La capacitancia eléctrica es uno de los conceptos básicos de la electrostática. Este término se refiere a la capacidad de acumular una carga eléctrica. Puedes hablar de la capacidad de un conductor separado, puedes hablar de la capacidad de un sistema de dos o más conductores. Los procesos físicos son similares.
Contenido
Conceptos básicos relacionados con la capacidad eléctrica
Si el conductor ha recibido una carga q, sobre él surge un potencial φ. Este potencial depende de la geometría y el entorno: para diferentes conductores y condiciones, la misma carga generará un potencial diferente. Pero φ siempre es proporcional a q:
φ=Cq
El coeficiente C se llama capacitancia eléctrica.Si estamos hablando de un sistema de varios conductores (generalmente dos), entonces cuando se imparte una carga a un conductor (placa), se produce una diferencia de potencial o voltaje U:
U=Cq, por lo tanto С=U/q
La capacitancia se puede definir como la relación entre la diferencia de potencial y la carga que la causó. La unidad SI para la capacitancia es el faradio (solían decir farad). 1 F \u003d 1 V / 1 C. En otras palabras, un sistema tiene una capacidad de 1 faradio, en el cual, cuando se imparte una carga de 1 coulomb, surge una diferencia de potencial de 1 volt. 1 Farad es un valor muy grande. En la práctica, los valores fraccionarios se usan con mayor frecuencia: picofaradio, nanofaradio, microfaradio.
En la práctica, tal conexión permite obtener una batería que puede soportar una tensión de ruptura del dieléctrico mayor que la de una sola celda.
Cálculo de la capacitancia de los condensadores.
En la práctica, como elementos con una capacitancia eléctrica normalizada, se utilizan con mayor frecuencia condensadores, que consta de dos conductores planos (placas), separados por un dieléctrico. La fórmula para calcular la capacitancia eléctrica de dicho capacitor se ve así:
C=(S/d)*ε*ε0
dónde:
- C - capacidad, F;
- S es el área de los paramentos, m2;
- d es la distancia entre las placas, m;
- ε0 - constante eléctrica, constante, 8.854 * 10−12 f/m;
- ε es la permitividad eléctrica del dieléctrico, una cantidad adimensional.
De esto es fácil entender que la capacitancia es directamente proporcional al área de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre los conductores. Además, la capacidad se ve afectada por el material que separa las placas.
Para comprender cómo las cantidades que determinan la capacitancia afectan la capacidad de un capacitor para almacenar carga, puede hacer un experimento mental para crear un capacitor con la mayor capacitancia posible.
- Puedes intentar aumentar el área de las placas. Esto conducirá a un fuerte aumento en las dimensiones y el peso del dispositivo. Para reducir el tamaño del revestimiento con un dieléctrico que los separa, se enrollan (en un tubo, briquetas planas, etc.).
- Otra forma es reducir la distancia entre las placas. No siempre es posible colocar los conductores muy cerca, ya que la capa dieléctrica debe soportar una cierta diferencia de potencial entre las placas. Cuanto menor sea el espesor, menor será la rigidez dieléctrica del espacio de aislamiento. Si toma este camino, llegará un momento en que el uso práctico de dicho capacitor dejará de tener sentido: solo puede funcionar a voltajes extremadamente bajos.
- Aumentar la permeabilidad eléctrica del dieléctrico. Este camino depende del desarrollo de las tecnologías de producción que existen en este momento. El material aislante no solo debe tener un alto valor de permeabilidad, sino también buenas propiedades dieléctricas, y también mantener sus parámetros en el rango de frecuencia requerido (con un aumento en la frecuencia a la que opera el capacitor, las características del dieléctrico disminuyen).
Algunas instalaciones especializadas o de investigación pueden utilizar condensadores esféricos o cilíndricos.
La capacitancia de un condensador esférico se puede calcular mediante la fórmula
C=4*π*ε*ε0 *R1R2/(R2-R1)
donde R son los radios de las esferas y π=3.14.
Para un capacitor cilíndrico, la capacitancia se calcula como:
C=2*π*ε*ε0 *l/ln(R2/R1)
l es la altura de los cilindros, y R1 y R2 son sus radios.
Básicamente, ambas fórmulas no difieren de la fórmula para un capacitor plano. La capacitancia siempre está determinada por las dimensiones lineales de las placas, la distancia entre ellas y las propiedades del dieléctrico.
Serie y conexión en paralelo de condensadores.
Se pueden conectar capacitores en serie o en paralelo, obteniendo un conjunto con nuevas características.
