CAMPO ELÉCTRICO

Se conocen diversas clases de campos de fuerza, cuyas características dependen del tipo de agente que lo crea y sobre el cual actúa: gravitacional o gravitatorio, eléctrico y magnético.
El campo gravitacional o gravitatorio se define así el campo de fuerza originado por la presencia de una masa m1, cuya acción se manifiesta sobre otra masa m2.
El campo gravitacional se define como la región de espacio en la que toda masa se ve sometida a la acción de una fuerza. La fuerza del campo gravitatorio F es directamente proporcional al valor de la masa m por la intensidad del campo gravitatorio I, es decir:

F = Im

¿Sabes cómo se relaciona un campo gravitatorio con uno eléctrico?

De manera similar a un campo gravitacional, los cuerpos cargados eléctricamente generan alrededor de ellos un campo eléctrico que no es perceptible a simple vista.

Por convección, para poder entender cómo es la intensidad de un campo eléctrico, se utiliza una carga eléctrica pequeña positiva, denominada carga de prueba, la cual se coloca en diferentes puntos del campo por investigar; si la carga de prueba experimenta una reacción, entonces podemos decir que existe un campo eléctrico. Observa la siguiente figura.

 

Intensidad del campo eléctrico.

Cuando un campo eléctrico influye sobre otro campo o carga eléctrica, se dice que ejerce una fuerza eléctrica sobre este. A diferencia de un campo eléctrico si es posible observar el ejemplo de la acción ejercida por la fuerza eléctrica y cuantificar su intensidad. La intensidad del campo eléctrico (E) producido por una carga (Q) es el cociente entre la fuerza eléctrica (F) y el valor de la carga eléctrica de prueba (q).

E = F/q

Donde:

E = intensidad del campo eléctrico expresado en newtons/coulombs (N/C)

F = fuerza ejercida sobre la carga de prueba, expresada en newtons (N)

q = valor de la carga de prueba expresada en coulombs (C)

Es importante saber que la intensidad del campo eléctrico que se calcula en la posición de q (carga de prueba) es la del campo producido por la carga Q, no la del campo producido por q1.

Un campo eléctrico es una cantidad vectorial que tiene dirección, magnitud (intensidad) y sentido. La dirección se representa mediante una flecha que indica hacia dónde se mueve una pequeña carga de prueba positiva en reposo cuando se coloca cerca de un cuerpo cargado. 

En la figura anterior se puede observar la dirección de un campo eléctrico generado por una carga de prueba cuando esta se coloca junto a una carga eléctrica positiva mayor. Así mismo, la figura b muestra lo que sucede con una carga de prueba cuando se aproxima a un cuerpo cargado negativamente. 

La intensidad del campo E, generado por una sola carga Q a una distancia r de la carga de prueba, se calcula a partir de la ley de coulomb, la cual se expresa mediante la ecuación: F = kQq/r², y de la intensidad de campo eléctrico E = F/q

Sustituyendo la fuerza F de la ley de coulomb en la ecuación de intensidad de campo eléctrico se obtiene:

E = (kQq/r²)/q 

E = kQ/r².

Donde:

E = intensidad de campo electrico

k = 9x10^9 Nm²/C²

Q = valor de la carga en coulombs (C)

r = distancia (m) 

Esta ecuación permite calcular la intensidad de un campo en un punto sin necesidad de colocar una segunda carga.

La intensidad del campo eléctrico es una cantidad vectorial que posee magnitud, dirección y sentido. ¿Como se puede saber su dirección?

La dirección de un campo eléctrico depende del tipo de carga que lo produce. Si Q es positiva, la dirección del campo es alejandose de Q, si Q es negativa la dirección es hacia Q.

Cuando más de dos cargas contribuyen a un campo eléctrico, el valor de la intensidad del campo resultante es la suma vectorial de las intensidades de cada carga. 

Lineas de campo eléctrico

Todos los cuerpos electrizados tienen a su alrededor un campo eléctrico cuya fuerza se manifiesta sobre cualquier carga cercana a su zona de influencia. Como el campo eléctrico no se puede ver, el inglés Michael Faraday introdujo en 1823 el concepto de lineas de fuerza o lineas de campo eléctrico.

Las lineas de campo eléctrico pueden representarse gráficamente, lo cual resulta de gran utilidad ya que permite visualizarlas. Para esto, se debe considerar que las lineas de campo emergen de un cuerpo con carga positiva y, en uno con carga negativa, entran. 

Cuando se trata de dos cargas puntuales, cuyos campos se aproximan e interactúan, la distribución de las líneas de campo depende de la magnitud y tipo de carga del cuerpo electrizado.
La siguiente figura muestra las líneas de campo eléctrico de dos cargas puntuales de igual magnitud pero opuestas. En este caso, el mismo número de líneas de campo que salen de la carga positiva (verdadero) terminan en la carga negativa (sumidero). Esta configuración de cargas opuestas y de igual magnitud se conoce como dipolo eléctrico.

Cuando las cargas puntuales tienen diferente magnitud, no todas las líneas de campo que surgen de la carga positiva llegan a la carga negativa, algunas se pierden en el infinito. 

En caso de que las cargas eléctricas sean de igual magnitud y del mismo signo, positivas o negativas, los campos se repelen.

Potencial Eléctrico

Algunos dispositivos, como motores rotativos, lámparas fluorescentes, radios y cafeteras, hacen trabajo útil cuando la diferencia de potencial desplaza una carga. En cada uno de los casos citados, no se puede ver el trabajo eléctrico realizado, sólo se ven los resultados de ese trabajo. Por ejemplo, en los motores, el trabajo eléctrico produce calor, hace girar cigüeñales y crea luz y sonido.

Energía Potencial Eléctrica

Una manera sencilla de comprender el tema de potencial eléctrico es estudiar primero la energía potencial eléctrica y compararla con la energía potencial gravitacional. Recuerda que un cuerpo posee esta última virtud de su posición; esto es, cuando un cuerpo se encuentra a determinada altura (h) respecto de un nivel de referencia, tiene cierta energía potencial (Ep) que es igual al producto de la masa (m), la gravedad (g) y la altura (h). Ep = mgh

Potencial

El potencial eléctrico V en cualquier punto de un campo eléctrico es igual al trabajo T que se necesita realizar para transportar la unidad de carga positiva q desde el potencial cero hasta el punto considerado.

El potencial eléctrico V se expresa matemáticamente por:

V = Ep/q

Donde:

V = potencial eléctrico expresado en volts (V)

Ep = energía potencial expresada en joules (J)

Q = carga expresada en coulombs (C)

Se tiene un potencial de 1 volt cuando una carga de 1 coulomb posee una energía potencial de 1 joule:

1 V = 1 J/C

Diferencial de potencial

La diferencia de potencial entre dos puntos se define como el trabajo por unidad de carga realizado por fuerzas eléctricas para mover una carga de prueba del punto de mayor potencial al de menor potencial:

(VA - VB) = TA-B/q

Donde:

TA-B = trabajo

q = carga

VA - VB = diferencia de potencial entre dos puntos

El potencial eléctrico no es una cantidad vectorial, como sería el caso del campo eléctrico. 

Capacitancia

La capacitancia guarda una estrecha relación con los temas de campo eléctrico y diferencia de potencial vistos con anterioridad. Su estudio es fundamental, ya que tiene numerosas aplicaciones prácticas; por ejemplo, en baterías, memorias electrónicas y tubos fluorescentes, entre otros. La capacitancia se refiere a la cantidad de energía que un cuerpo puede almacenar debido a la presencia de un campo eléctrico cuando aumenta la diferencia de potencial.

