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Capacitores parte 2 - Monografía



 
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LEYES Y PROPIEDADES DE LA CAPACIDAD



Las propiedades de inductancia y de capacidad se pueden comparar a la inercia. Cuando se aplica inicialmente una tensión entre los extremos de una bobina, la inductancia de ésta se opone a la iniciación de la corriente; si desaparece la tensión en la bobina, la inductancia se opone a la disminución de la corriente. Esto constituye una especie de inercia eléctrica.

Cuando se aplica una tensión entre las terminales o placas de un condensador, éste  no presentará inicialmente en la práctica resistencia alguna, lo que permite que se establezca una corriente de gran intensidad. En efecto, el condensador se opone a la tensión productora de la corriente. Por otra parte, cuando se suprime la tensión aplicada al condensador, la corriente tenderá a mantener aquella tensión. Por consiguiente, el efecto inductivo se opone al corriente mientras el efecto capasitivo se opone a la tensión. También esto es una clase de inercia.

FACTORES QUE AFECTAN A LA CAPACIDAD



La capacidad de un condensador depende del tipo de dieléctrico, el área de las placas  y la distancia entre ellas.

Dieléctrico.



El medio que separa las placas de un condensador se llama dielectrico, y esta constituido por un material no cnductor. El aire mismo es un dielectrico, y muchos condensadores empleados en aplicaciones electrónicas son de la variedad de dielectrico de aire. Diferentes dielectricos producen diferentes capacidades. Por ejemplo, un condensador acusara un mercado aumento de capacidad si su dielectrico es mica en vez de aire. La aptitud del material dieléctrico para aumentar la capacidad se llama constante dilectrica, rigidez. Cuando la constante dielectrica es mayor , la capacidad aumenta.

Como las estructuras de los atomos difieren de un material a otro, la naturaleza del dieléctrico es un factor importante en la determinación de su capacidad. En la mayoria de tablas d constantes dielectricas , k, al aire se le asigna una constante de 1 y a otros materiales se les asigna un valor que corresponde al factor por el que multiplican la capacidad cuando substituyen al aire. Por ejemplo, la mica tiene una constante dielectrica de 5,5 ya que aumenta en 5,5 veces la capacidad cuando substituye al aire, mientras el oxido de aluminio tiene una k de 10 por que es 10 veces mayor que la del aire.

La tensión hasta la cual se puede cargar un condensador con seguridad sin que se rompa o perfore el dielectrico afecta tambien a la rigidez dielectrica .  Se le suele denominar tensión continua de trabajo , y varia con la rigidez dielectrica del material.
Distancia.

El dieléctrico se opone al establecimiento de las lineas electroestáticas de fuerza entre placas. La carga de un condensador implica un trabajo a causa de que el dielectrico se opone a que se establezcan estas lineas, o el desplazamiento del campo electrico normal dentro del dielectrico. La energía de la fuente se carga  es almacenada com energia electroestática en el dielectrico y es devulta al circuito cuando se descarga el condensador. Sin embargo, como es necesaria un fuerzapara deformar las orbitas de los electrones en el dielectrico , la reducción del espesor del dielectrico del dielectrico da por resultado una reducción de la oposición al flujo electroestático. Por consiguiente, si la separación entre las placas se reduce empleando un dielectrico mas delgado, el resultado sera un aumento de la capacidad del condensador.

Area de las placas.



Puesto que las placas grandes presentan mayor area  para la distribución de los electrones que las placas pequeñas , el aumento del area de la placas aumentara  la carga a igualdad de tensión y por consiguiente aumentara la capacidad. Por la definición de capacidad resulta evidente que el numero de electrones que fluyen de una a otra placa sera directamente proporcional al área de la placa. La capacidad de un condensador es pues directamente proporcional al área activa de sus placas y a mayor area , mayor capacidad.

Tambien aumenta la capacidad del condensador cuando la distancia entre sus placas es menor, pero entonces la tensión que puede soportar el condensador, es decir, la tensión de trabajo es menor. Esto se puede compensar aumentando el area de las placas, pero la solucion para conciliar estas dos condiciones contradictorias es el empleo de un dielectrico de mayor rigidez. Recientemente se han descubierto algunos titanatos ( combinaciones de titanio con otros elementos ) cuya constante dielectrica es mayor de 100. Los condensadores en que se emplea este tipo de material dielectrico tiene muchas aplicacione en electronica cuando hay que economizar.

