Electrostática
La electricidad quieta: cargas, fuerzas entre ellas, campo y potencial. De acá sale el capacitor, que es el componente que aparece en todas las fuentes, todos los filtros y todos los osciladores del resto de la carrera.
01La carga eléctrica
La carga es una propiedad de la materia, como la masa. Hay de dos signos y se rige por tres principios:
- Existen dos clases. Positiva (protón) y negativa (electrón). Cargas iguales se repelen, distintas se atraen.
- La carga se conserva. No se crea ni se destruye: sólo se transfiere de un cuerpo a otro. Cuando algo se carga negativamente, otra cosa quedó positiva.
- La carga está cuantizada. Todo valor de carga es múltiplo entero de la carga elemental e = 1,602 × 10−19 C. No existen medias cargas.
Un coulomb es una cantidad enorme: equivale a 6,25 × 1018 electrones. Por eso las cargas de la electrostática se miden en microcoulomb o nanocoulomb.
Formas de electrizar un cuerpo
Dos materiales distintos se frotan y uno arranca electrones al otro. Es el mecanismo de la regla que atrae papelitos y de la chispa al bajar del auto.
Un cuerpo cargado toca a otro y le transfiere carga. Los dos quedan con carga del mismo signo.
Un cuerpo cargado se acerca sin tocar y redistribuye las cargas del otro. Si se lo conecta a tierra en ese momento y después se retira, queda cargado con signo opuesto.
02Ley de Coulomb
La fuerza entre dos cargas puntuales es proporcional al producto de las cargas e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
La ley de Coulomb tiene la misma forma que la de gravitación universal, pero es incomparablemente más intensa: entre dos electrones, la repulsión eléctrica es unas 1042 veces mayor que la atracción gravitatoria. Si la materia no estuviera casi perfectamente neutra, las fuerzas eléctricas dominarían todo.
Dos cargas de +2 µC y −3 µC separadas 5 cm. Calcular la fuerza.
Fuerza atractiva (signos opuestos) de 21,6 N: equivale al peso de más de 2 kg, entre dos cargas de microcoulomb. Y si se duplicara la distancia, la fuerza caería a la cuarta parte (5,4 N), no a la mitad: eso es lo que significa «inversamente proporcional al cuadrado».
03Campo eléctrico
En vez de pensar en fuerzas «a distancia», conviene decir que una carga modifica el espacio a su alrededor. Esa modificación es el campo eléctrico, y otra carga colocada ahí siente una fuerza.
04Potencial y diferencia de potencial
Mover una carga dentro de un campo eléctrico cuesta (o entrega) trabajo. El potencial en un punto es ese trabajo por unidad de carga.
Lo que se mide en la práctica no es el potencial de un punto sino la diferencia de potencial entre dos, que es lo que llamamos tensión. Hablar del «potencial de un punto» supone elegir una referencia arbitraria: en un circuito, la masa; en una instalación, la tierra física.
Son los lugares donde el potencial es el mismo. Mover una carga a lo largo de una equipotencial no cuesta trabajo. Las equipotenciales son siempre perpendiculares a las líneas de campo. Un conductor en equilibrio es todo él una equipotencial: por eso la carcasa metálica de un equipo, si está bien conectada, tiene el mismo potencial en todos sus puntos.
Dos placas paralelas separadas 2 mm con 12 V entre ellas:
E = 12 V / 0,002 m = 6000 V/m = 6 kV/m.
Con la misma tensión pero 0,1 mm de separación (el espesor típico del dieléctrico de un capacitor cerámico), el campo sube a 120 kV/m. Ese es el motivo por el cual un capacitor de bajo voltaje se perfora si se le aplica más tensión de la nominal: no es la tensión en sí, es el campo dentro del dieléctrico.
05Capacitancia y el capacitor
Un capacitor son dos conductores enfrentados separados por un aislante. Al aplicarle tensión, una placa acumula carga positiva y la otra la misma cantidad de negativa. La capacitancia mide cuánta carga guarda por cada volt aplicado.
El farad es una unidad enorme: los capacitores comunes van de picofarad a milifarad. De la fórmula salen las tres formas de aumentar la capacidad:
- Más área. Por eso los electrolíticos son dos cintas largas enrolladas.
- Menos separación. Limitado por la tensión que tiene que soportar.
- Mejor dieléctrico (εr más alta).
