Capacitores

Electrónica. Campo eléctrico. Capacitor. Condensadores. Placas paralelas. Circuitos eléctricos. Mediciones electrónicas. En serie. En paralelo

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EL CAMPO ELECTRICO

Existe una fuerza de atracción o repulsión entre dos cuerpos cargados. Considerando el campo eléctrico que existe en la zona que rodea a cualquier cuerpo cargado. Ese campo eléctrico se representa por medio de líneas de flujo eléctrico, que se dibujan para indicar la intensidad del campo eléctrico, que se dibujan para indicar la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto en torno al cuerpo cargado; o sea, cuanto más densas sean las líneas de flujo, tanto más intenso será el campo eléctrico. En la figura 1.1, el campo eléctrico es más intenso en la posición a que en la b, porque las líneas de flujo son más densas en a que en b. El símbolo para el flujo eléctrico es la letra griega (psi). El flujo por unidad de superficie (densidad de flujo) se representa mediante la letra D y se determina por medio de

Cuanto mayor sea la carga Q en coulombs, tanto mayor será el número de líneas de flujo que salen o llegan por unidad de área, independientemente del medio circundante. El doble de la carga producirá dos veces el flujo por unidad de área; por ende, se pueden igualar las dos cosas como sigue:

(coulombs, C)

Por definición, la intensidad del campo eléctrico en un punto es la fuerza que actúa en ese punto sobre una carga positiva unitaria, o sea,

(Newtons/coulombs, N/C)

La fuerza ejercida sobre una carga positiva unitaria (Q2=1) por una carga Q1, situada a una distancia r metros, se determina mediante la ley de Coulomb:

KQ1Q2 KQ1(1) KQ1

F= = = (k=9X109)

r2 r2 r2

Sustituyendo esta fuerza F en la ecuación (3), se tiene:

F KQ1/r2

 = =

Q2 1

KQ1

 = (N/C)

r2

Por ende, podemos llegar a la conclusión de que la intensidad del campo eléctrico en cualquier punto situado a una distancia r de una carga puntual de Q coulombs es directamente proporcional a la magnitud de la carga, e inversamente proporcional a la distancia al cuadrado a que se encuentra la carga. El término al cuadrado en el denominador da como resultado una rápida disminución de la intensidad del campo eléctrico con la distancia del punto de la carga. Al sustituir las distancias R1 y R2 en la ecuación (4), verificaremos nuestra conclusión anterior de que la intensidad del campo eléctrico es mayor en a que en b.

Las líneas de flujo se extienden siempre de un cuerpo con carga positiva a otro con carga negativa, se originan o terminan perpendicularmente a la superficie cargada y nunca se intersecan. Para dos cargas de polaridad similares u opuestas, la distribución de flujos aparecerá como se muestra en la figura (2).

Se puede explicar ya la atracción y la repulsión entre cargas, en términos del campo eléctrico y sus líneas de flujo. En la figura (2a), las líneas de flujo no están entrelazadas, sino que tienden a actuar como amortiguadores, evitando la atracción y provocando repulsión. Puesto que la intensidad del campo eléctrico es mayor (líneas de flujo más densas) para cada carga, cuanto más nos esforcemos en acercar las dos cargas, una a la otra, tanto más fuerte será la repulsión entre ellas. En la figura (2b), las líneas de flujo que se extienden de la carga positiva terminan en la carga negativa. Una ley básica de física establece que las líneas de flujo eléctrico tienden a ser siempre tan cortas como sea posible; por ende, las dos cargas se verán atraídas una hacia la otra También en este caso, cuanto más cercanas se encuentren las cargas, tanto mayor será la atracción entre ellas, debido al aumento de las intensidades de los campos.

CONCEPTO Y CARACTERÍSTICAS DE LOS CAPACITORES

Nos movemos lentamente de los temas fundamentales hacia los temas de importancia práctica. Las leyes de la naturaleza y los desarrollos abstractos que hemos manejado hasta ahora nos van a servir para interpretar algunas situaciones que se presentan con ingenios o aparatos de utilidad práctica. De hecho, el invento de estos aparatos es una aplicación de los principios fundamentales para la consecución de un fin práctico. Debe notarse que, conforme nos adentramos en las cuestiones prácticas, nos alejamos de la escala atómica y nos acercamos a la escala humana. Esto no debe sorprendernos: es lógico esperar que los inventos humanos estén en la escala de lo humano... En fin, empezaremos este camino de la aplicación de los conceptos básicos a cuestiones prácticas con el estudio de los capacitores.

Ahora bien, se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.

En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa. Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.

Los capacitores pueden conducir corriente continua durante sólo un instante (por lo cual podemos decir que los capacitores, para las señales continuas, es como un cortocircuito), aunque funcionan bien como conductores en circuitos de corriente alterna.

Es por esta propiedad lo convierte en dispositivos muy útiles cuando se debe impedir que la corriente continua entre a determinada parte de un circuito eléctrico, pero si queremos que pase la alterna.

Los capacitores se utilizan junto con las bobinas, formando circuitos en resonancia, en las radios y otros equipos electrónicos. Además, en los tendidos eléctricos se utilizan grandes capacitores para producir resonancia eléctrica en el cable y permitir la transmisión de más potencia, así como en :

VENTILADORES

MOTORES DE AIRE ACONDICIONADO

ILUMINACIÓN

REFRIGERACIÓN,

COMPRESORES

BOMBAS DE AGUA

MOTORES DE CORRIENTE ALTERNA

Los capacitores se fabrican en gran variedad de formas y se pueden mandar a hacer de acuerdo a las necesidades de cada uno. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico usado, de esta forma podemos distinguir los siguientes tipos:

PLÁSTICO.

MICA.

ELECTROLÍTICOS.

DE DOBLE CAPA ELÉCTRICA

El papel y el aceite y el vacío se usan como dieléctricos, según la utilidad que se pretenda dar al dispositivo. Pueden estar encapsulados en baquelita con válvula de seguridad, sellados, resistentes a la humedad, polvo, aceite; con terminales para conector hembra y/o soldadura. También existen los capacitores de Marcha o Mantenimiento los cuales están encapsulados en metal. Generalmente, todos los Capacitores son secos, esto quiere decir que son fabricados con cintas de plástico metalizado, autoregenerativos, encapsulados en plástico para mejor aislamiento eléctrico, de alta estabilidad térmica y resistentes a la humedad.

El primer capacitor es la botella de Leyden, el cual es un capacitor simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un capacitor es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.

La botella de Leyden, uno de los capacitores más simples, almacena una carga eléctrica que puede liberarse, o descargarse, juntando sus terminales, mediante una varilla conductora. La primera botella de Leyden se fabricó alrededor de 1745, y todavía se utiliza en experimentos de laboratorio.

Para un capacitor se define su capacidad como la razón de la carga que posee uno de los conductores a la diferencia de potencial entre ambos, es decir, la capacidad es proporcional al la carga e inversamente proporcional a la diferencia de potencial: C = Q / V, medida en Farad (F).

La diferencia de potencial entre estas placas es igual a: V = E * d ya que depende de la intensidad de campo eléctrico y la distancia que separa las placas. También: V =q / e * d, siendo q carga por unidad de superficie y d la diferencia entre ellas. Para un capacitor de placas paralelas de superficie S por placa, el valor de la carga en cada una de ellas es q * S y la capacidad del dispositivo:

1C = q * S / (q * d / ð ) = ð * S / d

Siendo d la separación entre las placas.

La energía acumulada en un capacitor será igual al trabajo realizado para transportar las cargas de una placa a la otra venciendo la diferencia de potencial existente ellas:

ð W = V * ð q = (q / C) * ð q

La energía electrostática almacenada en el capacitor será igual a la suma de todos estos trabajos desde el momento en que la carga es igual a cero hasta llegar a un valor dado de la misma, al que llamaremos Q.

W = V * dq = ( 1 / C) * ( q * dq) = 1 / 2 (Q2 / C)

Si ponemos la carga en función de la tensión y capacidad, la expresión de la energía almacenada en un capacitor será: W = 1/2 * C * V2 medida en unidades de trabajo.

Dependiendo de superficie o área de las placas su fórmula de capacidad es:

C = ð * A / 4ð d, donde ð es la constante dieléctrica.

UN CAPACITOR IDEAL

Vamos a suponer que construimos un aparato que consiste de dos placas metálicas paralelas conectadas mediante cables a una fuente electromotriz. La fuente electromotriz será, por el momento, un misterioso aparato cuya función es la de llevar cargas eléctricas desde un punto de potencial bajo hasta un punto de potencial alto. Nótese que, para hacer esto, la fuente electromotriz debe invertir energía, toda vez que su acción se opone a la tendencia natural de las cargas de ir de un punto de alto potencial a un punto de bajo potencial. Más adelante veremos la naturaleza de estas fuentes electromotrices, por ahora baste señalar que una pila es una fuente electromotriz. Así que para fines de la discusión que sigue, pensemos en la fuente electromotriz como una pila.

Nuestro aparato consiste de dos placas metálicas paralelas. Acabaremos por colocar carga eléctrica sobre estas placas. Vamos a suponer que la carga sobre una placa es de la misma magnitud a la de la otra placa pero de signo opuesto: tenemos una situación que hemos estudiado previamente. Sabemos que si las placas fueran infinitas, el campo eléctrico en la región intermedia sería uniforme, y sería cero fuera de esa región. Sin embargo las placas de nuestro aparato no son infinitas, así que ¿cómo es el campo eléctrico en este caso? Hemos visto que resulta conveniente aproximar la situación real por una situación idealizada, y que, en ocasiones, la aproximación es prácticamente indistinguible de la solución exacta, así que ajustaremos las condiciones reales de nuestro aparato para que la aproximación sea buena. Nos interesan las placas infinitas porque el campo que producen es uniforme. Una placa de dimensiones finitas parece infinita si la vemos desde un punto localizado muy cerca de ella. Así que para que el campo eléctrico producido por las placas sea uniforme, como el producido por placas infinitas, debemos limitarnos a regiones muy cercanas a la placa. ¿Qué tan pequeña es esta región? Una manera de medirla es considerar que la distancia entre las placas (que determina la región donde el campo eléctrico es uniforme) sea mucho más pequeña que la propia placa, como se ve en la figura 1.

Figura 1. Un capacitor de placas paralelas. En este ejemplo, las placas son cuadradas y tienen lado a. La separación entre las placas es d. Para que el campo sea aproximadamente uniforme entre las placas a>>d.

Lo que tenemos que hacer para construir nuestro aparato es conseguir placas grandes (por ejemplo, placas cuadradas de lado a) y separarlas una distancia pequeña, d. El campo eléctrico entre las placas será uniforme si a>>d.

Sólo nos falta describir los cables con los que conectamos las placas a la fuente electromotriz. Vamos a suponer que estos cables son conductores ideales, es decir, las cargas viajan a través de ellos sin perder energía. Como no se realiza trabajo, el potencial es el mismo en todos los puntos del alambre.

Lo que acabamos de construir es un circuito eléctrico con un capacitor ideal. En la figura 2 se muestra una representación esquemática del circuito.

'Capacitores'

Figura 2. Un circuito eléctrico con una fuente electromotriz y un capacitor.

TIPOS DE CAPACITORES

CAPACITORES FIJOS

Estos capacitores tienen una capacidad fija determinada por él fabricante y su valor no se puede modificar. Sus características dependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de tal forma que los nombres de los diversos tipos se corresponden con los nombres del dieléctrico. usado.

De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos

  • Cerámicos

  • Plástico

  • Mica

  • Electrolíticos

  • De doble capa eléctrica

Capacitores cerámicos

El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más usado en el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar en 2 grupos:

Grupo I:

Caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante.

Grupo 2:

Su coeficiente de temperatura no ésta prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevada permisividad.

Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.

Capacitores de plástico

Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas temperaturas de funcionamiento y según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los tipos K y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo).

Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:

KS: Styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.

KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.

MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.

MKY: dieléctrico de polipropileno de gran calidad y laminas de metal vaporizado.

MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster).

MKC: Makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico.

A nivel orientativo estas pueden ser las características típicas de los capacitores de plástico:

Tipo

Capacidad

Tolerancia

Tensión

Temperatura

KS

2pF-330nF

+/-0.5%,+/-5%

25V-630V

-55ºC-70ºC

KP

2pF-100nF

+/-1%,+/-5%

63V-630V

-55ºC-85ºC

MKP

1.5nF-4700nF

+/-5%,+/-20%

0.25KV-40KV

-40ºC-85ºC

MKY

100nF-1000nF

+/-1%,+/-5%

0.25KV-40KV

-55ºC-85ºC

MKT

680pF-0.01mF

+/-5%,+/-20%

25V-630V

-55ºC-100ºC

MKC

1Nf-1000nF

+/-5%,+/-20%

25V-630V

-55ºC-100ºC

Capacitores de mica.

El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo.

Capacitores electrolíticos

En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados.

Podemos distinguir dos tipos:

  • Electrolíticos de aluminio : la armadura metálica es de aluminio y el electrolito de tetraborato armónico.

  • Electrolítico de tántalo: el dieléctrico está constituido por óxido de tántalo y nos encontramos con mayores valores capacitivos que los anteriores para un mismo tamaño. Por otra parte las tensiones nominales que soportan son menores que los de aluminio y su costo es algo más elevado.

Capacitores de doble capa eléctrica.

Estos capacitores también se conocen como supercapacitores o CAEV debido a la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.

CAPACITORES VARIABLES

Estos capacitores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites. Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre capacitores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo sintonizadores); y capacitores ajustables o trimmers, que normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a punto).

La variación de la capacidad se lleva a cabo mediante el desplazamiento mecánico entre las placas enfrentadas. La relación con que varían su capacidad respecto al ángulo de rotación viene determinada por la forma constructiva de las placas enfrentadas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida.

IDENTIFICACIÓN DE VARIABLES

Vamos a disponer de un código de colores, cuya lectura varía según el tipo de condensador, y un código de marcas, particularizado en los mismos. Primero determinaremos el tipo de condensador (fijo o variable) y el tipo concreto dentro de estos.

Las principales características que nos vamos a encontrar en los capacitores van a ser la capacidad nominal, tolerancia, tensión y coeficiente de temperatura, aunque dependiendo de cada tipo de traerán unas características u otras.

En cuanto a las letras para la tolerancia y la correspondencia número - color del código de colores, son lo mismo que para resistencias. Debemos destacar que la fuente más fiable a la hora de la identificación son las características que nos proporciona el fabricante.

Estos capacitores siempre indican la capacidad en microfaradio y la máxima tensión de trabajo en voltios. Dependiendo del fabricante también puede venir indicados otros parámetros como la temperatura y la máxima frecuencia a la que pueden trabajar. Tenemos que poner especial atención en la identificación de la polaridad. Las formas más usuales de indicación por parte de los fabricantes son las siguientes:

Capa citores de tantalio

Actualmente estos capacitores no usan el código de colores (los más antiguos, sí); con el código de marcas la capacidad se indica en microfaradios y la máxima tensión de trabajo en voltios. La terminal positiva se indica con el signo +.

CAPACITANCIA

Este efecto de capacitancia de por ejemplo si dos placas paralelas de un material conductor, separadas por un hueco de aire, se han conectado a una batería mediante un interruptor t un resistor. Si las placas paralelas están inicialmente descargadas y se deja el interruptor abierto, no existirá ninguna carga positiva ni negativa neta en ninguna de las placas; sin embargo , en el momento en que se cierre el interruptor , se atraeran electrones a través del conductor superior y por el resistor a la terminal positiva de la bateria. Esta acción crea una carga positiva neta en la placa superior. La terminal negativa repele electrones por el conductor inferior a la placa inferior y al mismo tiempo, la placa superior atrae esos electrones. Esta transferencia de electrones continua hasta que la diferencia de potencial a través de las placas paralelas es exactamente igual a la fuerza electromotriz de la batería. El resultado final es una carga positiva neta en la placa superior y una carga negativa en la inferior.

El capacitor, construido simplemente con dos placas conductoras paralelas separadas por un material aislante, tiene una medida que la: capacitancia. Es una medida de la eficiencia de un capacitor para almacenar carga en sus placas. Un capacitor tiene una capacidad de un farad si se deposita en las placas una carga de un coulomb mediante una difencia de potencial de un volt entre las placas. Si se expresa en forma de ecuación, la capacitancia se determinara por medio de :

C = Q / V

C = farads.

Q = coulombs

V = volts

Si se aplica una diferencia de potencial de V volts a las dos placas, separadas por un a distancia (d), la intensidad del campo eléctrico entre las placas se determinaran por medio de:

 = V / d (volts / metro)

La capa de la carga positiva en una superficie y la carga negativa de la otra no se neutralizan, da como resultado el establecimiento de un campo eléctrico en el interior del aislador. El campo eléctrico neto entre las placas se reducira debido a la inserción del campo eléctrico. La función del dieléctrico es crear un campo eléctrico que se oponga al establecimiento por cargas libres en las placas paralelas. Por esta razón el material aislante se le denomina dieléctrico.

La razón de la densidad de flujo a la intensidad del campo eléctrico en el dieléctrico se denomina permitividad del dieléctrico:

 = D /  (farads / metro)

Para el vació, el valor de  es de 8.85 x 10 -12 F/m. La razón de la permitividad de cualquier dieléctrico a la del vació se denomina permitividad relativa r .

En forma de ecuación:

r =  / 0

Por consiguiente, el valor de  para cualquier material es:

 = r 0

Tabla de permitividad relativa de varios dieléctricos

Dieléctrico r(Valores promedios)

Vació 1.0006

Aire 1.0

Teflón 2.0

Papel parafinado 2.5

Caucho 3.0

Aceite de transformador 4.0

Mica 5.0

Porcelana 6.0

Baquelita 7.0

Vidrio 7.5

Agua 80.00

Títanio de bario y estroncio(ceramica) 7 5000.0

El área de las es otro factor a considerar, puesto que las placas grandes presentan mayor área para la distribución de los electrones que las placas pequeñas, el aumento de estas aumentara la carga a igualdad de tensión y por consiguiente aumentara la capacidad. En forma de ecuación que daría de la siguiente manera:

A = (C d) / r

A = área en metros cuadrados.

d = distancia entre las placas en metros.

r = La constante dieléctrica.

C = capacitancia.

LEYES Y PROPIEDADES DE LA CAPACIDAD

Las propiedades de inductancia y de capacidad se pueden comparar a la inercia. Cuando se aplica inicialmente una tensión entre los extremos de una bobina, la inductancia de ésta se opone a la iniciación de la corriente; si desaparece la tensión en la bobina, la inductancia se opone a la disminución de la corriente. Esto constituye una especie de inercia eléctrica.

Cuando se aplica una tensión entre las terminales o placas de un condensador, éste no presentará inicialmente en la práctica resistencia alguna, lo que permite que se establezca una corriente de gran intensidad. En efecto, el condensador se opone a la tensión productora de la corriente. Por otra parte, cuando se suprime la tensión aplicada al condensador, la corriente tenderá a mantener aquella tensión. Por consiguiente, el efecto inductivo se opone al corriente mientras el efecto capasitivo se opone a la tensión. También esto es una clase de inercia.

FACTORES QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD

La capacidad de un condensador depende del tipo de dieléctrico, el área de las placas y la distancia entre ellas.

Dieléctrico.

El medio que separa las placas de un condensador se llama dielectrico, y esta constituido por un material no cnductor. El aire mismo es un dielectrico, y muchos condensadores empleados en aplicaciones electrónicas son de la variedad de dielectrico de aire. Diferentes dielectricos producen diferentes capacidades. Por ejemplo, un condensador acusara un mercado aumento de capacidad si su dielectrico es mica en vez de aire. La aptitud del material dieléctrico para aumentar la capacidad se llama constante dilectrica, rigidez. Cuando la constante dielectrica es mayor , la capacidad aumenta.

Como las estructuras de los atomos difieren de un material a otro, la naturaleza del dieléctrico es un factor importante en la determinación de su capacidad. En la mayoria de tablas d constantes dielectricas , k, al aire se le asigna una constante de 1 y a otros materiales se les asigna un valor que corresponde al factor por el que multiplican la capacidad cuando substituyen al aire. Por ejemplo, la mica tiene una constante dielectrica de 5,5 ya que aumenta en 5,5 veces la capacidad cuando substituye al aire, mientras el oxido de aluminio tiene una k de 10 por que es 10 veces mayor que la del aire.

La tensión hasta la cual se puede cargar un condensador con seguridad sin que se rompa o perfore el dielectrico afecta tambien a la rigidez dielectrica . Se le suele denominar tensión continua de trabajo , y varia con la rigidez dielectrica del material.

Distancia.

El dieléctrico se opone al establecimiento de las lineas electroestáticas de fuerza entre placas. La carga de un condensador implica un trabajo a causa de que el dielectrico se opone a que se establezcan estas lineas, o el desplazamiento del campo electrico normal dentro del dielectrico. La energía de la fuente se carga es almacenada com energia electroestática en el dielectrico y es devulta al circuito cuando se descarga el condensador. Sin embargo, como es necesaria un fuerzapara deformar las orbitas de los electrones en el dielectrico , la reducción del espesor del dielectrico del dielectrico da por resultado una reducción de la oposición al flujo electroestático. Por consiguiente, si la separación entre las placas se reduce empleando un dielectrico mas delgado, el resultado sera un aumento de la capacidad del condensador.

Area de las placas.

Puesto que las placas grandes presentan mayor area para la distribución de los electrones que las placas pequeñas , el aumento del area de la placas aumentara la carga a igualdad de tensión y por consiguiente aumentara la capacidad. Por la definición de capacidad resulta evidente que el numero de electrones que fluyen de una a otra placa sera directamente proporcional al área de la placa. La capacidad de un condensador es pues directamente proporcional al área activa de sus placas y a mayor area , mayor capacidad.

Tambien aumenta la capacidad del condensador cuando la distancia entre sus placas es menor, pero entonces la tensión que puede soportar el condensador, es decir, la tensión de trabajo es menor. Esto se puede compensar aumentando el area de las placas, pero la solucion para conciliar estas dos condiciones contradictorias es el empleo de un dielectrico de mayor rigidez. Recientemente se han descubierto algunos titanatos ( combinaciones de titanio con otros elementos ) cuya constante dielectrica es mayor de 100. Los condensadores en que se emplea este tipo de material dielectrico tiene muchas aplicacione en electronica cuando hay que economizar.

RIGIDEZ DIELECTRICA.

Para cada dielectrico, hay un potecial que si se le aplica, romperia los enlaces en el interior del aislante y haria que circulara la corriente. La tensión necesaria por unidad de longitud ( intensidad del campo electrico ) para provocar la conducción en un material dielectrico es una indicación de su rigidez dielectrica y se denomina tensión de roptura. Cuando se produce , el capacitor tiene características muy similares a la de un resistor. Un ejemplo tipico de ruptura es el de los rayos, que se producen cuando el potencial entre las nubes y la tierra es tan alto que puede pasar una carga de unas a las otras a través de la atmosfera, que actuan como dielectrico.

Las fuerzas dielectricas promedio para varios dielectricos se tabulan en volts/mil in .

Fuerza dieléctrica

(valor promedio),en

Dieléctrico volts/mil

Aire 75 (1.0006)

Titanito de bario y estroncio

(cerámica) 75

Porcelana 200

Aceite de transformador 400

Baquelita 400

Caucho 700

Papel parafinado 1300

Teflón 1500

Vidrio 3000

Mica 5000

PERDIDAS CAPACITIVAS

Teóricamente se podría utilizar cualquier material aislante como dieléctrico en un condensador, pero hay otros factores qe intervienen en las pérdidas del condensador, por lo que la elección del material dieléctrico es una consideración importante.

Fuga. Si la resistencia de aislamiento del material dieléctrico es baja, ,habrá fuga entre las placas a través del dieléctrico. Esto no sólo reduce la carga en el condensador sino que también produce un efecto térmico desfavorable en el dieléctrico.

Histéresis dieléctrico. Cuando se carga un condensador, el dieléctrico está sometido a fuerzas internas. Los electrones orbitales del material son atraídos por la placa positiva. Aunque estos electrones no suelen salir de sus órbitas, su movimiento resulta perturbado. Cuando se descarga un condensador, la energía consumida en el retorno de estos electrones a sus orbitas normales se llama pérdida de histéresis. Aunque no es muy acusada en aplicaciones de c.c., la histéresis dieléctrico constituye un factor limitador en aplicaciones de alta frecuencia. Las pérdidas del condensador equivalen a una resistencia que retarda la carga y la descarga.

CORRIENTE DE FUGA

Se sabe que el flujo de electrones se producirá en un dieléctrico sólo cuando se alcance la tensión de ruptura. Este es el caso ideal. En realidad, hay electrones libres en cada dieléctrico, los cuales se deben, en parte, a impurezas en el dieléctrico y a fuerzas existentes en el interior del mismo material.

Cuando se aplica una tensión a las placas de un capacitor, fluye de una placa a otra una corriente de fuga debida a los electrones libres; sin embargo, la corriente suele ser tan pequeña que se puede despreciar para la mayoría de las aplicacio­nes prácticas. Este efecto se representa por medio de un resistor en paralelo con el capacitor, como se muestra en la figura. Su valor suele ser del orden de 1000 megaohms; empero, hay algunos capacitores, como los del tipo eléctrico, que tienen altas corrientes de fuga. Cuando se cargan y luego se desconectan del circuito de carga, esos capacitores pierden su carga con mucha rapidez debido al flujo de carga corriente de fuga de una placa a la otra (figura 9.8b).

CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR

Cuando al condensador le aplicamos una diferencia de potencial este se carga, ya que al no estar las dos placas metálicas unidas entre si directamente, sino por medio de una batería o pila, cada una de las placas se cargará con electricidad positiva o negativa, ya que una de las placas cederá electrones para que la otra los gane.

*Carga de¡ condensador.

Las armaduras de un condensador cuando se conectan a los polos de un generador de cc, adquieren cargas iguales y de signo contrario, diciéndose entonces que el condensador esta cargado. La carga se debe a un flujo de electrones que va hacía una de las placas desde la otra, dando por resultado una placa con carga negativa y otra con carga positiva. Este proceso no es instantáneo sino que se va realizando paulatinamente, dependiendo la mayor o menor rapidez de¡ mismo de la capacidad del condensador y de la resistencia del circuito.

*Descarga del condensador.

Se lleva a cabo cuando un flujo de electrones desde la placa de un condensador con cargo negativa va hacia la placa con carga positiva, eliminando así las cargas en las placas.

Normalmente en un circuito, los condensadores se cargarán y se descargarán a través de resistencias. La carga y descarga de un condensador a través de resistencias se produce según una constante de tiempo y dependiendo de la resistencia y de corriente que le administremos según la fórmula T = R - C.

Siendo T el tiempo en segundos, R el valor de la resistencia en Ohmios y C el valor del condensador en Faradios.

En una constante de tiempo el condensador se carga aproximadamente un 63%, en la segunda constante de tiempo se carga otro 63% y así sucesivamente, se considera que el condensador está totalmente cargado en 5 constantes de tiempo. El proceso de descarga es similar al de carga.

Las corrientes de carga y descarga de un condensador comienzan con un valor máximo y van declinando a cero a medida que el condensador se carga del todo o se descarga. En el caso del condensador en carga, las placas descargadas ofrecen poca oposición a la corriente de carga al principio, pero a medida que se van cargando ofrecen más y mas oposición. Reduciendo el flujo de corriente.

Del mismo modo, la corriente de descarga es grande al iniciarse la descarga porque la tensión del condensador cargado es alta, pero a medida que se produce la descarga, la tensión del condensador cae, dando como resultado un flujo de corriente menor.

Debido a que las corrientes de carga y descarga son más grandes en la iniciación de la carga y de la descarga del condensador, el promedio de corriente es mas alto si la polaridad se invierte rápidamente manteniendo la circulación de la corriente en valores altos.

EFECTO DE LA CAPACIDAD EN CIRCUITOS DE C.C.

La resistencia esta intercalada en el circuito con el fin de que la carga no sea muy rápida y se supone que es del valor conveniente.

La corriente de carga es máxima en el instante en el que se cierra el interruptor por que el numero de electrones que salen de una placa y se desplazan hasta la otra sera máximo. En el instante en que comienza la corriente , no hay tensión entre las placas del condensador a causa de que la tensión de la bateria sera la misma que exista entre los extremos del resistor. Por consiguiente, la corriente inicial es igual a la tensión en la bateria dividida por la resistencia de R

Asi, en el instante inicial o tiempo cero, o sea cuando se cierra el interruptor , habra la máxima coriente y la tensión será nula entre las placas del condensador.

La corriente empieza inmediatamente a cargar el condensador y entre las placas de este aparecera una pequeña tensión que sera proporcional a su carga. Como esta tensión se opone a la de la batería, se restara de ésta. Además, ahora el condensador contiene alguna cantidad de carga, la corriente se reducirá. Así después de cerrar el interruptor la corriente , desminuirá y la tensión entre las placas de C aumentará. Cuando C este completamente cargado la tensión que habrá entre las placas sera igual a la de la batria. En este instante no habra corriente en el circuito, la tensión entre los extremos del resistor será nula y la corriente que deja pasar el condensador sera cero.

El amperio será definido como cantidad o intensidad de corriente que transporta un colombio de electrones por segundo, o

I=Q/t

Donde: I = corriente, amperios

Q = carga, colombios

t = tiempo, segundos

Si la tensión entre las placas del condensador es igual a E/ t siendo E la tensión entre las placas del condensador y t el tiempo en segundos.

Como:

C = Q/E

La corriente en amperios se calcula por

I= CE /t

De esto se puede sacar algunas conclusiones importantes. Para una resistencia y una tensión dadas, un condensador pequeño ( poca capacidad ) se cargara en menos tiempo que un condensador grande . Una disminución de C originará una disminución de Q. Si se disminuye, el tiempo de carga t también condensador y Rp representa la resistencia del dieléctrico. En condensadores de alta calidad el valor de Rp es extremadamente alto , de varios megohmios. En ciertos condensadores electrolíticos el valor de Rp puede ser tan bajo como un décima de megohmio, o sea 100.000 ohomios.

CAPACIDAD EN EL CIRCUITO DE C.A.

La cantidad total de carga que un condensador dado puede tener es igual al producto de la capacidad en faradios , por la tensión existente entre las placas o terminales del condensador, expresada en voltios.

Q = CE

Hay que tener presente que Q ( carga en culombios ) es la cantidad o numero de electrones, mientras la velocidad con que el condensador recibe esta cantidad de electrones es la corriente del circuito, o culombios por segundo. En un circuito de c.a.

Imed = C E max

Esto significa que la corriente ( I med ) cando se carga un condensador es igual al producto de la capacidad por la velocidad de variación de la tensión. Así la corriente en un circuito capacitivo depende principalmente de tres factores.

  • Valor del Condensador ( Cuando C aumente , I aumenta ).

  • Tensión aplicada entre los terminales del condensador ( Cuando E Aumenta, I aumenta ).

  • Tiempo de carga ( cuando t aumenta, I disminuye ).

  • Relaciones entre la tensión y la corriente cuando se aplica un atención alternada entre las placas o terminales de un condensador ,las placas del condensador se cargaran y descargaran alternativamente siguiendo las variaciones de la tensión aplicada. La onda senoidal de la tensión en las placas es esencialmente la misma que la de la tensión de la fuente, excepto en Cuanto a la diferencia de fase . Los ciclos de carga y descarga en las placas provocan un continuo desplazamiento de los electrones, lo cual constituye una corriente alterna que se puede medir con un amperímetro conectado en serie con el condensador.

    Cuando La velocidad de la carga y la descarga aumenta, la corriente resultante es mayor . por tanto la corriente depende de la frecuencia o sea de la velocidada de carga y descarga. Cuando la frecuencia de la tensión aplicada aumenta , tambien aumenta la corriente en el circuito.

    Relaciones de fase. En un circuito capacitivo solo habra corriente cuando cambia la tensión aplicada al condensador. Con tensiones alternas la tensión cambia continuamente y simprehay corriente. Esta es máxima en el instante en que la velocidad de variación de la tensión es mayor, y ocurre cuando la tensión pasa por cero o 1800.

    Cuando el condensador esta completamente cargado , la corriente se reduce debido a que la polaridad de la carga es opuesta a la de la tensión aplicada. Cuando el condensador esta completamente cargado, la tensión aplicada y la de carga son de la misma amplitud pero de signos contrarios, por lo que cesa la corriente. A causa de esta fuerza contraelectromotriz que se desarrolla en el condensador y de que existe la misma corriente en el instante en que la variación de tensión es máxima, en un circuito capacitivo puro la corriente adelanta a la tensión en un ángulo de 900. Como no existe dieléctrico perfecto, la relacion de fase entre la corriente y la tensión será siempre menor de 900. Sin embargo en los buenos condensadores esta condicion casi se cumple y la diferencia se puede se puede despreciar para fines de calculo.

    CAPACITORES EN SERIE Y EN PARALELO.

    Los capacitores, como los resistores, se pueden conectar en serie y en paralelo. Para los capacitores en serie, la carga es al misma en todos ellos.

    QT = Q1 = Q2 = Q3

    Al aplicar la ley de tensiones de Kirchhoff en el lazo cerrado se tiene:

    Q1 Q2 Q3

    QT + - + - + -

    E V1 V2 V3

    E = V1 =V2 = V3

    Pero:

    V = Q / C

    De modo que:

    QT = Q1 =Q2 = Q3

    CT = C1 = C2 = C3

    Al utilizar la ecuación donde la carga es la misma y dividir ambos lados entre Q se tiene:

    1 = 1 = 1 = 1

    CT = C1 = C2 = C3

    Que es similar al modo en que se determina la resistencia total de un circuito resistivo en paralelo. La capacitancia total de dos capacitores en serie es:

    C1C2

    C1 + C2

    para los capacitores en paralelo, como se muestra, la tensión es la misma en todos los capacitores y la carga es la suma de la de cada capacitor.

    QT Q1 Q2 Q3

    + + + +

    E - - - -

    V1 V2 V3

    QT = Q1 + Q2 + Q3

    Pero:

    Q = CV por lo tanto CT. E = C1.V1 + C2. V2 + C3. V3

    Y:

    E = V1 = V2 = V3

    Por consiguiente:

    CT = C1 + C2 + C3

    BIBLIOGRAFÍA

    • Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio

    Stanley Wolf

    Prentice - Hall Hispanoamericana

    • Análisis de circuitos introductorios

    L. Boylestad

    • Física -Conceptos y aplicaciones

    Tippens

    • Física general

    Serway

    • Investigaciones en páginas varias de internet

    

    D" (flujo/ unidad de área)

    A

     " Q

    F

     =

    Q

    'Capacitores'

    'Capacitores'

    t

    ()

    (7500)

    (6.0)

    (4.0)

    (7.0)

    (3.0)

    (2.5)

    (2.0)

    (7.5)

    (5.0)

    CT =