El capacitor

Un capacitor eléctrico, también conocido como condensador, es un dispositivo que almacena carga. Por lo regular, está conformado por dos elementos o superficies conductoras (placas), situadas de tal manera que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra; como se observa en la siguiente figura.

El campo eléctrico que se genera en un capacitor de placas paralelas es uniforme conforme más cerca esté del centro de las placas; al alejarse, se irá deformando gradualmente, como se puede observar en la figura pasada. 

La magnitud de la capacidad o capacitancia de un capacitor es directamente proporcional a las dimensiones del área de los conductores o placas, e inversamente proporcional a la distancia que los separa. La función principal del dieléctrico es servir como aislante entre ambos conductores y así conseguir una mayor capacidad de carga eléctrica. 

Este dispositivos sirve para almacenar carga eléctrica de manera temporal y tiene múltiples usos en circuitos eléctricos y electrónicos. Así, lo podemos encontrar en el sistema de encendido de un automóvil para evitar la "chispa", en equipos de radio para sintonizar las diferentes frecuencias de una estación, como filtro en fuentes de alimentación de corriente continua a partir de corriente alterna y en los sistemas de flash de las cámaras fotográficas.

También tiene numerosas aplicaciones en la industria, como por ejemplo, en los circuitos de encendido de los sistemas de bombeo. Además, se utiliza en algunos teclados de computadora o maquinas eléctricas, en motores de aire acondicionado, ventiladores, compresores, bombas de agua y motores de corriente alterna.

Aún con los grandes avances de electronica y la aparición de los circuitos integrados, este elemento, si bien ha sufrido cambios importantes en su diseño y construcción por el descubrimiento de nuevos materiales, no ha podido ser sustituido. 

¿Cómo obtiene carga eléctrica un condensador?

Un condensador de placas paralelas se conecta mediante cables, cada una de las placas a una batería o fuente de poder. Cuando se cierra el interruptor, la batería establece un campo eléctrico en el cable que hace que los electrones se muevan desde la placa izquierda hasta el cable y de este al borne positivo de la batería y, por último, el borne negativo de la batería a la placa derecha a través del cable. Como resultado, se produce una diferencia de carga entre las placas que representa una energía potencial eléctrica. Dicha energía del sistema del circuito se obtiene mediante la transformación de la energía química de la batería.

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La carga del condensador se detiene cuando la diferencia de potencial entre las placas es igual a la diferencia de potencial de la batería o fuente de poder, y la carga en el condensador o capacitor se mantiene, aunque se desconecte la batería. 
El capacitor se descargará si este se conecta a un circuito eléctrico o se provoca un corto circuito juntando las dos terminales que unen sus placas, lo que induce una chispa eléctrica. Algunas características técnicas de los capacitores son: 

Tensión nominal: es la tensión máxima que puede soportar un capacitor de manera contínua sin que sufra deterioro

Capacidad nominal: es el valor de la capacitancia, el cual se identifica mediante código de colores, o bien, mediante un valor numérico que se coloca en el cuerpo del capacitor. 

Tolerancia: diferencia entre la capacidad máxima y la mínima dada por el fabricante. 

Aunque existen diferentes tipos de capacitores o condensadores según el material con el que están construidos, estos pueden ser polarizados o sin polarizar, fijos o variables.

En el cuadro anterior te mostramos los simbolos con los que se representan los capacitores. Como podras observar, para un mismo tipo de capacitor, existen varios simbolos.
La capacidad de los capacitores fijos esta determinada por el fabricante y su valor no puede ser modificado, sus características y nombre depende directamente del dieléctrico con el que se fabrican, de tal modo que podemos encontrar los simbolos anteriores.


Capacitores Cerámicos.

El material dieléctrico con el que se construyen es la cerámica, el más común es el dióxdo de titanio. Por ser un material de constantes dieléctricas altas, permite un amplio diseño, tanto mecánico como eléctrico, en la construcción de los capacitores.




Se dividen en dos grupos: El primero de ellos se caracteriza por su alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante, y en el segundo, el coeficiente de temperatura prácticamente no está definido y presenta una variación en la capacidad del condensador debido a la variación de temperatura, lo que hace que tenga un  comportamiento no lineal. Es decir, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, el tiempo de funcionamiento o la tensión.


Los Capacitores de Plástico

Sus principales características son las altas temperaturas de funcionamiento, así como su alta resistencia de aislamiento. En la fabricación encontramos dos tipos según el material de la armadura: de metal, denominados tipo k, y de metal vaporizado, tipo mk, como se muestran en la siguiente figura.
En el mercado podemos encontrar los siguientes:
KS. StyroFlex, construidos con láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.
KP. Su dieléctrico es polipropileno y sus placas son de metal.
MKP. Placas de metal vaporizado.
MKY. Placas de metal vaporizado y polipropileno de alta calidad como dieléctrico.




Capacitores de Mica.

Se caracterizan por su alto rango de frecuencia y estabilidad en relación con el tiempo y temperatura; también presentan baja pérdida de capacitancia, se construyen de mica o silicato de aluminio y potasio.




Capacitores Electrolíticos

Una de sus placas o conductores esta construida de metal, mientras que la otra placa es un conductor iónico o electrolítico; se encuentran polarizadas y, en relación con sus dimensiones fisicas, presentan valores muy altos y capacitancia. Los mas comunes son:

Electrolíticos de aluminio: el electrolito es de tetraborato armónico, la otra placa metálica es de aluminio.

Electrolíticos de tántalo: nombre con el que se denomina comúnmente al metal tantalio, el cual se utiliza en la fabricación de capacitores, porque es metal inerte al ataque de acidos y posee la propiedad de ser resistente a altas temperaturas y a la oxidación. El dieléctrico está construido por oxido de tántalo y, a diferencia del anterior, maneja un mayor rango de capacitancia.






Capacitadores de doble capa.

También conocido como supercapacitores (CAVE) o ultracondensadores. Son como los capacitores normales, pero a diferencia de los capacitores convencionales almacenan hasta 100 mil veces mas carga, aunque tienen el mismo tamaño. Algunos pueden llegar hasta los 3000 Farads, mientras que los normales son de orden de los uF. Tienen una mayor capacidad de carga y descarga, manejan pequeños valores de tensión y, al conectarlos en serie, presentan una alta resistencia acumulan mayor cantidad de energía.




Capacitores Variables.

Estos capacitores se caracterizan porque podemos variar sus valores de capacitancia entre ciertos límites. La variación de capacitancia puede obtenerse variando la distancia entre las placas o variando el area efectiva de carga de las placas. Se utilizan a menudo en los receptores de radio para efectuar la sintonía de una estación; también podemos encontrar en los equipos de medición.
Esta clasificación entran también los capacitores ajustables, que en su mayoría se calibran para su aplicación en un circuito eléctrico o electrónico determinado.





Cálculo de Capacitancia.

La capacitancia se define como la razón que existe entre la magnitud de carga Q de cualquiera de los conductores (placa) de un condensador y la diferencia del potencial V entre ambos conductores (placas) se expresa mediante la siguiente ecuación matemática:

C = Q/V

Donde:

C= capacitancia en C/V (Coulombs/Volts)

Q= carga eléctrica de una de las placas o conductores de C (Coulombs)

V= diferencia de potencial entre ambas placas o conductores en V (Volts)

La unidad de la capacitancia C en el sistema internacional de medidas es Coulomb por Volt, llamada Farad (O faradio), en memoria de Michel Farady. Por lo que podemos decir que: 

1F = 1C/1V

Donde:

F= farad

C= Coulomb

V= Volt

Los valores de capacitancia mas utilizados vienen expresados en:

1 Microfarad (uF) = 1x10^-6 F

1 Nanofarad (nF) = 1x10^-9 F 

1 Picofarad  (pF) = 1x10^12 F

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