RIGIDEZ DIELECTRICA.



Para cada dielectrico, hay un potecial que si se le aplica, romperia los enlaces en el interior del aislante y haria que circulara la corriente. La tensión necesaria por unidad de longitud ( intensidad del campo electrico ) para provocar la conducción en un material dielectrico es una indicación de su rigidez dielectrica y se denomina tensión de roptura. Cuando se produce , el capacitor tiene características muy similares a la de un resistor. Un ejemplo tipico de ruptura es el de los rayos, que se producen cuando el potencial entre las nubes y la tierra es tan alto que puede pasar una carga de unas a las otras a través de la atmosfera, que actuan como dielectrico.

Las fuerzas dielectricas promedio para varios dielectricos se tabulan en volts/mil in .

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PERDIDAS CAPACITIVAS



Teóricamente se podría utilizar cualquier material aislante como dieléctrico en un condensador, pero hay otros factores qe intervienen en las pérdidas del condensador, por lo que la elección del material dieléctrico es una consideración importante.

Fuga.  Si la resistencia de aislamiento del material dieléctrico es baja, ,habrá fuga entre las placas a través del dieléctrico.  Esto no sólo reduce la carga en el condensador sino que también produce un efecto térmico desfavorable en el dieléctrico.

Histéresis dieléctrico.  Cuando se carga un condensador, el dieléctrico está sometido a fuerzas internas.  Los electrones orbitales del material son atraídos por la placa positiva.  Aunque estos electrones no suelen salir de sus órbitas, su movimiento resulta perturbado.  Cuando se descarga un condensador, la energía consumida en el retorno de estos electrones a sus orbitas normales se llama pérdida de histéresis.  Aunque no es muy acusada en aplicaciones de c.c., la histéresis dieléctrico constituye un factor limitador en aplicaciones de alta frecuencia.  Las pérdidas del condensador equivalen a una resistencia que retarda la carga y la descarga.

CORRIENTE DE FUGA



Se sabe que el flujo de electrones se producirá en un dieléctrico sólo cuando se alcance la tensión de ruptura.  Este es el caso ideal. En realidad, hay electrones libres en cada dieléctrico, los cuales se deben, en parte, a impurezas en el dieléctrico y a fuerzas existentes en el interior del mismo material.
Cuando se aplica una tensión a las placas de un capacitor, fluye de una placa a otra una corriente de fuga debida a los electrones libres; sin embargo, la corriente suele ser tan pequeña que se puede despreciar para la mayoría de las aplicaciones prácticas.  Este efecto se representa por medio de un resistor en paralelo con el capacitor, como se muestra en la figura. Su valor suele ser del orden de 1000 megaohms; empero, hay algunos capacitores, como los del tipo eléctrico, que tienen altas corrientes de fuga.  Cuando se cargan y luego se desconectan del circuito de carga, esos capacitores pierden su carga con mucha rapidez debido al flujo de carga corriente de fuga de una placa a la otra (figura 9.8b).

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CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR



Cuando al condensador le aplicamos una diferencia de potencial este se carga, ya que al no estar las dos placas metálicas unidas entre si directamente, sino por medio de una batería o pila, cada una de las placas se cargará con electricidad positiva o negativa, ya que una de las placas cederá electrones para que la otra los gane.

- Carga del condensador.


Las armaduras de un condensador cuando se conectan a los polos de un generador de cc, adquieren cargas iguales y de signo contrario, diciéndose entonces que el condensador esta cargado.  La carga se debe a un flujo de electrones que va hacía una de las placas desde la otra, dando por resultado una placa con carga negativa y otra con carga positiva. Este proceso no es instantáneo sino que se va realizando paulatinamente, dependiendo la mayor o menor rapidez de¡ mismo de la capacidad del condensador y de la resistencia del circuito.


- Descarga del condensador.



