Fisicaenlinea: Condensadores Eléctricos

Hoy en día podemos sacarle mayor provecho a nuestros aparatos electrónicos, gracias a que su rendimiento cada vez es mayor, y se sigue investigando para seguirlos mejorando, pero sin duda alguna este rendimiento se y mayor aprovechamiento se debe entre otras cosas a dispositivos como los condensadores eléctricos

¿QUÉ SON LOS CONDENSADORES ELÉCTRICOS?

Un condensador o capacitores eléctrico como también se les suele llamar es un dispositivo que tiene como función almacenar cargas eléctricas para su posterior uso. Estos se emplean para proveer a los circuitos eléctricos de intensas pulsaciones eléctricas como también para producir campos eléctricos como es el caso de los condensadores de placas paralelas.

Un condensador consta generalmente de dos cuerpos conductores, con cargas iguales y de signo contrario, que permite almacenar una gran cantidad de carga eléctrica, y también energía eléctrica con un pequeño potencial.

Figura 1. Capacitores o condensadores.

CARGA DE UN CONDENSADOR

Al conectar una pila o batería al condensador que podría o no estar dotado de un material aislante que recibe el nombre de dieléctrico ( material que evita el paso de corriente), los electrones del polo negativo de la batería se desplazan hasta llegar a una de las placas del condensador, la cual adquiere una carga negativa, de inmediato el terminal positivo de la batería atrae o saca los electrones libres de la otra placa del condensador, adquiriendo así cargas o creando una diferencia de potencial entre ambas placas. De esta manera se dice que el condensador se ha cargado.

Figura 2. Carga de un condensador.

CLASIFICACIÓN DE LOS CONDENSADORES O CAPACITORES

Los condensadores se clasifican en dos grandes grupos: condensadores fijos, si mantienen constante el valor de su capacidad y condensadores variables, cuando se pueden cambiar entre ciertos límites.

Los condensadores fijos son componentes pasivos, de dos terminales. Se clasifican según el dieléctrico colocado entre sus armaduras; entre los que podemos mencionar:

Condensador de papel: sus placas están constituidas por láminas de aluminio de alta pureza, y su dieléctrico es de un papel de alta calidad. Se caracterizan por ser de reducido volumen y estabilidad a los cambios de temperatura.

Figura 3. Estructura de un condensador de papel.

Condensador cerámico: Sus placas son de plata y usan cerámica como dieléctrico. Se caracterizan por ser buenos aislantes térmicos y eléctricos.

Figura 4. Estructura de un condensador cerámico

Condensador de plástico: Se fabrican en forma de bobina o multiplicas: El dieléctrico es un plástico. Se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y las altas temperaturas de funcionamiento.

Figura 5. Estructura de un condensador con dieléctrico plástico.

Condensadores electrolíticos: está compuesto por una placa de aluminio y la otra placa placa es un electrolito (cualquier sustancia que contiene partículas cargadas libres, los cuales se comportan como un medio conductor eléctrico), usando como dieléctrico óxido de aluminio. Estos deben conectarse respetando su polaridad, que viene indicada en los alambres conectores o terminales, o de lo contrario se destruirá.

Figura 6. Estructura de un condensador electrolítico.

Condensadores Variables: Son aquellos cuya capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánica o electrónica usándose aire o plástico como dieléctrico.

Figura 7. Condensador variable.

SÍMBOLOS DE UN CONDENSADOR

Para diferenciar a los condensadores de otros elementos en el circuito, se les asignan los siguientes símbolos:

Figura 8. Símbolos de un condensador.

Los símbolos elegidos para los condensadores, se deben porque independientemente de el dieléctrico usado en su estructura, estos son básicamente dos placas metálicas que se ubican una frente a la otra conocidos como condensadores planos o condensadores de placas paralelas.

¿QUÉ SON CONDENSADORES PLANOS O DE PLACAS PARALELAS?

Un condensador plano o de placas paralelas no es más que un condensador que está constituido por un par de láminas metálicas de área limitada y la separación entre las placas es despreciable en comparación con sus dimensiones.

Figura 9. Condensador de placas paralelas.

CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DE UN CONDENSADOR

Los condensadores presentan las siguientes características:

Si el área de las placas que están frente a frente, es grande la capacidad aumenta.

Si la distancia entre las placas aumenta, disminuye la capacidad del condensador.

Dependiendo del material dieléctrico, que se use entre las placas la capacidad se ve afectada.
Si se varía la diferencia de potencial entre las placas, varía la energía almacenada.

Ya hemos dicho que la función principal de los condensadores es almacenar cargas eléctricas por un tiempo limitado para luego emplearlas en un circuito, analógicamente podríamos comparar a los condensadores como tanques de agua que han de ser llenados con cargas y la capacidad de estos para almacenar la cantidad de carga dependerá de estas características físicas, por lo que ahora se hace necesario conocer el concepto de capacitancia o capacidad de un condensador.

¿QUÉ ES LA CAPACITANCIA O CAPACIDAD DE LOS CONDENSADORES?

La capacitancia o capacidad de un condensador (c) es una magnitud que se mide por la relación entre la carga en cualquiera de los conductores del condensador y la diferencia de potencial entre ellos.

La expresión matemática para la capacidad es la siguiente:

Figura 10. Ecuación de la capacidad de un condensador.

La carga q, representa la magnitud de la carga en una de las placas del condensador, porque la carga neta entre las placas del condensador es cero.

Las unidades de medida de la capacidad o capacitancia del condensador en el S.I. es el faradio (F), definido como la capacidad de un condensador que adquiere la carga de un coulomb, cuando se le aplica diferencia de potencial de un voltio.

El faradio es una cantidad muy grande, pues sería muy difícil obtener un condensador de un faradio, puesto que un condensador de un faradio sería del tamaño de una casa unifamiliar, por está razón se utilizan los submúltiplos del faradio.

SUBMÚLTIPLOS DEL FARADIO

Figura 11. Submúltiplos del Faradio.

FACTORES DE LOS CUALES DEPENDE LA CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR

La capacidad de un condensador depende de factores como:

El área de las placas.
La separación entre las placas.
La naturaleza del material aislante entre las placas. (Dieléctrico).

Tomando en consideración que capacitancia de un condensador depende del material dieléctrico, entonces es necesario que tengamos presente que esta tendrá un comportamiento posea dieléctrico y otro muy distinto cuando lo posea.

CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR DE PLACAS PARALELAS SIN DIELÉCTRICO

El condensador más fácil de construir es uno como el mostrado en la Figura 9, el cual está constituido por dos láminas planas conductoras, con cargas de igual magnitud pero de signos contrarios, sin dieléctrico (entre sus dos láminas o armaduras existe el vacío o el aire); separadas a una distancia d. Creando un campo eléctrico entre las placas debido a la diferencia de potencial entre las placas. Como se muestra en la figura 12.

Figura 12. Vista frontal de un condensador de placas paralelas.

Por lo que para calcular la capacidad de un condensador de placas para lelas sin dieléctrico se utiliza la expresión siguiente:

Figura 13. Ecuación para calcular la capacidad de un condensador sin dieléctrico.

CAPACIDAD DE UN CONDENSADOR CON DIELÉCTRICO

Cuando el condensador posee un material dieléctrico entre sus placas como se muestra en la figura 15, la capacidad se calcula mediante la siguiente expresión:

Figura 14. Capacidad de un condensador con dieléctrico.

Cualquiera que sea el caso del condensador, la capacidad es proporcional a la superficie de las placas e inversamente proporcional a la distancia que las separa.

Figura 15. Esquema de un condensador con dieléctrico.

TABLA DE CONSTANTES DIELÉCTRICAS

La constante dieléctrica depende exclusivamente del material usado como dieléctrico, por lo que te mostramos una tabla con los elementos dieléctricos más usados:

Figura 16. Tabla con materiales dieléctricos.

Ejercicios Resueltos

ASOCIACIÓN DE CONDENSADORES

Dos condensadores pueden ser asociados para formar una capacidad equivalente o una capacidad total.

Según la forma en que se dispongan las conexiones las conexiones entre las diferentes armaduras se obtienen tres tipos de asociaciones:

Asociación en serie.
Asociación en paralelo.
Asociación mixta.

ASOCIACIÓN EN PARALELO

La combinación en paralelo se lleva a cabo cuando varios condensadores son conectados de forma tal que todas las armaduras de un lado queden conectadas al polo positivo de la pila y las del otro lado al polo negativo de la pila. La figura 17 muestra como se realiza la conexión de condensadores en paralelo.

Figura 17. Asociación de condensadores en Paralelo.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDENSADORES EN PARALELO

Potencial eléctrico

Cuando están en paralelo, todos y cada uno de los condensadores, poseen entre sus armaduras igual diferencia de potencial que la suministrada por los polos de la batería.

Figura 18. Potencial en Paralelo.

Carga del condensador

La carga total se calcula mediante la suma de las cargas en cada condensador:

Figura 19. Carga en Paralelo

La carga de cada condensador en paralelo se calcula mediante la expresión:

Figura 20. Carga para cada condensador en Paralelo.

Capacidad equivalente

La capacidad equivalente de varios condensadores conectados en paralelo es igual a la suma de las capacidades de los condensadores que constituyen la agrupación.

Figura 21. Capacidad o capacitancia equivalente para condensadores en Paralelo.

Asociación en Serie

Consiste en conectar la armadura final de un condensador con la armadura inicial del siguiente condensador y así sucesivamente, de modo que los condensadores. La figura 21 muestra una asociación de condensadores en serie.

Figura 21. Asociación de condensadores en Serie.

CARACTERÍSTICAS DE LOS CONDENSADORES EN SERIE

Potencial Eléctrico

La diferencia de potencial que existe entre las armaduras extrema de los condensadores en serie es igual a la suma de las diferencias de potenciales existentes en cada una de las armaduras de los condensadores.

Figura 22. Diferencia de potencial de un sistema de condensadores en serie.

Para cada uno de los condensadores el potencial eléctrico se halla utilizando la ecuación mostrada en la figura 20.

Carga de un condensador

Cuando los condensadores están en serie la carga en cada condensador es la misma que la que circula en el sistema de condensadores en serie.

Figura 23. Carga de un condensador en serie.

Capacidad equivalente

Cuando dos o más condensadores están conectados en serie, el inverso de la capacidad equivalente o total es igual a la suma de los inversos de la capacidad en cada uno de los capacitores que forman el conjunto en serie.

Figura 24. Capacidad de un condensador en serie.

ASOCIACIÓN MIXTA

Es aquella que donde aparecen condensadores conectados en serie unidos a condensadores conectados en paralelo o viceversa. Para resolver este tipo de circuitos es necesario identificar la forma en que se asocian los condensadores para así hallar primero la capacidad equivalente y luego los demás elementos que nos piden. La figura 25 representa una asociación mixta de condensadores.