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Capacitores (Condensadores): Todo lo que necesitas saber para comenzar. Parte 1era – La Teoría10/5/2020
Siguiendo nuestro curso de electrónica para dummies, en los dos próximos artículo hemos preparado todo lo que un principiante va a necesitar saber sobre condensadores para poder realizar todo tipo de circuitos habituales y reparaciones donde estén presentes o sean necesarios.
Algo de historia (pero solo un poco)
La historia de los capacitadores (o "condensadores" como todavía se denominan muchas veces) se remonta hasta los comienzos de las investigaciones para almacenar electricidad en algún tipo de dispositivo. Existe constancia que en el año 1745, simultáneamente, en la Catedral de Camin (Alemania) y en la Universidad de Leyden (Holanda), se desarrollaron dispositivos cuya finalidad era almacenar electricidad o, como se decía entonces, "condensar" electricidad.
La botella de Leyden, fue el primer "condensador" y dio origen, por su principio de funcionamiento, a los modernos capacitores utilizados en aparatos electrónicos. La estructura de los componentes modernos es muy diferente a la que tenían los primeros modelos rudimentarios de hace más de dos siglos pero el principio de funcionamiento es el mismo.
La capacidad Para entender cómo un conductor eléctrico puede almacenar electricidad, imaginemos la siguiente situación (Imagen 3): Al cargar de electricidad un conductor esférico, verificamos que las cargas pueden comprimirse más o menos según el diámetro del conductor y también según la cantidad que pretendemos transmitir a ese conductor.
Eso significa que la compresión de las cargas almacenadas se manifiesta como potencial V.
Así la carga Q en un conductor de radio R manifestará un potencial V. Si intentamos colocar más cargas en el cuerpo, éstas aumentan el grado de compresión y, por consiguiente, el potencial también debe aumentar. Se verifica que, independientemente del radio del conductor, en las condiciones indicadas existe una proporcionalidad directa entre las cargas que podemos almacenar y la tensión que se manifestará. Si el cuerpo tuviera un radio R y se carga con 0,01 coulomb (unidad de carga), manifestará 100 volt y el mismo cuerpo manifestará 300 volt si se carga con 0,02 coulomb. Podemos entonces definir una magnitud llamada "capacidad" como la relación entre la carga almacenada (Q) y la tensión a que se encuentra (V). Escribimos entonces:
C = Q/V
En estas condiciones, el conductor esférico funciona como "capacitor esférico".
La capacidad de almacenamiento de carga depende del radio del conductor, y este tipo de dispositivo no es de los más apropiados para los usos electrónicos, pero veremos más adelante cómo hacer algunos cálculos interesantes que lo tienen en cuenta. Nos interesa ahora la constancia de la relación Q/V que define la capacidad cuya unidad es el Farad / Faradio (F). Un capacitor (no necesariamente esférico) tendrá una capacidad de 1 Farad si almacena la carga de 1 Coulomb y tiene 1 volt de tensión.
(Usamos la palabra tensión y no potencial pero el lector sabe que en este caso la diferencia no importa porque la unidad es la misma – ver Imagen 4).
En la práctica, una esfera con la capacidad de 1 Farad seria gigantesca, así que los capacitores que usamos en los dispositivos comunes tienen capacidades que son submúltiplos del Farad. Tres son los submúltiplos del Farad (o Faradio) que más se emplean:
De las relaciones indicadas se tiene que:
Capacitores Planos Puede obtenerse una capacidad mucho mayor con una disposición adecuada de los elementos conductores. Con eso, una cantidad mucho mayor de cargas puede almacenarse en un volumen menor, dando así un componente de uso más práctico. Podemos ver condensador básico de placas paralelas en la Imagen 5. Consiste en dos placas de material conductor separadas por material aislante denominado dieléctrico.
El símbolo usado para representar este tipo de capacitor recuerda mucho su disposición real y se muestra en la misma imagen. Hay capacitores con disposiciones diferentes, pero como la estructura básica se mantiene (un aislante entre dos conductores) el símbolo se mantiene por lo general con pocas modificaciones.
Cuando conectamos la estructura indicada a un generador, como se ve en la figura 6, las cargas fluyen hacia las placas de manera que una se vuelva positiva y la otra negativa.
Aun después de desconectar la batería, como se mantienen las cargas, por efecto de la atracción mutua, en las armaduras del capacitor, se dice que éste está "cargado".
Como la carga en Coulombs depende no sólo de la capacidad sino también de la tensión del generador, para calcularla es necesaria la relación: C = Q/V Es así que si un capacitor de 200µF (200 x 10-6) se conecta a un generador de 100 volts, la carga será: Q = CV Q = (200 x 10 e-6) x 100 Q = 0,02 Coulomb Para descargar un capacitor basta interconectar las armaduras mediante un cable metálico. Las cargas negativas (electrones) de la armadura negativa pueden fluir a la positiva neutralizando así sus cargas. Obsérvese que no importa cuál es el capacitor pues la cantidad de cargas de una armadura es igual a la cantidad de cargas de la otra; sólo es diferente la polaridad. En la descarga, la neutralización es total (Imagen 7).
Para un capacitor plano como el indicado, la capacidad puede calcularse en función de las características físicas, a saber: superficie de las placas, distancia entre ellas y naturaleza del aislante.
Energía almacenada en un capacitor
Para obligar a una cierta cantidad de cargas a permanecer en un capacitor debemos gastar una cierta cantidad de energía. En realidad esa energía que se gasta para colocar las cargas en el capacitor queda disponible para usase en el futuro almacenada en el capacitor (aunque se descargará lentamente, dependiendo del modelo). Cuando descargamos un capacitor mediante un conductor que presenta cierta resistencia, como muestra la Imagen 9, la energía que estaba contenida en el capacitor se disipa en forma de calor.
Puede imaginarse la carga del capacitor con el gráfico de la Imagen 10. Obsérvese que a medida que va aumentando la cantidad de carga, debemos forzarlas cada vez más y eso implica una elevación de tensión.
El área de la figura hasta el punto en que dejamos de cargar el capacitor, representada por W en la figura corresponde a la energía almacenada en el capacitor. Podemos calcular la energía a partir de dos fórmulas:
Podemos comparar un capacitor cargado a un resorte comprimido. Gastamos energía (potencial) para comprimir el resorte, éste "guarda" esa energía que luego puede usarse para poner en movimiento un mecanismo. Es claro que, según veremos, la cantidad de energía que puede almacenar un capacitor no es grande y entonces su utilidad como fuente de energía es muy restringida, pero este componente tiene otras propiedades que son de gran utilidad en electrónica.
Autor: Manuel Castelló (Kasmangou)
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