Coneccion paralela
Si conecta los condensadores en paralelo, la capacidad total de la batería resultante es igual a la suma de todas las capacidades de sus componentes. Si la batería consta de condensadores del mismo diseño, esto puede considerarse como la suma del área de todas las placas. En este caso, el voltaje en cada celda de la batería será el mismo y las cargas se sumarán. Para tres condensadores conectados en paralelo:
- U = U1=T2=T3;
- q = q1+ q2+ q3;
- C=C1+C2+C3.
conexión en serie
Cuando se conectan en serie, las cargas de cada capacitancia serán las mismas:
q1= q2= q3= q
El voltaje total se distribuye proporcionalmente capacitancias de capacitores:
- tu1=q/C1;
- tu2=q/C2;
- tu3= q/c3.
Si todos los capacitores son iguales, entonces cae el mismo voltaje en cada uno. La capacidad total se encuentra como:
С=q/( U1+u2+u3), por lo tanto 1/С=( U1+u2+u3)/q=1/C1+1/V2+1/V3.
El uso de capacitores en tecnología.
Es lógico utilizar condensadores como dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica. En esta capacidad, no pueden competir con las fuentes electroquímicas (baterías galvánicas, condensadores) debido a la pequeña energía almacenada y la autodescarga bastante rápida debido a la fuga de carga a través del dieléctrico.Pero su capacidad para acumular energía durante un largo período y luego regalarla casi instantáneamente es ampliamente utilizada. Esta propiedad se utiliza en lámparas de flash para fotografía o lámparas para excitación de láseres.
Los condensadores se utilizan ampliamente en ingeniería de radio y electrónica. Las capacitancias se utilizan como parte de los circuitos resonantes como uno de los elementos de ajuste de frecuencia de los circuitos (el otro elemento es la inductancia). También aprovecha la capacidad de los condensadores de no pasar corriente continua sin retrasar la componente variable. Tal aplicación es común para separar etapas de amplificación con el fin de excluir la influencia de los modos de CC de una etapa sobre otra. Los condensadores grandes se utilizan como filtros de suavizado en las fuentes de alimentación. También hay una gran cantidad de otras aplicaciones de capacitores donde sus propiedades son útiles.
Algunos diseños prácticos de capacitores
En la práctica, se utilizan varios diseños de capacitores planos. El diseño del dispositivo determina sus características y alcance.
condensador variable
Un tipo común de capacitor variable (VPC) consiste en un bloque de placas móviles y fijas separadas por aire o un aislante sólido. Las placas móviles giran alrededor del eje, aumentando o disminuyendo el área de superposición. Cuando se retira el bloque móvil, el espacio entre electrodos permanece sin cambios, pero la distancia promedio entre las placas también aumenta. La constante dieléctrica del aislador también permanece sin cambios. La capacidad se regula cambiando el área de las placas y la distancia promedio entre ellas.
condensador de oxido
Anteriormente, dicho condensador se llamaba electrolítico. Consiste en dos tiras de lámina separadas por un papel dieléctrico impregnado con un electrolito. La primera tira sirve como una placa, la segunda placa sirve como electrolito. El dieléctrico es una fina capa de óxido en una de las tiras de metal, y la segunda tira sirve como colector de corriente.
Debido al hecho de que la capa de óxido es muy delgada y el electrolito está muy cerca de ella, fue posible obtener capacidades suficientemente grandes con tamaños moderados. El precio de esto fue un bajo voltaje de operación: la capa de óxido no tiene una alta resistencia eléctrica. Con un aumento en el voltaje de operación, es necesario aumentar significativamente las dimensiones del capacitor.
Otro problema es que el óxido tiene conductividad unilateral, por lo que tales contenedores se usan solo en circuitos de CC con polaridad.
ionistor
Como se muestra arriba, los métodos tradicionales de aumentar Condensadores tienen limitaciones naturales. Por lo tanto, el verdadero avance fue la creación de ionistores.
Aunque este dispositivo se considera un enlace intermedio entre un condensador y una batería, en esencia sigue siendo un condensador.
La distancia entre las placas se reduce drásticamente gracias al uso de una doble capa eléctrica. Las placas son capas de iones con cargas opuestas. Se hizo posible aumentar considerablemente el área de las placas debido a los materiales porosos espumados. Como resultado, es posible obtener supercondensadores con una capacidad de hasta cientos de faradios.Una enfermedad congénita de tales dispositivos es el bajo voltaje de operación (generalmente dentro de los 10 voltios).
El desarrollo de la tecnología no se detiene: las lámparas de muchas áreas son reemplazadas por transistores bipolares y, a su vez, son reemplazadas por triodos unipolares. Al diseñar circuitos, intentan deshacerse de las inductancias siempre que sea posible. Y los condensadores no han perdido sus posiciones durante el segundo siglo, su diseño no ha cambiado fundamentalmente desde la invención de la botella de Leyden y no hay perspectivas de que terminen su carrera.
Artículos similares:
