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www.tecun.com Rincón Técnico Así funcionan los capacitores o condensadores eléctricos Autor: El contenido de este artículo http://www.asifunciona.com es un extracto Texto e ilustraciones José Antonio E. García Álvarez Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados tomado del portal www.tecun.com INDUCCIÓN ELECTROSTÁTICA Diferentes tipos de capacitores o condensadores formando electrónico, junto a otros componentes activos y. pasivos. parte. de un circuito Un determinado cuerpo o material se puede electrizar electrostáticamente friccionándolo, por ejemplo, con un paño de lana. Cuando ejercemos esa acción sobre dicho cuerpo, una parte de los electrones que componen su estructura atómica pasan al paño, que se carga negativamente. Contrariamente, el cuerpo o material frotado adquiere carga positiva (+) al romperse su equilibrio electrónico neutro, pues al ceder electrones al paño queda con exceso de protones, partículas atómicas cuya propiedad es ser positiva (+). Por tanto, la carga positiva propia de los protones, superará en este caso la carga negativa (–) propia de los electrones que ese cuerpo, al ser frotado, ha cedido al paño. Alrededor de 600 años A.C., el filósofo griego Thales de Mileto observó que el ámbar (piedra formada por resina vegetal fosilizada) atraía pequeñas partículas cuando era frotada, fenómeno físico de electrización de los cuerpos, al que no le encontró explicación lógica en aquel momento. No fue hasta varios siglos después que el físico inglés William Gilbert (1544 – 1603) al realizar experimentos con la electrostática y el magnetismo descubrió la existencia de la “electricidad”, nombre proveniente de la palabra griega “élektron”, que traducida a otros idiomas significa “ámbar” Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com Observemos ahora las esferas de la siguiente ilustración: una “A” y otra “B”. Si frotamos la esfera “A” ésta se cargará electrostáticamente, con signo positivo (+), por haber quedado con exceso de protones al perder parte de sus electrones. Si seguidamente la acercamos a la esfera “B” (que al no haber sido frotada mantiene su equilibrio electrónico neutro intacto) los protones en exceso se agruparán en la zona periférica que queda enfrentada a “B”. Al mismo tiempo, parte de la carga negativa de los electrones contenidos en los átomos de esa otra esfera se agruparán frente a la periferia de “A”, mientras las cargas positivas se reparten en la zona opuesta de la propia esfera “B”. Cuando frotamos un cuerpo y lo cargamos con electricidad estática positiva, como se puede observar que ha ocurrido con la esfera “A” y lo acercamos a otro cuerpo con carga neutra, como la contenida en la esfera “B” (que no ha sido frotada), en la periferia de “B” más próxima a “A” se inducen cargas eléctricas negativas, mientras que las positivas se trasladan hacia la parte opuesta, Esta electrización que tiene lugar en la esfera “B” se denomina efecto “por influencia” o “por inducción” y cuanto más cerca se encuentre de la esfera de “A”, mayor será ese efecto y mayor será también el número de cargas que aparecerán en la periferia de “B”. Esta experiencia la podemos comprobar fácilmente, de forma práctica, si cortamos primero pequeños trocitos de papel y a continuación nos pasamos varias veces un peine de plástico por el pelo seco; de esa forma el peine se cargará positivamente debido a la fricción que ejercemos contra el pelo, en sustitución del paño de lana. Seguidamente, si después de realizar esa acción acercamos el peine así cargado a los trocitos de papel, sin llegar tocarlos, veremos cómo son atraídos al igual que ocurre con un imán cuando lo acercamos a pequeñas partículas de metal. Seguramente en alguna ocasión hemos visto que al enfrentar los polos opuestos norte y sur de dos imanes estos se atraen mutuamente, mientras que si los polos son iguales, se repelen. Lo mismo ocurre con las cargas eléctricas: las de diferentes signos, como la positiva (+) y la negativa (-) se atraen, mientras que las de signos iguales, se repelen, tal como ocurre con las polaridades norte (N) y sur (S) de los imanes. En este ejemplo práctico, cuando acercamos el peine cargado electrostáticamente con carga positiva (+) a los trocitos de papel, en estos se agrupan cargas negativas (–), que por efecto de inducción se mueven hacia su periferia, siendo así atraídos por el peine. Como aclaración, este fenómeno de inducción de electricidad estática no produce circulación de corriente, sino que sólo altera el equilibrio atómico correspondiente al material o cuerpo que hemos frotado. Si observamos “A” y “B” en la ilustración, podemos ver que en ambas esferas las cargas electrostáticas permanecen suspendidas en las zonas periféricas enfrentadas, de forma parecida