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Interpretación física del circuito con condensador de carga de la batería

En la imagen siguiente, estamos cargando el condensador, conectándolo (y la resistencia a una batería de tensión $V_0$ en el momento $t = 0$ ). En términos de lo que ocurre físicamente, ¿cómo interpretarías la ecuación dada $$V_0 = \frac{Q}{C} + IR?$$

Dado que la diferencia de potencial a través de la batería es $V_0$ y carga el condensador (que entonces tiene su propia diferencia de potencial $\frac{Q}{C}$ ), que produce un campo eléctrico a lo largo de los conductores (cables) en una dirección diferente a la de la batería, ¿sería correcto decir que $V_0 - \frac{Q}{C}$ es entonces la diferencia de potencial neta a través de la batería que impulsa la corriente $I$ . Por lo tanto, utilizando la ley de ohmios tenemos $V_0 - \frac{Q}{C} = IR$ ? ¿Es esto lo que ocurre en esta ecuación, o está al menos cerca?

Gracias.

Circuit with battery, capacitor and resistor

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Daff Puntos 22358

En efecto, sí, así es. La ecuación es el resultado de aplicar la ley de tensión de Kirchhoff al circuito. Esta ley establece que la suma de las diferencias de potencial a través de cada uno de los componentes de un bucle dado en un circuito debe sumar cero.

En este caso tenemos tres componentes, la batería, el condensador y la resistencia. La tensión a través de la batería viene dada por $V_0$ . La tensión a través de un condensador en cualquier instante es igual a $\frac{Q}{C}$ . Y por último, la tensión a través de la resistencia puede expresarse como $IR$ . Puedes imaginar que el bucle comienza en la batería, en cuyo punto la diferencia de potencial es alta. Luego, a medida que te desplazas por el circuito, el condensador y la resistencia trabajan juntos para "consumir" la diferencia de potencial. De este modo, puedes ver que las diferencias de potencial del condensador y la resistencia deben tener el signo opuesto a la tensión de la batería. Entonces, por la ley de la tensión, tenemos

$ V_0 - \frac{Q}{C} - IR = 0 $

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ash108 Puntos 226

$V_0\frac QC=IR$ ? ¿Es esto lo que ocurre en esta ecuación, o está al menos cerca?

Sí, naturalmente, esto no es más que un reajuste de la ecuación que has establecido. No hay nada malo en ello.

Pero hay que distinguir la corriente de la tensión.

  • Hay un tensión (una diferencia de potencial) del terminal positivo al negativo de la batería. Este tensión es el "empuje" que trata de empujar las cargas por el circuito. Empuja constantemente, pero eso no lo hace significa que cualquier cargo se mueve necesariamente...

  • El actual en este circuito cambia hasta que el condensador está completamente cargado - después de lo cual se 0 ¡! N

    • Inicialmente, la corriente "no sabe" que hay un agujero. Los electrones fluyen desde una placa del condensador hacia el terminal positivo de la batería, y los electrones fluyen desde el terminal negativo hacia la otra placa del condensador. Se mueven (la corriente fluye) como si el circuito estuviera cerrado.
    • Pronto llegan al final y no pueden seguir avanzando. Los electrones se reúnen en la placa inferior del condensador y se acumulan aquí. La carga $-Q$ acumulada en esta placa inferior, indujo exactamente la misma carga $+Q$ de signo contrario en la otra placa, porque están muy cerca. Las cargas que se acumulan crean un campo eléctrico contrario, que se hace más fuerte a medida que llegan más cargas.
    • En algún momento, este campo eléctrico que funciona en sentido contrario repele a los electrones entrantes tanto como lo hace el terminal negativo. (Y viceversa, la carga positiva acumulada en la otra placa atrae a los electrones tanto como lo hace el terminal positivo). Ya no hay fuerza neta sobre las cargas y todo el flujo de carga se detiene. Esta situación se parece ahora a un circuito abierto.

La conclusión es que después de un tiempo (normalmente un tiempo muy corto, pero eso depende del condensador) no fluye más corriente. La ecuación que has mostrado es correcta sólo en un momento del tiempo; sólo hay que tener en cuenta que los valores de $I$ y $Q$ cambian constantemente (una aumenta y otra disminuye) durante la carga del condensador. Y cuando está completamente cargado, $I=0$ y $Q$ está al máximo.

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Farcher Puntos 906

En términos de lo que está sucediendo físicamente, ¿cómo interpretarías la ecuación dada $V_0 = \frac{Q}{C} + IR?$

Es un replanteamiento de la ley de conservación de la energía en una forma que resulta útil para analizar los circuitos.
Esto se puede ver multiplicando a la derecha por la corriente $I = \frac{dQ}{dt}$ para conseguir

$V_0 \frac{dQ}{dt}= \frac{Q}{C} \frac{dQ}{dt} + IR\frac{dQ}{dt}$

$\frac QC$ es la diferencia de potencial a través del condensador y $V_{\rm C}$ y $V_{\rm R}= IR$ la diferencia de potencial a través de la resistencia.

$V_0 \frac{dQ}{dt}= V_{\rm C} \frac{dQ}{dt} + V_{\rm R} \frac{dQ}{dt} \quad\Rightarrow \quad V_0 \;\Delta Q= V_{\rm C}\; \Delta Q + V_{\rm R} \; \Delta Q$

Lo he escrito en la forma final para que puedas considerar lo que sucede cuando una pequeña cantidad de carga $\Delta Q$ se lleva alrededor del circuito.

$V_0 \;\Delta Q$ representa la cantidad de energía química que se ha convertido en energía eléctrica en la batería.
$ V_{\rm C}\; \Delta Q$ representa la cantidad de energía eléctrica que se almacena como energía potencial eléctrica en el campo eléctrico dentro del condensador.
$V_{\rm R} \; \Delta Q$ representa la cantidad de energía eléctrica convertida en calor por la resistencia.

Así, la energía eléctrica suministrada por la batería es igual a la energía eléctrica consumida por el condensador y la resistencia.

Cuando se resuelve la diferencial para $I$ y $Q$ puedes sustituir esos valores en tu ecuación original e integrar cada término con respecto al tiempo a lo largo de todo el periodo de carga.
Verás que la mitad de la energía suministrada por la pila se almacena en el condensador y la otra mitad de la energía se disipa en forma de calor en la resistencia.

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