Los condensadores se utilizan habitualmente para almacenar energía eléctrica y liberarla cuando es necesario. Almacenan energía en forma de energía potencial eléctrica. ¿Pero, dónde la guardan? ¿Cuánto tiempo puede estar ahí? Te daremos respuesta a todas estas preguntas a lo largo del artículo.
- Durante este artículo estudiaremos las partes de un condensador.
- Luego, hablaremos de la capacidad de almacenaje de un capacitor.
- Aprenderemos las fórmulas para calcular la energía almacenada.
- Y por último, usaremos los conocimientos aprendidos en un par de ejemplos.
¿Qué es un condensador?
Un condensador es un dispositivo altamente empleado en la electrónica, porque es capaz de almacenar energía eléctrica. ¡Veamos su definición!
Un condensador es un dispositivo que almacena energía potencial eléctrica en un campo eléctrico.
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.
Un material dieléctrico es un material no metálico, con fuerte resistividad y altamente aislante. Por tanto, los dieléctricos son materiales no conductores que son capaces de almacenar cargas eléctricas.
¿Cuánta energía almacena un capacitor?
La capacitancia es la capacidad de un condensador para almacenar carga; la cual se mide en faradios (\(\mathrm{F}\)).
Los condensadores suelen usarse junto con otros componentes del circuito para producir un filtro que permita el paso de algunos impulsos eléctricos y bloquee otros.
Fig. 1: Existen diferentes tipos de condensadores y de diferentes tamaño.
Los condensadores están formados por dos placas conductoras y un material aislante entre ellas. Cuando se conecta un condensador a un circuito, el polo positivo de la fuente de tensión empieza a empujar los electrones de la placa a la que está conectado. Estos electrones empujados se reúnen en la otra placa del condensador, haciendo que se almacene un exceso de electrones en la placa.
Fig. 2: Diagrama de un condensador cargado.
El exceso de electrones en una placa y su correspondiente falta en la otra provocan una diferencia de energía potencial (diferencia de tensión) entre las placas. Idealmente, esta diferencia de energía potencial (carga) permanece, a menos que el condensador comience a descargarse para suministrar tensión de nuevo al circuito.
Sin embargo, en la práctica, no existen condiciones ideales, y el condensador empezará a perder su energía una vez que se saque del circuito. Esto se debe a lo que se conoce como corrientes de fuga fuera del condensador, que es una descarga no deseada del condensador.
Dieléctrico y la carga almacenada
El tiempo que un condensador puede almacenar energía depende de la calidad del material dieléctrico entre las placas. La cantidad de energía que almacena un condensador (su capacitancia) viene determinada por la superficie de las placas conductoras, la distancia entre ellas y el dieléctrico que las separa.
Esto se expresa de la siguiente manera:
\[C=\dfrac{\epsilon_0\cdot A}{d}.\]
Donde:
- \(C\) es la capacitancia, medida en Faradios.
- \(\epsilon_0\) es la constante dieléctrica del material aislante.
- \(A\) es el área de solapamiento de las placas (\(\mathrm{m}^2\)).
- \(d\) es la distancia entre las placas, medida en metros.
La siguiente tabla indica el efecto del material dieléctrico sobre la energía almacenada por el condensador.
| Material | Constante dieléctrica |
| Aire | \(1,0\) |
| Vidrio (ventana) | \(7,6-8\) |
| Fibra | \(5-7,5\) |
| Polietileno | \(2,3\) |
| Baquelita | \(4,4-5,4\) |
Tabla 1: Condensadores: constante dieléctrica para diferentes materiales.
Fórmula para calcular la energía almacenada en un condensador
La energía almacenada en un condensador es energía potencial eléctrica, y está relacionada con la carga (\(Q\)) y la tensión (\(V\)) del condensador.
