La capacidad eléctrica es uno de los conceptos básicos de la electrostática. Este término se refiere a su capacidad de almacenar una carga eléctrica. Se puede hablar de la capacidad de un solo conductor o de la capacidad de un sistema de dos o más conductores. Los procesos físicos implicados son similares.
Contenido
Conceptos básicos relacionados con la capacidad
Si un conductor ha recibido una carga q, surge en él un potencial φ. Este potencial depende de la geometría y del entorno: para diferentes conductores y condiciones, la misma carga provocará un potencial diferente. Pero φ es siempre proporcional a q:
φ=Cq
El coeficiente C y se denomina capacidad eléctrica. Si hablamos de un sistema de varios conductores (normalmente dos), se produce una diferencia de potencial o tensión U cuando se da una carga a un conductor (el revestimiento):
U=Cq, por lo tanto C=U/q
La capacitancia puede definirse como la relación entre la diferencia de potencial y la carga resultante. La unidad de medida de la capacitancia en el SI es el Farad (antes se decía Farad). 1 F = 1 V/1k. La capacitancia de 1 faradio es un sistema en el que al dar una carga de 1 culombio se produce una diferencia de potencial de 1 voltio. 1 Farad es un valor muy grande. En la práctica, los valores fraccionarios -picofaradios, nanofaradios, microfaradios- son los más utilizados.
En la práctica, esta combinación da lugar a una batería que puede soportar una tensión de ruptura dieléctrica mayor que la de una sola célula.
Cálculo de la capacidad del condensador
En la práctica, los elementos más utilizados con una capacidad nominal son condensadoresformado por dos conductores planos (terminales), separados por un dieléctrico. La fórmula para calcular la capacidad eléctrica de un condensador de este tipo es la siguiente:
C=(S/d)*ε*ε0
donde:
- C es la capacitancia, F;
- S es la superficie de los insertos, en metros cuadrados;
- d es la distancia entre las tapas, m;
- ε0 - constante eléctrica, constante, 8,854*10−12 F/m;
- ε - permitividad dieléctrica, valor adimensional.
De ello se deduce que la capacitancia es directamente proporcional al área de las cubiertas e inversamente proporcional a la distancia entre los conductores. La capacitancia también se ve afectada por el material con el que se separan las cubiertas.
Para entender cómo las cantidades que determinan la capacitancia afectan a la capacidad de un condensador para almacenar carga, puedes hacer un experimento mental para crear un condensador con la mayor capacitancia posible.
- Podrías intentar aumentar el área de los bobinados. Esto supondría un aumento drástico del tamaño y el peso del dispositivo. Para reducir el tamaño de las capas con el dieléctrico que las separa, las capas se enrollan (en forma de tubo, briqueta plana, etc.).
- Otra forma es reducir la distancia entre los insertos. No siempre es posible colocar los conductores muy cerca, ya que la capa dieléctrica debe soportar una determinada diferencia de potencial entre los bobinados. Cuanto menor sea el grosor, menor será la resistencia eléctrica del hueco aislante. Si sigues este camino, llegarás a un punto en el que el condensador carece de sentido en la práctica: sólo podrá funcionar a tensiones muy bajas.
- Aumentar la permeabilidad eléctrica del dieléctrico. Esta forma depende de la tecnología de producción actual. El material aislante no sólo debe tener un alto valor de permeabilidad, sino que también debe tener buenas propiedades dieléctricas y mantener sus parámetros en el rango de frecuencias necesario (a medida que aumenta la frecuencia a la que opera el condensador, las características dieléctricas disminuyen).
Los condensadores esféricos o cilíndricos pueden utilizarse en algunas aplicaciones especializadas o de investigación.
La capacidad de un condensador esférico se puede calcular según la fórmula
C=4*π*ε0 *R1R2/(R2-R1)
donde R es el radio de las esferas y π=3,14.
Para un diseño de condensador cilíndrico, la capacitancia se calcula como
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l es la altura de los cilindros, y R1 y R2 son sus radios.
En principio, ambas fórmulas no difieren de la fórmula de un condensador plano. La capacitancia está siempre determinada por las dimensiones lineales de los terminales, la distancia entre ellos y las propiedades del dieléctrico.
Conexión de condensadores en serie y en paralelo
Los condensadores pueden conectarse en serie en serie o en paralelocreando un conjunto con nuevas características.
Conexión en paralelo
Si los condensadores se conectan en paralelo, la capacidad total de la batería resultante es igual a la suma de las capacidades de todos sus componentes. Si una batería se compone de la misma construcción de condensadores, se puede pensar en sumar el área de todas las placas. En este caso, la tensión en cada elemento de la batería será la misma y las cargas se sumarán. Para tres condensadores conectados en paralelo:
- U=U1=U2=U3;
- q=q1+q2+q3;
- C=C1+C2+C3.