a cuando el vapor de agua se condensa formando pequeñas gotas sobre cualquier superficie como ocurre, por ejemplo, en las tapas de las cazuelas u ollas utilizadas para cocinar. Por analogía con el vapor de agua condensado, podemos denominar “condensador” a este conjunto de esferas del ejemplo, pues en las dos existe electricidad estática “condensada”. Debido a que la carga eléctrica generada al friccionar un cuerpo u objeto es muy pequeña, no se le puede dar ninguna aplicación práctica útil. Sin embargo, existen otros dispositivos de amplio uso en circuitos eléctricos y electrónicos, denominados “capacitores” o Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com “condensadores”, que sí emplean en la práctica el principio de inducción de electricidad estática para su funcionamiento. ESTRUCTURA INTERNA DE UN CAPACITOR O CONDENSADOR ELÉCTRICO La propiedad fundamental de un capacitor o condensador es almacenar energía eléctrica de forma prácticamente instantánea, para descargarla de la misma forma. La estructura más simple de un capacitor se compone de dos placas metálicas denominadas “armaduras”, enfrentadas una con la otra sin llegar a tocarse. Entre esas dos placas existe un material aislante, denominado dieléctrico, que puede ser aire, mica, cerámica, papel, o cualquier otro material apropiado que cumpla con esa función. Además, cada placa tiene acoplada su correspondiente alambre terminal conductor de la corriente para poderla conectar al circuito eléctrico o electrónico. Para cargar de energía eléctrica un capacitor es necesario conectar los dos extremos de alambre conductor a una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) externa como, por ejemplo, una batería. Así la placa conectada al polo positivo (+) de la batería se carga positivamente, mientras que la conectada al polo negativo (–) se carga negativamente Representación esquemática de un capacitor sin carga,. conectado a un circuito eléctrico abierto, o sea, sin. circulación de corriente. 1 y 2.- Representación de las dos. placas o armaduras de aluminio (Al) este capacitor o. condensador. 3.- Átomos de aire en función de dieléctrico. o aislante de este capacitor. 4.- Miliamperímetro utilizado. para detectar la circulación de corriente eléctrica por el. circuito. 5.- Batería o fuente de fuerza electromotriz. destinada al suministro de corriente eléctrica directa (C.D.), conectada en el circuito del capacitor para cargarlo.. 6.- Interruptor abierto. Cuando accionamos este interruptor. el circuito eléctrico se cierra, la corriente comienza a. circular y las placas del capacitor se cargan con la energía. eléctrica que le aporta la batería. Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com Según se puede ver en esta figura, el interruptor (6) se encuentra abierto, por lo que la corriente eléctrica, al no poder circular por el circuito externo, no puede cargar al capacitor. En este caso, las dos placas o armaduras mantienen todavía su equilibrio electrónico, pues los átomos que integran las moléculas del metal de aluminio (Al), se mantienen en estado eléctricamente neutro. En un capacitor descargado, como el de este ejemplo, las cargas de los electrones y los neutrones son iguales en ambas placas, porque mantienen su equilibrio electrónico; es decir, en esas condiciones ninguna de las dos placas capta, ni cede electrones. Como se puede observar también en la misma ilustración, una parte de los millones de electrones que forman la estructura atómica de las placas metálicas del capacitor se encuentran representados aquí, de forma esquemática, por medio de unos pequeños puntos solamente, omitiéndose el núcleo de los átomos para simplificar la explicación. Por el contrario, el dieléctrico de aire sí muestra algunos átomos con sus electrones girando en sus respectivas órbitas, aunque en realidad también suman millones. PROCESO DE CARGA DE UN CAPACITOR CON DIELÉCTRICO DE AIRE EN CORRIENTE DIRECTA (C.D.) Desde el momento que cerramos el circuito eléctrico del. capacitor accionando el interruptor que se muestra a la. derecha de este esquema, la corriente comienza a fluir de. forma instantánea. En fracciones de segundo, la placa. izquierda conectada al polo positivo (+) de la batería, cede. electrones y adquiere carga positiva, mientras que la placa. derecha, conectada al polo negativo (–), capta esos. electrones y adquiere carga negativa. Durante este. proceso de carga la placa izquierda, que ha cedido parte. de sus electrones a la placa derecha, tratará de captar de. nuevo los electrones perdidos atrayéndolos por inducción. del dieléctrico que separa ambas placas, con el fin de. restablecer el equilibrio electrónico perdido. Sin. embargo, cualquier dieléctrico, al constituir un material. aislante, mantiene siempre sus electrones fuertemente unidos al núcleo