seegongsik
CR · Almacenamiento de energía

Energía en condensadores e inductores

Los condensadores y las bobinas no solo frenan la corriente: también guardan energía por un tiempo. En esta unidad verás cómo depende esa cantidad almacenada de la tensión o de la corriente, y por qué crece con el cuadrado.

La energía crece como el cuadrado de la tensión

La gráfica muestra la energía almacenada en un condensador según la tensión que se le aplica. Al subir la tensión V se ve que la curva no es una recta, sino que se vuelve cada vez más empinada. Ajusta la tensión con la que la energía almacenada alcanza el objetivo de 18 mJ marcado en el eje vertical.

Tensión VV = 2.0 V
Energía almacenada
E = 2.0 mJ
E = ½CV² (C = 1 mF)
Lejos del objetivo

Dos formas de guardar trabajo

Un condensador guarda energía en el campo eléctrico entre sus placas. Subir su tensión exige empujar carga hacia dentro, y como la carga ya acumulada repele a la siguiente, el trabajo necesario va creciendo. Una bobina guarda energía en el campo magnético que rodea su devanado. Aumentar su corriente exige vencer la tensión que induce la bobina, y cuanto mayor es la corriente, más fuerte es esa oposición. En ambos casos el almacenamiento es temporal y la energía se devuelve cuando hace falta.

Por qué aparece el cuadrado

En un condensador la carga es proporcional a la tensión (Q = CV). Mientras la tensión sube de 0 a V, la tensión media es la mitad de V, y el trabajo aportado es la tensión media por la carga total, ½·V·(CV) = ½CV². La mitad sale de una media que partió de 0 y subió en línea recta, y el cuadrado, de que tensión y carga crecen juntas en proporción. Por el mismo razonamiento, una bobina guarda ½LI².

El cuadrado magnifica las diferencias pequeñas

La ley del cuadrado significa que duplicar la tensión cuadruplica la energía, y triplicarla la multiplica por nueve. El condensador de la gráfica es de 1 mF, así que los 2 mJ que había a 2 V se convierten en 18 mJ a 6 V, nueve veces más. Por eso, para aumentar mucho la energía almacenada, subir la tensión es mucho más eficaz que aumentar la capacidad. A la inversa, un pequeño exceso de tensión puede hacer que la energía almacenada sea peligrosamente grande, y como al descargarse sale toda de golpe, los condensadores grandes deben manejarse con cuidado.

ObservaEC = ½CV²
La energía de un condensador es proporcional al cuadrado de la tensión.
EligeV ×2 → E ?
Es un cuadrado: el doble da cuatro veces más.
CompletaEL = ½L ?
La energía de una bobina es proporcional al cuadrado de la corriente.
Por tu cuentaV = ?
Se despeja la tensión a partir de la energía objetivo.

De vuelta a la primera pantalla

Al subir la tensión, la energía almacenada no trazó una recta sino una curva cada vez más empinada, y alcanzó el objetivo de 18 mJ en V = 6 V. Con la misma capacidad, un poco más de tensión hacía crecer la energía tan rápido como su cuadrado. El ½CV² del condensador y el ½LI² de la bobina tienen la misma forma, y la energía que los dos elementos se intercambiaban en los transitorios y en la resonancia era precisamente esta cantidad almacenada.

La energía almacenada en un condensador es ½CV², proporcional al cuadrado de la tensión, y la energía almacenada en una bobina es ½LI², proporcional al cuadrado de la corriente. Por ser un cuadrado, duplicar el valor cuadruplica la energía. Ambos guardan energía temporalmente en un campo, y la tensión necesaria para una energía objetivo es V = √(2E/C).