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• César Augusto González García

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Circuitos Eléctricos I - Prof. César González

Capacitancia La capacitancia o capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener, almacenar o condensar una carga eléctrica. La capacitancia también es una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada, para un potencial eléctrico dado. El dispositivo que almacena la energía potencial eléctrica es el condensador o capacitor. La capacitancia C se calcula dividiendo la diferencia de potencial (o tensión) V, existente entre los terminales del condensador y la carga eléctrica q almacenada en éste; es decir: C = q / V Donde:

q es la carga eléctrica almacenada, medida en Coulombios V es la diferencia de potencial o voltaje en bornes del condensador. C es la capacitancia, medida en Faradios (en honor al físico Michael Faraday).

Entonces, un Faradio (F) es un Coulombio/Voltio y se define como la capacitancia necesaria para condensar una carga de 1C, bajo una tensión de 1V. Esta unidad resulta relativamente grande y suele expresarse en submúltiplos como µF = 10-6F; nF = 10-9F o pF = 10-12F. La capacitancia es siempre una cantidad positiva que depende de la geometría del condensador, el cual puede ser de placas paralelas, cilíndrico o esférico. Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la rigidez dieléctrica del material aislante, mayor es la capacidad. Para un capacitor de placas paralelas, si S es el área de las placas y d es la distancia entre éstas, la capacitancia C viene dada por la siguiente expresión. Donde ε0 es la permitividad en el vacío y εr es la permitividad relativa del material dieléctrico colocado entre las placas.

S

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Tabla de Permitividad Relativa Material aislante

εr

Material aislante

εr

Aceite de colza

2,2

Hule duro

2,8

Aceite de parafina

2,2

Hule vulcanizado

2,7

Laca

3,5 4,3

Aceite de raíz

3

Aceite de ricino

4,7

Lacre de sello

Aceite mineral para transformador

2,2

Mármol

4

Mica

8 5

Aceite de oliva

3

Aceite vegetal para transformador

2,5

Micanitap

Agua

80

Papel

2,3

Aire

1

Papel pescado

4,2

Aislamiento para cables

2,5

Parafina

2,2

Aislamiento para cables de alta tensión

4,2

Petróleo

2,2

Aislamiento para cables telefónicos

1,5

Pizarra

4

Asbesto-Hule

4

Porcelana

Baquelita

2,7

Tela

Cartón

4,5

Terpentina

Cuarzo

4,5

Vidrio

Ebonita

2,5

Vidrio (Zeiss)

4,4 4 2,2 5 1,6

Energía almacenada La energía almacenada en un condensador, medida en julios, es igual al trabajo realizado para cargarlo. Dado un condensador con una capacitancia C, cuyos bornes están cargados con una carga q. Para mover una pequeña cantidad de carga dq desde una placa hacia la otra en sentido contrario a la diferencia de potencial se debe realizar un trabajo dW, tal que:

Es decir, para cargar un condensador hay que realizar un trabajo y parte de este trabajo queda almacenado en forma de energía potencial electrostática. Se puede calcular la energía almacenada en un condensador integrando la ecuación anterior, desde que el condensador está descargado, q=0, hasta que adquiera una cierta carga q=Q.

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En efecto,

Símbolo circuital

Apariencia física

Asociaciones de condensadores En serie: A

B

Los condensadores pueden asociarse en serie, como se observa en el circuito anterior. En este caso, la capacitancia equivalente entre los puntos A y B, resulta ser el inverso de la sumatoria de los inversos de cada capacitancia

Esto da como resultado una capacitancia equivalente menor que la más pequeña de todas las capacitancias involucradas. Circuitos Eléctricos I

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En paralelo: A

B Los condensadores pueden asociarse en paralelo, como se observa en el circuito anterior, en cuyo caso, la capacitancia equivalente entre los puntos A y B, resulta ser la sumatoria de las capacitancias individuales de cada condensador.

Esto indica que la capacitancia total es mayor que la más grande de todas las capacitancias. Es fácil demostrar estas dos expresiones. Para la asociación en serie, solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en las placas es la misma en todos los condensadores, por tanto cambia la diferencia de potencial para mantener la capacitancia de cada uno. Para la asociación en paralelo, se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas es la misma, así que cambiará la cantidad de carga para mantener la capacitancia de cada condensador.

