Capacitancia

Condensador

En el interior de un condensador hay dos placas metálicas de un material conductor, como el aluminio. Estas placas están separadas por un material aislante, también conocido como dieléctrico.

Antes de estudiar el funcionamiento de un condensador, debemos entender el concepto de polarización.

Polarización

Un dieléctrico está formado por muchas moléculas polares, que tienen un extremo positivo y otro negativo. Cuando el condensador no almacena carga, no hay campo eléctrico, y estas moléculas apuntan aleatoriamente en diferentes direcciones.

Fig. 2: Moléculas al azar (arriba) y moléculas en un campo eléctrico (abajo).

Funcionamiento del condensador

Cuando se aplica un voltaje a un condensador, se genera un campo eléctrico. Entonces, los extremos positivos de las moléculas son atraídos por la placa cargada negativamente y viceversa.

Como el dieléctrico es un aislante y las moléculas no pueden desplazarse, las moléculas polarizadas se orientan de forma que las cargas opuestas de las moléculas y las placas se enfrentan.

Fig. 3: Orientación de las moléculas polarizadas en un campo eléctrico.

Como el campo eléctrico de las moléculas polarizadas está en la dirección opuesta a las placas del condensador, la diferencia de potencial se reduce y la capacidad del condensador para almacenar carga por unidad de diferencia de potencial aumenta.

Condensador en un circuito

Coge una pila y conecta el extremo negativo al borne negativo del condensador (indicado con una tira) y el positivo al borne positivo. Ten en cuenta que no todos los condensadores tienen los polos marcados. Si ese es el caso, pueden conectarse en cualquier dirección del circuito.

Fig. 4: Símbolo de un condensador.

Las cargas fluyen de la pila al terminal negativo del condensador y de la placa positiva al extremo positivo de la pila.

Fig. 5. El diagrama muestra cómo el voltaje a través de las placas y el flujo de corriente hacia las placas varían a medida que el condensador se carga.

Una vez que las cargas han pasado de la placa positiva a la pila y de la pila a la placa negativa, ya no es posible el flujo de electrones. Por tanto, un lado del condensador estará cargado negativamente, mientras que el otro estará cargado positivamente. El condensador está al mismo nivel de tensión que la pila.

Como los electrones se acumulan en un lado del condensador, decimos que está almacenando energía, que puede ser liberada cuando se necesite. Hay una diferencia de potencial que se crea entre las placas del condensador, ya que hay una diferencia en el número de cargas en las placas.

Aplicaciones de los condensadores

Un condensador cargado puede utilizarse para proporcionar una carga en un circuito, sin ninguna interrupción.

Medición de la energía almacenada

En un condensador hay dos valores: uno que indica la tensión \(V\), en voltios (\(\mathrm{V}\)); y la capacitancia \(C\), que se expresa en faradios (\(\mathrm{F}\)).

Fig. 6: Condensadores en una placa de circuito.

La lectura de la tensión en el condensador indica la tensión máxima que puede soportar. Si se sobrepasa ese valor, lo más probable es que el condensador se queme y, a veces, incluso explote.

Definición de capacitancia

Todo condensador tiene una capacitancia.

Los faradios son el número de culombios que se pueden almacenar por voltio:

\[1\,\mathrm{F}=\dfrac{1\,\mathrm{C}}{1\,\mathrm{V}}\]

Por lo tanto, la capacitancia puede utilizarse para calcular la carga en culombios:

\[Q=C\cdot V,\]

• Donde: \(Q\) es la carga eléctrica en culombios (\(\mathrm{C}\)), \(V\) es la tensión (\(\mathrm{V}\)) y \(C\) es la capacitancia de la que ya hemos hablado.

Fórmula de la capacitancia

La capacitancia puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

\[C=\kappa\dfrac{\epsilon_0A}{d}.\]

Veamos qué es cada término en esta ecuación:

• \(C\) es la capacitancia, medida en culombios por voltio (F).

• \(\kappa\) es la constante dieléctrica relativa; es decir, la constante dieléctrica de un material en relación con la constante dieléctrica del vacío.

  • Esto se expresa como \(\epsilon/\epsilon_0\); donde \(\epsilon\) es la constante dieléctrica del material.

  • La constante dieléctrica relativa suele indicarse.

    • Por ejemplo, el aire tiene una constante dieléctrica de 1

• \(\epsilon_0\) es la constante dieléctrica del vacío, que tiene un valor de \(8,85\cdot 10^{-12}\,\mathrm{F/m}\).

• \(A\) es el área de las placas, medida en metros cuadrados (\(\mathrm{m^2}\)).

• \(d\) es la distancia entre las placas, medida en metros (\(\mathrm{m}\)).

  • Es sencillo ver que la distancia es inversamente proporcional a la capacitancia.

Veamos, ahora, un ejemplo de esta fórmula aplicada.