Física de los capacitores

Como futuro ingeniero es básico saber que son capacitores, como funcionan, como trabajan y esencialmente cuál es su objetivo, pues desde un punto de vista sistemático no tiene mucho sentido crear una doble barrera de carga entre la línea inicial del voltaje y la línea final. Les explicare a continuación que son los capacitores, como funcionan y donde podemos encontrarlos en la vida cotidiana.

La empezar hay que aclarar que si bien todos los capacitores funcionan de la misma forma, existen millones de modelos en el mercado, por lo cual su estructura puede variar de acuerdo al modelo.

La actividad específica de un capacitor es almacenar carga, retenerla por un instante y hacerla fluir en la misma dirección pero con más fuerza. Esto con la finalidad de dar un empujón inicial al componen siguiente. Como es el caso de los Aires acondicionados, el capacitor de un aire es puesto en real funcionamiento solo al encenderlo, este crea una carga inicial de hasta 440v (dependiendo del modelo del equipo) para hacer arrancar el compresor y el ventilador al mismo tiempo y luego de ello solo emite el voltaje normal (220v o 110v). Este es el propósito básico de un capacitor.

Como está compuesto

El capacitor está compuesto de dos placas paralelas, una con carga negativa y justo en frente una de igual tamaño pero con carga opuesta. Estas placas suelen estar separadas por un aislante llamado “Dieléctrico” (que no transmite corriente).

Gráfica de placas – fuente, elaboración propia

La fórmula matemática para representar la capacidad de un condensador es muy sencilla:

C = q/V

Dónde:

C: capacidad del condensador (Medida en Farad. (O Faraday) Hablaremos más adelante sobre esta unidad de medida)
Q: carga de una de las placas (medida en Coulomb)
V: diferencia de potencial entre las placas (medida en Voltios)

Si bien el funcionamiento de todos es muy similar lo realmente interesante son los tipos, y sus usos.
Por ejemplo, los condensadores fijos, son pasivos de dos terminales. Se ordenan según el dieléctrico que separa las placas.

Entre los condensadores fijos encontramos los de papel, cerámica, plástico y electrolíticos.

vista general de capacitores

Los condensadores de papel.

Llevan ese nombre porque las placas cagadas están hechas de papel de aluminio de alta pureza y el material dieléctrico que los separa es un papel de alta calidad impregnado con resinas o parafinas. Destacan por su reducido tamaño y gran estabilidad a los cambios térmicos.

Capacitor de papel

Los condensadores de cerámica

Están hechos con placas de plata, separados por una pieza de cerámica. Esto porque los materiales de cerámica son buenos aislantes eléctricos.

Capacitor ceramica

Condensadores de plásticos

Tal como imaginaran los condensadores de plásticos llevan ese nombre porque el material que separa las placas es un plástico. Pero estos tienen un característica distinta, son fabricados en forma de bobinas, con múltiples capas de material aislante alrededor de las placas cargadas.

Capacitor de plástico

Condensadores electrolíticos

Por ultimo en esta lista están los más usados en el mercado. Los capacitores electrolíticos. Pues son de alta capacidad, esto se debe al bajo espesor de su dieléctrico, generalmente utilizan una placa de aluminio y la otra es un electrolito. Y utilizan oxido de aluminio como material aislante (dieléctrico). Dado que estos condensadores son físicamente distintos (el material de las placas es distinto) debe siempre considerarse la polaridad siempre indicada en la cubierta del capacitor, pues de lo contrario tienden a explotar si se conectan mal. Lo que lo deje inutilizable.

Capacitor de electrolíticos
Capacitor de electrolíticos en una placa

Estos capacitores seguramente los han visto, son muy comunes en la fábrica de computadores y circuitos de todo tipo, desde protectores de voltaje de bajo rendimiento, hasta las grandes placas que utilizan los TV más avanzados.

Condensadores variables

Otro tipo de condensadores son los conocidos como “condensadores variables” pues su capacidad puede ser modificada intencionalmente de forma mecánico, o electrónica, usando aire o plástico como dieléctrico. Estos son mayormente usados en componentes como antenas de radio o de TV. Pues igualan las cargas entre los sintonizadores de las antenas y ayudan a fijar la frecuencia de resonancia para sintonizar la radio.

Capacitor variable

Consideraciones a tomar en cuenta en cuanto a los capacitores:

1. Entre más paralela y de mayor tamaño sean las placas en cuestión más grande será la capacidad del mismo.
2. Si la separación entre placas aumenta disminuye la capacidad.
3. El material dieléctrico utilizado para aislar las placas afecta directamente la capacidad del mismo.
4. Si se varia la tensión que recibe variara la carga almacenada

Aclarado esto, es fácil determinar de qué factores depende la capacidad de un condensador.

1. Del área de las placas
2. De la separación entre las placas
3. La naturaleza del material aislante o dieléctrico entre las placas.

Usando un poco la matemática explicamos porque sucede esto.
Al existir una carga entre las placas, entre ella se crea un campo eléctrico y su magnitud viene dada por:

Las unidades de medida de los capacitores viene dada por los prefijos conocidos (mili, micro, nano, pico) y el apellido del físico “Farad” o en español “Faradio”.

Referencia:

Eli Brett, William A. Suarez - Teoria y prectica de fisica. Pag. 108