Tipos de Condensadores, según su dieléctrico 

Condensadores de aire. Se trata de condensadores, normalmente de placas paralelas, con dieléctrico de aire y encapsulados en vidrio. Como la permitividad eléctrica relativa es la unidad, sólo permite valores de capacidad muy pequeños. Se utilizó en radio y radar, pues carecen de pérdidas y polarización en el dieléctrico, funcionando bien a frecuencias elevadas.



Condensadores de mica. La mica posee varias propiedades que la hacen adecuada para dieléctrico de condensadores: bajas pérdidas, exfoliación en láminas finas, soporta altas temperaturas y no se degrada por oxidación o con la humedad. Sobre una cara de la lámina de mica se deposita aluminio, que forma una armadura. Se apilan varias de estas láminas, soldando los extremos alternativamente a cada uno de los terminales. Estos condensadores funcionan bien en altas frecuencias y soportan tensiones elevadas, pero son caros y se ven gradualmente sustituidos por otros tipos.

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

Condensadores de papel. El dieléctrico es papel parafinado, bakelizado o sometido a algún otro tratamiento que reduce su higroscopia y aumenta el aislamiento. Se apilan dos cintas de papel, una de aluminio, otras dos de papel y otra de aluminio y se enrollan en espiral. Las cintas de aluminio constituyen las dos armaduras, que se conectan a sendos terminales. Se utilizan dos cintas de papel para evitar los poros que pueden presentar.



Condensadores electrolíticos. Es un tipo de condensador que utiliza un electrolito, como su primera armadura, la cual actúa como cátodo. Con la tensión adecuada, el electrolito deposita una capa aislante (la cual es en general una capa muy fina de óxido de aluminio) sobre la segunda armadura o cuba (ánodo), consiguiendo así capacidades muy elevadas. Son inadecuados para funcionar con corriente alterna. La polarización inversa destruye el óxido, produciendo un corto entre el electrolito y la cuba, aumentando la temperatura, y por tanto, arde o estalla el condensador consecuentemente. Existen varios tipos, según su segunda armadura y electrolito empleados: o Condensadores de aluminio. Es el tipo normal. La cuba es de aluminio y el electrolito una disolución de ácido bórico. Funciona bien a bajas frecuencias, pero presenta pérdidas grandes a frecuencias medias y altas. Se emplea en fuentes de alimentación y equipos de audio. Muy utilizado en fuentes de alimentación conmutadas. o Condensadores de tantalio. Es otro condensador electrolítico, pero emplea tantalio en lugar de aluminio. Consigue corrientes de pérdidas bajas, mucho menores que en los condensadores de aluminio. Suelen tener mejor relación capacidad/volumen. o Condensadores bipolares (para corriente alterna). Están formados por dos condensadores electrolíticos en serie inversa, utilizados en caso de que la corriente pueda invertirse. Son inservibles para altas frecuencias.

Condensadores electrolíticos axiales

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Condensadores electrolíticos de tantalio

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

Condensadores de poliéster o Mylar. Está formado por láminas delgadas de poliéster sobre las que se deposita aluminio, que forma las armaduras. Se apilan estas láminas y se conectan por los extremos. Del mismo modo, también se encuentran condensadores de policarbonato y polipropileno.



Condensadores de poliestireno también conocidos como Styroflex. Otro tipo de condensadores de plástico, muy utilizado en radio, por disponer de coeficiente de temperatura inverso a las bobinas de sintonía, logrando de este modo estabilidad en los circuitos resonantes.



Condensadores cerámicos. Utiliza cerámicas de varios tipos para formar el dieléctrico. Existen diferentes tipos formados por una sola lámina de dieléctrico, pero también los hay formados por láminas apiladas. Dependiendo del tipo, funcionan a distintas frecuencias, llegando hasta las microondas.

Condensadores cerámicos, "SMD (montaje superficial)" o de "disco" 

Condensadores síncronos. Es un motor síncrono que se comporta como un condensador.



Dieléctrico variable. Este tipo de condensador tiene una armadura móvil que gira en torno a un eje, permitiendo que se introduzca más o menos dentro de la otra. El perfil de la armadura suele ser tal que la variación de capacidad es proporcional al logaritmo del ángulo que gira el eje. o Condensadores de ajuste. Son tipos especiales de condensadores variables. Las armaduras son semicirculares, pudiendo girar una de ellas en torno al centro, variando así la capacidad. Otro tipo se basa en acercar las armaduras, mediante un tornillo que las aprieta.

Condensador variable de una vieja radio AM.

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