Antecedentes del capacitor

1. Antecedentes^[a]

Los capacitores, o condensadores eléctricos, hoy en día son muy necesarios en la electrónica moderna, es difícil imaginar que estos dispositivos tan sencillos puedan ser tan importantes para circuitos eléctricos y electrónicos usados en aparatos de la cotidianidad. Ya que gracias a su funcionalidad de carga y descarga de manera instantánea pueden ser utilizados para mantener la corriente en un circuito y evitar una caída de tensión, entre otros usos. Aunque es un dispositivo simple, sus avances desde su invención han sido pocos.

Desde la antigüedad, Tales de Mileto ya describía la separación mecánica de cargas en un aislante con polos eléctricos, dieléctrico, este efecto entre la energía cinética y la energía electroestática (triboeléctrico), es un cualidad básica para el funcionamiento de los capacitores queda pie a la capacidad de desacoplamiento de estos mismos.[1] En 1745, el físico alemán Ewald Jürgen Von Kleist observó que la carga eléctrica podía ser almacenada conectando por medio de un cable un generador electrostático a un volumen de agua en el interior de una jarra, frasco o botella de vidrio. La mano de Von Kleist y el agua actuaban como conductores, y el frasco como un dieléctrico es decir como aislante (aunque los detalles del mecanismo fueron incorrectamente identificados en ese momento). Von Kleist fue sacudido al tocar el alambre por una poderosa chispa, mucho más dolorosa que la que se obtenía de un generador electrostático, por lo que dedujo que la carga eléctrica se almacenaba en ese dispositivo. Pieter van Musschenbroek inventó  en enero de 1746, un condensador similar con el nombre de la Universidad de Leyden como el que se observa en la imagen 1.[2] [pic 1]

Los condensadores eléctricos no avanzaron en su desarrollo tecnológico por mucho tiempo, antes del desarrollo del tubo de vacío el cual ocurrió en 1916 por Irving Langmuir, los primeros capacitores implementados en radios en 1876 fueron de papel aluminio con papel impregnado con cera que era poco seguros, en 1909 se inventaron los condensadores dieléctricos de mica pero no se volvieron confiables hasta la década de 1940 cuando se perfeccionaron. En las siguientes décadas, se dedicó mucho esfuerzo a comprender la estructura de los materiales utilizados en los capacitores (cristalografía), las transiciones de fase y la optimización de esta familia de materiales, esto se hizo utilizado múltiples capas y buscando diferentes combinaciones de materiales cerámicos, pero no fue hasta los años 70 y 80 que se ampliaron las aplicaciones gracias a que los capacitores cerámicos podían almacenar mayor cantidad de energía y tener voltajes más altos dependiendo de la organización de estos en serie o paralelo. [3]

Inagen 2

En la actualidad, las tecnologías de condensadores importantes son la película de polímero de lámina impregnada (para alto voltaje, alta corriente), película metalizada, cerámica, electrolítica y doble capa eléctrica.

Gracias al desarrollo de los capacitores se han generado nuevas tecnologías tales como la desarrollada en 2010 en la Universidad de Lyon, Francia M. Nongaillard, F.Lallemand y B.Allard diseñaron un método de fabricación capacitores 3D en forma de tubos con distintas geometrías para la implementación en microchips, en los cuales dependiendo de los patrones de los pilares cambiaban las propiedades de dichos capacitores.[4] Algo similar a lo que en la Universidad de Toulouse, también en Francia desarrollaron con nanohilos los cuales estructuraron para la manufacturación de condensadores fabricados con semiconductores metal-óxido  (MOS^[b], por sus siglas en inglés) en 3D, también desarrollaron diferentes geometrías con los nanohilos para aumentar la capacitancia entre otros factores, los condensadores con nanohilos de silicio demostraron un aumento en la densidad de capacitancia en comparación con la caja plana, mientras se mantiene una frecuencia de corte superior a 1 MHz, mucho más alto que en otros informes.[5]

Una de las aplicaciones principales de los capacitores es su uso sensitivo, ya que dependiendo del medio en el que sus placas conductivas se encuentren (el dieléctrico), la capacitancia cambia, así que si se cambia el aislante dieléctrico por uno diferente, ya sea mayor o menor conductor que el principal, su capacitancia tendrá distintos valores y eso ayuda a identificar los compuestos presentes en el medio dependiendo del tipo de sensor y lo que se requiera detectar. En la Universidad Nacional de Seúl, en 2011 desarrollaron un sensor de humedad relativa de tipo micro-capacitivo con poliamida como material de detección dieléctrica, aumentando su volumen de una película 2D a una estructura 3D con “nano-pasto”. La forma tridimensional generó una amplificación de la relación de superficie a volumen que conduce a la rápida adsorción y desorción de agua en el material de detección, mejorando el tiempo de respuesta y la sensibilidad de humedad en comparación de un interdigitado similar pero plano.[6] 

En el 2011, Jagoda A. Dobrzynska y Martin A.M. Gijs del laboratorio de microsistemas en Suiza realizaron un sensor de fuerza flexible, compuesto por cuatro condensadores variables utilizando poliamida como sustrato flexible y como dieléctrico elástico entre dos niveles de electrodos de aluminio en un diseño interdigitado. La aplicación de una fuerza normal al sensor reveló alta resistencia y durabilidad, así como un límite aceptable de detección y sensibilidad.[7] En 2012 desarrollaron un sensor similar al que ya habían realizado dos años antes solo que con la diferencia de que los electrodos ahora estaban compuestos por aluminio y lo que los motivó a utilizar la poliamida como sustrato y dieléctrico en dicho sensor^[c].[8]

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