de sus átomos y no puede. cederlos a la placa positiva. Por esa razón, una vez que el capacitor queda Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com completamente cargado, el. flujo de corriente por el circuito se detiene de inmediato, pues bajo esas condiciones los electrones se. ven imposibilitados de continuar su recorrido al no poder vencer la resistencia que ofrece a su paso el. propio dieléctrico. Cuando cerramos el interruptor del circuito formado por el capacitor y la batería, la corriente eléctrica comienza a fluir a partir del polo negativo (–) de la batería. Simultáneamente, para que eso ocurra, la placa izquierda (como se puede ver en la ilustración) cede electrones a la otra placa y se convierte en positiva (+) debido al exceso de protones con carga de ese mismo signo que le quedan, superando a los electrones con carga de signo negativo (–), que ha perdido, desestabilizando así su equilibrio electrónico. Los electrones que ha cedido la placa izquierda, ahora positiva (+), pasan a la placa derecha que se convierte, a su vez, en negativa (–) por tener ahora electrones en exceso con ese signo, desde el mismo momento que la corriente ha comenzado a circular por el circuito externo. En resumen, al finalizar el proceso de carga de energía eléctrica del capacitor del ejemplo, la placa izquierda queda cargada positivamente y la derecha negativamente; además, ambas pierden su equilibrio electrónico. Para que la corriente eléctrica circule por el circuito externo del capacitor, es necesario que los electrones que parten del polo negativo de la batería puedan regresar a su polo positivo; sin embargo, en un circuito compuesto por capacitores, una vez que los electrones alcanzan una de las dos placas, el material aislante en función de dieléctrico que encuentran en su recorrido y que separa a ambas, impide que puedan continuar circulando. Por tanto, cuando las placas adquieren sus respectivas cargas completas de signo contrario, el capacitor queda cargado con una tensión o voltaje equivalente al de la batería donde se encuentra conectado y la circulación de corriente eléctrica por el circuito se interrumpe. Bajo esas circunstancias y mientras el capacitor se mantenga conectado a la batería, la placa positiva tratará de arrancar los electrones que ha perdido del dieléctrico para restablecer su equilibrio electrónico, mientras que la placa cargada negativamente, los repelerá. Debido a que el dieléctrico que separa las placas de un capacitor constituye un material aislante, ya sea aire, mica, cerámica, papel o cualquier otro elemento que cumpla con esas características, los electrones pertenecientes a sus átomos se encuentran fuertemente atraídos por sus propios núcleos, por lo que resulta prácticamente imposible que el material empleado como dieléctrico pueda ceder sus electrones a la placa positiva. Por ese motivo en cuanto se acciona el interruptor para cerrar el circuito eléctrico, el capacitor comienza a cargarse de inmediato, pero en pocos segundos el flujo de corriente se interrumpe al adquirir su carga completa. La circulación de corriente que surge a partir que el capacitor comienza a adquirir carga eléctrica hasta el mismo momento en que está completamente cargado, lo puede registrar la aguja de un miliamperímetro analógico conectado en el propio circuito. Durante el proceso de carga de energía eléctrica del capacitor ningún electrón se añade o se pierde de las placas. Lo único que ocurre es que una de estas cede sus electrones a la otra, como si de un préstamo se tratara. En consecuencia se crea un desbalance en la cantidad de electrones existentes en total, que será mayor en una y menor en la otra, pero sin dejar de existir en total la misma cantidad distribuidos desigualmente en ambas placas, cuando el capacitor se encuentra completamente cargado. Cuando éste se descarga, los electrones Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com cedidos regresan a su placa original restableciéndose de nuevo el equilibrio atómico perdido en cada una. En esta otra ilustración muestra el mismo circuito anterior. del capacitor, pero con la conexión de la batería invertida, por lo que la placa izquierda adquiere ahora carga negativa (–) y la placa derecha, carga positiva (+). Si empleamos de nuevo el mismo esquema de circuito del ejemplo anterior, pero cambiando la posición de la batería para invertir su polaridad, se repite el mismo proceso de carga pero de forma inversa, ya que ahora la placa izquierda se cargará negativamente, mientras la derecha se cargará positivamente. En ambos ejemplos anteriores, e independientemente de cómo se encuentre colocada la batería en el circuito, la circulación de corriente eléctrica se detiene en cuanto el capacitor se encuentra completamente cargado. Si a continuación desconectamos la batería del circuito, las cargas eléctricas quedarán condensadas o retenidas con signos diferentes en ambas placas del capacitor por un período muy corto de tiempo, ya que a partir de ese momento comenzará a efectuarse un proceso denominado de “autodescarga” si no se emplea de inmediato. En resumen, en las ilustraciones anteriores se ha podido observar que un capacitor adquiere su carga completa de energía eléctrica de forma casi instantánea cuando se conecta a una fuente suministradora de fuerza electromotriz (F.E.M.), como una batería, para cargarlo. Una vez que el capacitor comienza a adquirir carga eléctrica, el dieléctrico aislante situado entre las dos placas opone una alta resistencia a la circulación de la corriente, impidiendo así que los electrones alcancen el otro polo de la batería para completar el circuito. A medida que el capacitor incrementa su carga eléctrica, se produce una “fuerza contraelectromotriz”, denominada “reactancia capacitiva”, que al final del proceso ofrece también una alta resistencia al flujo o circulación de la corriente eléctrica por el circuito. En el momento que esa reactancia o resistencia alcanza su valor más alto, el capacitor se encontrará completamente cargado y la corriente dejará de circular. Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com La reactancia capacitiva “Xc” de un capacitor se puede calcular por medio de la siguiente fórmula matemática: De donde: Xc .- Reactancia capacitiva en ohm () .- Constante “pi” = 3,1416 f .- Frecuencia de la corriente en hertz (Hz) C .- Capacitancia del capacitor en farad (F). Carga del capacitor En la siguiente figura se puede ver que cuando se cierra el interruptor la corriente (representada por las flechas) comienza a circular por el circuito y la lámpara conectada al mismo se enciende con toda su intensidad, pero a medida que el capacitor se carga con la energía eléctrica que le aporta la batería, la lamparita reduce paulatinamente su intensidad lumínica hasta que se apaga completamente cuando el capacitor alcanza su carga máxima, momento en que también la corriente deja de circular. En (A) de esta ilustración se muestra un circuito en el que no existe circulación de corriente, compuesto por una batería “B”, un capacitor descargado Cd, un interruptor abierto y una lámpara apagada,. En (B) el interruptor está cerrado, por lo que la corriente (representada por las flechas) puede circular por el circuito, el capacitor comienza a cargarse y la lámpara se enciende completamente. En (C) continúa la carga del capacitor, pero la lámpara comienza a perder. brillantez debido a la disminución de circulación de corriente por el circuito dada la resistencia que ofrece el dieléctrico al paso de ésta desde una placa a la otra. En (D) las dos placas del. capacitor se encuentran ya completamente cargadas, por lo cual la corriente deja de circular. Bajo esas circunstancias la lámpara, al no recibir corriente eléctrica, se apaga. Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com Cuando un capacitor se encuentra completamente cargado, si lo desconectamos del circuito mantiene toda su carga de energía eléctrica durante un corto período de tiempo, que será mayor o menor en dependencia de su capacidad en farad o sus submúltiplos (microfarad, nanofarad). Además, una vez que el capacitor se desconecta de la fuente de FEM, comienza de inmediato un proceso de “autodescarga” de la energía acumulada si no se emplea para realizar algún trabajo útil conectado en un circuito eléctrico o electrónico. En un capacitor cargado se crea una diferencia de potencial entre sus dos placas, representadas por un campo de fuerza eléctrica en sus superficies metálicas, creado por dos cargas diferentes: una positiva (+) en una y otra negativa (–) en la otra. Esa diferencia de potencial induce en el dieléctrico un campo electrostático, cuya misión es retener momentáneamente la carga eléctrica almacenada en el capacitor desde el mismo momento que lo desconectamos de la fuente suministradora de energía eléctrica. DESCARGA DEL CAPACITOR En (A) de esta otra ilustración se puede ver el capacitor “Cc” (completamente cargado), ubicado en un circuito con el interruptor abierto, donde existe también conectada una lámpara apagada. En (B) el interruptor aparece cerrado, por lo que comienza de inmediato a circular corriente eléctrica por el circuito, representada por la flechas, dando inicio a la descarga del capacitor. Al comienzo de la descarga, la lámpara se enciende completamente al ser energizada por la carga de energía eléctrica almacenada en el capacitor. En (C) el capacitor se va descargando, por lo que la lámpara se va apagando y perdiendo su brillo inicial. En (D) el capacitor se encuentra ya completamente descargado, la corriente eléctrica deja de fluir y, por tanto, la lámpara se apaga. Un capacitor completamente cargado constituye una fuente de energía o fuerza electromotriz (FEM) que se puede utilizar en cualquier circuito eléctrico o electrónico para realizar un trabajo previamente concebido. Si cerramos el circuito compuesto por el capacitor y la batería por medio del interruptor que aparece en la parte superior de esta ilustración, la corriente comenzará a fluir de inmediato desde la placa negativa (–) a la positiva (+) del capacitor, atravesando la bombilla para completar el circuito. De esa forma comenzará la descarga y la bombilla se iluminará por completo, pero poco a poco ira perdiendo brillo hasta quedar Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com apagada una vez que el capacitor quede descargado por completo y no le pueda continuar suministrando energía eléctrica para mantenerla encendida. Una vez que la descarga del capacitor se completa, se restablece el equilibrio electrónico en las dos placas metálicas, o sea, no existe ya exceso de electrones en una, ni exceso de protones en la otra, por lo que el flujo de corriente eléctrica se detiene. Descarga forzada de un capacitor provocando un corto circuito Un capacitor completamente cargado se puede descargar también manualmente si al desconectarlo de la fuente de suministro de corriente provocamos un corto circuito uniendo los extremos de los dos alambres de conexión al circuito. Para ello hacemos un puente entre dichos extremos empleando un pequeño cable provisto con su correspondiente forro aislante protector. Es importante que el cable tenga esta protección, ya que algunos capacitores pueden alcanzar cargas con un valor de voltaje alto, de acuerdo con la tensión que posea la fuente de fuerza electromotriz o energía eléctrica que se haya empleado para cargarlo. Cuando se provoca este corto circuito, aparece una chispa generada por la súbita descarga que se produce debido al violento desplazamiento que se manifiesta en la corriente de electrones acumulados en exceso en la placa negativa, que al poder dirigirse libremente en dirección a la placa positiva, provocan un intenso flujo de corriente eléctrica destinado a restablecer el equilibrio electrónico en ambas placas. Método para provocar la descarga de un capacitor por corto circuito. haciendo un puente eléctrico entre los dos extremos de alambre. conductor que se encuentran conectados a las placas o armaduras. Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados www.tecun.com FUNCIONAMIENTO DEL CAPACITOR EN CORRIENTE ALTERNA (C.A.) Cuando un capacitor se conecta a una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) de corriente alterna (C.A.), por el circuito externo comienza a circular un flujo de electrones que se mueven, alternativamente, de una placa a la otra, cargándose y descargándose continuamente mientras se encuentran conectadas a la fuente suministradora de corriente eléctrica. En ese caso, durante un medio ciclo de la corriente alterna, una placa será negativa (–) y la otra positiva (+), pero en el. siguiente medio ciclo se invierten las polaridades, provocando que se manifieste un ritmo constante de cargas y descargas en ambas placas y, a consecuencia de ello, la corriente eléctrica puede circular por el circuito externo. Ese cambio de polaridad se repite tantas veces como ciclos de frecuencia por segundo o hertz (Hz) posea la corriente alterna de la fuente suministradora. Aunque se pueda pensar que por el hecho de circular la corriente eléctrica alterna por el circuito externo se deba a que los electrones puedan franquear la barrera que le impone el dieléctrico aislante, nada más lejos de la realidad, pues ni uno solo de estos puede atravesarla, al igual que ocurre cuando el capacitor se encuentra conectado a una fuente de corriente directa. Si en lugar de emplear una batería suministradora de corriente directa (C.D.) para cargar el capacitor, lo conectamos a una fuente de fuerza electromotriz (F.E.M.) de corriente alterna (C.A.), se establecerá un efecto ininterrumpido de “carga-descarga” entre las dos placas o armaduras que lo compone, así como la circulación de una corriente eléctrica, también alterna. La cantidad de veces que esta variación se produce en un segundo, dependerá de la frecuencia o hertz (Hz) que posea la fuente de corriente alterna donde se encuentra conectado el capacitor. Sin embargo, aunque en este caso el dieléctrico impide también que la corriente alterna pase directamente de una placa a la otra del capacitor, debido al constante cambio de polaridad que se produce indistintamente en las dos placas la corriente puede fluir a través del circuito externo sin necesidad que los electrones atraviesen el dieléctrico. Así Funcionan los capacitores o Condensadores Eléctricos www.tecun.com. Tecun 2013 Todos los Derechos Reservados
