Fundamentos de Electrónica: Capacidad, Conductividad y Ley de Ohm
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Fundamentos Esenciales de la Electricidad y la Electrónica
Capacidad Eléctrica y Almacenamiento de Carga
Ciertos materiales poseen la propiedad de almacenar carga eléctrica. Al hacerlo, adquieren un determinado potencial eléctrico. Definimos la capacidad (C) como la carga por unidad de potencial eléctrico que es capaz de almacenar un sistema, medida en faradios (F).
Es importante notar que la capacidad de un sistema no depende de la carga almacenada ni del potencial aplicado, sino exclusivamente de sus propiedades geométricas (tamaño y forma).
Clasificación de Materiales según su Conductividad
Los materiales se clasifican según su aptitud para permitir el paso de la carga eléctrica, propiedad conocida como conductividad eléctrica. Esta clasificación es fundamental en el diseño de circuitos electrónicos:
Conductores
Materiales que permiten el paso fácil de la corriente eléctrica. Poseen alta conductividad. Los mejores ejemplos son los metales y sus aleaciones.
Dieléctricos (Aislantes)
Materiales que presentan una conductividad extremadamente baja, impidiendo el paso de la corriente eléctrica. Son esenciales para el aislamiento y el almacenamiento de energía en capacitores.
Semiconductores
Materiales cuya conductividad puede variar significativamente. Se comportan como conductores o aislantes dependiendo de factores externos como el campo eléctrico, la presión, la temperatura o la radiación. Son la base de la electrónica moderna (diodos, transistores).
Superconductores
Materiales cuya conductividad tiende a infinito (resistencia nula) cuando su temperatura desciende por debajo de una temperatura crítica específica. Este fenómeno permite la transmisión de energía sin pérdidas.
Comportamiento de Conductores en Campos Eléctricos
El Principio de la Jaula de Faraday
Cuando un conductor es sometido a un campo eléctrico externo, las cargas libres en su superficie se polarizan. En el caso de un conductor hueco o una cavidad dentro de un conductor, el campo eléctrico inducido por esta polarización iguala y anula al campo externo.
Si un volumen está rodeado por un conductor sometido a un campo eléctrico externo, la polarización de sus cargas asegura que el volumen interior quede aislado de dicho campo. Este fenómeno crucial se conoce como la Jaula de Faraday.
La Ley de Ohm: Resistencia Eléctrica
La corriente eléctrica viene impulsada por un campo eléctrico, lo que genera una diferencia de potencial (V) entre los extremos de un componente. Al resultado de la oposición a este flujo lo denominamos resistencia eléctrica (R), medida en ohmios (Ω).
La Ley de Ohm establece la relación fundamental entre estas magnitudes:
"La diferencia de potencial (V) en una resistencia es igual al producto de la intensidad (I) que circula por la misma y su resistencia (R)."
Potencia Disipada y el Efecto Joule
La potencia disipada (P) en una resistencia se define como el trabajo realizado por las cargas al atravesarla por unidad de tiempo. Esta potencia se calcula a partir de la definición de potencia y la Ley de Ohm (P = V * I o P = I² * R).
La potencia disipada depende directamente del cuadrado de la intensidad que circula. Es por eso que la energía eléctrica se transmite en líneas de alta tensión (minimizando la intensidad) para reducir las pérdidas.
El Efecto Joule
Esta energía disipada en la resistencia se transforma en energía térmica, provocando que el sistema se caliente. Al mecanismo por el cual la pérdida de potencia eléctrica se traduce en calor se le denomina Efecto Joule.