Capacidad eléctrica

propiedad de un cuerpo para mantener una carga eléctrica

En electromagnetismo y electrónica, la capacidad eléctrica es la propiedad que tienen los cuerpos para mantener una carga eléctrica. La capacidad es también una medida de la cantidad de energía eléctrica almacenada para una diferencia de potencial eléctrico dada. El dispositivo más común que almacena energía de esta forma es el condensador. La relación entre la diferencia de potencial (o tensión) existente entre las placas del condensador y la carga eléctrica almacenada en este, se describe mediante la siguiente expresión matemática:

donde:

  • es la capacidad, medida en faradios (en honor al físico experimental Michael Faraday); esta unidad es relativamente grande y suelen utilizarse submúltiplos como el microfaradio o picofaradio;
  • es la carga eléctrica almacenada, medida en culombios;
  • es la diferencia de potencial (o tensión), medida en voltios.

Cabe destacar que la capacidad es siempre una cantidad positiva y que depende de la geometría del condensador (de placas paralelas, cilíndrico, esférico). Otro factor del que depende es del dieléctrico que se introduzca entre las dos superficies del condensador. Cuanto mayor sea la constante dieléctrica del material no conductor introducido, mayor es la capacidad.

En la práctica, la dinámica eléctrica del condensador se expresa gracias a la siguiente ecuación diferencial, que se obtiene derivando respecto al tiempo la ecuación anterior.

Donde I representa la corriente eléctrica, medida en amperios.

Donde:
C es la capacidad, en faradios;
A es el área de las placas, en metros cuadrados;
ε es la permitividad;
d es la separación entre las placas, en metros.

Comúnmente se reconocen dos nociones de capacitancia estrechamente relacionadas: capacitancia propia y capacitancia mutua.[1]: 237–238  Un objeto que puede cargarse eléctricamente exhibe capacitancia propia, para la cual el potencial eléctrico se mide entre el objeto y tierra. La capacitancia mutua se mide entre dos componentes, y es particularmente importante en el funcionamiento del condensador, un lineal componente electrónico elemental diseñado para la electrónica. componente electrónico diseñado para añadir capacitancia a un circuito eléctrico.

La capacitancia entre dos conductores es una función sólo de la geometría; la superficie opuesta de los conductores y la distancia entre ellos, y la permitividad de cualquier material dieléctrico entre ellos. Para muchos materiales dieléctricos, la permitividad, y por tanto la capacitancia, es independiente de la diferencia de potencial entre los conductores y de la carga total sobre ellos.

La unidad SI de capacitancia es el faradio (símbolo: F), llamado así por el físico inglés Michael Faraday. Un condensador de 1 faradio, cuando se carga con 1 culombio de carga eléctrica, tiene una diferencia de potencial de 1 voltio entre sus placas.[2]​ El recíproco de la capacitancia se denomina elastancia.

Energía almacenada

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La energía almacenada en un condensador, medida en julios, es igual al trabajo realizado para cargarlo. Consideremos un condensador con una capacidad C, con una carga +q en una placa y -q en la otra. Para mover una pequeña cantidad de carga   desde una placa hacia la otra en sentido contrario a la diferencia de potencial se debe realizar un trabajo  :

 

donde

W es el trabajo realizado, medido en julios;
q es la carga, medida en coulombios;
C es la capacidad, medida en faradios.

Es decir, para cargar un condensador hay que realizar un trabajo y parte de este trabajo queda almacenado en forma de energía potencial electrostática. Se puede calcular la energía almacenada en un condensador integrando esta ecuación. Si se comienza con un condensador descargado (q = 0) y se mueven cargas desde una de las placas hacia la otra hasta que adquieran cargas +Q y -Q respectivamente, se debe realizar un trabajo W:

 

Combinando esta expresión con la ecuación de arriba para la capacidad, obtenemos:

 

donde

  • W es la energía, medida en julios;
  • C es la capacidad, medida en faradios;
  • V es la diferencia de potencial, medido en voltios;
  • Q es la carga almacenada, medida en coulombios.

Autocapacidad

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Usualmente el término capacidad mutua se utiliza como abreviatura del término capacidad entre dos conductores cercanos, como las placas de un condensador. Sin embargo, para un conductor aislado también existe una propiedad llamada auto-capacidad que es la cantidad de carga eléctrica que debe agregarse a un conductor aislado para aumentar su potencial en un voltio, para así calcular la capacidad eléctrica mediante un condensador paralelo o plano.[3]​ El punto de referencia teórico para este potencial es una esfera hueca conductora, de radio infinito, centrado en el conductor. Usando este método, la auto-capacidad de una esfera conductora de radio R está dada por:

 

La capacidad propia de un conductor se define por la relación entre la carga y el potencial eléctrico:   donde

  •   es la carga retenida,
  •   es el potencial eléctrico.
  •   es la densidad de carga superficial,
  •   es un elemento infinitesimal de área en la superficie del conductor,
  •   es la longitud desde   a un punto fijo M en el conductor,
  •   es la permitividad del vacío.

