CAPACITORES Y CAPACITANCIA
Integrantes:
Álvarez Gijón Nayeli Rubí.
Garcia Martinez Miguel Angel.
Morales González Yahir
Romero Aguilar Irving Emanuel.
Santos Garrido Diana Karen.
Vilchis García Gael Alejandro
¿Qué es un capacitor?
Un capacitor o también
conocido como condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía a través
de campos eléctricos (uno positivo y uno negativo). Este se clasifica dentro de
los componentes pasivos ya que no tiene la capacidad de amplificar o cortar el
flujo eléctrico.
¿Cuál es la estructura
interna de un capacitor?
Tipos de capacitores
- Condensadores de cerámica.
- Condensadores de lámina de plástico.
- Condensadores de mica.
- Capacitores de poliéster.
- Condensadores electrolíticos.
- Condensadores de tantalio.
COMPORTAMIENTO DE UN CAPACITOR EN CORRIENTE DIRECTA.
Un capacitor es un dispositivo capaz de almacenar carga
eléctrica, y consiste en dos objetos conductores (generalmente placas u hojas)
colocados uno cerca del otro, pero sin que estén en contacto, están separadas
por un aislante llamado dieléctrico. Un dieléctrico o aislante es un material
que evita el paso de la corriente. Al conectar el dispositivo a un generador y
establecer entre ambas placas una diferencia de potencial, se establece una
corriente eléctrica que transporta electrones desde una de las placas a la
otra, hasta que se estabiliza en un valor que depende de la capacidad del
condensador. Cuando ha terminado la transferencia de electrones ambas armaduras
poseen la misma carga, aunque de signo contrario. Este dispositivo mientras
está cargado puede almacenar energía y, en un momento determinado, ceder su
carga, proporcionando energía al sistema al que está conectado
Si se conecta una batería a un condensador, circulará por él
una corriente continua (CC). Circula una corriente de los terminales de la
fuente hacia las placas del condensador.
En el diagrama siguiente el flujo de electrones está
cargando las placas del capacitor.
CARGA Y DESCARGA DE UN CAPACITOR.
Al conectar un condensador en un circuito, la corriente
empieza a circular por el mismo. A la vez, el condensador va acumulando carga
entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja
de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el
condensador y la resistencia en paralelo, la carga empieza a fluir de una de
las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la
carga es nula en las dos placas. En este caso, la corriente circulará en
sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando.
El condensador está inicialmente cargado. Al cerrar el
interruptor el condensador comienza a descargarse a través de la resistencia. Se
procede a descargar el condensador eliminando la fuente de alimentación del
circuito, tomando como en el caso anterior, datos a intervalos de tiempo
regulares de la intensidad que circula y de la diferencia de potencial entre
las armaduras.
Considérese el circuito en serie de la figura.
Inicialmente el condensador está descargado. Si se cierra el interruptor I la
carga empieza a fluir produciendo corriente en el circuito, el condensador se
empieza a cargar. Una vez que el condensador adquiere la carga máxima, la
corriente cesa en el circuito.
En el circuito de la figura tendremos que la suma Vab+Vbc+Vca=0
1.-El extremo a tiene un potencial mayor que el extremo b de la resistencia R ya que la corriente fluye de a a b. De acuerdo con la ley de Ohm Vab=iR
2.-La placa positiva del condensador b tiene
mayor potencial que la placa negativa c, de modo ..que Vbc=q/C.
3.-El terminal positivo de la batería a tiene
mayor potencial que el terminal negativo c, de modo que Vca=-Vε ,
donde Vε es la fem de la batería
La ecuación del circuito es
iR+ q C − V ε =0
Teniendo en cuenta que la intensidad se define como
la carga que atraviesa la sección del circuito en la unidad de tiempo, i=dq/dt,
tendremos la siguiente ecuación para integrar
R dq dt = V ε − q C ∫ 0 q dq C V ε −q = 1 RC ∫ 0 t dt q=C V ε (1−exp (−t RC))
Derivando con respecto al tiempo, obtenemos la
intensidad en función del tiempo
i= dq dt = V ε R exp (−t RC)
La carga tiende hacia un valor máximo C·Vε al
cabo de un cierto tiempo, teóricamente infinito.