Se lleva a cabo cuando un flujo de electrones desde la placa de un condensador con cargo negativa va hacia la placa con carga positiva, eliminando así las cargas en las placas.

Normalmente en un circuito, los condensadores se cargarán y se descargarán a través de resistencias.  La carga y descarga de un condensador a través de resistencias se produce según una constante de tiempo y dependiendo de la resistencia y de corriente que le administremos según la fórmula T = R - C.

Siendo T el tiempo en segundos, R el valor de la resistencia en Ohmios y C el valor del condensador en Faradios.

En una constante de tiempo el condensador se carga aproximadamente un 63%, en la segunda constante de tiempo se carga otro 63% y así sucesivamente, se considera que el condensador está totalmente cargado en 5 constantes de tiempo.  El proceso de descarga es similar al de carga.

Las corrientes de carga y descarga de un condensador comienzan con un valor máximo y van declinando a cero a medida que el condensador se carga del todo o se descarga.  En el caso del condensador en carga, las placas descargadas ofrecen poca oposición a la corriente de carga al principio, pero a medida que se van cargando ofrecen más y mas oposición.  Reduciendo el flujo de corriente.

Del mismo modo, la corriente de descarga es grande al iniciarse la descarga porque la tensión del condensador cargado es alta, pero a medida que se produce la descarga, la tensión del condensador cae, dando como resultado un flujo de corriente menor.

Debido a que las corrientes de carga y descarga son más grandes en la iniciación de la carga y de la descarga del condensador, el promedio de corriente es mas alto si la polaridad se invierte rápidamente manteniendo la circulación de la corriente en valores altos.

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EFECTO DE LA CAPACIDAD EN CIRCUITOS DE C.C.



La resistencia esta intercalada en el circuito con el fin de que la carga no sea muy rápida y se supone que es del valor conveniente.

La corriente de carga es máxima en el instante en el que se cierra el interruptor por que el numero de electrones que salen de una placa y se desplazan hasta la otra sera máximo. En el instante en que comienza la corriente , no hay tensión entre las placas del condensador a causa de que  la tensión de la bateria sera la misma que exista entre los extremos del resistor. Por consiguiente, la corriente inicial es igual a la tensión en la bateria dividida por la resistencia de R

Asi, en el instante inicial o tiempo cero, o sea cuando se cierra el interruptor , habra la máxima coriente y la tensión será nula  entre las placas del condensador.

La corriente empieza inmediatamente a cargar el condensador y entre las placas de este aparecera una pequeña tensión que sera proporcional a su carga. Como esta tensión se opone a la de la batería, se restara de ésta. Además, ahora el condensador contiene alguna cantidad de carga, la corriente se reducirá. Así después de cerrar el interruptor la corriente , desminuirá y la tensión entre las placas de C aumentará. Cuando C este completamente cargado la tensión que habrá entre las  placas sera igual a la de la batria. En este instante no habra corriente en el circuito, la tensión entre los extremos del resistor será nula y la corriente que deja pasar el condensador sera cero.

El amperio será definido como cantidad o intensidad de corriente que transporta un colombio de electrones por segundo, o

I=Q/t

Donde:

I     = corriente, amperios
Q     = carga, colombios
t     = tiempo, segundos

Si la tensión entre las placas del condensador es igual a E/ t siendo E la tensión entre las placas del condensador y t el tiempo en segundos.

Como:

C = Q/E

La corriente en amperios se calcula por

I= CE /t

De esto se puede sacar algunas conclusiones importantes. Para una resistencia y una tensión dadas, un condensador pequeño ( poca capacidad ) se cargara en menos tiempo que un condensador grande . Una disminución de C originará una disminución de Q. Si se disminuye, el tiempo de carga t también condensador y Rp representa la resistencia del dieléctrico. En condensadores de alta calidad el  valor de Rp  es extremadamente alto , de varios megohmios. En ciertos condensadores electrolíticos el valor de Rp puede ser tan bajo como un décima de  megohmio,  o sea 100.000 ohomios.

CAPACIDAD EN EL CIRCUITO DE C.A.