Para escribir la fórmula que describe la energía almacenada en un condensador, comencemos recordando la ecuación de la energía potencial eléctrica (\(\Delta E_P\)):
\[\Delta E_P =q \cdot \Delta V\]
Esta ecuación se utiliza para la energía potencial (\(\Delta E_P\)) de una carga (\(q\)) al atravesar una diferencia de tensión (\(\Delta V\)). Cuando se coloca la primera carga en el condensador, esta experimenta un cambio de \(\Delta V=0\) porque el condensador tiene tensión cero cuando no está cargado.
La tensión media en un condensador durante el proceso de carga es \(V/2\), que es también la tensión media experimentada por la carga final:
\[E_{\text{cond}}=\dfrac{Q\cdot V}{2}\]
Aquí,
- \(E_{\text{cond}}\) es la energía almacenada en un condensador, medida en Julios (\(\mathrm{J}\)).
- \(Q\) es la carga de un condensador, medida en culombios (\(\mathrm{C}\)).
- \(V\) es la tensión en el condensador, medida en Voltios (\(\mathrm{V}\)).
Podemos expresar esta ecuación de diferentes maneras. La carga de un condensador se obtiene de la ecuación \(Q = C\cdot V\), donde \(C\) es la capacidad del condensador, en faradios. Si ponemos esto en la última ecuación, obtenemos:
\[E_{\text{cond}}=\dfrac{Q\cdot V}{2}=\dfrac{C\cdot V^2}{2}=\dfrac{Q^2}{2\cdot C}\]
Cuando el condensador está completamente cargado, la carga final que se almacena en el condensador experimenta un cambio de tensión de \(\Delta V=V\).
Ejercicios resueltos de la energía almacenada en un condensador
Veamos un par de ejemplos donde emplearemos las fórmulas vistas en el apartado anterior.
Un desfibrilador cardíaco está dando \(6,00 \cdot 10^2 \,\,\mathrm{J}\) de energía, al descargar un condensador, que inicialmente está a \(1,00 \cdot 10^3 \,\,\mathrm{V}\). Determina la capacitancia del condensador.
Solución:
Se conocen la energía del condensador (\(E_{\text{cond}}\)) y su tensión (\(V\)). Como necesitamos determinar la capacitancia, tenemos que utilizar la ecuación correspondiente:
\[E_{\text{cond}}=\dfrac{C\cdot V^2}{2}\]
Resolviendo para la capacitancia (\(C\)), obtenemos:
\[C=\dfrac{2\cdot E_{\text{cond}}}{V^2}\]
Sumando las variables conocidas, tenemos:
\[C=\dfrac{2\cdot(6\cdot 10^2\,\,\mathrm{J})}{(1\cdot 10^3\,\, \mathrm{V})^2}=1,2\cdot 10^{-3}\,\, \mathrm{F}\]
Hagamos uno, ahora, para calcular la energía.
Se sabe que la capacidad de un condensador es de \(2,5 \,\,\mathrm{mF}\), mientras que su carga es de 5 culombios. Determina la energía almacenada en el condensador.
Solución:
Como la carga (\(Q\)) y la capacitancia (\(C\)) están dadas, aplicamos la siguiente ecuación:
\[E_{\text{cond}}=\dfrac{Q^2}{2\cdot C}\]
Sumando las variables conocidas, obtenemos:
\[E_{\text{cond}}=\dfrac{(5\,\,\mathrm{C})^2}{2(2,5\cdot 10^{-3}\,\,\mathrm{F})}=5000\,\,\mathrm{J}\]
Energía almacenada en un condensador - Puntos clave
- La capacitancia es la capacidad de almacenamiento de un condensador, que se mide en Faradios.
- El tiempo que un condensador puede almacenar energía viene determinado por la calidad del material aislante (dieléctrico) entre las placas.
- La cantidad de energía que almacena un condensador (su capacitancia) viene determinada por la superficie de las placas conductoras, la distancia entre ellas y el dieléctrico que las separa.
- La ecuación utilizada para determinar la capacitancia es \(C = (\epsilon_0 \cdot A)/d\).
- La ecuación para determinar la energía almacenada en el condensador es \(E = (Q \cdot V) / 2\).
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