Dieléctricos
| Material | εr | Rigidez dieléctrica (kV/mm) | Uso |
|---|---|---|---|
| Vacío / aire | 1,0 | 3 | Capacitores variables de sintonía |
| Papel | 3,5 | 16 | Capacitores de arranque de motores |
| Poliéster (mylar) | 3,2 | 300 | Uso general en electrónica |
| Polipropileno | 2,2 | 400 | Audio, alta frecuencia, bajas pérdidas |
| Mica | 5,4 | 100 | Alta estabilidad, radiofrecuencia |
| Cerámica NP0/C0G | 30 | — | Osciladores: muy estable con la temperatura |
| Cerámica X7R / Z5U | 1000 a 10000 | — | Desacople: mucha capacidad, poca estabilidad |
| Óxido de aluminio (electrolítico) | 8 | 700 | Filtrado. La capa de óxido es de nanómetros: de ahí la capacidad enorme |
Todo aislante se perfora si el campo supera cierto valor. Ese límite es la rigidez dieléctrica, y de él sale la tensión de trabajo impresa en el capacitor. Superarla lo destruye, a veces de forma explosiva. Regla práctica: elegir un capacitor de al menos el doble de la tensión que va a soportar, y en circuitos conectados a la red, mucho más.
Los capacitores del taller
| Tipo | Rango | ¿Polarizado? | Característica |
|---|---|---|---|
| Cerámico | 1 pF a 1 µF | No | Barato y chico. El de 100 nF es el desacople universal. |
| Poliéster | 1 nF a 10 µF | No | Estable, buena tolerancia. Acoplamiento de audio. |
| Electrolítico de aluminio | 1 µF a 47 mF | Sí | Mucha capacidad, tolerancia mala (−20/+80 %), se seca con los años. |
| Tantalio | 0,1 a 100 µF | Sí | Más chico y estable que el de aluminio, pero se incendia si se lo invierte. |
| Variable / trimmer | 5 a 500 pF | No | Sintonía de radios. |
| Supercapacitor | 0,1 a 3000 F | Sí | Baja tensión (2,7 V). Respaldo de memoria, arranque. |
Los cerámicos y de poliéster se marcan con un código de tres cifras en picofarad: las dos primeras son las cifras significativas y la tercera, la cantidad de ceros. Así, 104 = 100.000 pF = 100 nF = 0,1 µF.
🔤 Decodificador de capacitores y conversor SI Traduce el código de 3 cifras a pF, nF y µF (incluidos los casos 8 = ×0,01 y 9 = ×0,1 y la notación con R) y convierte entre todos los prefijos. ›06Capacitores en serie y en paralelo
Se comportan al revés que las resistencias, y esa inversión es la causa de la mitad de los errores en los ejercicios.
Es como aumentar el área de las placas. Todos tienen la misma tensión y la tensión de trabajo del conjunto es la del menor.
Es como aumentar la separación. Todos tienen la misma carga y las tensiones se suman: así se consigue soportar más tensión.
CT = 235 µF y la tensión admisible pasa a 400 V. Es lo que se hace en las fuentes de equipos de audio grandes. Ojo: en la práctica hay que agregar resistencias de ecualización (100 kΩ) en paralelo con cada capacitor, porque las corrientes de fuga son distintas y, sin ellas, la tensión se reparte mal y uno de los dos termina soportando casi todo.
07Energía y circuito RC
Un capacitor no se carga instantáneamente: si se lo conecta a una fuente a través de una resistencia, la carga sigue una curva exponencial gobernada por la constante de tiempo.
Este comportamiento es la base de un montón de circuitos que se ven después: el filtro de una fuente, los temporizadores con 555, los circuitos antirrebote y los filtros pasabajos.
⏱️ Simulador del LM555 Muestra en vivo la carga y descarga del capacitor a través de las resistencias, con el nivel de carga animado y el cálculo de tiempos en pantalla. ›08La electrostática en el taller: ESD
No es un tema anecdótico: la descarga electrostática (ESD) es una de las principales causas de destrucción de componentes en la industria electrónica.
| Situación | Tensión típica generada |
|---|---|
| Caminar sobre alfombra (aire seco) | hasta 35.000 V |
| Caminar sobre piso de vinilo | hasta 12.000 V |
| Levantarse de una silla de plástico | hasta 18.000 V |
| Abrir una bolsa de plástico común | hasta 20.000 V |
| Mínimo que una persona siente | ≈ 3.000 V |
| Suficiente para dañar un CMOS | ≈ 100 V |
Se puede destruir un integrado con una descarga que la persona ni siquiera percibe. Y muchas veces el daño es latente: el componente sigue funcionando, pero falla semanas después. Por eso se trabaja con pulsera antiestática conectada a tierra a través de 1 MΩ (la resistencia protege a la persona), manta disipativa, y guardando los integrados CMOS en espuma conductora o bolsa metalizada. Es especialmente crítico con la serie 40xx y con los microcontroladores.
