Los condensadores son componentes fundamentales en el campo de la electrónica y juegan un papel crucial en varios circuitos electrónicos. Comprender los conceptos de capacitancia y carga es esencial para cualquiera que busque profundizar en el campo de la ingeniería eléctrica. En este artículo, tendremos una breve introducción a los capacitores, explicaremos la capacitancia y profundizaremos en la ecuación que gobierna su comportamiento.
¿Qué es un condensador?
Un condensador es un componente electrónico pasivo de dos terminales que almacena energía eléctrica en un campo eléctrico. La estructura de un condensador consta de dos placas conductoras, generalmente de metal, que se colocan separadas con un material dieléctrico entre ellas. Cuando se aplica una diferencia de voltaje entre las terminales de un capacitor, acumula carga en sus placas, creando un campo eléctrico entre ellas.
¿Qué es la capacitancia?
La capacitancia es una medida de cuánta energía eléctrica se puede almacenar por unidad de voltaje en un dispositivo o componente. La unidad de capacitancia es Farad.
¿Qué es el cargo?
La carga se describe como la presencia de energía eléctrica. Su símbolo es Q y su unidad es Culombio.
Trabajo de condensadores
Cuando se introduce un voltaje eléctrico a través de las terminales de un capacitor, el campo eléctrico establecido entre las placas inicia el movimiento de los electrones. La placa negativa del capacitor se convierte en un punto de recolección de electrones que se han movido desde el terminal negativo de la fuente de voltaje.
Simultáneamente, un número igual de electrones abandonan la placa positiva del capacitor y regresan a la terminal positiva de la fuente de voltaje.
Esta acumulación y redistribución de carga continúa hasta que el capacitor está completamente cargado, momento en el que cesa el flujo de electrones. La carga almacenada en un capacitor se puede determinar usando la ecuación:
En la ecuación dada, 'Q' simboliza la cargar acumulado dentro de la condensador , “C” denota el capacidad , y 'V' representa el voltaje aplicado a través del capacitor.
Esta ecuación muestra una relación proporcional entre la capacitancia y el voltaje aplicado, mostrando que la cantidad de carga retenida en un capacitor está directamente relacionada con ambas variables. Por lo tanto, aumentar la capacitancia o el voltaje dará como resultado una mayor acumulación de carga.
Capacitancia de un condensador de placas paralelas
La capacitancia de un capacitor está determinada por el área superficial de las placas (A) y la distancia de separación (d) entre ellas, y ambos factores afectan su capacitancia general. Cuanto mayor sea el área de la placa, mayor será la capacitancia, mientras que una menor distancia entre las placas conduce a una mayor capacitancia. Esta relación se describe mediante la ecuación:
Los capacitores poseen la capacidad de almacenar energía eléctrica, por lo que la cantidad de energía almacenada (U) es directamente proporcional tanto al cuadrado del voltaje aplicado (V) como a la capacitancia (C) del capacitor. La ecuación para la energía almacenada en un capacitor viene dada por:
Conocer la energía almacenada en un capacitor es vital para diseñar circuitos, especialmente en aplicaciones donde la liberación de energía o los requisitos de potencia instantánea son importantes.
Capacitancia de un condensador esférico
Para calcular la capacitancia de un capacitor esférico, debe conocer el radio de las esferas conductoras interna y externa. La forma del capacitor y la permitividad del material colocado entre las esferas controlan la capacitancia. La fórmula para calcular la capacitancia de un capacitor esférico es:
Por otro lado, el símbolo “εᵣ” se utiliza para representar la permitividad relativa o constante dieléctrica del material ubicado entre las esferas. Además, 'r₁' denota el radio de la esfera interior, mientras que 'r₂' significa el radio de la esfera exterior.
Al sustituir los valores del radio y la permitividad del material, puede calcular la capacitancia del capacitor esférico. Vale la pena señalar que si la esfera interior tiene un radio insignificante o se considera una carga puntual, la fórmula de capacitancia se simplifica a:
En este caso, la capacitancia está determinada únicamente por el radio de la esfera exterior y la permitividad del material.
Capacitancia de un condensador cilíndrico
Para calcular la capacitancia de un capacitor cilíndrico, necesita conocer la longitud del capacitor (L), el radio del conductor interno (r₁) y el radio del conductor externo (r₂). La forma del capacitor y la permitividad del material colocado entre las esferas controlan la capacitancia. La fórmula para calcular la capacitancia de un capacitor cilíndrico es:
Por otro lado, el símbolo “εᵣ” se utiliza para representar la permitividad relativa o constante dieléctrica del material ubicado entre las esferas. Además, 'r₁' denota el radio de la esfera interior, mientras que 'r₂' significa el radio de la esfera exterior.
Conclusión
Los capacitores son componentes cruciales cuando se trata de electrónica, ya que permiten el almacenamiento de energía y la regulación de voltaje. La capacitancia, medida en faradios (F), cuantifica la capacidad de un capacitor para almacenar carga. Es directamente proporcional a la carga almacenada (Q) e inversamente proporcional al voltaje (V) a través de las terminales del capacitor.