Al igual que las baterías permiten el almacenamiento de energía portátil, los condensadores permiten el almacenamiento temporal de energía y son componentes críticos de muchos circuitos.
Permiten que grandes cantidades de cargas se separen entre sí y se liberen en un repentino estallido de energía, para su uso en dispositivos como cámaras flash, así como para mediar en otros procesos electrónicos como la conversión entre fuentes de alimentación de CA y CC o la carga y descarga de campos magnéticos, lo cual es útil para sintonizar la radio estaciones.
Definición de capacitancia
La capacitancia es una medida de la capacidad de un material no conductor para almacenar energía creando una separación de carga a través de una diferencia de potencial (voltaje). El material debe ser no conductor, como el vidrio o una tubería de PVC, porque de lo contrario las cargas fluirían a través de él, incapaces de permanecer separadas.
Matemáticamente, la capacitancia de un objetoCes igual a la relación de cargaQal voltajeV.
C = \ frac {Q} {V}
La unidad SI de capacitancia es lafaradio(F); de cargo, elculombio(C); y de voltaje,voltios(V).El faradio, que lleva el nombre del pionero del electromagnetismo Michael Faraday, se define de manera que 1 faradio es igual a 1 columb por voltio, o 1 F = 1 C / V.
Cualquier parte de un circuito que separa la carga de esta manera se llamacondensador. Por lo tanto, siguiendo la ecuación anterior, cualquier capacitancia dada de un capacitorCconectado a una batería con una diferencia de potencialV, almacenará carga eléctricaQ.
Condensadores de placas paralelas
Un tipo común de condensador es uncondensador de placa paralela. En un dispositivo de este tipo, dos placas de material conductor (como un metal) se sostienen, como sugiere el nombre, paralelas entre sí a cierta distancia. Entre las placas hay unmaterial dieléctrico, también llamadomaterial aislante.
Esto es algo que no permite que las cargas fluyan a través de él y, por lo tanto, puede polarizarse: las cargas dentro de él. reoriente para que todos los aspectos positivos estén juntos en un lado y todos los negativos en el otro, en presencia de una campo.
Cualquiera puede crear un condensador de placas paralelas simple utilizando dos hojas de papel de aluminio como placas y varias hojas de papel como aislante intercaladas entre ellas.
La capacitancia de un capacitor de placas paralelas depende del área de una placa, oA; la separación entre ellosD; y la constante dieléctricaκdel material entre ellos de esta manera:
C = \ dfrac {κε_0A} {d}
El término ε0 ("épsilon-nught") es elpermitividadde espacio libre, que es una constante igual a 8.854 × 10-12 faradios por metro (F / m). La constante dieléctricaκes una cantidad sin unidades que se puede buscar en una tabla, como la vinculada a este artículo.
Otros tipos de condensadores
No todos los tipos de condensadores requieren placas paralelas. Algunos son cilíndricos, como un cable coaxial, o esféricos, como una membrana celular (que termina reteniendo una carga al bombear iones de potasio positivos fuera de la célula y iones de cloruro negativos hacia adentro).
Un cable coaxial se usa ampliamente para entregar video, audio y datos de comunicaciones. Su diseño cilíndrico consta de varias capas de materiales dieléctricos aislantes entre láminas conductoras fuertes, a menudo de cobre, enrolladas como un rollo de gelatina.
Esto permite que el cable transmita incluso señales eléctricas débiles sin degradación a largas distancias. Además, debido a que las capas aislantes y conductoras están enrolladas, un cable coaxial puede proporcionar este almacenamiento de energía en un espacio relativamente pequeño, ciertamente en un volumen más pequeño que los condensadores de placas paralelas lata.
Circuitos RC
Una aplicación común de los capacitores es en un circuito RC, llamado así porque contiene una resistencia y un capacitor. Suponga que dos componentes del circuito están conectados en paralelo, con un interruptor que permite que el circuito se conecte en uno de los dos posibles bucles individuales: fuente de voltaje más condensador o condensador más resistencia.
