dibujo de la derecha, en donde el condensador tiene la misma carga que la fuente de alimentación continua y ésta no puede cargar mas el condensador, ya que este bloquea la corriente (salvo la corriente de fuga y distintas pérdidas).
Si en el circuito hubiese una resistencia como muestra el siguiente dibujo, en el breve instante en que pasa la corriente, se desarrolla calor en la resistencia (repasa el tema 3). Cuando se ha cargado el condensador, ya esté cerrado o abierto el interruptor, lo mismo da, no hay circulación de corriente, y por lo tanto no se desarrolla trabajo, aunque se insista en abrir y cerrar el interruptor. Esto es muy importante de que lo comprendas, ya que el comportamiento es distinto en C.A.
Condensador en corriente continua
En la lección anterior has estudiado C.A y la onda sinusoidal que corresponde a dicha corriente.
Analizando esta gráfica, observas que existe un inicio y un final de un semiciclo positivo, y un inicio y un final de otro semiciclo negativo. En el circuito de la figura de abajo (A), observa como la corriente va a circular por la resistencia R, produciendo trabajo por los instantes que dura el semiciclo positivo hasta que llega a cero de nuevo. Es decir, la circulación de corriente del semiciclo positivo producirá calor en R cuando exista circulación de corriente; es lógico, ya que en el instante inicial y final del semiciclo, no genera ningún movimiento de electrones.
Observa que en el circuito, la corriente del semiciclo positivo produce una circulación de corriente y los efectos en R son trabajo y calor. Cuando el valor del semiciclo positivo llega a cero, deja de circular corriente; pero comienza a circular corriente en sentido inverso, el semiciclo negativo.
Entonces, ¿qué pasa ahora? Como puedes ver en el circuito, el sentido de la corriente es distinto ahora (B), por lo que, aunque el efecto de la corriente sobre la resistencia es el mismo (trabajo y calor), el sentido de la misma es contrario. Desde el punto de vista de la resistencia, no conlleva mucho efecto la corriente variable. Pero el condensador, se comporta de otra forma que vas a estudiar ahora mismo:
En el semiciclo positivo, la corriente variable, comienza a aumentar de valor (recuerda la generación de electricidad), aumento que va desde cero hasta el valor máximo del semiciclo positivo. Durante este tiempo, el condensador se comienza a cargar al tiempo que aumenta la corriente en el semiciclo positivo hasta el valor máximo del valor pico positivo (NOTA: el tiempo de carga no es instantáneo, como verás más adelante).
En este instante el condensador tiene una carga eléctrica igual a la tensión de pico del generador variable. Cuando el semiciclo positivo comienza a decrecer, el condensador tiene menos presión eléctrica entre sus placas, por lo que comienza a descargarse, disminuyendo su carga y su diferencia de potencial. Un hecho importante es que cambia el sentido de la corriente eléctrica que tenía en breves instantes, mientras se descarga. La consecuencia es que el condensador se descarga según disminuye la corriente de la fuente alterna.
Como puedes ver, la intensidad de descarga del condensador, disminuye según se va reduciendo la corriente alterna. En estos momentos el semiciclo positivo está disminuyendo de su valor máximo a su valor cero. Hasta que la corriente de la fuente alterna, no es cero, el condensador no se descarga del todo.
En este proceso la corriente tiene un valor inverso al inicial, es decir, en A, la corriente de carga del condensador era de + a -; y en la descarga del condensador, la corriente es de - a +; pero la corriente de carga no ha cambiado su valor, simplemente está disminuyendo. Esta corriente de descarga del condensador se llama corriente inversa de carga y es equiparable, por poner un ejemplo a 2 personas que cogen una cuerda y tiran en sentido contrario hacia afuera cada uno, y uno de ellos tiene más fuerza que el otro, por lo que el menos fuerte se acerca al otro que tiene más fuerza, pero lo que pasa que cuando se están muy cerca, el menos fuerte hace fuerzas de flaqueza y tira de nuevo.
Esto es lo que pasa cuando el semiciclo disminuye a su valor inferior desde el máximo valor positivo, que el condensador no se descarga hasta que el valor de la FEM alterna no sea cero.
Cuando comienza a ascender la corriente de la fuente en sentido negativo ( B ), el condensador comienza a cargarse en sentido negativo, según vaya aumentando la corriente de la fuente alterna, hasta que llegue al punto de máxima carga negativa en el cual la C.A, ha llegado al pico negativo. En este instante la diferencia de potencial del condensador es la tensión de pico del semiciclo negativo.
Ahora empieza a disminuir la corriente de la fuente, empieza a decrecer desde el pico negativo hasta cero; esto hace que el condensador se descargue de forma similar a la descarga del pico positivo, pero de sentido contrario ( es lógico, ya que el sentido de la carga es distinto ).
En este proceso sacamos 2 conclusiones importantes
Primera:
Que salvo los breves instantes en que no se produce variación de tensión alterna (al comienzo del ciclo, a la mitad, y al final), ha circulado corriente eléctrica por el circuito produciendo trabajo en la resistencia R. Como el valor de la tensión y corriente no es constante, al valor de la corriente equivalente se le dice Eficaz.
Segundo:
La otra conclusión es que el condensador que en corriente continua impide el paso de la corriente cuando se carga, y deja de circular por R; en alterna, tiene un comportamiento de como si dejara pasar la corriente, con una característica propia de la C.A; el sentido de la corriente cambia periódicamente en el circuito, por lo tanto, la presencia del condensador no modifica las condiciones del circuito ya que circula corriente por R siempre.
Sin embargo se altera el comportamiento de la corriente eléctrica al ser alterna, en el circuito, introduciendo un efecto equivalente a una resistencia eléctrica (aparte de la propia R), cuyo valor no es constante, pues varía con la frecuencia y la capacidad, descomponiéndola en los 2 parámetros que integran la corriente eléctrica.
