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Capacitor

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Ejemplos de capacitores. La escala principal es dada en centímetros.

Capacitor (portugués brasileño) o condensador (portugués europeo) es un componente que almacena energía en un campo eléctrico, acumulando un desequilibrio interno de carga eléctrica.

Históricamente, la idea de su uso se basa en la Botella de Leiden inventada accidentalmente en 1746 por Pieter van Musschenbroek en la ciudad de Leyden en Holanda.

Tabla de contenido

Física del capacitor

Visión general

Los formatos típicos consisten en dos electrodos o placas que almacenan cargas opuestas. Estas dos placas son conductoras y son separadas por un isolante o por un dielétrico. La carga es almacenada en la superficie de las placas, en el límite con el dielétrico. Debido al hecho de cada placa almacenar cargas iguales, sin embargo opuestas, la carga total en el dispositivo es siempre cero.

Esquema de um capacitor simples de placas paralelas
Cuando una diferencia de potencial V = Ed es aplicada a la placas de este capacitor simple, surge un campo eléctrico entre ellas. Este campo eléctrico es producido por la acumulação de una carga en las placas.

Capacitância

La propiedad que estos dispositivos tienen que almacenar energía eléctrica bajo la forma de un campo eletrostático es llamada de capacitância o capacidad (C) y es medida por el quociente de la cantidad de carga (Q) almacenada por la diferencia de potencial o tensión (V) que existe entre las placas:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): C = \frac{Q}{\Delta V}


Por el Sistema Internacional de Unidades (), un capacitor tiene la capacitância de un farad (F) cuando un coulomb de carga causa una diferencia de potencial de un voltio (V) entre las placas. El farad es una unidad de medida considerada muy grande para circuitos prácticos, por eso, son utilizados valores de capacitâncias expressos en microfarads (μF), nanofarads (nF) o picofarads (pF).

La ecuación arriba es exacta solamente para valores de Q muy mayores que la carga del electrón (y = 1,602 × 10−19 C). Por ejemplo, si una capacitância de 1 pF fuera cargada a una tensión de 1 µV, la ecuación perdería una carga Q = 10−19 C, pero esto sería imposible ya que sería más pequeña del que la carga en un único electrón. Sin embargo, las experiencias y las teorías recientes sugieren la existencia de cargas fraccionarias.

La capacitância de un capacitor de placas paralelas constituido de dos electrodos planos idénticos de área A separados a la distancia constante d es aproximadamente igual a:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): C = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{A d.}{}

donde

Energía

La energía (en el , medida en Joules) almacenada en un capacitor es igual al trabajo hecho para cargarlo. Considere un capacitor con capacitância C, con una carga +q en una placa y -q en la otra. Moviendo un pequeño elemento de carga dq de una placa para la otra contra la diferencia de potencial V = q/C necesita de un trabajo dW:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): dW = \frac{q}{C}dq


Nodos podemos descubrir la energía almacenada en un capacitor integrando esa ecuación. Comenzando con un capacitor descargado (q=0) y moviendo carga de una placa para la otra hasta que las placas hayan carga +Q y -Q , necesita de un trabajo W:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): W_{cargando} = \int_{0}^{Q} \frac{q}{C} dq = \frac{1}{2}\frac{Q^2}{C} = \frac{1}{2}CV^2 = Y_{almacenada}


A capacitor with a dielectric
Los electrones de las moléculas cambian en dirección a la placa de la izquierda positivamente cargada. Las moléculas entonces crean un campo eléctrico del lado izquierdo que anula parcialmente el campo creado por las placas. (El espacio del aire es mostrado para mayor claridad; en un capacitor real, el dielétrico queda en contacto directo con las placas.)

Circuitos eléctricos

Los electrones no pueden pasar directamente a través del dielétrico de una placa del capacitor para la otra. Cuando una tensión es aplicada a un capacitor a través de un circuito externo, la corriente fluye para una de las placas, cargándola, mientras fluye de la otra placa, cargándola, inversamente. En otras palabras, cuando la Tensión que fluye por un capacitor cambia, el capacitor será cargado o descargado. La fórmula corriente es dada por

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): I = \frac{dQ}{dt} = C\frac{dV}{dt}

Donde I es la corriente fluyendo en la dirección convencional, y dV/dt es la derivada de la tensión, en relación al tiempo.

En el caso de una tensión continua (DC o también designada CC) luego un equilibrio es encontrado, donde la carga de las placas corresponden a la tensión aplicada por la relación Q=CV, y ninguna corriente más podrá fluir por el circuito. Luego la corriente continua (DC) no puede pasar. Sin embargo, corrientes alternas (AC) pueden: cada cambio de tensión ocasiona carga o descarga del capacitor, permitiendo de esta forma que la corriente fluya. La cantidad de "resistencia" de un capacitor, bajo régimen AC, es conocida como reatância capacitiva, y la misma varía conforme varía la frecuencia de la señal AC. La reatância capacitiva es dada por:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): X_C = \frac{1}{2 \pi f C}

Donde:

El tiempo de carga de un condensador es definido por la expresión: T = R x C (Ver: [1])

ES denominada reatância pues el capacitor reacciona la cambios en la tensión, o diferencia de potencial.

De esta forma la reatância es proporcionalmente inversa a la frecuencia de la señal. Como señales DC (o CC) poseen frecuencia igual a cero, la fórmula confirma que capacitores bloquean completamente la corriente aplicada directamente, después de un determinado tiempo, en que el capacitor está cargando. Para corrientes alternas (AC) con frecuencias muy altas la reatância, por ser muy pequeña, puede ser despreciada en análisis aproximados del circuito.

La impedância de un capacitor es dada por:

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): Z = \frac{-j}{2 \pi f C}

cuya j es el número imaginário.

Por lo tanto, la reatância capacitiva es el componente imaginário negativo de la impedância.

En un circuito sintonizado tal como un receptor de radio, la frecuencia seleccionada es una función de la indutância (L) y de la capacitância (C) en serie, como dato en

Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): f = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}

Esa es la frecuencia en la cual la resonancia ocurre, en un circuito RLC en serie.

Asociación de capacitores

En un circuito de condensadores montados en paralelo todos están sujetos a la misma diferencia de potencial (tensión). Para calcular su capacidad total (Ceq):

um diagrama com vários capacitores, lado a lado, cada qual com a ponta correspondente conectada aos mesmos fios
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): C_{eq} = C_1 + C_2 + \cdots + C_n \,\!


La corriente que fluye a través de capacitores en serie es la misma, sin embargo cada capacitor tendrá una caída de tensión (diferencia de potencial entre sus terminales) diferente. La suma de las diferencias de potencial (tensión) es igual la diferencia de potencial total. Para conseguir la capacitância total:

Um diagrama com vários capacitores, conectados pelas pontas, em sequência, com a mesma quantidade de corrente atravessando cada um
Falló al verificar gramática (El ejecutable texvc no fue encontrado. Consulte math/README para instrucciones de la configuración.): \frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + \cdots + \frac{1}{C_n}


En la asociación mixta de capacitores, se tiene capacitores asociados en serie y en paralelo. En ese caso, el capacitor equivalente debe ser obtenido, resolviéndose el circuito en partes, conforme su configuración. Por eso, calcule, antes asociación de capacitores en serie para después de efectuar el cálculo de los capacitores en paralelo.

Capacitores en la práctica

Capacitores comunes

Se presenta con tolerancias de 5 % o 10 %.

Capacitores son frecuentemente clasificados en consonancia con el material usado como dielétrico. Los siguientes tipos de dielétricos son usados:

Propiedades importantes de los capacitores, además de su capacitância, son la máxima tensión de trabajo y la cantidad de energía perdida en el dielétrico. Para capacitores de alta potencia la corriente máxima y la Resistencia en Serie Equivalente (ESR) son consideraciones posteriores. Un ESR típico para la mayoría de los capacitores está entre 0,0001 ohm y 0,01 ohm, valores bajos preferidos para aplicaciones de corrientes altas.

Ya que capacitores tienen ESRs tan bajos, ellos tienen la capacidad de entregar corrientes enormes en circuitos cortos, lo que puede ser peligroso. Por seguridad, todos los capacitores grandes deberían ser descargados antes del manuseio. Eso es hecho colocándose un resistor pequeño de 1 ohm a 10 ohm en las terminales, eso es, creando un circuito entre las terminales, pasando por el resistor.

Capacitores también pueden ser fabricados en aparatos de circuitos integrados de semicondutores , usando líneas metálicas e isolantes en un substrato. Tales capacitores son usados para almacenar señales analógicos en filtros chaveados por capacitores, y para almacenar datos digitales en memoria dinámica de acceso aleatoria (DRAM). Diferentemente de capacitores discretos, sin embargo, en la mayor parte del proceso de fabricación, tolerancias precisas no son posibles (15 % a 20 % es considerado bueno).

Identificación del valor en el capacitor cerâmico

Archivo:Capacitorceramico.jpg
Identificación de valor en el capacitor cerâmico

Los capacitores cerâmicos, presentan impresos en el propio cuerpo, un conjunto de tres algarismos y una letra. Para obtenerse el valor del capacitor, los dos primeros algarismos, representan los dos primeros dígitos del valor del capacitor y el tercero algarismo (algarismo multiplicador), representa el número de ceros a la derecha, la letra representa la tolerancia (pudiendo ser omitida)del capacitor (rango de valores en que la capacitância variará)para los capacitores cerâmicos hasta 10pF es expresa en pF los por encima de 10pF es expresa en porcentagem. El valor es expreso en pF. Por ejemplo un capacitor con 224F impresa en el propio cuerpo, poseerá una capacitância de 220000pF con una tolerancia del +/- 1% (su valor puede ser un porcento de más o la menos de ese valor).

Archivo:Toleranciacapacitorceramico.jpg
Tabla de tolerancia en el capacitor cerâmico

Identificación del valor en el capacitor de poliéster

Para la identificación de los valores del capacitor de poliéster es usado un conjunto de 7 rangos coloreados (conforme tabla), aunque sea un método en desuso por los fabricantes, en el cual cada rango representará respectivamente:primero algarismo,según algarismo, algarismo multiplicador, tolerancia y tensión.El valor es obtenido en pF.

Archivo:Capacitor poliester.jpg
Identificación en el capacitor de poliéster
Archivo:Tabelacapacitores.jpg
Tabla para identificación de los valores del capacitor de poliéster

Capacitores variables

Hay dos tipos distinguidos de capacitores variables, cuyas capacitâncias pueden ser cambiadas intencionalmente y repetidamente al largo de la vida del dispositivo:

Archivo:Capacitorvariavel.jpg
Capacitor variable de sintonia de radio
Archivo:Diodovaricap.jpg
Varicaps en diferente envolventes

Capacitores de Capa Doble Eléctrica (EDLCs)

Esos dispositivos, frecuentemente llamados de supercapacitores o ultracapacitores para simplificar, son capacitores que usan una capa de eletrolítico de espesor molecular, en vez de una hoja manufaturada de material, como el dielétrico. Como la energía almacenada es inversamente proporcional al espesor del dielétrico, esos capacitores tienen una densidad de energía extremadamente alta. Los electrodos son hechos de carbono activado, que tiene una área de superficie alta por unidad de volumen, aumentando la densidad de energía del capacitor. EDLCs individuales tienen capacitâncias de centenares o hasta miles de farads.

Los EDLCs pueden ser usados como sustitutos para batirías en aplicaciones en que una gran corriente de descarga sea necesaria. Ellos también pueden ser recargados centenares de miles de veces, diferentemente de las batirías convencionales que duran sólo algunos pocos centenares o miles de ciclos de recarga.

Aplicaciones

Capacitores son comumente usados en fuentes de energía donde ellas suavizan la salida de una onda rectificada completa o media onda.

Por pasar señales de Corriente Alterna pero bloqueen Corriente Continua, capacitores son frecuentemente usados para separar circuitos Corriente alterna de corriente continúa. Este método es conocido como acoplamiento AC.

Capacitores también son usados en la corrección de factor de potencia. Tales capacitores frecuentemente vienen como tres capacitores conectados como una carga trifásica. Generalmente, los valores de esos capacitores no son dados por su capacitância, pero por su potencia reactiva en var.

Historia

La Jarra de Leyden fue la primera forma de capacitor. Fuera inventada en la Universidad de Leyden, en Holanda por Pieter van Musschenbroek. Ella era una jarra de vidrio cubierta interna y externamente, pero sin tocarse, con metal. La cobertura interna era conectada a una varilla que falda por la estricción de la jarra y terminaba en un balón de metal, de esta forma el vidrio de la jarra se comportaba como el dielétrico armazenador de las cargas eléctricas y los metales de las paredes interna y externa como las armaduras de este capacitor primitivo.

Corriente de Desplazamiento

El físico James Clerk Maxwell inventó el concepto de corriente de desplazamiento, dD/dt, para hacer la Ley de Ampère consistente con la conservación de carga en casos en que la carga se acumula, como por ejemplo en un capacitor. Él interpretó este fenómeno como un movimiento real de cargas, aún en el vácuo, donde él supuso que correspondería al movimiento de cargas de un dipolo en el éter. Aunque esa interpretación haya sido abandonada, la corrección de Maxwell a la ley de Ampere permanece válida (un campo eléctrico variable produce un campo magnético).

La corriente de desplazamiento debe ser incluida, por ejemplo, para aplicación de las Leyes de Kirchhoff a un capacitor.

Referencias

Ver también

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