Capacitores o Condensadores

La carga eléctrica:

Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas por la mediación de campos electromagnéticos.[1]

Existen dos variedades de carga eléctrica, positiva y negativa. Hoy en día, sabemos que los electrones son los portadores de carga negativa y los protones de la positiva, y que ambas poseen igual carga pero con signo contrario.

En el átomo neutro, el número de protones (en el núcleo) es igual al número de electrones (en la corteza), y puesto que la materia está formada por átomos, será eléctricamente neutra en circunstancias normales, cuando la carga eléctrica neta es nula.

Dicha materia puede adquirir carga neta no nula dependiendo de si se le agreda electrones o si se le quita electrones (a ésta ganancia o pérdida de electrones se llama ionización).

Interacción entre cargas:

• Si las cargas poseen signo contrario, esto es, q1 * q2 < 0, entonces las cargas se atraen.

• Si las cargas poseen igual signo, esto es, q1 * q2 > 0, entonces las cargas se repelen.

La carga eléctrica se conserva:

“La carga neta en un Sistema Aislado permanece constante”, en el sentido de que la carga neta total no puede ser creada ni destruida, y entendiendo por sistema aislado aquél cuyos límites no pueden ser atravesados por la materia.[2]

Energía en un condensador.

Energía almacenada:

Carga y descarga:

Al conectar un condensador en un circuito, la corriente empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito.

Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.

Donde:

V(t) es la tensión en el condensador.

Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador.

Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final entre las placas del condensador.

I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito.

RC es la capacitancia del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en Ohmios, llamada constante de tiempo.[3]

¿Qué es un condensador?

Un condensador eléctrico o capacitor es un dispositivo pasivo, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.[4]

Consta generalmente de dos conductores (placas metálicas) paralelas y separadas por una pequeña distancia en comparación a su ancho. Si se conecta cada una de las placas momentáneamente a las bornes de una fuente de energía eléctrica, en una de las placas aparecerá una carga positiva (+q) y en la otra una carga negativa (-q).

Las cargas de cada una de las placas atraerán a las cargas de la otra placa y se distribuirán uniformemente en las superficies internas de las placas, generándose así un campo eléctrico entre ellas. Como la distancia entre los conductores es pequeña el campo eléctrico entre ellas será uniforme, lo cual significa que las líneas de fuerza serán paralelas y estarán igualmente espaciadas.

Las placas del condensador cuando se conectan a una fuente de energía eléctrica comienzan a cargarse con cargas iguales y opuestas, hasta que la diferencia de potencial entre las placas alcanza la diferencia de tensión de la fuente.

Este proceso se conoce como carga del condensador. Si una vez terminado este proceso se retira la fuente y se cierra un circuito conectando con un cable conductor ambos extremos del capacitor cargado, se da inicio al proceso de descarga. Las cargas acumuladas en el capacitor se redistribuirán por el cable generándose una corriente eléctrica que disminuirá con el tiempo hasta llegar a un equilibrio.[5]

¿Qué es capacitancia o capacidad?

Capacitancia de un condensador es la proporcionalidad directa entre la magnitud de la carga q en un capacitor y la diferencia V entre sus placas. Esto es,

q = C* V

¿Cómo funciona un sistema de condensadores en paralelo?

Si se conectan varios condensadores en paralelo, la diferencia de potencial entre sus extremos es la misma para todos ellos, no importa el número de elementos.[8]

En la figura, se tienen una batería que mantiene un potencial V constante y dos condensadores C1 y C2. Si inicialmente, el condensador C1 se ha cargado con una carga Q y se conecta al condensador C2 inicialmente descargado.

Después de conectarlos, las cargas pasan de un condensador al otro hasta que se igualan los potenciales. Las cargas finales de cada condensador q1 y q2, se obtienen a partir de las ecuaciones de la conservación de la carga y de la igualdad de potenciales de los condensadores después de la unión.[9]

Como las cargas q1 y q2 son:

q1 = C1 * V

q2 = C2 * V

La carga total de la combinación es:

q3 = q1 + q2 = (C1 + C2 )V

q3 = (C1 + C2 )V

q3 / V = C1 + C2

q3 / V = C3

Y por consiguiente, la capacidad equivalente, será: C3 = C1 + C2

Si hay n condensadores en paralelo, al extender el proceso resulta que la capacidad equivalente, Cn+1, será[10]:

Historia: primeros condensadores,…

El primer condensador de la historia:

Cuando la electricidad todavía se veía como un entretenimiento y no como una ciencia, alrededor de 1750 nació la botella de Leyden. El nombre le viene dado por el lugar en el que fue descubierto, la ciudad holandesa de Leyden. Podría tratarse del primer condensador de la historia.

Unos científicos descubrieron que dos conductores separados por un material aislante podrían almacenar una carga eléctrica. Uno de aquellos experimentadores tuvo la idea de almacenar una gran cantidad de carga en una botella de agua. Para ello sostenía la botella en una mano mientras la carga procedente de un generador electrostático era conducida hasta el agua por medio de una cadena. Cuando trató de sacar la cadena de agua con la otra mano sufrió una sacudida eléctrica que le dejó inconsciente. Después de muchos experimentos se descubrió que la mano que sostenía la botella podía reemplazarse por hojas metálicas que recubrían las superficies interior y exterior de la botella.

El gran inventor Benjamin Franklin (1706-1790) dirigió su atención hacia este ingenio y lo llegó a usar como entretenimiento: colocaba a sus amigos en un círculo agarrados de las manos y sentían cómo pasaba la electricidad por sus cuerpos. Franklin descubrió que para almacenar la carga eléctrica no tenía que tener necesariamente forma de botella, y probó con unos vidrios en paralelo que pasaron a llamarse los vidrios de Franklin. Además observó que cuando la botella de Leyden se descargaba, emitía una chispa y un pequeño chasquido.

Interpretó que la chispa y el chasquido eran el paralelo entre el rayo y el trueno, y para comprobarlo realizó su famoso experimento de la cometa: salió un día de tormenta con una cometa que tenía una punta metálica unida a un largo hilo de seda. Al final de este hilo había una llave atada, y cuando el rayo alcanzó a la cometa, la llave quedó cargada. Franklin al descargarla vio que también echó unas chispas e hizo unos sonidos, con lo que quedaba demostrado que la energía de la botella de Leyden y la que provenía del cielo era la misma.[11]

[1] http://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctrica

[2] Electroestática.pdf

[3] http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

[4] http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

[5] http://www.fisicarecreativa.com/informes/infor_em/capacitores_bg.pdf

[6] Resnick, tomo 2

[7] http://es.wikipedia.org/wiki/Condensador_el%C3%A9ctrico

[8] http://www.iava.uy/fisica/Practicos/6to/Pr-2-Conservacion%20de%20Q.pdf

[9] http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica_/elecmagnet/condensador/agrupacion/agrupacion.html

[10] http://aprendeenlinea.udea.edu.co/lms/moodle/file.php/111/Documentos/Capacitores_y_dielectricos/Condensadores_en_paralelo.pdf

[11] http://ideasecundaria.blogspot.com/2011/03/el-primer-condensador-de-la-historia.html