La intensidad disminuye exponencialmente con el
tiempo, hasta que se hace cero cuando el condensador adquiere la carga máxima.
La cantidad RC que aparece en el
denominador de t se denomina constante de tiempo del circuito.
Este representa el tiempo que tomará a la corriente para de crecer hasta 1/e de
su valor inicial.
Consideremos
ahora el circuito que consta de un condensador, inicialmente cargado con
carga Q, y una resistencia R, y se cierra el
interruptor I.
La ecuación del circuito será la siguiente.
Vab+Vba=0 Como la corriente va de a hacia b, el potencial de a es más alto que el potencial de b. Por la ley de Ohm Vab=iR. En el condensador la placa positiva a tiene más potencial que la negativa b, de modo que Vba=-q/C.
La ecuación
del circuito es
iR− q C =0
Como
la carga disminuye con el tiempo i=-dq/dt. La ecuación a integrar
es
−R dq dt = q C ∫ Q q dq q =− 1 RC ∫ 0 t dt q=Qexp( −t RC )
La
carga del condensador disminuye exponencialmente con el tiempo. Derivando con
respecto del tiempo, obtenemos la intensidad, en el sentido indicado en la
figura.
i=− dq dt = Q RC exp( −t RC )
que disminuye exponencialmente con el tiempo.
Un buen capacitor almacena una carga eléctrica y puede permanecer
energizado después de que se desconecta la energía. Antes de tocarlo o tomar
una medición, a) desconéctelo de la fuente de energía, b) utilice el multímetro
para confirmar que está DESCONECTADO, y c) con cuidado, descargue el capacitor
conectando una resistencia a través de los cables (como se señala en el párrafo
siguiente). Asegúrese de usar equipo de protección personal adecuado.
- Use el
multímetro digital (DMM) para asegurarse de que NO haya energía en el
circuito. Si el capacitor se utiliza en un circuito de CA, coloque el
multímetro para medir la tensión de CA. Si se utiliza en un circuito de
CC, establezca el multímetro digital para medir la tensión de CC.
- Inspeccione
visualmente el capacitor. En caso de fugas, grietas, golpes u otros signos
de deterioro evidentes, reemplace el capacitor.
- Gire el
selector al modo Medición de capacitancia.
El símbolo a menudo comparte un punto en el selector con otra función.
Además del ajuste de selector, generalmente se debe presionar un botón de
función para activar la medición. Consulte el manual de usuario del
multímetro para obtener instrucciones.
- Para una
medición correcta, se debe retirar el capacitor del circuito. Descargue el
capacitor como se describe en la advertencia anterior.
- Conecte
los cables de prueba a las terminales del capacitor. Mantenga los cables
de prueba conectados durante unos segundos para permitir que el multímetro
seleccione automáticamente el rango correcto.
- Lea la
medición que se muestra. Si el valor de capacitancia se encuentra dentro
del rango de medición, el multímetro mostrará el valor del capacitor.
Mostrará OL si a) el valor de capacitancia es superior al rango de
medición o b) el capacitor está defectuoso.
En qué momento es oportuno cambiar un
capacitor de un circuito
Cuando hay una inflamación
en el capacitor.
Cuando existen fallas
eléctricas como, por ejemplo:
Malas conexiones o falsos
contactos.
Si hay una sobrecarga
mecánica o eléctrica.
Cuando se usa un capacitor
de voltaje menor al requerido.
Si se sobrecalienta.
Cuando sucede un
cortocircuito.
Capacitancia
Es la relación que existe
entre la carga eléctrica en una placa de un capacitor y la diferencia de
tensión entre dos placas, su valor dependerá de la dimensión física del
capacitor y la constante dieléctrica del material con el que está construido.
Fórmula para calcular la capacitancia
q= CV
q= Carga almacenada, se
mide en Coulomb
C= Capacitancia del
capacitor, se mide en Farad
V= Tensión aplicada al
capacitor, se mide en Volts
Constante dieléctrica (K)
Para entender que es la constante dieléctrica, necesitamos
saber un poco sobre la Ley de coulomb
· Ley de
Coulomb
Esta ley se aplica en el área de la física para calcular la
fuerza eléctrica que actúa entre dos cargas en reposo, ya sea de atracción o de
repulsión.
La ley de coulomb nos dice: “La magnitud de
cada una de las fuerzas eléctricas con que interactúan dos cargas puntuales en
reposo es directamente proporcional al producto de la magnitud de ambas cargas
e inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa y tiene
la dirección de la línea que las une. La fuerza es de repulsión si las cargas
son de igual signo, y de atracción si son de signo contrario”.
Todo esto se resume a la siguiente formula:
En donde:
· F = fuerza eléctrica de atracción o repulsión en Newtons (N). Las cargas iguales se repelen y las cargas opuestas se atraen. · k = es la constante de Coulomb o constante eléctrica de proporcionalidad. La fuerza varía según la permitividad eléctrica (ε) del medio, bien sea agua, aire, aceite, vacío, entre otros.
· q = valor de las cargas eléctricas medidas
en Coulomb (C).
· r = distancia que separa a las cargas y que
es medida en metros (m).
El valor de la constante de Coulomb en el Sistema
Internacional de medidas es:
También podríamos obtener la constante
despejando la fórmula de Coulomb, obteniendo:
Conexión de capacitores en
serie.
Primero debemos recordar la
formula para obtener la capacitancia:
c=q/v en donde:
C: es la capacitancia; Faradio
(F)
q: es la carga almacenada;
Coulomb (C)
V: es el voltaje; Voltio (V)
Ahora bien, cuando tenemos
capacitores conectados en serie, y queremos calcular la capacitancia total (CT),
decimos que esto es igual al recíproco de la suma de los recíprocos de las
capacitancias. Expresado en la siguiente manera.
Podemos observar como esta es la misma función ocupada para
las resistencias en paralelo, solo que aquí ocupamos capacitores.
Otro elemento para tomar en cuenta es el voltaje de
operación, es decir la cantidad de voltaje que se encuentra en los capacitores.
Por lo tanto, el voltaje de operación en un arreglo
capacitivo en serie es igual a la suma de los voltajes de operación.
Conexión de capacitores en un circuito en paralelo.
El capacitor equivalente o la capacitancia total, es aquel
que sustituye a todos los capacitores en paralelo.
Como vimos anteriormente la formula ocupada para la CT
en un circuito en serie es la misma que las resistencias en paralelo. Aquí pasa
todo lo contrario, pues solo basta con que sumes el valor de cada capacitor
para tener la CT.
En el voltaje de operación en paralelo, este estará
limitado por el voltaje de operación mínimo, es decir si tengo 4 capacitores
con un voltaje de operación de 45V y uno solo con VT=30; por lo
tanto, el voltaje de operación máximo que soportara el arreglo en serie será de
30V, pues si tenemos un voltaje mas alto, este último capacitor explotaría.
VOLTAJE DE OPERACIÓN
el voltaje, que también es
conocido como tensión o diferencia de potencial, es la presión que una fuente
de suministro de energía eléctrica o fuerza electromotriz ejerce sobre las
cargas eléctricas o electrones en un circuito eléctrico cerrado. Es el trabajo
por unidad de carga eléctrica que ejerce sobre una partícula un campo
eléctrico, para lograr moverla entre dos puntos determinados.
Voltaje Máximo –Cada
capacitor tiene un voltaje máximo que puede caer sobre él. Algunos capacitores
pueden ser para 1.5V otros pueden ser para 100V. Exceder el voltaje máximo va a
resultar en la destrucción del capacitor.
En un capacitor el voltaje
de operación máximo se calcula:
La fórmula que calcula la
tensión del condensador en función de estos parámetros de entrada es V=
1/C∫Idt, donde V es igual a la tensión a través del condensador, C es igual a
la capacitancia del condensador y I es igual a la corriente que fluye a través
del condensador.
REFERENCIAS
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medir capacitancia con un multímetro digital? (2019, 23 agosto). Midebien. https://midebien.com/como-medir-capacitancia-con-un-multimetro-digital/
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