Conexión en serie
Cuando se conecta en serie, las cargas de cada capacitancia serán las mismas:
q1=q2=q3=q
La tensión total se distribuye en proporción a capacidad de los condensadores:
- U1=q/ C1;
- U2=q/ C2;
- U3= q/ C3.
Si todos los condensadores son iguales, en cada uno cae una tensión igual. La capacitancia total se encuentra como:
C=q/( U1+U2+U3), por lo que 1/C=( U1+U2+U3)/q=1/C1+1/С2+1/С3.
Aplicaciones de los condensadores en la tecnología
Es lógico utilizar los condensadores como dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. Como tales, no pueden competir con las fuentes electroquímicas (baterías galvánicas, condensadores) debido a su baja capacidad de almacenamiento de energía y a la autodescarga bastante rápida debido a la fuga de carga a través del dieléctrico. Pero su capacidad para almacenar energía durante un largo periodo y luego liberarla casi instantáneamente es muy utilizada. Esta propiedad se utiliza en las lámparas de flash para la fotografía o en las lámparas para la excitación de los láseres.
Los condensadores se utilizan ampliamente en la radioingeniería y la electrónica. Los condensadores se utilizan en los circuitos resonantes como uno de los elementos de retención de frecuencia de los circuitos (el otro elemento es la inductancia). También se utiliza la capacidad de los condensadores para mantener fuera la corriente continua sin retrasar la componente de corriente alterna. Este uso es común para dividir las etapas del amplificador para eliminar la influencia de los modos de CC de una etapa en la otra. Los condensadores de alta capacidad se utilizan como filtros de suavizado en las fuentes de alimentación. También hay un gran número de otras aplicaciones de los condensadores en las que sus propiedades resultan útiles.
Algunos diseños prácticos de condensadores
En la práctica se utilizan diversos diseños de condensadores planos. El diseño del dispositivo determina sus características y su ámbito de aplicación.
Condensador variable
Un tipo común de condensador variable (VAC) consiste en un banco de placas móviles y fijas, separadas por aire o un aislante sólido. Las placas móviles giran alrededor de un eje, aumentando o disminuyendo el área de solapamiento. Cuando se retira la unidad móvil, la distancia entre los electrodos no cambia, pero la distancia media entre las placas también aumenta. La constante dieléctrica del aislante también permanece inalterada. La capacitancia se ajusta cambiando el área de las cubiertas y la distancia media entre ellas.
Condensador de óxido
En el pasado, este tipo de condensador se denominaba condensador electrolítico. Consiste en dos tiras de lámina separadas por un dieléctrico de papel empapado en electrolito. La primera tira sirve de vaina y la segunda de electrolito. El dieléctrico es una fina capa de óxido sobre una de las tiras metálicas, y la segunda tira sirve de colector de corriente.
El hecho de que la capa de óxido sea muy fina y el electrolito esté cerca de ella, permite obtener una capacidad suficientemente alta con un tamaño moderado. El precio que hay que pagar por ello es la baja tensión de funcionamiento, ya que la capa de óxido no tiene una elevada rigidez dieléctrica. Si la tensión de funcionamiento aumenta, el tamaño del condensador debe aumentar considerablemente.
Otro problema es que el óxido tiene una conductividad unidireccional, por lo que estos condensadores sólo se utilizan en circuitos de corriente continua con respecto a la polaridad.
Ionistor
Como se ha mostrado anteriormente, los métodos tradicionales para aumentar condensadores tienen limitaciones naturales. Por lo tanto, el verdadero avance fue el desarrollo del ionistor.
Aunque este dispositivo se considera un intermedio entre un condensador y una batería, sigue siendo esencialmente un condensador.
La distancia entre los electrodos se reduce drásticamente gracias al uso de una doble capa eléctrica. Las capas son capas de iones que tienen una carga opuesta. Un material de espuma muy poroso permite aumentar drásticamente la superficie de las capas. El resultado son supercondensadores con capacidades de hasta cientos de faradios. La enfermedad inherente a estos dispositivos es la baja tensión de funcionamiento (normalmente en el rango de 10 voltios).
El desarrollo de la tecnología ha continuado: las lámparas han sido sustituidas por transistores bipolares en muchas aplicaciones, y éstos a su vez han sido reemplazados por triodos unipolares. Las inductancias se eliminan del diseño de los circuitos siempre que es posible. Y los condensadores no abandonan sus posiciones para el segundo siglo, su diseño no ha cambiado fundamentalmente desde la invención de la jarra de Leiden, y no hay perspectivas de acabar con su carrera.
Artículos relacionados:
