ENERGIA DE UN CAPACITOR Y CIRCUITOS

ENERGIA DE UN CAPACITOR CARGADO

Un condensador (capacitor en inglés) es undispositivo que almacena energía eléctrica,es un componente pasivo.Está formado por un par de superficies conductorasen situación de influencia total(esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parara la otra), generalmente en forma de tablas, esferas o láminas, separadas porun material dieléctrico (siendo esteutilizado en un condensador para disminuir el campo eléctrico, ya que actúacomo aislante) o por el vacío, que,sometidos a una diferencia depotencial (d.d.p.) adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de las placas ynegativa en la otra.

La capacidad de 1 faradio es mucho más grande que la de la mayoríade los condensadores, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidaden micro- µF = 10-6, nano- nF = 10-9 o pico- pF = 10-12-faradios. Los condensadores obtenidos a partir de supercondensadores (EDLC)son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran árearelativa y tienen una separación molecular entre las "placas". Así seconsiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estoscondensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko,con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. Tambiénse está utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor dela capacidad de un condensador viene definido por la siguiente fórmula:



Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que



aunque por convenio se suele considerar la carga de la placa positiva.

En cuanto al aspecto constructivo, tanto la forma de las placas o armaduras como lanaturaleza del material dieléctrico son sumamente variables. Existencondensadores formados por placas, usualmente de aluminio, separadas por aire,materiales cerámicos,mica,poliéster, papelo por una capa de óxido de aluminioobtenido por medio de la electrólisis.









MATERIAL DIELECTRICO

Los materiales dieléctricos pueden ser definidos como aquellos que no poseen electrones libres en su estructura; en otras palabras, son aquellos que tienensus electrones fuertemente ligados a los núcleos y que, por lo tanto,requerirían de un gran suministro de energía externa para desplazarlos de unátomo a otro. Para los propósitos de este curso, esta definición implica quelos dieléctricos pueden mantener fija una cierta distribución de carga, quepuede ser una distribución volumétrica


y/o una distribución superficial


aún cuando se aplique sobre él un campo eléctrico externo de moderada intensidad; a diferencia de un cuerpo conductor en equilibrio electrostático que sólo puedeposeer una densidad superficial de cargas .
Sinembargo, es probable que un material dieléctrico responda a la acción de uncampo eléctrico externo con desplazamientos relativos infinitesimales de sucarga positiva respecto de la carga negativa, generándose un conjunto alineadode dipolos eléctricos en la muestra dieléctrica, fenómeno denominado polarización.

Lapolarización del dieléctrico tiene como consecuencia inmediata la modificacióndel campo eléctrico externo que la produjo. Esta contribución proviene de lasuperposición de los campos producido por cada uno de los dipolos eléctricos enpuntos lejanos. Sin embargo, como se verá más adelante, resulta convenientevisualizar macroscópicamente la polarización del dieléctrico en términos de unacarga equivalente de polarización, que se agrega a la carga libre existente.Para obtener dicha carga equivalente de polarización, es conveniente analizarprimeramente el potencial eléctrico y el campo eléctrico producido por undipolo eléctrico. Así, posteriormente, se obtiene el efecto de polarizaciónresultante mediante superposición de los campos anteriormente calculados.



CONSTANTE DIELECTRICA

La constantedieléctrica o permitividad relativa de un medio continuo es unapropiedad macroscópica de un medio dieléctrico relacionado con la permitividad eléctrica del medio.

En relaciónla rapidez de las ondas electromagnéticas en un dieléctrico es:



donde k esla constante dieléctrica y km es la permeabilidad relativa

El nombreproviene de los materiales dieléctricos, que son materiales aislantes o muypoco conductores por debajo de una cierta tensión eléctricallamada tensión de rotura. El efecto de la constante dieléctrica se manifiestaen la capacidad total de un condensador eléctricoo capacitor. Cuando entre los conductores cargados o paredes que lo forman seinserta un material dieléctrico diferente del aire (cuya permitividad esprácticamente la del vacío) la capacidad de almacenamiento de la carga delcondensador aumenta. De hecho la relación entre la capacidad inicial Ciy la final Cf vienen dada por la constante eléctrica:





Donde ε esla permitividad eléctrica del dieléctrico que se inserta.

Además elvalor de la constante dieléctrica K de un material define el grado de polarización eléctricade la substancia cuando esta se somete a un campo eléctrico exterior. El valorde K es afectado por muchos factores, como el peso molecular, la formade la molécula, la dirección de sus enlaces (geometría de la molécula) o eltipo de interacciones que presente.

Cuando unmaterial dieléctrico remplaza el vacío entre los conductores, puede presentarsela polarización en el dieléctrico, permitiendo que se almacenen cargasadicionales.

La magnitudde la carga que se puede almacenar entre los conductores se conoce como capacitancia ésta depende de la constantedieléctrica del material existente entre los conductores, el tamaño, la forma yla separación de los mismos.





CIRCUITO MIXTO

Un circuitomixto es aquel que dispone de componenteselectrónicos conectados tanto en paralelo cuánto en en serie, asociados a una sólo fuente de tensión.

Es unacombinación de elementos tanto en serie como en paralelos. Para la solución deestos problemas se trata de resolver primero todos los elementos que seencuentran en serie y en paralelo para finalmente reducir a la un circuitopuro, bien sea en serie o en paralelo.

CIRCUITO EN PARALELO

El circuitoen paralelo es una conexión donde los bornes o terminales de entrada detodos los dispositivos (generadores, resistencias,condensadores,etc.) conectados coincidan entre sí, lo mismo que sus terminales de salida.

Siguiendo unsímil hidráulico, dos tinacos de agua conectados enparalelo tendrán una entrada común que alimentará simultáneamente a ambos, asícomo una salida común que drenará a ambos a la vez. Las bombillas deiluminación de una casa forman un circuito en paralelo.

En funciónde los dispositivos conectados en paralelo, el valortotal o equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

Para generadores







*Para Resistencias







*Para Condensadores



CIRCUITO EN SERIE

Un circuito en serie es unaconfiguración de conexión en la que los bornes o terminales de los dispositivos(generadores, resistencias,condensadores,interruptores,entre otros.) se conectan secuencialmente. La terminal de salida de undispositivo se conecta a la terminal de entrada del dispositivo siguiente.
Siguiendo unsímil hidráulico, dos depósitos de agua se conectaránen serie si la salida del primero se conecta a la entrada del segundo. Una batería eléctricasuele estar formada por varias pilas eléctricasconectadas en serie, para alcanzar así el voltaje que se precise.
En funciónde los dispositivos conectados en serie, el valor totalo equivalente se obtiene con las siguientes expresiones:

*Para Generadores



*Para Resistencias



*Para Condensadores

RIGIDEZ DIELECTRICA

Entendemospor rigidez dieléctrica o rigidez electrostática el valor límite de la intensidaddel campo eléctricoen el cual un material pierde su propiedad aisladoray pasa a ser conductor. Semide en voltios por metro V/m (en el SI).

Tambiénpodemos definirla como la máxima tensión que puedesoportar un aislantesin perforarse. A esta tensión se la denomina tensión de rotura de un dieléctrico.

El término rigidezse utiliza porque cuando la materia transmite energía, vibra en su extensión llevando sumensaje de una molécula a otra. Cuando no vibra, pues está rígida y notransmite nada. Cuanto más rígida es, más aislante resulta.