CAPACITORES Y CAPACITANCIA

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CAPACITORES Y CAPACITANCIA.

¿QUÉ ES UN CAPACITOR?

Un capacitor o condensador eléctrico es un dispositivo pasivo, utilizado en electricidad y electrónica, capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico.

¿QUÉ VIENE DENTRO DE UN CAPACITOR?

Dentro de un capacitor, vienen dos pedazos de material conductor, como el metal, que están separados entre sí. Dentro de estos, también encontramos dos pedazos de papel, que se encargan de mantenerlos separados, de forma que no se toquen entre sí.

La función principal de los capacitores, es almacenar carga.

Al conectar las láminas de un capacitor a una pila, las cargas negativas del lado derecho, serán atraídas por el polo positivo de la pila, convirtiéndose así en cargas positivas, ya que, entre más cargas negativas del lado derecho sean atraídas hacia la pila, menos cargas positivas tendrá. Lo contrario pasa con el lado izquierdo, como de este lado, se encuentra el polo negativo de la pila, todas las cargas negativas serán repelidas y almacenadas en el lado izquierdo del capacitor. Sin embargo, sea de lado derecho, o izquierdo, siempre se tendrá la misma magnitud de carga, solo que con diferente signo.

Debido a lo anterior, se explica lo siguiente: las láminas deben estar separadas, debido a que los electrones, con carga negativa, se mueven a través de la red creada, mientras que los protones, con carga positiva, se quedan estáticos, si las láminas estuvieran juntas, no se podrían separar las cargas negativas de las positivas, ya que los electrones estarían en movimiento constante debido a que se tendría un circuito cerrado.

CAPACITANCIA:

Es el número que tan bueno es el capacitor para guardar carga. Entre más grande sea la capacitancia, mayor carga guardará, y lo contrario pasará si tiene una capacitancia pequeña.

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Q= cantidad de carga almacenada

V= voltaje.

CAPACITANCIA:

Si se tiene una placa infinita, uniformemente cargada, entonces el campo eléctrico que genera es constante.

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E= Campo eléctrico K= constante de coulomb σ= densidad de carga σ=  Q=carga total A= área total[pic 4]

Cuando se tienen dos placas finitas paralelas, pero con distintas cargas ¿Cómo se ve el campo eléctrico de cada una? Sus campos eléctricos siguen siendo constantes, aunque únicamente en el centro de estas, y serían únicamente una mezcla de ambos campos.

EJEMPLO: se tienen dos placas, paralelas entre sí, pero con cargas diferentes. La

magnitud de la placa inferior es +Q, la magnitud de la placa superior es –Q, y la distancia entre ambas es igual a “d”.

EXPLICACIÓN: el campo eléctrico de la placa positiva, se puede expresar gráficamente como flechas dirigidas hacia arriba, que son constantes en el centro, pero conforme se alejan de este, dejan de parecerlo. El campo eléctrico de la placa negativa, se puede expresar de la misma forma, y como resultado de esto, tenemos dos campos eléctricos.

ENERGÍA DE UN CAPACITOR.

¿Qué es lo que pasa si conectas un capacitor a una pila? un capacitor, únicamente guarda carga, por lo cual para que pueda transferirla, primero debe tenerla, es decir, primero se debe cargar. La razón de que esto suceda es que, un capacitor no solo almacena carga, sino que también almacena energía. Cuando se conecta el capacitor a la batería, las cargas se separan.

Cuando las cargas están separadas, buscarán la forma de volverse a juntar, debido a que los opuestos se atraen, de modo que, si se colocan un par de alambres y un foco, la corriente comenzará a fluir, produciendo así luz y calor. Una vez que el capacitor se descarga, el foco de apaga y el proceso termina.

El tipo de energía que almacenan los capacitores, es energía potencial eléctrica.

La fórmula de la energía potencial eléctrica es:  Sin embargo, la energía almacenada en un capacitor se encuentra con la siguiente formula: .[pic 5][pic 6]

Se utiliza el 1⁄2 debido a que no todas las cargas caen a través del total del voltaje. La razón de esto es que cada vez que una carga es transferida, la cantidad de carga almacenada en el capacitor sufre un decremento, y cuando esto pasa, el voltaje a través del capacitor también va a disminuir.

Si se realiza la suma de la decaída de carga, obtenemos lo siguiente:                  Esta fórmula se puede reescribir de la siguiente forma:o simplificado [pic 7][pic 8][pic 9]

CAPACITORES EN SERIE:

Cuando se tiene un solo capacitor conectado a una sola batería, es muy fácil trabajar con este, sin embargo, cuando se tienen más de un capacitor conectado a una o más de una batería, suele ser un poco más confuso.

Existen diferentes formas de conectar varios capacitores, sin embargo, cuando se está conectados uno detrás de otro, de esta manera se tienen capacitores en serie, podemos deducir que:

Para encontrar la carga del capacitor señalado, en este caso no podemos utilizar la formula mencionada antes (F=Q/V) ni despejándola ya que la respuesta estará mal. Para encontrar el porqué, debemos comprender lo siguiente: cuando la batería se conecta, la energía comenzará a fluir, una carga negativa del capacitor tres, se desplazará al capacitor uno, una carga negativa del capacitor uno, se moverá al capacitor dos, y una carga negativa del capacitor dos, se moverá al capacitor tres, comenzando así un ciclo.  ́para que esto pueda completarse, es importante que los tres capacitores almacenen la misma cantidad de carga.

Debido a lo anterior, podemos encontrar que, como los tres capacitores almacenan la misma cantidad de carga, podemos encontrar únicamente el valor de la carga de uno de los capacitores, y este será el mismo para los otros tres.

Para una mejor explicación, podemos sustituir los tres capacitores por un solo capacitor equivalente, de modo que podamos trabajar con este. Para poder encontrar la carga del capacitor equivalente trabajaremos con la siguiente formula:  [pic 10]

De esta forma, obtenemos la carga del capacitor equivalente, y del mismo modo, de cada uno de los capacitores, debido a que el capacitor equivalente, tendrá la misma carga que cada uno de los tres capacitores.

En conclusión, la fórmula que se utiliza, se debe a que los voltajes a través de capacitores conectados en serie tienen que ser igual al voltaje de la batería.

CAPACITORES EN PARALELO:

Cuando se tienen dos capacitores en paralelo y se conectan a una batería, las cargas comenzarán a separarse, las cargas negativas serán atraídas por el polo positivo de la batería, cuando pasen al otro lado, serán repelidas por el polo negativo, y de esta forma tendrán la opción de quedarse en el polo positivo del primer capacitor o seguir adelante hasta llegar al polo positivo del segundo capacitor. Cuando se tienen dos capacitores con diferente capacitancia de carga, el capacitor que tiene mayor capacitancia, tendrá mayor número de cargas negativas que el que tiene menor capacitancia.

DIELÉCTRICOS EN CAPACITORES:

Los dieléctricos los encontramos en los capacitores, se usan para mantener separadas las placas conductoras, de modo que no se juntes o rocen entre sí. Es importante que las placas no se toquen entre sí, debido a que, si lo hacen, sería imposible guardar carga, ya que completaríamos el circuito y las cargas no se separarían. Una razón importante de introducir este material no conductor, es que esto siempre va a incrementar la capacidad del capacitor, a este material no conductor que se coloca entre ambas placas, se le da el nombre de dieléctrico. ¿Cómo un dieléctrico va a aumentar la capacitancia de los capacitores? Tenemos un capacitor conectado a una batería (V), como reacción las cargas se separarían. Si quitamos la batería, las cargas seguirán separadas en cada placa ya que las cargas negativas no tienen un medio para reunirse con las cargas positivas, de esta forma, aunque se quite la batería se conservará la misma carga, al igual que el voltaje, que seguirá siendo igual al de la batería. Si insertamos un dieléctrico, que está formado por átomos y moléculas, las cuales cuando se colocan entre las placas de este capacitor cargado, las cargas negativas en el material dieléctrico se van a sentir atraídas hacia las cargas positivas de la plata del capacitor, sin embargo no pueden llegar a las cargas positivas de la placa, porque el dieléctrico no es un conductor, sin embargo estas cargas pueden cambiar de lugar o alinearse hacia las cargas positivas esto ocasiona que la carga en los átomos y moléculas de este material dieléctrico se vuelvan polarizadas. De otra manera podríamos decir que el átomo se estira de manera que un extremo se vuelve más o menos en general negativo y el otro extremo se vuelve en general positivo.

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