Capacitancia

Capacitancia
Los desfibriladores
ventriculares usan
grandes condensadores
para aplicar un choque
de corriente eléctrica
al músculo cardiaco
hasta que establezca su
propio ritmo. Cada año
mueren más de 250 000
estadounidenses debido a
ataques cardiacos súbitos.
Cada minuto que transcurre
sin aplicar el desfibrilador,
las oportunidades de vida
de la víctima de un ataque
disminuyen de 10% a 7%.
En este capítulo se
estudian las propiedades
fundamentales de los
condensadores.
(.Fotografía © vol. 154/
Corbis.)
512
26.1 Limitaciones al cargar un conductor
513
Objetivos
Cuando termine de estudiar este capítulo el alumno:
1.
2.
3.
4.
5.
Definirá capacitancia y aplicará una relación entre capacitancia, voltaje* aplica­
do y carga total.
Calculará la capacitancia de un condensador de placas paralelas cuando se co­
noce el área de las placas y su separación en un medio de constante dieléctrica
conocida.
Escribirá y aplicará expresiones para calcular la constante dieléctrica como una
función del voltaje, del campo eléctrico o de la capacitancia antes y después
de la inserción de un dieléctrico.
Calculará la capacitancia equivalente de cierto número de condensadores co­
nectados en serie y en paralelo.
Determinará la energía de un condensador cargado, cuando se cuenta con la
información apropiada.
Cualquier conductor cargado puede considerarse un depósito o una fuente de carga eléctrica.
Si un alambre conductor se conecta a ese depósito, la carga eléctrica puede transferirse para
llevar a cabo un trabajo útil. En numerosas aplicaciones eléctricas se almacenan grandes can­
tidades de carga en un conductor o en un grupo de conductores. Cualquier aparato diseñado
para guardar carga eléctrica se llama condensador o capacitor. En este capítulo estudiaremos
la naturaleza y las aplicaciones de estos dispositivos.
Limitaciones al cargar un conductor
¿Cuánta carga eléctrica puede contener un conductor? En la práctica, ¿hay un límite en cuanto al
número de electrones que pueden transferirse a un conductor o ser transferidos desde él? Supon­
ga que se conecta un gran depósito de cargas positivas y negativas, como la Tierra, a un objeto
conductor, como se muestra en la figura 26.1a. La energía necesaria para transferir electrones
de la Tierra al conductor puede proporcionarla un aparato eléctrico llamado batería. Cargar el
conductor es como bombear aire en un tanque vacío de acero (véase la figura 26.1b). Cuanto
más aire se bombea al tanque, más aumenta la presión que se opone al flujo de más aire. De for­
ma similar, cuanto más carga Q se transfiere al conductor, el potencial V del conductor se eleva,
lo que dificulta transferirle más carga. Se dice que el aumento del potencial V es directamente
proporcional a la carga Q que soporta el conductor. Simbólicamente esto se expresa así:
Vex Q
Figura 26.1 La carga de un conductor es como bombear aire a un tanque de acero vacío.
*A la diferencia entre los potencíales de dos puntos de un circuito, se le puede llamar también voltaje o tensión. Cuando se
pasa a través de un elemento de un circuito se produce una caída de potencial o un voltaje negativo. Y a la diferencia de
potencial producida por los generadores, capaz de elevar las cargas eléctricas de un potencial a otro más alto, es decir, una
subida de potencial se le conoce como fuerza electromotriz. La fuerza electromotriz (fem) de un generador es la diferencia
de potencial que se mide en sus bornes (sus puntas) cuando está en circuito abierto, es decir, sin suministrar corriente. Una
fuente de voltaje es una fem.
514
Capítulo 26
Capacitancia
Por tanto, la razón de la cantidad de carga Q al potencial eléctrico V producido será constante
para un conductor específico. Esa razón refleja la capacidad del conductor para almacenar
carga y se le llama su capacitancia C.
(26.1)
La unidad de capacitancia es el coulomb por volt, que se define como farad (F). Por con­
siguiente, si un conductor tiene una capacitancia de un farad, la transferencia de un coulomb
de carga al conductor elevará su potencial un volt.
Volvamos ahora a la pregunta original acerca de las limitaciones que se presentan cuando se
carga un conductor. Se ha dicho que cada conductor tiene una determinada capacitancia C para
almacenar carga. El valor de C para un determinado conductor no es una función de la carga que
soporta el conductor ni del potencial producido. En principio, la razón QIV permanecerá cons­
tante mientras se añade carga indefinidamente, pero la capacitancia depende del tamaño y la
forma del conductor, así como de la naturaleza del medio que lo rodea, o medio circundante.
Suponga que se trata de transferir una cantidad de carga indefinida Q a un conductor esfé­
rico de radio r, como se presenta en la figura 26.2. El aire que rodea al conductor es un aislante,
a menudo llamado dieléctrico, que contiene unas cuantas cargas en libertad de movimiento. La
intensidad del campo eléctrico £ y el potencial V en la superficie de la esfera están dados por
Puesto que el radio r es constante, tanto la intensidad del campo como el potencial en la su­
perficie de la esfera aumentan en proporción directa a la carga Q. Sin embargo, hay un límite
para la intensidad del campo que puede haber en un conductor sin que se ionice el aire a su
alrededor. Cuando esto sucede, el aire se vuelve esencialmente un conductor y cualquier car­
ga adicional que se coloque en la esfera se “fugará” al aire. Este valor límite de la intensidad
del campo eléctrico en el que un material pierde sus propiedades aislantes se conoce como la
rigidez dieléctrica de ese material.
La rigidez dieléctrica de un material es la intensidad del campo eléctrico para
la que el material deja de ser un aislante y se convierte en un conductor.
La rigidez dieléctrica para el aire seco a 1 atm de presión es de 3 MN/C, aproximadamente.
Puesto que la rigidez dieléctrica de un material varía considerablemente con las condiciones
ambientales, como la presión atmosférica y la humedad, es difícil calcular valores exactos.
Figura 26.2 La cantidad de carga que puede transferirse a un conductor está limitada por la rigidez dieléc­
trica del medio circundante.
26.2 El condensador
E
515
6 ! :s
¿Cuál es la carga máxima que puede transferirse a un conductor esférico cuyo radio es de
50 cm? Suponga que está rodeado de aire.
Plan: La carga máxima queda determinada por la intensidad del campo eléctrico nece­
sario para volver el aire circundante un conductor de electrones. Estableceremos la carga
necesaria para alcanzar la rigidez dieléctrica del aire para un radio de 0.5 m.
Solución: Se tiene que r = 0.50 m y Emix = 3 MN/C = 3 X 106 N/C, de forma que la
carga máxima Q será
F
-^m áx
Q
= kQ_
?
n = ;'2£máx
^
(0.5 m)2(3 X 106N/C)
= 8.33
(9 X 109 N • n r/C 2)
^
X
7
10
C
o
83.3 ¡juC
En este ejemplo se ilustra la enorme magnitud del coulomb cuando se usa como unidad de
carga electrostática.
Figura 26.3 La densidad de carga en un conductor es mayor en las regiones donde la curvatura es más grande.
Observe que la cantidad de carga que puede soportar un conductor esférico disminuye
con el radio de la esfera. Por tanto, los conductores pequeños generalmente pueden soportar
menos carga. Pero la forma del conductor también influye en su capacidad para retener carga.
Considere los conductores cargados que se ilustran en la figura 26.3. Si se probaran con un
electroscopio, se descubriría que la carga situada en la superficie de un conductor se concentra
en los puntos de mayor curvatura. Debido a la mayor densidad de carga en esas regiones, la
intensidad del campo eléctrico es también más grande en las regiones donde la curvatura es
mayor. Si la superficie se remodela y se le da una forma puntiaguda, la intensidad del campo
puede volverse lo suficientemente grande como para ionizar el aire circundante. En esos sitios
a veces se produce una lenta fuga de carga que da por resultado una descarga de corona, que se
observa como un tenue destello de color violeta cerca del conductor puntiagudo. Es importante
eliminar todos los bordes afilados en los equipos eléctricos para minimizar esta fuga de carga.
El condensador
Cuando varios conductores se colocan cerca unos de otros, el potencial de cada uno se ve
afectado por la presencia de los otros. Suponga que una placa A cargada negativamente se
conecta a un electroscopio, como se ve en la figura 26.4. La divergencia de la hoja de oro
del electroscopio proporciona una medida del potencial del conductor. Ahora imaginemos
que otro conductor B se coloca en forma paralela a A, a una corta distancia de él. Cuando el
segundo conductor se conecte a tierra, se inducirá en él una carga positiva a medida que los
electrones sean forzados a fluir a tierra. La hoja de oro de inmediato se caerá ligeramente, lo
que indica un descenso en el potencial del conductor A.
516
Capítulo 26
Capacitancia
A
B
Figura 26.4 Un condensador consta de dos conductores con muy poca separación entre sí.
Debido a la presencia de la carga inducida en B , se requiere menos trabajo para transferir
al conductor A unidades de carga adicionales. En otras palabras, la capacitancia del sistema
para retener carga se ha incrementado a causa de la proximidad de los dos conductores. Dos
conductores de ese tipo, muy próximos uno al otro, transportando cargas iguales y opuestas,
constituyen un condensador.
Un condensador está formado por dos conductores, muy cercanos entre sí,
que transportan cargas iguales y opuestas.
El condensador más sencillo es el condensador de placas paralelas, ilustrado en la figura
26.4. Se puede comprobar que existe una diferencia de potencial entre dichas placas si se
conecta a ellas una batería, como se muestra en la figura 26.5. Los electrones se transfieren de
la placa A a la B, con lo que se produce una carga igual y opuesta sobre las placas. La capaci­
tancia de este arreglo se define como sigue:
La capacitancia entre dos conductores que tienen cargas iguales y opuestas es
la razón de la magnitud de la carga sobre cualquier conductor a la diferencia
de potencial resultante entre los dos conductores.
La ecuación para la capacitancia de un condensador es la misma que la ecuación (26.1)
para un conductor individual, excepto que en este caso el símbolo V se aplica a la diferencia
de potencial y el símbolo Q se refiere a la carga en cualquiera de los conductores.
Condensador
| +
-
+
-
+
+
-
A
B
V
i ~m
Batería
Figura 26.5 Carga de un condensador mediante la transferencia de carga de una placa a otra.
26.3 Cálculo de la capacitancia
517
Q
C=—
y
(26.2)
En vista de la enorme magnitud del coulomb como unidad de carga, el farad es una uni­
dad de capacitancia demasiado grande para las aplicaciones prácticas. Por ello, con frecuen­
cia se usan los submúltiplos siguientes:
1 microfarad (/xF) = 10~6F
1 picofarad (pF) = 10“12 F
No es raro encontrar capacitancias de unos cuantos picofarads en ciertas aplicaciones de co­
municación eléctrica.
(r Un condensador que tiene una capacitancia de 4 fiF está conectado a una batería de 60 V.
4 ¿Qué carga hay en él?
Solución: La carga en el condensador se relaciona con la magnitud de la carga en cual­
quiera de sus placas. De la ecuación (26.2) se tiene que
Q = CV = (4 /¿F)(60 V) = 240
¡jlC
Cálculo de la capacitancia
En general, un conductor de gran tamaño puede contener una gran cantidad de carga, y un
condensador puede almacenar más carga que un simple conductor debido al efecto inductivo
de dos conductores situados muy cerca uno del otro. Cuanto más cerca se encuentran estos
conductores es mayor el efecto inductivo y, por tanto, aumenta también la facilidad de trans­
ferir una carga adicional de un conductor al otro. Sobre la base de estas observaciones se pue­
de predecir que la capacitancia de un condensador será directamente proporcional al área
de las placas e inversamente proporcional a su separación. La relación exacta puede deter­
minarse considerando laintensidaddel campo eléctrico entre las placasdel condensador.
La intensidad del campo eléctrico entre las placasdel condensador cargado que aparece
en la figura 26.6 puede determinarse con base en la ecuación
y
E = d
(26.3)
donde V = diferencia de potencial entre las placas (V)
d = separación entre las placas (m)
Una ecuación alternativa para calcular la intensidad del campo eléctrico se dedujo en el
capítulo 24, a partir de la ley de Gauss. En ella se relaciona la intensidad del campo, E, con la
densidad de carga, a, de la manera siguiente:
a
Q
e = - = y ~
c26-4)
eo A éq
donde O — carga en cualquier placa
A = área de cualquier placa
e0 = permitividad del vacío (8.85
C2
Nm~
X
.
10~12C2/N • m2)*
F
m
F
m
C
Vm
C
m
* Las unidades de la permitividad del vacío son ---- - o bien — como lo demostramos a continuación: — = — = —
—=
c_ _ c- _ cJm
Nmm
Nm
518
Capítulo 26
Capacitancia
r
+o
k
II
üq
t
V
d
-- ►
Figura 26.6 La capacitancia es directamente proporcional al área de cualquier placa e inversamente pro­
porcional a la separación que hay entre las placas.
Para un condensador con vacío entre las placas se combinan las ecuaciones (26.3) y (26.4)
para obtener
d
Ae0
Considerando que la capacitancia C es la razón de la carga al voltaje podemos reordenar los
términos y obtener
Q
^
C° = Í7
V = 6°a7
(26-5)
El subíndice 0 indica que existe vacío entre las placas del condensador. Para obtener una
determinación aproximada también se puede usar la ecuación (26.5) cuando hay aire entre las
placas del condensador.
Ejemplo 26.3
* Las placas de un condensador en paralelo están separadas entre sí 2 cm a lo ancho y 4 cm
a lo largo. ¿Cuál debe ser la separación en el aire de las placas de este condensador si la
capacitancia total ha de ser de 4 pF?
Plan: La separación necesaria se determina resolviendo el de la ecuación 26.5, tras calcu­
lar el área de cada placa. Recuerde que 1 pF = 1 X 10“12F.
Solución: El área de cada placa se obtiene como sigue:
A = (0.02 m)(0.04 m) = 8 X 10~4 m2
e0A
e0A
d =
d
C0
Puesto que C = 4
Cl =
X
10~12F y e = 8.85
85
X
X
10~12 C2/N • m2, se obtiene que
10“ 12 C2/N ■nr)(8
4
X
X
- 4
.
10“4 n r)
10"12F
= 1.77
X
10" m
La separación entre las placas debe ser de 1.77 mm.
Con frecuencia, los condensadores de placas paralelas están constituidos por un conjunto
de placas conectadas en forma alternada, como se observa en la figura 26.7. Si se hace que
uno de los juegos de placas se mueva el resultado es un condensador variable. Si se hace gi-
26.4 Constante dieléctrica; permitividad
519
+
(a)
Figura 26.7 (a) Un condensador está formado de varias placas apiladas que alternan las cargas positiva y
negativa, (b) En un condensador variable uno de los juegos de placas gira con relación a otro, lo que ocasiona
un cambio en el área real.
rar un juego de placas con relación a otro, cambia el área real de las placas del condensador, lo
que resulta en una variación en la capacitancia. Los condensadores variables se usan a veces
en los circuitos de sintonía de receptores de radio.
:íl!Í 26.4
Constante dieléctrica; permitividad relativa
La cantidad de carga que puede colocarse en un conductor en gran medida está determinada
por la de la rigidez dieléctrica del medio circundante. De forma similar, la rigidez dieléctrica
del material situado entre las placas de un condensador limita su capacidad para almacenar
carga. La mayor parte de los condensadores tienen entre las placas un material no conductor,
llamado dieléctrico, para proporcionar una rigidez dieléctrica mayor que la del aire. He aquí
algunas de las ventajas de ello:
1. Un material dieléctrico proporciona una pequeña separación de las placas sin que hagan
contacto.
2. Un dieléctrico aumenta la capacitancia de un condensador.
3. Se pueden usar altos voltajes sin peligro de que el dieléctrico alcance el punto de ruptura.
4. Un dieléctrico a menudo proporciona una mayor resistencia mecánica.
Entre los materiales dieléctricos comunes se puede mencionar la mica, el papel parafinado,
la cerámica y los plásticos. Se pueden arrollar hojas alternadas de chapa metálica y papel parafinado para fabricar un condensador compacto, con una capacitancia de varios microfarads.
Para entender el efecto de un dieléctrico, consideraremos el material aislante de la figura
26.8 colocado entre las placas de un condensador que tienen una diferencia de potencial V.
Los electrones en el dieléctrico no tienen la libertad de dejar sus átomos correspondientes,
pero sí de desplazarse ligeramente (corrimiento) hacia la placa positiva. Los protones y los
electrones de cada átomo se alinean del modo que se indica en la figura. Se dice que el mate­
rial se ha polarizado y que los átomos forman dipolos. Todas las cargas positivas y negativas
dentro de la elipse punteada de la figura 26.8a se neutralizan entre sí. Sin embargo, una capa
de carga negativa sobre una superficie y una capa de carga positiva sobre la otra no se neutra-
520
Capítulo 26
Capacitancia
E - En- Ed
Figura 26.8 (a) La polarización de un dieléctrico cuando se le inserta entre las placas de un condensador,
(b) La polarización resulta en una reducción general de la intensidad del campo eléctrico.
lizan. Se establece un campo eléctrico EDen el dieléctrico que se opone al campo E0, el cual
existiría aun sin el dieléctrico. La intensidad del campo resultante es
E = E0 — E d
(26.6)
Por tanto, la inserción de un dieléctrico origina una reducción en la intensidad del campo
entre las placas del condensador.
Puesto que la diferencia de potencial V entre las placas es proporcional a la intensidad del
campo eléctrico, V = Ed, una reducción en la intensidad causará una caída en la diferencia de
potencial. Este hecho se ilustra con el ejemplo de la figura 26.9. La inserción de un dieléctrico
origina una divergencia en la hoja de oro del electroscopio.
+
+
+
+
+
+
K
-
1
K = C / C 0 = V0 / V
+
c
+
+
+
+
K
+
-
+
-
-
-
Figura 26.9 La inserción de un dieléctrico entre las placas de un condensador ocasiona una caída en la
diferencia de potencia, lo que resulta en una mayor capacitancia.
26.4 Constante dieléctrica; permitividad
521
C o n s ta n te d ie lé ctrica y rig id e z d ie lé ctrica
Material
Aceite de transformador
Aire seco a 1 atm
Baquelita
Mica
Papel parafinado
Plástico
Plásticos de nitrocelulosa
Teflón
Vidrio
Constante
dieléctrica
media
Rigidez dielétrica
media, MN/C
4.0
1.006
7.0
5.0
2.0
3.0
9.0
2.0
7.5
16
3
16
200
51
28
250
59
118
A partir de la definición de capacitancia, C = Q/V, se observa que una caída en el voltaje
da por resultado un incremento en la capacitancia. Si representamos la capacitancia antes de
insertar un dieléctrico por medio de CQy la capacitancia después de la inserción por C, la
razón C/C mostrará el incremento relativo en la capacitancia. Si bien es cierto que esta razón
varía según el material empleado, su valor es constante para un dieléctrico en particular.
0
La constante dieléctrica K para un material concreto se define como la razón
de la capacitancia C de un condensador de acuerdo con el material que hay
entre sus placas y la capacitancia C0 en el vacío.
K = ^r
(26.7)
La constante dieléctrica de diversos materiales aparece en la tabla 26.1 junto con la rigidez
dieléctrica de los mismos materiales. Observe que, en el caso del aire, K tiene un valor de 1.0
aproximadamente.
Con base en las proporcionalidades, se demuestra que la constante dieléctrica también
puede expresar así:
V0 E0
K = —V =E —
(26.8)
donde V E = voltaje y campo eléctrico cuando hay vacío entre las placas del condensador
V, E = valores respectivos después de insertar el material dieléctrico
A partir de la ecuación (26.7), la capacitancia C de un condensador que tiene un dieléc­
trico entre sus placas es
C = KC0
Sustituyendo en la ecuación (26.5) tenemos una relación para calcular directamente C:
C = Ke0~
(26.9)
a
donde A es el área de las placas y d es su separación.
La constante eQya ha sido definida anteriormente como la permitividad en el vacío.
Recuerde que al analizar la ley deGauss vimos que eQesen realidad laconstante de propor­
cionalidad que relaciona ladensidad de las líneas delcampo eléctrico conla intensidad del
522
Capítuío 26
Capacitancia
campo eléctrico en el vacío. La permitividad e de un dieléctrico es mayor que eg por un factor
igual a la constante dieléctrica K. En consecuencia,
e = Ke0
(26.10)
Con base en esta relación, se entiende por qué la constante dieléctrica, K = e/e , se conoce a
veces como la permitividad relativa. Cuando sustituimos la ecuación (26.10) en la ecuación
(26.9), la capacitancia para un condensador que contiene un dieléctrico es simplemente
A
C = e d-
(26.11)
Estarelación esla ecuación másgeneral para calcular la capacitancia. Cuando hay espa­
cio vacío o aireentre las placas delcondensador, e = eQy la ecuación (26.11) se reduce a la
ecuación (26.5).
Un determinado condensador tiene una capacitancia de 4 ¡jlV cuando sus placas están se­
paradas 0.2 mm por espacio vacío. Se utiliza una batería para cargar las placas a una dife­
rencia de potencial de 500 V y luego se desconecta del sistema, (a) ¿Cuál será la diferencia
de potencial entre las placas si una hoja de mica de mm de espesor se inserta entre las
placas? (b) ¿Cuál será la capacitancia después de que se inserta el dieléctrico? (c) ¿Cuál es
la permitividad de la mica?
Plan: Cuando se inserta el dieléctrico el voltaje del condensador cae debido a la carga in­
ducida en el dieléctrico. Ello produce un descenso en el campo real que hay entre las placas.
Por tanto, el voltaje disminuirá a una cantidad determinada por la constante dieléctrica de
la mica. Ahora habrá mayor capacitancia para retener carga, o una capacitancia aumentada.
La permitividad real del dieléctrico es larazón dela capacitancia nueva a
la original.
Solución (a):La constante dieléctrica de la mica es K = 5.Por tanto, con la ecuación
(26.8) resulta
500 V= íoo v
k = —Vo
o
y = V0
— = -------y
k
5
Solución (b): De la ecuación (26.7),
C
K=—
o
C = KC0 = 5(4 ¡xF) = 20 ¡iF
Co
Solución (c): La permitividad se calcula a partir de la ecuación (26.10):
K = ~e
o
e = Ke0 = 5(8.85 X 10 C2/N • m2)
o
e = 44.2 X 10 C2/N • n r
Cabe notar que la carga en el condensador es la misma antes y después de la inserción, ya
que la fuente de voltaje no permanece conectada al condensador.
0 . 2
“
”
Ejemplo 26.5
12
12
Suponga que la fuente de voltaje permanece conectada al condensador de 4 ¡xF del ejem­
plo 26.4. ¿Cuál será el aumento de la carga como resultado de la inserción de una hoja
de mica?
Plan: El voltaje permanece a 500 V cuando se inserta el dieléctrico. Puesto que la capa­
citancia aumenta debido a éste, debe resultar un incremento en la carga. La carga será la
diferencia entre la carga final y la inicial.
26.5 Condensadores en paralelo y en serie
523
La carga inicial en el condensador era
Q0 = C0VÜ= (4 /xF)(500 V) = 2 000 /xC
Al insertar la mica la capacitancia aumenta de 4/xF a 20 ¡jlF (K = 5):
Q = CV= (20 /xF)(500 V) = 10 000 /xC
Por tanto, el incremento en la carga es
AQ = 10 000 fiC - 2000 ¡xC = 8000 ¡iC
Estos 000 ¡l C se deben a la capacitancia aumentada al mismo voltaje.
Solución:
8
Condensadores en paralelo y en serie
A menudo los circuitos eléctricos están formados por dos o más condensadores conectados
en grupo. Para conocer el efecto de esta agrupación es conveniente recurrir al diagrama del
circuito, en el que los dispositivos eléctricos se representan mediante símbolos. En la figura
26.10 se ilustran cuatro de los símbolos más comunes relacionados con los condensadores. El
extremo de mayor potencial de una batería se indica mediante una línea más larga. El extremo
de mayor potencial de un condensador se representa con una línea recta, en tanto que con una
línea curva se denota el lado de menor potencial. Una flecha indica un condensador variable.
Una conexión a tierra es una conexión eléctrica entre los alambres de un aparato y su chasis
metálico o cualquier otro depósito grande de cargas positivas y negativas.
En primer lugar, consideremos el efecto de un grupo de condensadores conectados a lo
largo de una sola trayectoria, como se muestra en la figura 26.11. Ese tipo de conexión, en la
que la placa positiva de un condensador está conectada a la placa negativa de otro, recibe el
nombre de conexión en serie. La batería mantiene la diferencia de potencial V entre la placa
Batería
Condensador
variable
Condensador
+
Tierra
V= 0
. + - + - + - .(
Depósito de
cargas + y -
(a )
Figura 26.10
(b )
(c )
(d )
Definición de los símbolos más usados al trabajar con condensadores.
c' !
+
1(-
+ I¡U
i
C,
.+
JZ _
+1 \ -
Batería
y
(a )
1
+l!
+ 11-
+ l¡\B
A
---------------- ---------------V
(b )
Figura 26.11 Cálculo de la capacitancia equivalente de un grupo de condensadores conectados en serie.
524
Capítulo 26
Capacitancia
positiva de C1 y la negativa de C3, transfiriendo electrones de una a la otra. La carga no pue­
de pasar entre las placas de un condensador; por tanto, toda la carga que se halla dentro del
paralelogramo punteado en la figura 26.11a es carga inducida; debido a ello, la carga en cada
condensador es idéntica. Escribimos
q = q ^ q 2= q3
donde Q es la carga efectiva transferida por medio de la batería.
Los tres condensadores pueden reemplazarse por una capacitancia equivalente C sin que
cambie el efecto externo. Ahora conviene deducir una expresión para calcular esta capacitan­
cia equivalente en el caso de conexiones en serie. Puesto que la diferencia de potencial entre
A y B es independiente de la trayectoria, el voltaje de la batería debe ser igual a la suma de las
caídas de potencial a través de cada condensador
y = + v2+ y3
(26.12)
Si recordamos que la capacitancia C se define por la razón QIV, la ecuación (26.12) queda
Q _ Q\j Qi |
Qi
ce ~ c, c2
c3
Para una conexión en serie, Q = O, = Q, = Qv así que podemos dividir entre la carga, como
sigue
—
= “ +— + —
Conexión en serie (26.13)
C, C2
C3
La capacitancia efectiva total para dos condensadores en serie es
C,C9
Ce = 7C i7 -t-~ l r2
(26.14)
Ce
¿Sabe usted cuánto
tiem po pasan los
satélites expuestos a la
luz solar para cargar sus
baterías? Los de órbita
terrestre baja requieren
60 min de luz del Sol
por cada 35 min de
oscuridad. Los de órbita
terrestre geosíncrona
(G EO ), que se hallan
mucho más distantes
de nuestro planeta,
pasan menos tiempo en
las sombra proyectada
por la Tierra. Por cada
1.2 horas de oscuridad
requieren 22.8 horas
de luz solar. Durante el
periodo de oscuridad
la potencia que necesitan
para funcionar procede
com pletam ente de las
baterías.
Se deja como ejercicio la deducción de la ecuación 26.14.
Ahora consideremos un grupo de condensadores conectados de tal modo que la carga pue­
da compartirse entre dos o más conductores. Cuando varios condensadores se conectan directa­
mente a la misma fuente de potencial, como en la figura 26.12, se dice que están conectados en
paralelo. Con base en la definición de capacitancia, la carga en cada condensador paralelo es
qx= CjV, Q2= cy 2 o3= c3v3
La carga total Q es igual a la suma de las cargas individuales.
Q = Q1 + Q2 + Q}
(26.15)
La capacitancia equivalente del circuito completo es Q = CV, de modo que la ecuación
(26.15) se transforma en
CV = CjVj + C2V2 + C V
(26.16)
Para una conexión en paralelo ,
v= V = V = V
ya que todos los condensadores están conectados a la misma diferencia de potencial. Por
tanto, dividiendo entre los voltajes la ecuación (26.16) se obtiene
C = C( + C + C3 Conexión en paralelo (26.17)
3
1
2
3
r 3
2
+
+ +
+
+
—
Figura 26.12
+
m V r
-
+ ++ + + +
e
__
+
r v
(a)
(b)
Capacitancia equivalente de un conjunto de condensadores conectados en paralelo.
26.5 Condensadores en paralelo y en serie
525
(a) Determine la capacitancia equivalente del circuito que aparece en la figura 26.13a.
(b) Determine la carga de cada condensador, (c) ¿Cuál es el voltaje que hay en el conden­
sador de 4 /xF?
Plan: Empezaremos en la región más alejada de la fuente de voltaje usando las reglas para
combinar condensadores en paralelo y en serie. De esta forma, obtendremos circuitos cada
vez más sencillos hasta obtener una sola capacitancia equivalente en serie con la fuente.
La carga en toda la red y a través de cada condensador que hay en ella se determina con
base en el hecho de que Q = CV y el conocimiento de cómo se distribuye el voltaje en
condensadores conectados en serie y en paralelo.
Solución (a): Los condensadores de 4 y de 2 /xF están en serie. Su capacitancia combina­
da se determina a partir de la ecuación (26.14).
(2/xF)(4/xF)
Q = CC
c 2 + C4 2 fxF + 4 ¡jlF
= 1.33 aiF
Estos dos condensadores pueden sustituirse por su capacitancia equivalente, como se
muestra en la figura 26.13b. Los dos condensadores restantes están conectados en paralelo;
por tanto, la capacitancia equivalente es
C, = C, + C ,4 = 3 /xF + 1.33 /xF
= 4.33 fxF
Solución (b): La carga total dentro de la red es
Q = C V = (4.33 /xF)(120 V) = 520 /jlC
La carga Q, en el condensador de 3 /xF es
Q, = C3v = (3 /xF)(120 V) = 360 fxC
El resto de la carga,
Q - Q3 = 520 ¡iC - 360 /xC = 160 ¡iC
debe depositarse en los condensadores en serie. Luego
Qz = e 4 = 160 ¡xC
Para comprobar estos valores para <9, y Qx, la capacitancia equivalente de las dos se­
ries de condensadores se multiplica por la caída de voltaje correspondiente:
Q2A = C2A V = (1.33 ¿xF)(120 V) = 160 /xC
2
4
1 4
(b)
+
1 2 0
V-
+ +
1 .3 3 (jlF
;4|xF
3 |x F
+
2
jíF
C e = 4 .3 3 jx F
(a)
Figura 26.13
(c)
Simplificación de un problema sustituyendo valores equivalentes por capacitancia.
Capacitancia
el voltaje a través del condensador de 4 ¡iF es
Q4 160 uC
y = — = — — = 40 v
C
4 ¿¿F
Los 80 Y restantes corresponden a la caída de voltaje a través del condensador de 2 ^F.
Solución (c):
4
4
En la tabla 26.2 se resumen los datos generales acerca de los condensadores conectados
en serie y en paralelo.
Tabla 26.2
C ircuitos condensadores
Circuitos en serie
HHHh
Carga Q
Voltaje V
rr__t1__tL
° J
o....
Q = Q¡ = Qi ~ Qi
v = v¡ + v 2 + y3
Q
-
Q\
+
Qi
+
Q¡
i
Tipo de circuito
Circuitos en paralelo
ii
Capítulo 26
i
526
Capacitancia equivalente
1 1 1 1
-- —---- 1------ 1----
Ce — Ci + C2 + C3
Capacitancia para dos elementos
r - c^-
Ce = Cj + c 2
Ce
e
Cj
c2
C, + c 2
c3
Energía de un condensador cargado
Considere un condensador que estaba descargado inicialmente. Cuando una fuente de dife­
rencia de potencial se conecta a él, la diferencia de potencial entre las placas se incrementa en
la medida que se transfiere carga. A medida que se acumula más y más carga en el condensa­
dor, se vuelve cada vez más difícil transferir una carga adicional. Supongamos ahora que se
representa con Q la carga total transferida y la diferencia de potencial final con V. La diferen­
cia de potencial promedio a través de la cual se mueve la carga se expresa de este modo:
V = ^final + Viinicial V + 0 1
r ítv
—
Puesto que la carga total transferida es Q, el trabajo total realizado en contra de las fuerzas
eléctricas es igual al producto de Q por la diferencia de potencial promedio V . Por tanto,
Trabajo
:QV
Este trabajo equivale a la energía potencial electrostática de un condensador cargado. Si par­
timos de la definición de la capacitancia (Q = CV), esta energía potencial puede escribirse de
diversas maneras:
U = -Q V
1
2
,
= -C
2 V2
1
(26 . 18 )
2C
Cuando C se expresa en farads, V en volts y Q en coulombs, la energía potencial estará
expresada en joules. Estas ecuaciones se aplican por igual a todos los condensadores, inde­
pendientemente de cómo estén construidos.
= Qr_
Resumen
El almacenamiento de cargas eléctricas es un proceso nece­
sario cuando se requiere suministrar grandes cantidades de
energía eléctrica para satisfacer la demanda de un mundo in­
dustrial moderno. En este capítulo estudiamos los principios
básicos que determinan la cantidad de carga que es posible al­
macenar en los condensadores. Hemos analizado la inserción
de condensadores en los circuitos eléctricos y los factores que
afectan la distribución de la carga en esos circuitos. A conti­
nuación se resumen los conceptos fundamentales.
° La capacitancia es la razón de la carga Q al potencial V
para un conductor concreto. En el caso de dos placas con
cargas opuestas, la O se refiere a la carga en cada placa y
la V a la diferencia de potencial entre ellas.
1 coulomb (C)
1 volt (V)
Capacitancia
1 farad (F)
C=
La rigidez dieléctrica es el valor de E para el cual un ma­
terial específico deja de ser aislador y se convierte en con­
ductor. En el caso del aire, dicho valor es
*
E = -kQ
rf = 3 X 10 N/C
Rigidez dieléctrica del aire
En un condensador de placas paralelas, el material que se
encuentra entre las placas se conoce como dieléctrico. La
inserción de dicho material produce un efecto en el campo
eléctrico y el potencial entre las placas. Por tanto, su pre­
sencia cambia la capacitancia. La constante dieléctrica K
para un material en particular es la razón de la capacitancia
con el dieléctrico C a la capacitancia para un vacío CQ.
vT = v¡ + v2 + y3
C~2 C
~C\
3
Conexiones
en serie
b. En conexiones en paralelo, la carga total es igual a la
suma de las cargas a través de cada condensador, la caí­
da de voltaje a través de cada condensador es igual que
la caída correspondiente a través de la batería, y la capa­
citancia efectiva es igual a la suma de las capacitancias
individuales
Qt ~ Q\ + Q2 + Q¡
z?
l
La permitividad de un dieléctrico es mayor que la per­
mitividad de un vacío por un factor igual a la constante
dieléctrica. Por esta razón, K se conoce a veces como la
permitividad relativa.
c = Ci + C + C
2
3
Conexiones
en paralelo
La energía potencial almacenada en un condensador car­
gado se determina mediante cualquiera de las relaciones
siguientes:
0
y
m
K = —€
6o
Qt = Qi = Qi ~ Qí
!
E0
Vb K = —
K= —
V
E
Constante dieléctrica
Capacitancia
Para un vacío, K = 1 en la relación anterior.
Los condensadores se pueden conectar en serie, como se
muestra en la figura 26.11, o en paralelo, como en la figu­
ra 26.12.
a. Para conexiones en serie, la carga de cada condensador
es igual que la carga total, la diferencia de potencial a
través de la batería es igual a la suma de las caídas de
voltaje en cada condensador, y la capacitancia neta se
halla mediante
1
C_
Q
A
C = Ke o
c.
6
K
La capacitancia de un condensador de placas paralelas
depende del área superficial A de cada placa, de la sepa­
ración entre las placas, d, y de la permitividad o constante
dieléctrica. La ecuación general es
en = 8.85 X 10“ C7N • m
1 2
2
Cuando C se expresa en farads, V en volts y Q en coulombs, la energía potencial estará expresada en joules.
527
conexión en serie 523
constante dieléctrica 521
descarga de corona 515
dieléctrico 514
Preguntas de repaso
Comente varios factores que limitan la capacidad de
un conductor para almacenar carga.