La cantidad total de carga que un condensador dado  puede tener es igual al producto de la capacidad en faradios , por la tensión existente entre las placas o terminales del condensador, expresada en voltios.

Q = CE

Hay que tener presente que Q ( carga en culombios ) es la cantidad o numero de electrones, mientras la velocidad con que el condensador recibe esta cantidad de electrones es la corriente del circuito, o culombios por segundo. En un circuito de c.a.

Imed = C E max

Esto significa que la corriente ( I med ) cando se carga un condensador es igual al producto de la capacidad por la velocidad de variación de la tensión. Así la corriente en un circuito capacitivo depende principalmente de tres factores.

1.    Valor del Condensador ( Cuando C aumente , I aumenta ).
2.    Tensión aplicada entre los terminales del condensador ( Cuando E Aumenta, I aumenta ).
3.    Tiempo de carga  ( cuando t aumenta, I disminuye ).

Relaciones entre la tensión y la corriente cuando se aplica un atención alternada entre las placas o terminales de un condensador ,las placas del condensador se cargaran y descargaran alternativamente siguiendo las variaciones de la tensión aplicada. La onda senoidal de la tensión en las placas es esencialmente la misma que la de la tensión de la fuente, excepto en Cuanto a la diferencia de fase . Los ciclos de carga y descarga en las placas provocan un continuo desplazamiento de los electrones, lo cual constituye una corriente alterna que se puede medir con un amperímetro conectado en serie con el condensador.

Cuando La velocidad de la carga y la descarga aumenta, la corriente resultante es mayor . por tanto la corriente depende de la frecuencia o sea de la velocidada de carga y descarga. Cuando la frecuencia de la tensión aplicada aumenta , tambien aumenta la corriente en el circuito.

Relaciones de fase. En un circuito capacitivo solo habra corriente cuando cambia la tensión aplicada al condensador. Con tensiones alternas la tensión cambia continuamente y simprehay corriente. Esta es máxima en el instante en que la velocidad de variación de la tensión es mayor, y ocurre cuando la tensión pasa por cero o 1800.

Cuando el condensador esta completamente cargado , la corriente se reduce debido a que la polaridad de la carga es opuesta a la de la tensión aplicada. Cuando el condensador esta completamente cargado, la tensión aplicada y la de carga son  de la misma amplitud pero de signos contrarios, por lo que cesa la corriente. A causa de esta fuerza contraelectromotriz que se desarrolla en el condensador y de que existe la misma corriente en el instante en que la variación de tensión es máxima, en un circuito capacitivo puro la corriente adelanta a la tensión en un ángulo de 900. Como no existe dieléctrico perfecto, la relacion de fase entre la corriente y la tensión será siempre menor de 900. Sin embargo en los buenos condensadores esta condicion casi se cumple y la diferencia se puede se puede despreciar para fines de calculo.

CAPACITORES EN SERIE Y EN PARALELO.



Los capacitores, como los resistores, se pueden conectar en serie y en paralelo. Para los capacitores en serie, la carga es al misma en todos ellos.

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Al aplicar la ley de tensiones de Kirchhoff en el lazo cerrado se tiene:

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E = V1 =V2 = V3

Pero:

V = Q /  C

De modo que:

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Al utilizar la ecuación donde la carga es la  misma y dividir ambos lados entre Q se tiene:

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Que es similar al modo en que se determina la resistencia total de un circuito resistivo en paralelo. La capacitancia total de dos capacitores en serie es:

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para los capacitores en paralelo, como se muestra, la tensión es la misma en todos los capacitores y la carga es la suma de la de cada capacitor.

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QT = Q1 + Q2 + Q3

Pero:

Q = CV    por lo tanto   CT. E = C1.V1 + C2. V2 + C3. V3

Y:

E = V1 = V2 = V3

Por consiguiente:

CT = C1 + C2 + C3

BIBLIOGRAFÍA



- Guía para mediciones electrónicas y prácticas de laboratorio
Stanley Wolf
Prentice - Hall  Hispanoamericana
- Análisis de circuitos introductorios
L. Boylestad
- Física -Conceptos y aplicaciones
Tippens
- Física general
Serway
- Investigaciones en páginas varias de internet

Autor:

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