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Capacitancia

Puede ser que alguna vez hayas escuchado que necesitamos un condensador para almacenar la energía en un motor o una memoria. No estás confundido: esa es su función. Ahora bien, también podrías pensar que una batería hace exactamente lo mismo. Sin embargo, aunque es así, la diferencia es que una batería almacena energía en forma de potencial químico, mientras que los condensadores…

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Capacitancia

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Puede ser que alguna vez hayas escuchado que necesitamos un condensador para almacenar la energía en un motor o una memoria. No estás confundido: esa es su función.

Ahora bien, también podrías pensar que una batería hace exactamente lo mismo. Sin embargo, aunque es así, la diferencia es que una batería almacena energía en forma de potencial químico, mientras que los condensadores almacenan energía en forma de potencial eléctrico. Además, la corriente de fuga es mayor en los condensadores que en las pilas, lo que significa que los condensadores no pueden mantener la carga tanto tiempo como las pilas.

En este artículo hablaremos de los condensadores, cómo funcionan y cuáles son sus usos, así como una de sus principales características: la capacitancia. Aprenderemos a calcularla y veremos algunos ejemplos. Así que esperamos que tengas energías almacenadas y ¡vamos a ello!

Capacitancia Condensadores StudySmarterFig. 1: Ejemplo de condensadores utilizados en circuitos eléctricos.

Condensador

Un condensador es un dispositivo que puede almacenar cargas eléctricas y también puede utilizarse para proteger los circuitos de picos no deseados.

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.

El rápido movimiento de electrones entre las dos placas de un condensador lo hace muy útil en aplicaciones electrónicas.

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

Polarización

La polarización es la orientación de las moléculas polares, dentro del dieléctrico, hacia los electrodos opuestos.

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.

Capacitancia Polarización StudySmarterFig. 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.

Capacitancia Polarización StudySmarterFig. 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.

Capacitancia Símbolo del condensador StudySmarterFig. 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.

Capacitancia Carga de un condensador con distintas corrientes StudySmarter.

Capacitancia Carga de un condensador con corriente cero StudySmarter.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.

Por ejemplo, cuando conectamos un LED con un condensador que está completamente cargado, las cargas de la placa negativa del condensador fluyen, a través del LED, hacia la placa positiva del condensador hasta que no hay diferencia de potencial entre los dos terminales. Como resultado, el LED parpadeará durante un breve momento.

La duración del parpadeo será muy corta, ya que el flujo de electrones es muy rápido. Sin embargo, si conectamos una batería al condensador en este circuito, el condensador se cargará y almacenará energía y la descargará de nuevo si hay alguna interrupción en el flujo de corriente.

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 (\(\mathrm{F}\)).

Capacitancia Lecturas del condensador StudySmarter 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.

La capacitancia es la capacidad de un condensador para almacenar carga eléctrica.

  • El símbolo de la capacitancia es \(C\), y se mide en faradios (\(\mathrm{F}\)).

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.

Calcula la capacitancia de un condensador de placas paralelas cuyas placas tienen un área de \(0,525\,\mathrm{m^2}\) y están separadas por \(2,15\,\mathrm{mm}\).

Solución:

Como \(\kappa\) no se especifica, lo tomaremos como 1. Añadiendo los otros valores a la fórmula que hemos visto, se obtiene:

\[C=8,85\cdot 10^{-12}\,\mathrm{F/m}\cdot\dfrac{0,525\,\mathrm{m^2}}{2,15\cdot 10^{-3}\,\mathrm{m}}=2,16\cdot 10^{-9}\,\mathrm{F}.\]

Esto puede parecer una capacidad muy pequeña, pero es valor muy grande, en realidad.

