Grado 11
  1. Mecánica  1.1. dinámico  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos y tres dimensiones  1.1.3. Desplazamiento y Distancia  1.1.4. Velocidad y rapidez  1.1.5. Aceleración y desaceleración  1.1.6. Análisis gráfico del movimiento  1.1.7. Ecuaciones del movimiento (deducciones avanzadas)  1.1.8. Caída libre y velocidad terminal  1.1.9. Movimiento de proyectiles  1.1.10. Velocidad relativa en una y dos dimensiones  1.1.11. Movimiento de un coche en un plano inclinado  1.2. Dinámica  1.2.1. Leyes del movimiento de Newton y sus aplicaciones  1.2.2. Inercia y la primera ley de Newton  1.2.3. Fuerza y tipos de fuerza  1.2.4. Fricción estática y cinética  1.2.5. Movimiento circular y aceleración centrípeta  1.2.6. Movimiento circular no uniforme  1.2.7. Peralte de carreteras y curvas  1.2.8. Momento e Impulso  1.2.9. Conservación del momento en una y dos dimensiones  1.2.10. Aplicaciones de la Tercera Ley de Newton  1.3. Trabajo, Energía y Potencia  1.3.1. Trabajo realizado por una fuerza constante y variable  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética y potencial  1.3.4. Energía potencial gravitacional y elástica  1.3.5. Conservación de la energía mecánica  1.3.6. Energía y potencia instantánea  1.3.7. Eficiencia de las máquinas  1.3.8. Trabajo realizado por fuerzas conservativas y no conservativas  1.4. Movimiento rotacional  1.4.1. Torsión y aceleración angular  1.4.2. Equilibrio rotacional  1.4.3. Momento de inercia y sus aplicaciones  1.4.4. Momento angular y su conservación  1.4.5. Energía cinética del movimiento de rodadura y rotación  1.4.6. Teorema del Eje Paralelo y Perpendicular  1.4.7. Dinámica del movimiento rotacional
  2. Fuerza gravitacional  2.1. Gravitación universal  2.1.1. La ley de gravitación universal de Newton  2.1.2. Campo gravitacional y potencial  2.1.3. Cambio en la aceleración debido a la gravedad  2.1.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  2.1.5. Mecánica orbital y satélites  2.1.6. Velocidad de escape y velocidad orbital  2.1.7. Ingravidez y caída libre  2.1.8. Energía potencial gravitacional y energía en órbitas  2.1.9. Agujeros negros y lente gravitacional
  3. Propiedades de la materia  3.1. Mecánica de fluidos  3.1.1. Densidad y presión en líquidos  3.1.2. La teoría de Pascal y sus aplicaciones  3.1.3. Principio de Arquímedes y Flotabilidad  3.1.4. Ecuación de Bernoulli y sus aplicaciones  3.1.5. Ecuación de continuidad y el efecto Venturi  3.1.6. Tensión superficial y capilaridad  3.1.7. Viscosidad y la Ley de Poiseuille  3.1.8. Número de Reynolds y turbulencia  3.2. Elasticidad y deformación  3.2.1. La ley de Hooke y la relación tensión-deformación  3.2.2. Módulo de elasticidad y aplicaciones  3.2.3. Deformación y límite elástico de los sólidos
  4. Física térmica  4.1. Calor y temperatura  4.1.1. Propiedades termométricas y escala de temperatura  4.1.2. Expansión térmica de sólidos, líquidos y gases  4.1.3. Sistema de transferencia de calor  4.1.4. Capacidad calorífica específica y calorimetría  4.1.5. Calor latente y cambio de fase  4.2. Teoría cinética de los gases  4.2.1. Modelo molecular de los gases  4.2.2. Explicación cinética de la temperatura  4.2.3. Ecuación de Gas Ideal y Desviaciones  4.2.4. Camino libre medio y distribución de Maxwell–Boltzmann  4.3. Leyes de la Termodinámica  4.3.1. Zeroth Law y Equilibrio Térmico  4.3.2. Primera Ley y Energía Interna  4.3.3. La Segunda Ley y la Entropía  4.3.4. Ciclo de Carnot y motores térmicos  4.3.5. Refrigeradores y bombas de calor
  5. Ondas y oscilaciones  5.1. Movimiento Armónico Simple  5.1.1. Ecuaciones del MHS  5.1.2. Energía en MAS  5.1.3. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  5.1.4. Resonancia y aplicaciones  5.1.5. Péndulo y sistema masa-resorte  5.2. Movimiento ondulatorio  5.2.1. Tipos de ondas mecánicas  5.2.2. Movimiento ondulatorio y transporte de energía  5.2.3. Principio de Superposición y Ondas Estacionarias  5.2.4. Reflexión, Refracción y Difracción  5.2.5. Efecto Doppler en sonido y luz  5.2.6. Pulsaciones e interferencia
  6. Electricidad y Magnetismo  6.1. Electrostática  6.1.1. Carga eléctrica y conservación  6.1.2. La ley de Coulomb y sus aplicaciones  6.1.3. Campo eléctrico y flujo eléctrico  6.1.4. Potencial eléctrico y energía potencial  6.1.5. Capacitancia y energía almacenada en un condensador  6.2. Electricidad Corriente  6.2.1. La ley de Ohm y la resistencia eléctrica  6.2.2. Resistividad y dependencia de la temperatura  6.2.3. Leyes de Kirchhoff y análisis de circuitos  6.2.4. Potencia eléctrica y eficiencia  6.2.5. Combinación de resistencias  6.3. Magnetismo y electromagnetismo  6.3.1. Campos magnéticos y sus fuentes  6.3.2. Fuerza magnética sobre cargas en movimiento  6.3.3. Inducción electromagnética  6.3.4. Leyes de Faraday y Lenz  6.3.5. Inductancia y Transformador  6.3.6. Corriente alterna y sus aplicaciones
  7. Óptica  7.1. Reflexión y Refracción  7.1.1. leyes de reflexión y refracción  7.1.2. Espejos y lentes  7.1.3. Reflexión interna total y fibra óptica  7.2. Óptica de ondas  7.2.1. Interferencia y Difracción  7.2.2. Experimento de la doble rendija de Young  7.2.3. Polarización de la luz
  8. Física Moderna  8.1.1. Efecto fotoeléctrico y la teoría de Einstein  8.1.2. Dualidad onda-partícula  8.1.3. El principio de incertidumbre de Heisenberg  8.1.4. Efecto Compton  8.2. Física Atómica y Nuclear  8.2.1. Modelo atómico y niveles de energía  8.2.2. Desintegración radiactiva y vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear
  9. Electrónica y Comunicación  9.1. Semiconductores  9.1.1. uniones pn y diodo  9.1.2. Transistores y compuertas lógicas  9.1.3. Circuitos Integrados y Aplicaciones  9.2. Sistemas de comunicación  9.2.1. Conceptos básicos de la comunicación analógica y digital  9.2.2. Comunicación Inalámbrica y Óptica  9.2.3. Modulación y Demodulación

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Capacitancia y energía almacenada en un condensador


En esta sección, exploraremos el concepto de capacitancia y la energía almacenada en los condensadores, que son componentes fundamentales en el estudio de la electricidad y el magnetismo. Los condensadores se utilizan para almacenar y liberar energía eléctrica y son esenciales en una variedad de circuitos eléctricos y electrónicos.

Comprensión de la capacitancia

Primero entendamos qué es la capacitancia. La capacitancia es la capacidad de un sistema para almacenar carga eléctrica. En términos simples, es una medida de cuánta carga eléctrica se puede almacenar en un sistema para un potencial eléctrico dado (voltaje). Un condensador es un dispositivo diseñado para tener una capacitancia específica. La capacitancia se define como la cantidad de carga que puede almacenar en sus placas por unidad de voltaje.

La expresión matemática para la capacitancia C es dada por:

C = Q / V

Donde Q es la carga almacenada en el condensador y V es el voltaje a través del condensador.

Estructura de un condensador

Un condensador estándar tiene dos placas conductoras separadas por un material aislante llamado dieléctrico. Cuando se aplica voltaje a las placas, se crea un campo eléctrico y la carga se acumula en las placas.

Dieléctrico Placa 1 Placa 2

Material dieléctrico

El material dieléctrico afecta la capacitancia de un condensador. Diferentes materiales tienen diferentes constantes dieléctricas, que determinan cuán bien pueden almacenar carga eléctrica. La constante dieléctrica k indica cuánto más carga puede almacenar un condensador con el material en comparación con un vacío.