La capacidad propia de un conductor se define por la relación entre la carga y el potencial eléctrico:

Estos son algunos ejemplos de valores de auto-capacidad:

  • Para el "plato" de la parte superior de un generador de Van de Graaff, normalmente una esfera de 20 cm de radio: 22.24 pF
  • El planeta Tierra: unos 710 µF

Capacitancia mutua

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Una forma común es un condensador de placas paralelas, que consiste en dos placas conductoras aisladas entre sí, normalmente intercaladas con un material dieléctrico. En un condensador de placas paralelas, la capacidad es casi proporcional a la superficie de las placas conductoras e inversamente proporcional a la distancia de separación entre las placas.

Si las cargas en las placas son   y  , y   da el voltaje entre las placas, entonces la capacitancia   viene dada por   lo que da la relación tensión/corriente   donde   es la tasa instantánea de cambio del voltaje, y   es la tasa instantánea de cambio de la capacitancia. Para la mayoría de las aplicaciones, el cambio en la capacitancia con el tiempo es insignificante, por lo que puede reducir a:

 

La energía almacenada en un condensador se halla integrando el trabajo  :

 

Condensadores

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La capacitancia de la mayoría de los condensadores utilizados en los circuitos electrónicos suele ser varios órdenes de magnitud menor que el faradio. Las subunidades más comunes de capacitancia en uso hoy en día son el microfaradio (µF), nanofaradio (nF), picofaradio (pF), y, en microcircuitos, femtofaradio (fF). Sin embargo, los supercondensadores fabricados especialmente pueden ser mucho mayores (hasta cientos de faradios), y los elementos capacitivos parásitos pueden ser inferiores a un femtofaradio. En el pasado, se utilizaban subunidades alternativas en textos históricos antiguos; "mf" y "mfd" para microfaradio (µF); "mmf", "mmfd", "pfd", "µµF" para picofaradio (pF); pero ahora se consideran obsoletas.[4][5]

La capacitancia puede calcularse si se conoce la geometría de los conductores y las propiedades dieléctricas del aislante entre los conductores. Una explicación cualitativa de esto se puede dar de la siguiente manera. Una vez que se pone una carga positiva en un conductor, esta carga crea un campo eléctrico, repeliendo cualquier otra carga positiva que se desplace sobre el conductor; es decir, aumentando la tensión necesaria. Pero si cerca hay otro conductor con carga negativa, el campo eléctrico del conductor positivo que repele a la segunda carga positiva se debilita (la segunda carga positiva también siente la fuerza de atracción de la carga negativa). Por tanto, debido al segundo conductor con carga negativa, resulta más fácil poner una carga positiva en el primer conductor ya cargado positivamente, y viceversa; es decir, se reduce la tensión necesaria.

Como ejemplo cuantitativo considere la capacitancia de un condensador construido de dos placas paralelas ambas de área   separadas por una distancia  . Si   es suficientemente pequeña con respecto a la cuerda más pequeña de  , se cumple, con un alto nivel de precisión:  

Nótese que

 

donde

  •   es la capacitancia, en faradios;
  •   es el área de solapamiento de las dos placas, en metros cuadrados;
  •   es la constante eléctrica. ( );
  •   es la permitividad relativa (también constante dieléctrica) del material entre las placas (  para el aire); y
  •   es la separación entre las placas, en metros.

La capacitancia es proporcional al área de solapamiento e inversamente proporcional a la separación entre láminas conductoras. Cuanto más cerca estén las láminas entre sí, mayor será la capacitancia. La ecuación es una buena aproximación si d es pequeña comparada con las otras dimensiones de las láminas, de modo que el campo eléctrico en el área del condensador sea uniforme, y el llamado campo de franja alrededor de la periferia proporcione sólo una pequeña contribución a la capacitancia.

Combinando la ecuación para la capacitancia con la ecuación anterior para la energía almacenada en una capacitancia, para un condensador de placa plana la energía almacenada es:   donde   es la energía, en julios;   es la capacitancia, en faradios; y   es la tensión, en voltios.

Capacitancia de conductores con formas simples

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El cálculo de la capacitancia de un sistema equivale a resolver la ecuación de Laplace2φ = 0 con un potencial constante φ en la superficie bidimensional de los conductores incrustados en 3 espacios. Esto se simplifica por existencia de simetrías. No hay solución en términos de funciones elementales en casos más complicados.

Para situaciones de planos, se pueden utilizar funciones analíticas para realizar la vinculación entre diferentes geometrías.

Capacitancia de sistemas simples
Tipo Capacitancia Comentario
Capacitor de placas paralelas    

ε: Permitividad o constante dieléctrica

Cilindros concéntricos    

ε: Permitividad o constante dieléctrica

Cilindros excéntricos[6]    

ε: Permitividad o constante dieléctrica
R1: Radio exterior
R2: Radio interior
d: Distancia entre centro
: longitu del alambre

Par de alambres paralelos[7]    
Alambre paralelo a una pared[7]   a: Radio del alambre
d: Distancia, d > a
: largo del alambre
Dos fajas paralelas
coplanares[8]
  d: Distancia
w1, w2: ancho de la faja
km: d/(2wm+d)

k2: k1k2
K: integral elíptica completa de primera especie
: Largo

Esferas concéntricas    

ε: Permitividad o constante dieléctrica

Dos esferas,
de igual radio[9][10]
  a: Radio
d: Distancia, d > 2a
D = d/2a, D > 1
γ: constante de Euler
 
  : the q-digamma function
  : la función q-Gamma[11]​.
Esfera enfrente de una pared[9]    : Radio
 : Distancia,  
 
Esfera    : Radio
Disco circular[12]    : Radio
Alambre delgado recto,
longitud finita[13][14][15]
   : Radio del alambre
 : Largo
 

Medición de la capacitancia

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La medición de la capacitancia no solo se usa para verificar la capacitancia de un capacitor (componente), sino que también se usa, por ejemplo, en sensores de distancia capacitivos para determinar la distancia. Otros sensores (presión, humedad, gases) a menudo se basan en una medición de capacitancia.

De acuerdo con las relaciones mencionadas anteriormente, la capacidad se puede determinar de la siguiente manera:

En particular, el último método se utiliza en los dispositivos de medición de capacitancia, en los que no solo se registra el tamaño de la corriente sino también su relación de fase con la tensión. De esta forma, también se puede determinar la impedancia y el ángulo de pérdida o el factor de calidad del condensador.

Véase también

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Referencias

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  1. Harrington, Roger F. (2003). Introducción a la ingeniería electromagnética (1st edición). Dover Publications. p. 43. ISBN 0-486-43241-6. 
  2. «Definición de 'faradio'». Collins. 
  3. William D. Greason (1992). Electrostatic discharge in electronics. Research Studies Press. p. 48. ISBN 978-0-86380-136-5. 
  4. «Capacitor MF-MMFD Conversion Chart». Just Radios. 
  5. org/details/FundamentalsOfElectronics93400A1b Fundamentos de Electrónica. 1b - Electricidad Básica - Corriente Alterna. Bureau of Naval Personnel. 1965. p. 197. 
  6. Dawes, Chester L. (1973). «Capacitance and Potential Gradients of Eccentric Cylindrical Condensers». Physics 4 (2): 81-85. doi:10.1063/1.1745162. 
  7. a b Jackson, J. D. (1975). Classical Electrodynamics. Wiley. p. 80. 
  8. Binns; Lawrenson (1973). Analysis and computation of electric and magnetic field problems. Pergamon Press. ISBN 978-0-08-016638-4. 
  9. a b Maxwell, J. C. (1873). A Treatise on Electricity and Magnetism. Dover. p. 266ff. ISBN 978-0-486-60637-8. 
  10. Rawlins, A. D. (1985). «Note on the Capacitance of Two Closely Separated Spheres». IMA Journal of Applied Mathematics 34 (1): 119-120. doi:10.1093/imamat/34.1.119. 
  11. Gasper; Rahman (2004). Basic Hypergeometric Series. Cambridge University Press. p.20-22. ISBN 978-0-521-83357-8. 
  12. Jackson, J. D. (1975). Classical Electrodynamics. Wiley. p. 128, problem 3.3. 
  13. Maxwell, J. C. (1878). «On the electrical capacity of a long narrow cylinder and of a disk of sensible thickness». Proc. London Math. Soc. IX: 94-101. doi:10.1112/plms/s1-9.1.94. 
  14. Vainshtein, L. A. (1962). «Static boundary problems for a hollow cylinder of finite length. III Approximate formulas». Zh. Tekh. Fiz. 32: 1165-1173. 
  15. Jackson, J. D. (2000). «Charge density on thin straight wire, revisited». Am. J. Phys. 68 (9): 789-799. Bibcode:2000AmJPh..68..789J. doi:10.1119/1.1302908. 

Bibliografía

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  • Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Electricity and Magnetism, Light (4th ed.). W. H. Freeman. ISBN 1-57259-492-6
  • Serway, Raymond; Jewett, John (2003). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks Cole. ISBN 0-534-40842-7
  • Saslow, Wayne M.(2002). Electricity, Magnetism, and Light. Thomson Learning. ISBN 0-12-619455-6. See Chapter 8, and especially pp. 255–259 for coefficients of potential.