El condensador eléctrico es un dispositivo pasivo que puede acumular y almacenar energía eléctrica. Consiste en dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. La aplicación de potenciales eléctricos de diferente signo a las placas conductoras conduce a la adquisición por parte de ellas de una carga, que es positiva en una placa y negativa en la otra. En este caso, el cargo total es cero.
Este artículo analiza los problemas de la historia y la definición de la capacitancia de un capacitor.
Historia de la invención
En octubre de 1745, el científico alemán Ewald Georg von Kleist se dio cuenta de que se podía almacenar una carga eléctrica si se conectaba con un cable un generador electrostático y cierta cantidad de agua en un recipiente de vidrio. En este experimento, la mano y el agua de von Kleist eran conductores y el recipiente de vidrio era un aislante eléctrico. Después de que el científico tocó el alambre de metal con la mano, se produjo una poderosa descarga, que fuemucho más fuerte que la descarga de un generador electrostático. Como resultado, von Kleist concluyó que había energía eléctrica almacenada.
En 1746, el físico holandés Pieter van Muschenbroek inventó un capacitor, al que llamó botella de Leiden en honor a la Universidad de Leiden donde trabajaba el científico. Luego, Daniel Gralat aumentó la capacitancia del capacitor conectando varias botellas de Leiden.
En 1749, Benjamin Franklin investigó el capacitor de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga eléctrica no se almacena en el agua, como se creía antes, sino en la frontera entre el agua y el vidrio. Gracias al descubrimiento de Franklin, las botellas de Leyden se fabricaron cubriendo el interior y el exterior de recipientes de vidrio con placas de metal.
Desarrollo industrial
El término "condensador" fue acuñado por Alessandro Volta en 1782. Inicialmente, se utilizaron materiales como el vidrio, la porcelana, la mica y el papel normal para fabricar aisladores de capacitores eléctricos. Entonces, el ingeniero de radio Guglielmo Marconi usó capacitores de porcelana para sus transmisores, y para los receptores, pequeños capacitores con un aislante de mica, que se inventaron en 1909, antes de la Segunda Guerra Mundial, eran los más comunes en los EE. UU.
El primer condensador electrolítico se inventó en 1896 y era un electrolito con electrodos de aluminio. El rápido desarrollo de la electrónica comenzó solo después de la invención en 1950 de un condensador de tantalio en miniatura conelectrolito sólido.
Durante la Segunda Guerra Mundial, como resultado del desarrollo de la química de los plásticos, comenzaron a aparecer los condensadores, en los que el papel de aislante se asignó a películas delgadas de polímero.
Finalmente, en los años 50-60, se desarrolla la industria de los supercondensadores, que tienen varias superficies conductoras de trabajo, por lo que la capacidad eléctrica de los condensadores aumenta en 3 órdenes de magnitud en comparación con su valor para los condensadores convencionales.
El concepto de la capacitancia de un capacitor
La carga eléctrica almacenada en la placa del capacitor es proporcional al voltaje del campo eléctrico que existe entre las placas del dispositivo. En este caso, el coeficiente de proporcionalidad se denomina capacitancia eléctrica de un capacitor plano. En SI (Sistema Internacional de Unidades), la capacidad eléctrica, como cantidad física, se mide en faradios. Un faradio es la capacitancia eléctrica de un capacitor, cuyo voltaje entre las placas es de 1 voltio con una carga almacenada de 1 culombio.
La capacitancia eléctrica de 1 faradio es enorme y, en la práctica, en ingeniería eléctrica y electrónica, se usan comúnmente capacitores con capacitancias del orden de picofaradio, nanofaradio y microfaradio. Las únicas excepciones son los supercondensadores, que consisten en carbón activado, lo que aumenta el área de trabajo del dispositivo. Pueden alcanzar miles de faradios y se utilizan para impulsar prototipos de vehículos eléctricos.
Así, la capacitancia del capacitor es: C=Q1/(V1-V2). Aquí C-capacidad eléctrica, Q1 - carga eléctrica almacenada en una placa del capacitor, V1-V2- la diferencia entre los potenciales eléctricos de las placas.
La fórmula para la capacitancia de un capacitor plano es: C=e0eS/d. Aquí e0y e es la constante dieléctrica universal y la constante dieléctrica del material aislante S es el área de las placas, d es la distancia entre las placas. Esta fórmula le permite comprender cómo cambiará la capacitancia de un capacitor si cambia el material del aislante, la distancia entre las placas o su área.
Tipos de dieléctricos usados
Para la fabricación de condensadores se utilizan varios tipos de dieléctricos. Los más populares son los siguientes:
- Aire. Estos capacitores son dos placas de material conductor, que están separadas por una capa de aire y colocadas en una caja de vidrio. La capacidad eléctrica de los condensadores de aire es pequeña. Suelen utilizarse en ingeniería de radio.
- Mica. Las propiedades de la mica (la capacidad de separarse en láminas delgadas y soportar altas temperaturas) son adecuadas para su uso como aislantes en capacitores.
- Papel. Se utiliza papel encerado o barnizado para proteger contra la humedad.
Energía almacenada
A medida que aumenta la diferencia de potencial entre las placas del capacitor, el dispositivo almacena energía eléctrica debido ala presencia de un campo eléctrico en su interior. Si la diferencia de potencial entre las placas disminuye, entonces el capacitor se descarga, dando energía al circuito eléctrico.
Matemáticamente, la energía eléctrica que se almacena en un tipo arbitrario de condensador se puede expresar mediante la siguiente fórmula: E=½C(V2-V 1)2, donde V2 y V1 son el final y el inicial tensión entre las placas.
Carga y descarga
Si un capacitor está conectado a un circuito eléctrico con una resistencia y alguna fuente de corriente eléctrica, la corriente fluirá a través del circuito y el capacitor comenzará a cargarse. Tan pronto como esté completamente cargado, la corriente eléctrica en el circuito se detendrá.
Si un condensador cargado se conecta en paralelo con una resistencia, fluirá una corriente de una placa a otra a través de la resistencia, que continuará hasta que el dispositivo se descargue por completo. En este caso, la dirección de la corriente de descarga será opuesta a la dirección del flujo de corriente eléctrica cuando se estaba cargando el dispositivo.
La carga y descarga de un capacitor sigue una dependencia temporal exponencial. Por ejemplo, el voltaje entre las placas de un capacitor durante su descarga cambia según la siguiente fórmula: V(t)=Vie-t/(RC) , donde V i - voltaje inicial en el capacitor, R - resistencia eléctrica en el circuito, t - tiempo de descarga.
Combinando en un circuito eléctrico
Para determinar la capacitancia de los capacitores que están disponibles encircuito eléctrico, cabe recordar que se pueden combinar de dos formas diferentes:
- Conexión serie: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Conexión paralela: Cs =C1+C2+…+C.
Cs - capacitancia total de n capacitores. La capacitancia eléctrica total de los capacitores se determina mediante fórmulas similares a las expresiones matemáticas para la resistencia eléctrica total, solo la fórmula para la conexión en serie de dispositivos es válida para la conexión en paralelo de resistencias y viceversa.