La capacitancia de un condensador de placas paralelas está dada por la fórmula:

C = ε0 * (k * A / d)

Donde:

  • C es la capacitancia,
  • ε0 es la permitividad del vacío (aproximadamente 8.85 * 10-12 F/m),
  • k es la constante dieléctrica del material,
  • A es el área de una de las placas,
  • d es la separación entre las placas.

Carga del condensador

Cuando un condensador se conecta a una batería o fuente de energía, comienza a cargarse. Los electrones se acumulan en una placa, creando una carga negativa, y se eliminan de la otra placa, creando una carga positiva. La diferencia de potencial entre las placas continúa aumentando hasta que iguala el voltaje de la fuente de energía.

Energía almacenada en un condensador

La energía U almacenada en un condensador cargado puede calcularse usando la fórmula:

U = 1/2 * C * V2

Esta fórmula muestra que la energía almacenada en un condensador es proporcional a su capacitancia y al cuadrado del voltaje a través de él.

Cálculo de ejemplo

Consideremos un ejemplo para aclarar este concepto. Supongamos que tenemos un condensador con una capacitancia de 5 microfaradios (5 μF), y está cargado a un voltaje de 10 voltios. Para calcular la energía almacenada en el condensador, utilizaremos la fórmula:

U = 1/2 * C * V2

Substituyendo los valores dados:

U = 1/2 * 5 * 10-6 F * (10 V)2
U = 1/2 * 5 * 10-6 * 100
U = 0.00025 Joules

Por lo tanto, la energía almacenada en el condensador es 0.00025 joules.

Factores que afectan la capacitancia

Muchos factores pueden afectar la capacitancia de un condensador, incluyendo:

  • Área de la superficie de las placas: Áreas de placa más grandes proporcionan más espacio para almacenar carga, aumentando así la capacitancia.
  • Distancia entre placas: Distancias más pequeñas aumentan la capacitancia porque la intensidad del campo eléctrico es mayor.
  • Material dieléctrico: Diferentes materiales tienen diferentes constantes dieléctricas, que afectan cuánta carga se puede almacenar.

Condensadores en serie y paralelo

Los condensadores pueden conectarse en serie o en paralelo en un circuito. La capacitancia total de estas configuraciones sigue reglas específicas:

Condensadores en serie

Cuando los condensadores están conectados en serie, la capacitancia total se da por C total:

1/Ctotal = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3 + ...

La capacitancia total siempre es menor que el condensador individual más pequeño en la serie.

Condensadores en paralelo

Cuando los condensadores están conectados en paralelo, la capacitancia total C total se da por:

Ctotal = C1 + C2 + C3 + ...

La capacitancia total es la suma de todas las capacitancias individuales.

Ejemplo visual: Condensadores en serie y paralelo

Para entender mejor cómo se comportan los condensadores en serie y paralelo, visualicemos las conexiones:

Conexión en serie

C1 C2

Conexión en paralelo

C1 C2

Aplicaciones de los condensadores

Hay varias aplicaciones de los condensadores en electrónica e ingeniería eléctrica, como:

  • Almacenamiento de energía: Los condensadores almacenan energía que puede liberarse rápidamente, lo cual es útil en dispositivos como cámaras con flash.
  • Condicionamiento de energía: Los condensadores pueden estabilizar el voltaje y el flujo de energía en sistemas eléctricos.
  • Procesamiento de señales: Se utilizan en aplicaciones de filtrado para bloquear corriente continua (DC) y dejar pasar corriente alterna (AC).
  • Circuitos de sintonización: Los condensadores trabajan con inductores en circuitos de sintonización para aplicaciones de radio y otras dependientes de la frecuencia.

En conclusión

Entender la capacitancia y las capacidades de almacenamiento de energía de los condensadores es importante en los campos de la electricidad y el magnetismo. Los condensadores desempeñan un papel vital en muchos dispositivos y sistemas electrónicos. A través de fórmulas y ejemplos, puedes calcular cómo se comportan los condensadores bajo diferentes condiciones y tomar decisiones informadas en el diseño y análisis de circuitos.


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