Se bombea aire de un depósito de metal a otro, lo
que crea un vacío parcial en uno de ellos y alta pre­
sión en el otro. Al quitar la bomba, la energía po­
tencial se almacena. La energía es liberada si los
dos depósitos vuelven a conectarse entre sí y ambos
llegan a estar a la misma presión. ¿En qué forma se
asemeja a la carga y la descarga de un condensador
este ejemplo mecánico?
26.3. Con frecuencia se ve que saltan chispas de las correas de
impulsión de cuero de las máquinas. Explique por qué.
26.4. La botella de Leyden es un condensador que consiste
en un frasco de vidrio forrado por dentro y por fuera
con papel de estaño, como se muestra en la figura
26.14. El contacto con el forro interior se realiza me­
diante una cadena de metal conectada a la varilla
metálica central. Con base en la figura, explique cómo
se carga el condensador. ¿Qué función desempeña el
alambre a tierra? ¿Qué propósito tiene el vidrio?
26.5. ¿Se puede considerar que un rayo es la descarga de
un condensador? Explique su respuesta.
26.6. Comente la afirmación siguiente: la permitividad es
la medida de la facilidad con la que un dieléctrico
permite el establecimiento de líneas de campo eléc­
trico dentro del propio dieléctrico.
26.7. Un dieléctrico con mayor permitividad da lugar al
almacenamiento de mayores cantidades de carga.
Explique esta situación.
26.8. Establezcaladiferenciaentrelarigidezdieléctricadeun
material y su constante dieléctrica. ¿Qué parte desem­
peña cada una en el diseño de un condensador?
26.9. El término voltaje de ruptura se usa a menudo
en electrónica en relación con los condensadores.
¿Cómo definiría usted ese término? ¿En qué aspec­
tos se distingue de la rigidez dieléctrica?
farad 514
permitividad 521
rigidez dieléctrica 514
Figura 26.14
26.10.
26.11.
26.12.
La botella de Leyden.
Si dos cargas puntuales están rodeadas por un die­
léctrico, ¿aumentará o disminuirá la fuerza que cada
una ejerce sobre la otra?
La unidad de permitividad es el C2/N • m2. Demues­
tre que la permitividad puede expresarse como fa­
rad por metro.
Demuestre que cada una de las expresiones de la
energía potencial, como aparecen en la ecuación
(26.18), proporciona una unidad de energía apro­
piada (el joule).
Problemas
Sección 26.2 El condensador
26.1
528
. ¿Cuál es la carga máxima que puede acumularse en
una esfera metálica de 30 mm de diámetro rodeada
de aire?
Resp. 75 nC
Capítulo 26
Resumen y repaso
26.2.
¿Cuánta carga puede acumularse en una esfera me­
tálica de 40 mm de radio si está sumergida en acei­
te de transformador cuya rigidez dieléctrica es de
16 MV/m?
26.3.
¿Cuál sería el radio de una esfera de metal en el aire
si ésta pudiera contener teóricamente una carga de
C?
Resp. 54.8 m
Un condensador de placas paralelas de 28 ¡xF está co­
nectado a una fuente de diferencia de potencial de
V. ¿Cuánta carga se almacenará en este condensador?
Una diferencia de potencial de 110 V se aplica a tra­
vés de las placas de un condensador de placas para­
lelas. Si la carga total en cada placa es de 1200 /U.C,
¿cuál es la capacitancia?
Resp. 10.9 /xF
Determine la capacitancia de un condensador de
placas paralelas si en cada placa se acumula una
carga de 1600 fxC cuando la diferencia de potencial
es de 80 V.
¿Qué diferencia de potencial se requiere para alma­
cenar una carga de 800 fxC en un condensador de 40
^F?
Resp. 20 V
Escriba una ecuación para el potencial en la superficie
de una esfera de radio r en función de la permitividad
del medio circundante. Demuestre que la capacitan­
cia de una esfera semejante está dada por C = er.
Un condensador esférico tiene un radio de 50 mm y
está rodeado por un medio cuya permitividad es de
3 = 10 C2/N • m2. ¿Cuánta carga se puede trans­
ferir a esta esfera con una diferencia de potencial de
400 V?
Resp. 4.71 X 10 C
26.16.
1
26.4.
1 2 0
26.5.
26.6.
26.7.
26.8.
4 7 7
*26.9.
“
11
“ 14
Sección 26.3 Cálculo de la capacitancia
Entre las placas de un condensador de 5 /xF hay una
separación de 0.3 mm de aire. ¿Cuál será la carga en
cada placa si hay una diferencia de potencial de 400
V? ¿Cuál es el área de cada placa?
26.11 . Las placas de un condensador están separadas 3 mm
y tienen un área de 0.04 m2. ¿Cuál es la capacitancia
si el dieléctrico es aire?
Resp. 118 pF
26.12. Las placas de un condensador tienen un área de 0.034
m y una separación de aire de 2 mm. La diferencia de
potencial entre las placas es de 200 V. ¿Cuál es la ca­
pacitancia y cuál es la intensidad del campo eléctrico
entre las placas? ¿Cuánta carga hay en cada placa?
26.13. Un condensador, cuyas placas tienen un área de
0.06 m y una separación de 4 mm entre ellas, tiene
una diferencia de potencial de 300 V cuando el die­
léctrico es el aire. ¿Cuál es la capacitancia con los
dieléctricos aire (K = 1) y mica (K = 5)?
26.10.
2
2
*26.17.
Sección 26.5 Condensadores en paralelo y en serie
Calcule la capacitancia equivalente de un condensa­
dor de 6 /xF y otro de 12 /xF conectados (a) en serie
y (b) en paralelo.
26.1 9. Determine la capacitancia efectiva de un condensa­
dor de 6 /xF y otro de 15 /xF conectados (a) en serie
y (b) en paralelo.
Resp. 4.29 /xF, 21.0 /xF
26.20. ¿Cuál es la capacitancia equivalente para condensa­
dores de 4, 7 y 12 /xF conectados (a) en serie y (b)
en paralelo?
26.21. Determine la capacitancia equivalente para conden­
sadores de 2, 6 y 8 ,aF conectados (a) en serie y (b)
en paralelo.
