CAPACIDAD ELECTRICA
En electromagnetismo y
electrónica, la
capacidad eléctrica, también conocida como capacitancia, es la
propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacidad
también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una
diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena
energía de esta forma es el condensador. La
relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y
la carga eléctrica
almacenada en éste, se describe mediante la siguiente expresión
matemática:
donde:
-
es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio.
Cabe destacar que la
capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del
condensador considerado (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor
del que depende es del dieléctrico que se
introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la
constante dieléctrica
del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.
En la práctica, la
dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial,
que se obtiene derivando respecto al
tiempo la ecuación anterior.
ENERGIA:
La energía almacenada en
un condensador, medida en joules, es igual al
trabajo realizado para cargarlo. Consideremos un condensador con una
capacidad C, con una carga +q en una placa y -q en la otra.
Para mover una pequeña cantidad de carga
desde una placa hacia la otra en sentido contrario a la diferencia de potencial
se debe realizar un trabajo :
donde
Es decir, para cargar
un condensador hay que realizar un trabajo y parte de este trabajo queda
almacenado en forma de energía potencial electrostática. Se puede calcular la
energía almacenada en un condensador integrando esta ecuación. Si se comienza
con un condensador descargado (q = 0) y se mueven cargas desde una de las
placas hacia la otra hasta que adquieran cargas +Q y -Q
respectivamente, se debe realizar un trabajo W:
Combinando esta
expresión con la ecuación de arriba para la capacidad, obtenemos:
donde
AUTOCAPACIDAD:
Estos son algunos ejemplos de valores de
auto-capacitancia:
-
Para el "plato" de la parte superior de un generador de Van de Graaff, normalmente una esfera de 20 cm de radio: 22.24 pF
-
El planeta Tierra: unos 710 µF
CONDENSADOR ELECTRICO
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Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.[1] [2] Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas, en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.
Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente; al ser introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento "capaz" de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga, la misma energía que cede después durante el periodo de descarga.
FUNCIONAMIENTO
La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoría de los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12 -faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC) son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.
El valor de la capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:
- : Capacitancia o capacidad
- : Carga eléctrica almacenada en la placa 1.
- : Diferencia de potencial entre la placa 1 y la 2.
En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como la naturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existen condensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire, materiales cerámicos, mica, poliéster, papel o por una capa de óxido de aluminio obtenido por medio de la electrólisis.
ENERGIA ALMACENADA:
Cuando aumenta la diferencia de potencial entre sus terminales, el condensador almacena carga eléctrica debido a la presencia de un campo eléctrico en su interior; cuando esta disminuye, el condensador devuelve dicha carga al circuito. Matemáticamente se puede obtener que la energía , almacenada por un condensador con capacidad , que es conectado a una diferencia de potencial , viene dada por:
Fórmula para cualesquiera valores de tensión inicial y tensión final: Donde es la carga inicial. es la carga final. es la tensión inicial. es la tensión final.
Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes.
CARGA Y DESCARGA:
Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.
- Carga
-
- Descarga
-
- V(t) es la tensión en el condensador.
- Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador.
- Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t>=4RC) entre las placas del condensador.
- I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito.
- RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo.
En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la corriente que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación () por la capacidad, C:
De acuerdo con la ley de Ohm, la corriente alterna que circule por el condensador se adelantará 90º () respecto a la tensión aplicada.
ASOCIACIONES DE CONDENSADORES:
Los condensadores pueden asociarse en serie, paralelo o de forma mixta. En estos casos, la capacidad equivalente resulta ser para la asociación en serie:
Es fácil demostrar estas dos expresiones, para la primera solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en ambos condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre las placas y por tanto cambia la diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno), y por otro lado en la asociación en "paralelo", se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la cantidad de carga. Como esta se encuentra en el numerador () la suma de capacidades será simplemente la suma algebraica.
Para tener condensador variable hay que hacer que por lo menos una de las tres últimas expresiones cambien de valor. De este modo, se puede tener un condensador en el que una de las placas sea móvil, por lo tanto varía d y la capacidad dependerá de ese desplazamiento, lo cual podría ser utilizado, por ejemplo, como sensor de desplazamiento.
Otro tipo de condensador variable se presenta en los diodos Varicap.
TIPOS DE DIELETRICO:
- Condensadores autorregenerables. Los condensadores de papel tienen aplicaciones en ambientes industriales. Los condensadores autorregenerables son condensadores de papel, pero la armadura se realiza depositando aluminio sobre el papel. Ante una situación de sobrecarga que supere la rigidez dieléctrica del dieléctrico, el papel se rompe en algún punto, produciéndose un cortocircuito entre las armaduras, pero este corto provoca una alta densidad de corriente por las armaduras en la zona de la rotura. Esta corriente funde la fina capa de aluminio que rodea al cortocircuito, restableciendo el aislamiento entre las armaduras.
- Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas.
- Condensadores de tantalio (tántalos). Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen.
- Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias.
- Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.
USOS:
Los condensadores suelen usarse para:
- Baterías, por su cualidad de almacenar energía.
- Memorias, por la misma cualidad.
- Filtros.
- Fuentes de alimentación.
- Adaptación de impedancias, haciéndolas resonar a una frecuencia dada con otros componentes.
- Demodular AM, junto con un diodo.
- Osciladores de todos los tipos.
- El flash de las cámaras fotográficas.
- Tubos fluorescentes.
- Compensación del factor de potencia.
- Arranque de motores monofásicos de fase partida.
- Mantener corriente en el circuito y evitar caídas de tensión.