¿Qué es la capacitancia?
Los condensadores son un dispositivo eléctrico que relativamente pocas personas conocen. Pero eso podría considerarse sorprendente, especialmente cuando se da cuenta de que prácticamente todos los dispositivos electrónicos contienen condensadores de algún tipo. Un capacitor es un componente que almacena carga (almacena energía eléctrica) hasta que se llena y luego la libera en una ráfaga. Hay muchas razones por las que podría querer hacer eso. Puede almacenar la carga en un condensador en caso de que pierda la alimentación externa, de modo que el dispositivo no muera instantáneamente, permitiendo que se completen los procesos de recuperación. Es posible que desee que un circuito obtenga un «pulso» regular de energía cada x cantidad de tiempo. Pero, sea cual sea la razón, los condensadores vienen en todo tipo de tamaños y contienen desde pequeñas cantidades de energía hasta grandes cantidades. Los condensadores realmente se usan en todas partes: desde computadoras hasta televisores, pasando por filtros de paso de banda alta y arrancadores de automóviles. Casi todos los dispositivos electrónicos que utiliza contienen condensadores. Y el título de esta lección: la capacitancia es una medida de la capacidad de un capacitor para almacenar carga, medida en faradios; un capacitor con una capacitancia mayor almacenará más carga.
Ecuaciones de capacitancia
La definición de capacitancia viene dada por esta ecuación: capacitancia C , medida en faradios, es igual a la carga Q , medida en culombios, dividida por la tensión V , medida en voltios. Entonces, por ejemplo, si conecta una batería de 12V a un capacitor, y esa batería carga el capacitor con 4 culombios de carga, debe tener una capacitancia de 4/12, que es de 0.33 faradios.
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Si el capacitor tuviera una capacitancia más alta, almacenaría más carga cuando se conectara a la misma batería. Debido a esta ecuación, podemos ver que la capacitancia se mide, por lo tanto, en culombios por voltio. Por lo tanto, representa cuántos culombios de carga se almacenarán en un capacitor por voltio que lo atraviese. Bien, pero ¿qué hace físicamente que un condensador en particular tenga una capacitancia diferente? ¿Qué decide cuánta carga almacena? Bueno, eso se basa en las características físicas reales del condensador. Entonces, tenemos otra ecuación para la capacitancia que se ve así:
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La capacitancia de un capacitor de placas paralelas, un capacitor simple que son solo dos placas paralelas separadas por una distancia, d , es igual a la permitividad relativa del material entre los lugares, K , multiplicada por la permitividad del espacio libre, épsilon-cero , que siempre es igual a 8.854 * 10 ^ -12, multiplicado por el área de las placas, A , medida en metros cuadrados, dividida por la distancia entre los lugares, d , medida en metros. La mayor parte de eso se explica por sí mismo, pero K , la permitividad relativa del material llamado «dieléctrico» entre las placas es generalmente igual a 1 o mayor. Si no hay nada entre las placas, K = 1; si hay aire entre las placas, entonces K es prácticamente igual a 1; y si es un material diferente, será un número mayor que uno, dependiendo del material exacto. Entonces, esas son nuestras dos ecuaciones básicas para la capacitancia y, como de costumbre, ahora es el momento de intentar usarlas en un problema de ejemplo.
Ejemplo de cálculo
Digamos que tiene un capacitor de 0.1 metros cuadrados de área, con placas separadas 0.01 metros, y hay aire entre las placas. Si lo conecta a una batería de 9 V, ¿cuánta carga se almacenará en las placas? Bueno, antes que nada, anotemos lo que sabemos. El área es 0.1 metros cuadrados, entonces A = 0.1; las placas están separadas por 0,01 metros, por lo que d = 0,01; y hay aire entre las placas, por lo que K es aproximadamente 1. También tiene un voltaje, por lo que V = 9 voltios, y se nos pide que encontremos la carga, Q , por lo que Q es igual al signo de interrogación. No podemos resolver para Q todavía porque tenemos V , pero no tenemos C . Entonces, necesitaremos usar nuestra otra ecuación para encontrar la capacitancia C primero. Colocando números en esa ecuación, obtenemos que la capacitancia es igual a 1 multiplicado por 8,854 * 10 ^ -12 multiplicado por 0,1 dividido por 0,01; eso nos da una capacitancia de 8.854 * 10 ^ -11 faradios. Ahora podemos insertar esa capacitancia en la primera ecuación, y reordenando algebraicamente para hacer de Q el sujeto, encontramos que la carga Q es igual a 8.854 * 10 ^ -11 multiplicado por 9, que es 8 * 10 ^ -10 culombios. Y eso es todo, esa es nuestra respuesta.
Resumen de la lección
Un capacitor es un componente que almacena carga (almacena energía eléctrica) hasta que se llena y luego la libera en una ráfaga. Hay muchas razones por las que podría querer hacer eso. Puede almacenar la carga en un condensador en caso de que pierda la alimentación externa, de modo que el dispositivo no muera instantáneamente, permitiendo que se completen los procesos de recuperación. Es posible que desee que un circuito obtenga un «pulso» regular de energía cada x cantidad de tiempo. Encontrará condensadores en casi cualquier dispositivo electrónico: computadoras, televisores, arrancadores de automóviles, lo que sea. La capacitancia es una medida de la capacidad de un capacitor para almacenar carga, medida en faradios; un capacitor con una capacitancia mayor almacenará más carga. La definición de capacitancia viene dada por esta ecuación: capacitancia C , medida en faradios, es igual a la carga Q , medida en culombios, dividida por la tensión V , medida en voltios. La capacitancia se basa en las características físicas del capacitor. La capacitancia de un capacitor de placas paralelas es igual a la permitividad relativa del material entre los lugares, K , multiplicada por la permitividad del espacio libre, épsilon-cero, que siempre es igual a 8.854 * 10 ^ -12, multiplicado por el área de las placas, A , medido en metros cuadrados, dividido por la distancia entre los lugares, d , medido en metros. El valor K es igual a 1 para espacio vacío y bastante cercano a 1 para aire. Estas dos ecuaciones juntas le permiten resolver muchos problemas simples que involucran capacitores.
Los resultados del aprendizaje
Una vez que haya terminado con esta lección, tendrá la capacidad de:
- Recuerde qué es un condensador, el propósito de los condensadores y ejemplos de condensadores.
- Definir capacitancia
- Identificar la ecuación que proporciona la definición de capacitancia y la ecuación para la capacitancia de un capacitor de placas paralelas.
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