Capacitancia - Puntos clave

  • Un condensador es un conductor que puede almacenar carga en forma eléctrica.
  • Todo condensador tiene una capacitancia, que es la cantidad de carga por unidad de diferencia de potencial.
  • Un condensador se utiliza para mantener la corriente en un circuito, si hay alguna interrupción.
  • Dos placas conductoras con un aislante dieléctrico entre ellas constituyen un condensador.
  • Un condensador funciona acumulando cargas negativas en una de las placas, lo que crea una diferencia de potencial entre las dos placas.
  • La unidad de medida de la capacitancia es el faradio (\(\mathrm{F}\)).

Preguntas frecuentes sobre Capacitancia

La capacitancia es la capacidad de un condensador para almacenar carga eléctrica. El símbolo de la capacitancia es C.

La capacitancia se mide en faradios (F).

La capacitancia puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

C=(κ·ϵ0·A)/d.


Cada término en esta ecuación es:

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

  • κ 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 ϵ/ϵ0, donde ϵ es la constante dieléctrica del material. 

  • ϵ0 es la constante dieléctrica del vacío, que tiene un valor de 8,85⋅10−12F/m.

  • A es el área de las placas, medida en metros cuadrados (m2).

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

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

La capacitancia de un condensador se puede calcular con: 

Q=C⋅V,

Donde Q es la carga eléctrica en culombios (C), V es la tensión (V) y C es la capacitancia, de la que ya hemos hablado.

Mediante la siguiente fórmula:

d=(κ·ϵ0·A)/C.

Cuestionario final de Capacitancia

Capacitancia Quiz - Teste dein Wissen

Pregunta

¿Qué ocurre con la capacitancia si se aumenta la constante dieléctrica?

Mostrar respuesta

Answer

Aumenta la capacidad.

Show question

Pregunta

¿Cómo se llama el material que hay entre las placas de un condensador?

Mostrar respuesta

Answer

Dieléctrico.

Show question

Pregunta

¿Cuál es la constante dieléctrica del aire?

Mostrar respuesta

Answer

\(1.\)

Show question

Pregunta

¿Qué es un faradio?

Mostrar respuesta

Answer

Un culombio de electricidad que cambia la diferencia de potencial entre las placas a un voltio.

Show question

Pregunta

¿Por qué la capacitancia suele medirse en: micro, pico o nanofaradios?

Mostrar respuesta

Answer

El faradio se considera una unidad demasiado grande para su uso práctico.

Show question

Pregunta

Si la distancia entre las placas se reduce a la mitad, ¿qué efecto tiene eso sobre la capacitancia?

Mostrar respuesta

Answer

La capacidad aumenta a la mitad.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre con la capacitancia si se duplica la distancia entre las placas y el área de las placas?

Mostrar respuesta

Answer

La capacitancia permanece igual.

Show question

Pregunta

¿Puede considerarse un condensador como un conductor?

Mostrar respuesta

Answer

La función principal de los condensadores es almacenar carga. Actúan más bien como pilas, pero no son conductores debido al aislamiento entre las placas.

Show question

Pregunta

¿Qué ocurre si superas el nivel de tensión marcado en el condensador?

Mostrar respuesta

Answer

El condensador explotará.

Show question

Pregunta

¿Por qué utilizamos condensadores?

Mostrar respuesta

Answer

Para aumentar la tensión a través del circuito.

Show question

Pregunta

Un condensador se comporta más o menos como una pila. ¿Verdadero o falso?

Mostrar respuesta

Answer

Verdadero.

Show question

Pregunta

¿Qué forma de energía almacena un condensador?

Mostrar respuesta

Answer

Eléctrica.

Show question

Pregunta

¿Qué forma de energía almacena una pila?

Mostrar respuesta

Answer

Potencial químico.

Show question

Pregunta

¿Qué es la polarización?

Mostrar respuesta

Answer

La polarización es la orientación de las moléculas polares dentro del dieléctrico hacia los electrodos opuestos.

Show question

Pregunta

¿Cómo podemos calcular la capacitancia? Expresa ambas fórmulas.

Mostrar respuesta

Answer

\(C=\dfrac{Q}{V}\) y \(C=\kappa\dfrac{\epsilon_0\cdot A}{d}\).

Show question

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