09En el laboratorio
Con un electroscopio de hojuelas: (a) frotar una varilla de plástico con lana y acercarla sin tocar — las hojuelas se separan por inducción y vuelven a juntarse al alejarla; (b) tocar el electroscopio con la varilla — se cargan por contacto y quedan separadas; (c) tocar el electroscopio con el dedo para descargarlo a tierra. Anotar el signo de la carga en cada caso.
Con un multímetro con función de capacidad, medir tres capacitores de poliéster distintos y compararlos con su código impreso (verificando si entran en la tolerancia). Después conectarlos en paralelo (medir: debe dar la suma) y en serie (medir: debe dar menos que el menor). Es el ejercicio que fija la inversión respecto de las resistencias.
R = 100 kΩ, C = 100 µF (τ = 10 s, lento a propósito para verlo con el multímetro). Alimentar con 9 V y anotar la tensión del capacitor cada 2 segundos hasta los 50 s. Graficar y verificar que a los 10 s la tensión es el 63 % de 9 V, es decir 5,67 V. Repetir la descarga cortocircuitando la fuente y comprobar que la curva es la espejada.
Cargar un electrolítico de 4700 µF a 12 V y calcular la energía: W = ½ × 0,0047 × 144 = 0,34 J. Descargarlo a través de una lamparita de 12 V y observar el destello. Nunca descargar un electrolítico en cortocircuito con un destornillador: la corriente de pico es de decenas de amperes y puede proyectar metal fundido.
Un electrolítico grande cargado guarda la carga durante horas después de desconectar el equipo. En fuentes conectadas a la red esa carga está a 310 V y es peligrosa. Antes de tocar cualquier plaqueta: desconectar, esperar, descargar con una resistencia de 1 kΩ / 5 W y recién entonces verificar con el voltímetro que está en cero.
10Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El electrolítico se hinchó o explotó | Polaridad invertida, o tensión de trabajo superada. Recordar que el pico de una alterna es 1,41 veces su eficaz. |
| El cálculo de capacitores en serie da más que los individuales | Se aplicó la fórmula de las resistencias. En capacitores es al revés. |
| La capacidad medida es mucho menor que la impresa | Electrolítico viejo y seco. Es la falla más común en equipos de más de diez años. |
| Un integrado CMOS «nuevo» no funciona | Daño por ESD durante la manipulación. Puede haber sido invisible. |
| El circuito RC tarda mucho más de lo calculado | Unidades: R en kΩ con C en µF da milisegundos, no segundos. |
| Un tantalio se incendió | Se lo montó al revés. Los de tantalio marcan el terminal positivo con la banda, al revés de los electrolíticos de aluminio, que marcan el negativo. |
11Autoevaluación
Si se duplica la distancia entre dos cargas, ¿qué pasa con la fuerza?
Se reduce a la cuarta parte. La ley de Coulomb es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia.
¿Cuál es la diferencia entre campo eléctrico y potencial eléctrico?
El campo es fuerza por unidad de carga (una magnitud vectorial, en N/C o V/m); el potencial es energía por unidad de carga (una magnitud escalar, en volt). En un campo uniforme se relacionan por E = V/d.
Un capacitor de 100 µF cargado a 12 V: ¿qué carga guarda y cuánta energía?
Q = C·V = 100 µF × 12 V = 1,2 mC.
W = ½·C·V² = 0,5 × 0,0001 × 144 = 7,2 mJ.
¿Cómo se aumenta la capacidad de un capacitor plano?
Aumentando el área enfrentada, reduciendo la separación o usando un dieléctrico de mayor permitividad relativa. La contrapartida de reducir la separación es que baja la tensión de trabajo.
Tres capacitores de 30 µF: ¿capacidad total en serie y en paralelo?
En paralelo: 30 + 30 + 30 = 90 µF.
En serie: 1/C = 3/30 → C = 10 µF. Con n capacitores iguales en serie, la total es el
valor dividido por n.
¿Qué significa el código «223» en un capacitor cerámico?
22 seguido de 3 ceros, en picofarad: 22.000 pF = 22 nF = 0,022 µF.
R = 10 kΩ y C = 47 µF. ¿Cuánto tarda en cargarse prácticamente por completo?
τ = 10 kΩ × 47 µF = 470 ms. Se considera cargado a los 5τ, es decir 2,35 segundos.
¿Por qué la pulsera antiestática lleva una resistencia de 1 MΩ?
Para proteger a la persona. La resistencia permite drenar la carga estática (que es de muy poca energía) pero limita la corriente a un valor seguro si por accidente se toca un punto con tensión de red. Una pulsera conectada a tierra directamente sería peligrosa.
Una descarga que no se siente, ¿puede dañar un componente?
Sí. Una persona empieza a percibir la descarga alrededor de los 3000 V, mientras que un integrado CMOS puede dañarse con 100 V. Además el daño suele ser latente: el componente sigue funcionando y falla más adelante.