Cuando el capacitor está conectado a la fuente de voltaje, la corriente fluye en el circuito y comienza a acumular una carga almacenada. Cuando se gira el interruptor y el condensador está conectado a la resistencia, se descargará y calentará la resistencia.
El voltaje, o la diferencia de potencial, a través del capacitor cuando se está cargando es:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC})
Donde ambosVcondensadoryVfuenteson voltajes en voltios ytes el tiempo en segundos. La constante de tiempoRCes el producto de la resistencia y la capacitancia del circuito, lo que implica que cuanto mayor sea la resistencia o el condensador, más tiempo tardará en cargarse o descargarse. Su unidad también está en segundos.
En el proceso inverso (al descargar), la ecuación es similar:
V_ {capacitor} = V_ {0} e ^ {- t / RC}
DóndeV0es el voltaje inicial cargado del capacitor antes de que comience a descargarse.
Debido a que la carga tarda en acumularse y liberarse, y ese tiempo depende de las propiedades de elementos del circuito, un circuito RC es útil en muchos dispositivos eléctricos que requieren momento. Algunos ejemplos comunes son: cámaras con flash, marcapasos y filtros de audio.
Cálculos de ejemplo
Ejemplo 1: ¿Cuál es la capacitancia de un condensador de placas en paralelo hecho de dos2 placas de aluminio separadas por 0,1 m con teflón a 20 grados centígrados?
Dada el área de una placa, la separación y el material dieléctrico, comience buscando la constante dieléctrica del teflón. A 20 grados Celsius, es 2,1 (¡recuerde, no tiene unidades!).
Resolviendo la capacitancia:
Ejemplo 2: ¿Cuánto tiempo se tarda en cargar un 100 µF (10-6 faradios) a 20 V cuando está conectado a una batería de 30 V y en circuito con una resistencia de 10 kΩ (1000 ohmios)?
Comience convirtiendo la capacitancia y la resistencia a sus unidades SI, y luego calcule la constante de tiempo RC:
C = 100 µF = 0,0001 F
R = 10 kΩ = 10,000 Ω
RC = 0,0001 F × 10,000 Ω = 1 segundo
Luego, usando la fórmula para un condensador de carga y resolviendo el tiempot:
V_ {capacitor} = V_ {source} (1-e ^ {t / RC}) \ newline 20 V = 30 V (1-e ^ {t / 1}) \ newline 2/3 = 1-e ^ t \ nueva línea 1/3 = e ^ t \ nueva línea ln (1/3) = ln (e ^ t) \ nueva línea 1,1 segundos = t
Condensadores vs. Pilas
Los condensadores y las baterías pueden parecer similares, ya que ambos pueden almacenar y liberar carga electrónica. Pero tienen varias diferencias clave que los llevan a tener diferentes ventajas y desventajas.
Primero, un capacitor almacena energía en un campo eléctrico cargado, mientras que una batería almacena energía en productos químicos y la libera mediante una reacción química. Debido a estas diferencias materiales, una batería puede almacenar más energía que un condensador del mismo tamaño.
Sin embargo, la reacción química necesaria para liberar esa energía suele ser más lenta que la liberación de cargas a través del campo eléctrico en un condensador. Por lo tanto, un capacitor puede cargarse y descargarse mucho más rápido que una batería, proporcionando más energía eléctrica en un corto período de tiempo. Un condensador también suele ser más duradero que una batería, lo que lo hace más ecológico.
Por todas estas razones, los ingenieros de hoy buscan aumentar los límites de almacenamiento de los condensadores y disminuir los tiempos de carga y descarga de las baterías. Hasta entonces, los dispositivos se suelen utilizar juntos. Por ejemplo, el flash de una cámara y un marcapasos utilizan una batería y un condensador para suministrar energía duradera.yentregarlo en ráfagas rápidas a voltajes más altos.
