Pregrado
  1. Mecánica clásica  1.1. dinámica  1.1.1. Movimiento en una dimensión  1.1.2. Movimiento en dos dimensiones  1.1.3. projectile motion  1.1.4. Velocidad relativa  1.1.5. Movimiento circular uniforme  1.1.6. Movimiento circular no uniforme  1.1.7. Sistemas de referencia y transformaciones  1.2. Newton's Laws of Motion  1.2.1. Primera ley del movimiento  1.2.2. Segunda ley del movimiento  1.2.3. Tercera Ley del Movimiento  1.2.4. Aplicaciones de las leyes de Newton  1.2.5. Fricción y sus tipos  1.2.6. Diagrama de Cuerpo Libre  1.2.7. Restricciones y pseudo-fuerzas  1.3. Trabajo y energía  1.3.1. Trabajo realizado por la fuerza  1.3.2. Teorema trabajo-energía  1.3.3. Energía cinética  1.3.4. Energía potencial en la mecánica clásica  1.3.5. Fuerzas conservativas y no conservativas  1.3.6. Conservación de la Energía  1.3.7. Poder y eficiencia  1.4. Velocidad y colisiones  1.4.1. Momento lineal  1.4.2. Conservación del momento  1.4.3. Impulso y fuerza de impacto  1.4.4. Colisión elástica e inelástica  1.4.5. Centro de masa y velocidad  1.4.6. Propulsión de Cohetes  1.5. Movimiento rotacional  1.5.1. Torque y Momento Angular  1.5.2. Momento de inercia  1.5.3. Cinemática Rotacional  1.5.4. Energía Rotacional  1.5.5. Movimiento de rodadura  1.5.6. Precesión y movimiento giroscópico  1.6. Fuerza gravitacional  1.6.1. La ley de la gravitación universal de Newton  1.6.2. Energía potencial gravitatoria  1.6.3. Mecánica orbital  1.6.4. Leyes del movimiento planetario de Kepler  1.6.5. Campo y potencial gravitatorio  1.7. Mecánica de fluidos  1.7.1. Presión y el Principio de Pascal  1.7.2. Flotabilidad y el principio de Arquímedes  1.7.3. Dinámica de Fluidos y el Principio de Bernoulli  1.7.4. Viscosidad y la ley de Poiseuille  1.7.5. Tensión superficial y capilaridad  1.8. Oscilaciones y ondas  1.8.1. Movimiento Armónico Simple  1.8.2. Oscilaciones amortiguadas y forzadas  1.8.3. Oscilaciones acopladas y modos comunes  1.8.4. Propiedades y tipos de ondas  1.8.5. Ondas Sonoras y el Efecto Doppler  1.8.6. Interferencia de ondas y superposición
  2. Electromagnetismo  2.1. Electrostática  2.1.1. Carga eléctrica y propiedades  2.1.2. Ley de Coulomb  2.1.3. Electric field and electric potential  2.1.4. La Ley de Gauss  2.1.5. Capacitancia y Dieléctrico  2.1.6. Dipolo eléctrico y energía potencial  2.2. Circuitos eléctricos  2.2.1. Corriente y Resistencia  2.2.2. Ley de Ohm  2.2.3. Leyes de Kirchhoff  2.2.4. Circuito RC  2.2.5. Circuitos de CA y Reactancia  2.2.6. Electricidad y energía eléctrica  2.3. Magnetismo  2.3.1. Campos y Fuerzas Magnéticas  2.3.2. La Ley de Ampere  2.3.3. Momento dipolar magnético  2.3.4. Ley de Biot-Savart  2.3.5. Materiales Magnéticos y Histeresis  2.4. Inducción electromagnética  2.4.1. Ley de Faraday  2.4.2. La ley de Lenz  2.4.3. Autoinducción y mutua inducción  2.4.4. Transformadores y Circuitos Inductivos  2.5. Ecuaciones de Maxwell  2.5.1. La ley de Gauss para la electricidad  2.5.2. Ley de Gauss para el magnetismo  2.5.3. La ley de inducción de Faraday  2.5.4. Ley de Ampere-Maxwell  2.5.5. Ondas electromagnéticas
  3. Termodinámica  3.1. Leyes de la Termodinámica  3.1.1. Ley cero de la termodinámica  3.1.2. Primera ley de la termodinámica  3.1.3. Segunda Ley  3.1.4. Tercera Ley  3.2. Calor y trabajo  3.2.1. Transferencia de calor (conducción, convección, radiación)  3.2.2. Expansión térmica  3.2.3. Motores térmicos y refrigeradores  3.2.4. Ciclo de Carnot y eficiencia  3.3. Mecánica estadística  3.3.1. Distribución de Maxwell–Boltzmann  3.3.2. Entropía y Probabilidad  3.3.3. Función de partición  3.3.4. Estadísticas de Fermi–Dirac y Bose–Einstein
  4. Óptica  4.1. Óptica Geométrica  4.1.1. Reflexión y refracción  4.1.2. Espejos y lentes  4.1.3. Instrumentos Ópticos  4.1.4. El principio de Fermat  4.2. Óptica de ondas  4.2.1. Interferencia en la óptica de ondas  4.2.2. Difracción  4.2.3. Polarización  4.2.4. Coherencia y holografía
  5. Mecánica cuántica  5.1. Dualidad onda-partícula  5.1.1. Radiación de cuerpo negro en la dualidad onda-partícula en la mecánica cuántica  5.1.2. Efecto fotoeléctrico  5.1.3. Dispersión Compton  5.1.4. Longitud de onda de De Broglie  5.2. Ecuación de Schrödinger  5.2.1. Ecuación de Schrödinger independiente del tiempo  5.2.2. Partícula en una caja  5.2.3. Efecto túnel cuántico  5.2.4. Pozos de potencial y obstáculos  5.3. Estados Cuánticos  5.3.1. Función de onda  5.3.2. Operadores cuánticos  5.3.3. Principio de incertidumbre de Heisenberg  5.3.4. Momento angular y espín
  6. Relatividad  6.1. Relatividad especial  6.1.1. Transformaciones de Lorentz  6.1.2. Expansión del tiempo y contracción de la longitud  6.1.3. Energía y momento relativista  6.2. Relatividad general  6.2.1. Principio de Equivalencia  6.2.2. Métrica de Schwarzschild  6.2.3. Ondas gravitacionales  6.2.4. Agujeros negros y horizontes de eventos
  7. Física del estado sólido  7.1. Estructura cristalina  7.1.1. Redes de Bravais  7.1.2. Difracción de rayos X  7.1.3. Teoría de bandas  7.1.4. Fonones y vibraciones de red  7.2. Propiedades Eléctricas y Magnéticas  7.2.1. Conductores, Semiconductores e Aislantes  7.2.2. Superconductividad  7.2.3. Efecto Hall
  8. Física nuclear y de partículas  8.1. Estructura Atómica  8.1.1. Modelo Atómico  8.1.2. Energía de enlace nuclear  8.2. Radiactividad  8.2.1. Desintegración alfa, beta, gamma  8.2.2. Vida media  8.2.3. Fisión y Fusión Nuclear  8.3. Física de partículas  8.3.1. Modelo Estándar  8.3.2. Quarks y Leptones  8.3.3. antimateria  8.3.4. Interacciones fundamentales
  9. Astrofísica y cosmología  9.1. Evolución estelar  9.1.1. Formación estelar  9.1.2. Agujeros negros y estrellas de neutrones  9.1.3. Enanas blancas y supernovas  9.2. Cosmología  9.2.1. La Teoría del Big Bang  9.2.2. Materia oscura y energía oscura  9.2.3. Fondo cósmico de microondas

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Capacitancia y Dieléctrico


En el fascinante campo del electromagnetismo, la capacitancia es un concepto que desempeña un papel vital, especialmente en el diseño de circuitos y muchos dispositivos electrónicos. Combinado con el concepto de dieléctricos, se vuelve aún más poderoso en una variedad de aplicaciones.

¿Qué es la capacitancia?

La capacitancia es una medida de la capacidad de un condensador para almacenar carga por unidad de voltaje. Para entender mejor la capacitancia, primero entendamos qué es un condensador.

Los fundamentos: ¿Qué es un condensador?

Un condensador es un dispositivo que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico. Consiste en dos conductores separados por un material aislante llamado dieléctrico. Cuando se aplica una diferencia de potencial (voltaje) a través de los conductores, se desarrolla un campo eléctrico en el dieléctrico, provocando que se acumule una carga en las placas. Así es como se almacena energía en un condensador. 

Fórmula: C = Q / V

Donde:

  • C es la capacitancia medida en Faradios (F).
  • Q es la carga almacenada en culombios (C).
  • V es el voltaje a través del condensador en voltios (V).

Cálculo de ejemplo

Si un condensador almacena una carga de 2 culombios y se aplica un voltaje de 4 voltios a través de él, la capacitancia está dada por: 

C = Q / V = 2C / 4V = 0.5F

Esto significa que la capacitancia del condensador es de 0.5 Faradio.

Rol del dieléctrico

Los dieléctricos son materiales aislantes colocados entre las placas de un condensador. Cumplen varias funciones, como aumentar la capacitancia sin permitir que la carga fluya entre las placas, ya que no conducen electricidad.

Efecto del dieléctrico en la capacitancia

Cuando se añade un dieléctrico, la capacitancia de un condensador aumenta. La constante dieléctrica (también llamada permitividad relativa, k) indica cuánto puede aumentar la capacitancia un material dieléctrico en comparación con el vacío. La capacitancia C con un dieléctrico está dada por: 

C = K * C₀

Donde C₀ es la capacitancia sin dieléctrico (en vacío o aire), y k es la constante dieléctrica.

Inserción dieléctrica: un ejemplo visual

Dieléctrico Placa 1 Placa 2

La imagen anterior muestra una configuración básica de un condensador con dos placas y un dieléctrico entre ellas. Tenga en cuenta que el dieléctrico no hace contacto con las placas, sino que se encuentra en el medio, aumentando la capacitancia.

Cálculo de ejemplo con dieléctrico

Considere un condensador cuya capacitancia es C₀ = 1 μF cuando hay aire entre sus placas. Supongamos que llenamos el espacio con un material dieléctrico que tiene una constante dieléctrica de 2.5. La nueva capacitancia se puede calcular como: 

C = 2.5 * 1 μF = 2.5 μF

Este aumento en la capacitancia hace que el condensador sea más efectivo para almacenar carga para el mismo voltaje.

Energía almacenada en un condensador

Un condensador no solo almacena carga; también almacena energía. La energía (U) almacenada en un condensador se puede calcular usando la fórmula: 

U = 1/2 * C * V²

Permítanos explicar con un ejemplo. Si un condensador con una capacidad de 1 μF está cargado a un voltaje de 10V, la energía almacenada será: 

U = 1/2 * 1 * 10² = 50 μJ

Esta energía se puede utilizar para realizar trabajo, como alimentar una pequeña bombilla o permitir la copia de seguridad de datos en un sistema antes de que ocurra un corte de energía.

Tipos de condensadores

Existen diferentes tipos de condensadores, cada uno con propiedades y usos únicos, incluyendo:

  • Condensadores cerámicos: A menudo se utilizan para aplicaciones de alta frecuencia.
  • Condensadores electrolíticos: Adecuados para aplicaciones que requieren altos valores de capacitancia.
  • Condensadores de película: Proporcionan capacitancia estable en un amplio rango de temperaturas.
  • Condensadores de tantalio: Conocidos por su buena estabilidad y alta capacitancia en tamaños pequeños.

Características del condensador cerámico

Cerámico Pista

Un condensador cerámico simple se muestra en el diagrama. Se utilizan ampliamente debido a su capacidad para operar hasta frecuencias muy altas, su no polaridad y su costo relativamente bajo.

Aplicaciones prácticas de la capacitancia y el dieléctrico

Los condensadores se utilizan en casi todos los dispositivos electrónicos. Aquí hay algunas aplicaciones:

  • Almacenamiento de energía: Los condensadores pueden almacenar energía para uso posterior, como en circuitos de flash de cámara.
  • Condicionamiento de energía: Los condensadores suavizan la salida de una fuente de alimentación filtrando picos de voltaje.
  • Procesamiento de señales: En sistemas de audio, los condensadores bloquean la corriente continua mientras permiten el paso de señales de CA.

Un ejemplo simple de circuito

Imagine un circuito RC simple (resistencia-condensador) donde un condensador está conectado en serie con una resistencia y una fuente de alimentación. Estos circuitos se utilizan típicamente para crear señales retrasadas o filtradas. 

              + ------- R ------- C ------- -
             ,
             ,

Cuando se cierra el interruptor, la corriente comenzará a cargar el condensador. El tiempo que lleva cargar el condensador se puede controlar mediante los valores de resistencia y capacitancia.

Conclusión

Entender la capacitancia y los dieléctricos es vital para comprender aspectos del electromagnetismo y el diseño de sistemas eléctricos y electrónicos eficientes. La capacitancia permite que un dispositivo almacene energía, mientras que los dieléctricos aumentan la eficiencia de un condensador al aumentar su capacidad para almacenar carga. Con este entendimiento, se puede apreciar el importante papel que los condensadores desempeñan en el mundo tecnológico moderno.


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