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Capacitancia y Capacitores

Un dieléctrico es un material no conductor, que se utiliza entre dos placas metálicas para formar un capacitor, la capacitancia aumenta un factor k cuando el material dieléctrico llena por completo la región entre las placas. Este factor es conocido como constante dieléctrica. La constante dieléctrica es una propiedad del material y varia de un material a otro. El material dieléctrico es necesario para crear una trayectoria por la cual pueda fluir la carga entre las placas y disminuir el voltaje a un valor ∆V. Los voltajes con y sin dieléctrico se relacionan mediante el factor k del modo siguiente. ∆V=∆Vo/k La carga inicial de un capacitor no cambia por tanto la capacitancia cambia a un valor C=kCo. Es decir, la capacitancia aumenta en el factor k cuando el dieléctrico llena toda la región entre las placas. Para un capacitor de placas paralelas que está lleno por completo de un dieléctrico la capacitancia se puede expresar como. C=K εoA/d El valor d, que es la distancia entre las placas está limitado por la descarga eléctrica que puede ocurrir a través del medio dieléctrico que separa las placas. El máximo voltaje que puede aplicarse a un capacitor sin producir una descarga depende de la resistencia dieléctrica del material, si la magnitud del campo eléctrico en el dieléctrico supera a la resistencia dieléctrica, las propiedades aislantes se deterioran y el dieléctrico empiezan a conducir. La utilización de materiales dieléctricos en los capacitores se debe a: a que aumentan la capacitancia, aumentan el voltaje de operación máximo, y brinda soporte mecánico entre las placas.

Tipos de capacitores. Capacitor laminado con delgadas hojas de papel impregnado de parafina, sirven como material dieléctrico, y se utilizan mayormente para capacitores de alto voltaje. Capacitores cerámicos se utilizan mayormente para aplicaciones que requieren voltajes muy pequeños.

Los capacitores variables suelen estar compuestos de dos conjuntos de placas metálicas entrelazadas, uno fijo y el otro móvil con aire como dieléctrico. Capacitor electrolítico se usa con frecuencia para almacenar grandes cantidades de carga a voltajes relativamente bajos. Estos dispositivos constan de una hoja metálica en contacto con un electrolítico, solución que contiene iones que posibilitan la conducción de corriente.

Descripción atómica de los dieléctricos E0 es el campo eléctrico sin el dieléctrico, el campo en presencia del dieléctrico es E= E0/K

Si un dieléctrico con moléculas polares colocadas en el campo eléctrico entre las placas de un capacitor, los dipolos se orientan aleatoriamente en ausencia de campo eléctrico. Cuando se aplica el campo externo E 0 debido a las cargas en las placas del capacitor, se ejerce un momento de torsión sobre los dipolos, lo que origina que estos estén parcialmente alineados con el campo. En el momento en que sucede esta alineación se considera que el dieléctrico ha sido polarizado por el campo eléctrico. El grado de alineación de las moléculas con el campo eléctrico depende de la temperatura y de la magnitud del campo.

Si las moléculas del dieléctrico son no polares, entonces el campo eléctrico debido a las placas produce cierta separación de carga y un momento de dipolo inducido. Dichos momentos de dipolo inducidos tienden alinearse con el campo externo, y el dieléctrico esta polarizado. Si una lámina de material dieléctrico se coloca entre las placas de un capacitor de modo que esté en un campo eléctrico uniforme dirigido a la derecha y este polarizando en dieléctrico. Lo que sucederá es que el efecto neto en el dieléctrico neto será la formación de una densidad de carga superficial positiva inducida Ϭ ind sobre la carga derecha y una densidad de carga superficial negativa igual -Ϭ ind sobre la carga izquierda. Estas cargas superficiales inducidas en el dieléctrico producen el aumento hasta un campo inducido Eind que se opone al campo externo E0, por consiguiente, el campo eléctrico neto E en el dieléctrico tiene una magnitud.

E=E0 –Eind El campo eléctrico inducido en el dieléctrico se relación con la densidad de carga inducida Ϭind por medio de la relación Eind= Ϭind / E0. Puesto que E= E0 / k = Ϭ / kE0.

Ya que k > 1, esta expresión muestra que la densidad de carga Ϭind inducida en el dieléctrico es menor que la densidad de carga Ϭ sobre las placas. Sin embargo, si el dieléctrico se sustituye por un conductor eléctrico, para el cual E = 0, entonces según la ecuación anterior muestra que E0 = Eind; ; esto significa que Ϭind = E=0.

Universidad Nacional de Ingeniería Facultad de Electrotecnia y Computación

Física II

Tema: Capacitancia y capacitores

Integrantes:   

Jonathan Obando Plata Moises Alejandro Pavón Castillo Rodrigo Montenegro González

Grupo: 2M2-El Doc. Svetlana Vinocurova

27/04/2017