En la resistencia pura (R), el valor de la tensión y la intensidad (dibujo siguiente), están en fase una respecto a la otra.
El valor de pico de la corriente y la tensión se produce en el mismo instante, así como el valor cero.
Sus valores no tienen por qué ser iguales, depende del valor de la resistencia.
Cuando el condensador está descargado y se le aplica tensión a sus armaduras, la corriente inicial de carga es máxima, sin embargo, la diferencia de potencial es cero; a medida que aumenta el tiempo de carga, aumenta la tensión del condensador, que se desarrolla por la acumulación de cargas eléctricas. Según aumente la carga del condensador, disminuye la corriente eléctrica de la carga; cuando el condensador está cargado, cesa la corriente de carga. El efecto lo ves en la siguiente gráfica.
Como observas, el efecto es que la intensidad de corriente en el condensador, y con corriente alterna es un adelanto de la corriente respecto a la tensión. La intensidad es adelantada 90º con respecto a la tensión.
Reactancia capacitiva
Junto con el efecto de adelantarse la intensidad con respecto a la tensión, existe otro efecto. El condensador presenta a la corriente continua, una resistencia infinita; es decir, cuando se carga el condensador en corriente continua se comporta como un interruptor abierto.
Pero en C.A. le presenta una oposición a su paso, oposición equivalente a una resistencia, que está relacionada a la capacidad y la frecuencia de la C.A.
Un condensador disminuye el valor de la resistencia aparente al aumentar la frecuencia. Lo mismo sucede si aumenta la capacidad.
Esta resistencia aparente se llama Reactancia capacitiva y se representa por Xc. Veamos un ejemplo práctico.
Imagina 2 circuitos como el anterior y con 2 condensadores distintos; cada uno de un valor, uno más pequeño que otro. Si la fuente de alimentación alterna es igual para los 2 circuitos, está claro que un condensador se cargará antes que el otro pero, ¿sabes cuál se cargará primero?. La respuesta es fácil, el condensador de mayor capacidad. Para que lo entiendas, imagínate una tubería con un estrecho conducto y otra con un conducto de gran sección; el agua pasará más rápidamente a través de la gran sección que a través de la otra, porque ofrece menos resistencia.
Al aumentar la capacidad y la frecuencia disminuye la Xc, por tanto el valor de la reactancia capacitiva es de:
Siendo:
f, la frecuencia de la señal alterna.
C, la capacidad.
El valor de la reactancia capacitiva se expresa en ohmios.
Reactancia inductiva.
En la lección anterior has estudiado la autoinducción y te hemos adelantado cómo da origen a la reactancia inductiva. Ahora estudiaremos sus variables, su comportamiento y su desarrollo.
La tensión inducida en un conductor que corta líneas de fuerza magnéticas es mayor cuanto más grande es la inductancia (repasa el tema 6), la corriente eléctrica que genera el campo y la rapidez de esta variación.
Un conductor recto, casi no tiene inductancia ni reactancia, pero si ese conductor lo enrollamos en forma de hélice, obtenemos una bobina y en este caso, aumenta la inductancia y por tanto la reactancia inductiva, que es la resistencia aparente que ofrece al paso de corriente.
La inductancia tiene la característica especial de atrasar la corriente con respecto a la tensión (todo lo contrario al condensador), 90º eléctricos por la presencia de la reactancia inductiva.
Se representa por Xl.
Es fácil de entender la reactancia. Te voy a poner un ejemplo de una sola espira.
La corriente comienza a circular por la bobina; atraviesa la primera espira de la bobina y produce un campo EM ascendente que corta la propia espira. En esta se auto induce una corriente inversa a la que está circulando en estos momentos, por lo que hasta que esa corriente no cesa, la corriente de la fuente se frena. Si ahora pensamos que el campo de la primera espira, induce a la espira de al lado y a la siguiente, el efecto se hace mas de notar; y por lo tanto, hasta que no se consume esta carga inversa, no puede circular con toda libertad la corriente eléctrica de la espira.
Como el campo EM generado en una espira en C.C. se estabiliza cuando se ha consumido la autoinducción inicial, la reactancia en C.C, se dice que es cero; pero en C.A. el efecto se hace más grave según aumente la frecuencia. Y es que si varía la intensidad eléctrica, también lo hará el campo EM, y la autoinducción será frecuente, por lo que es una resistencia aparente a la C.A.
La reactancia inductiva retrasa pues la intensidad con respecto a la tensión, inductancia, mayor reactancia. Su valor es directamente proporcional a la que está adelantada a esta ultima 90º. Su valor varía linealmente: a mayor frecuencia y se calcula con la ecuación siguiente:
Siendo:
f,la frecuencia.
L, la inductancia.
Xl, la reactancia inductiva.
Analizando el comportamiento de ambas reactancias (inductivas y capacitivas), se deduce que ambas reactancias varían en función de la frecuencia; pero cuidado, no varían de igual forma. Mientras que la inductiva aumenta de valor, la capacitiva disminuye de valor cuando aumenta la capacidad y la frecuencia. También se presenta una diferencia de comportamiento de la intensidad con respecto a la tensión. Mientras que la inductiva atrasa 90º la intensidad respecto a la tensión, la capacitiva, la adelanta 90º. En la resistencia eléctrica no se produce ningún desfase, sino que la tensión y la corriente están en fase.
Estos términos son muy importantes, ya que te serán muy útiles para el estudio de la lección siguiente. Como la reactancia es una resistencia aparente, la ley de Ohm sirve también aquí. Así la intensidad en un circuito que tiene una inductancia, es inversamente proporcional a la reactancia inductiva y directamente proporcional a la tensión que se aplica:
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