Aplicaciones
Los condensadores se utilizan a menudo en circuitos para suavizar o mediar los cambios de voltaje que experimentaría un dispositivo. Por ejemplo, la mayor parte de la energía entregada a un hogar proviene de un suministro de corriente alterna (CA), que proporciona un voltaje "irregular", aunque la mayoría de los electrodomésticos requieren un suministro de energía de corriente continua (CC).
Los condensadores en la pared ayudan a transformar la señal de CA a CC para estos dispositivos. El voltaje entrante carga el capacitor, y cuando comienza a alternar a un voltaje más bajo, el capacitor comienza a descargar parte de su energía almacenada. Eso permite que el dispositivo del otro lado continúe experimentando un voltaje más constante que sin el capacitor.
Los condensadores también son útiles en dispositivos donde es posible que sea necesario filtrar ciertas frecuencias de señales electrónicas, por ejemplo, un amplificador de radio o un mezclador de audio. Por ejemplo, un condensador en el circuito puede dirigir sonidos de baja y alta frecuencia a diferentes partes de un altavoz, como el subwoofer o el tweeter. O bien, un altavoz de radio que usa condensadores para separar frecuencias puede amplificar algunas pero no otras, reforzando así la señal de la estación deseada en la que está sintonizada la radio.
Desacoplamiento en circuito integrado.Uno de los usos más ubicuos de un condensador es en un circuito integrado: el circuito pequeño. placa que contiene todos los componentes eléctricos utilizados para alimentar la mayoría de los productos electrónicos de consumo, como teléfonos inteligentes. Allí, el condensador sirve como una especie de escudo, protegiendo otros componentes electrónicos de repentinos caídas de voltaje y actuando como pequeñas fuentes de energía temporales cuando el suministro se interrumpe momentáneamente, con tanta frecuencia sucede.
De manera similar a cómo ayudan a proporcionar corriente continua a los electrodomésticos, los condensadores amortiguan los cambios de voltaje de los dispositivos electrónicos más allá de ellos en el circuito; "absorben" voltaje adicional y, a su vez, liberan su exceso de voltaje cuando el suministro comienza a caer.
Los condensadores de desacoplamiento en circuitos integrados eliminan específicamente los cambios de alta frecuencia en el voltaje (ya que pueden absorber parte del cambio de voltaje que pasa a través de ellos). Esto da como resultado que el resto de componentes del circuito experimente una quilla de voltaje más uniforme a los niveles necesarios para su correcto funcionamiento.
Condensadores como sensores.Debido a que el diseño de los capacitores depende de los materiales utilizados, que a su vez tienen diferentes propiedades conductoras en diferentes condiciones, los capacitores son componentes importantes en los sensores electrónicos.
Por ejemplo, un sensor de humedad utiliza un material dieléctrico, como un plástico o un polímero, que cambia su conductancia de manera confiable con los cambios en los niveles de humedad. Por lo tanto, al leer la conductancia a través de ese dieléctrico, el sensor deduce la humedad relativa.
De manera similar, algunos sensores de nivel de combustible, incluidos los de los aviones, usan condensadores para medir la cantidad de combustible que queda en el tanque. En estos dispositivos, el propio combustible sirve como dieléctrico. Una vez que desciende a un nivel lo suficientemente bajo, la conductividad cambia y se alerta al piloto.
Quizás incluso más comunes son los interruptores capacitivos utilizados en dispositivos de pantalla táctil. Cuando el dedo de una persona toca una pantalla, descarga una pequeña cantidad de carga, lo que cambia la conductancia del dispositivo de forma mensurable y apunta a una ubicación específica. Esto también explica por qué el uso de guantes interfiere con el desplazamiento en un teléfono inteligente: la lana o el algodón en un guante es un gran aislante, evitando que las cargas en los dedos salten a la pantalla.