Resp. 1.26 /xF, 16 ¡xF
26.22. Dos condensadores de 20 y 60 /xF están conectados
en paralelo. Después la pareja se conecta en serie
con un condensador de 40 ¿uF. ¿Cuál es la capaci­
tancia equivalente?
*26.23. Si se establece una diferencia de potencial de 80 V
a través del grupo de condensadores del problema
26.22, ¿cuál será la carga en el condensador de 40
,u-F? ¿Cuál será la carga en el condensador de 20 /xF?
Resp. 2136 ¡jlC, 534 /xC
*26.24. Calcule la capacitancia equivalente de un circuito
en el cual un condensador de 6 ¡jl¥ está conectado en
serie con dos condensadores en paralelo cuyas ca­
pacitancias son 5 y 4 yuF.
*26.25. ¿Cuál es la capacitancia equivalente para el circuito
ilustrado en la figura 26-15?
Resp. 6.00 yu,F
26.18.
3 |xF
i r - 200V
Resp. 133 pF, 664 pF
26.14.
26.15.
¿Cuál es la intensidad del campo eléctrico para la
mica y el aire en el problema 26.13?
Determine la capacitancia de un condensador de
placas paralelas si el área de cada placa es de 0.08
m2, la separación entre las placas es de 4 mm y el
dieléctrico es (a) aire o (b) papel recubierto de parafina (K = 2)?
Resp. (a) 177 pF, (b) 354 pF
Las dos placas paralelas de un condensador tienen
una separación de 4.0 mm y el área de cada una de
ellas es de 0.03 m2. El dieléctrico es vidrio (K =
7.5) y el voltaje de las placas es de 800 V. ¿Cuál
es la carga en cada placa y cuál es la intensidad del
campo eléctrico entre las placas?
Se desea fabricar un condensador de placas parale­
las con capacitancia de 2.0 nF, utilizando mica (K
= 5) como dieléctrico, de modo que pueda sopor­
tar una diferencia de potencial máxima de 3000 V.
La rigidez dieléctrica de la mica es de 200 MV/m.
¿Cuál es el área mínima que pueden tener las placas
del condensador?
Resp. 6.78 X 10~4 m2
~
6 fj.F
Figura 26.15
*26.26.
¿Cuál es la carga en el condensador de 4 /xF de la
figura 26.15? ¿Cuál es el voltaje a través del con­
densador de 6 /xF?
Capítulo 26
Resumen y repaso
529
*26.27.
Un condensador de y otro de 3 /xF están conecta­
dos en serie con una batería de 24 V. ¿Cuáles son la
carga y el voltaje a través de cada condensador?
Resp. V = 16.0 V, Q = 48.0 /xC,
V6 = 8.00 V, Q = 48.0 ¡xC
Si los condensadores de y 3 /xF del problema 26.27
se vuelven a conectar en paralelo con una batería de
24 V, ¿cuáles serán la carga y el voltaje a través
de cada condensador?
Calcule la capacitancia equivalente para todo el
circuito mostrado en la figura 26.16. ¿Cuáles es la
carga total sobre la capacitancia equivalente?
Resp. 1.74 /xF, 20.9 ¡xF
6
3
6
*26.28.
*26.29.
*26.30.
¿Cuáles son la carga y el voltaje a través de cada
uno de los condensadores de la figura 26.16?
Sección 26.6 Energía de un condensador cargado
26.31.
6
26.32.
26.33.
3 |xF
*26.34.
¿Cuánta energía potencial se encuentra almacenada
en el campo eléctrico de un condensador de 200 ¡xF
cuando éste se carga con un voltaje de 2400 V?
Resp. 576 J
¿Cuál es la energía almacenada en un condensador
de 25 /xF cuando la carga en cada una de sus placas
es de 2400 /xC? ¿Cuál es el voltaje a través del con­
densador?
¿Cuánto trabajo se requiere para cargar un conden­
sador hasta una diferencia de potencial de 30 kV si
hay 800 /xC en cada placa?
Resp. 12.0 J
Las placas paralelas de un condensador tienen un
área de 4 cm y una separación de 2 mm. Un dieléc­
trico cuya constante es K = 4.3 se coloca entre las
placas y el condensador se conecta a una batería de
100 V. ¿Cuánta energía se almacena en el conden­
sador?
2
Figura 26.16
Problemas adicionales
26.35. ¿Cuál es el voltaje de ruptura de un condensador
con dieléctrico de vidrio (K = 7.5) si la separación
entre sus placas es de 4 mm? La rigidez dieléctrica
promedio es de 118 MV/m.
Resp. 472 kV
26.36. Un condensador tiene una diferencia de potencial de
240 V, placas con un área de 5 cm y una separación
entre ellas de 3 mm. ¿Cuáles son la capacitancia y
el campo eléctrico que existe entre las placas? ¿Cuál
es la carga en cada placa?
26.37. Suponga que el condensador del problema 26.36 se
desconecta de la batería de 240 V y luego se inser­
ta mica (K = 5) entre las placas. ¿Cuáles son los
nuevos valores de voltaje y campo eléctrico? Si se
vuelve a conectar la batería de 240 V, ¿cuál será la
carga sobre las placas?
Resp. 48.0 V, 1.60 X 10 V/m, 1.78 nC
26.38. Un condensador de ¡xF se carga con una batería
de 24 V y luego se desconecta. Cuando se inserta
un dieléctrico, el voltaje cae a V. ¿Cuál es la carga
total en el condensador después que la batería se ha
conectado de nuevo?
26.39. Un condensador está formado por 30 placas para­
lelas, cada una de 20 X 20 cm. Si entre cada placa
hay una separación de mm de aire seco, ¿cuál es
la capacitancia total?
Resp. 5.13 nF
2
*26.40
*26.41
Cuatro condensadores, A, B, C y D, tienen capaci­
tancias de 12, 16, 20 y 26 /xF, respectivamente. Los
condensadores A y B están conectados en paralelo.
Después, la combinación se conecta en serie con C
y D. ¿Cuál es la capacitancia efectiva?
Considere el circuito ilustrado en la figura 26.17. ¿Cuál
es la capacitancia equivalente del circuito? ¿Cuáles
son la carga y el voltaje a través del condensador de
¡xFl
Resp. 6.00 ¡xF, 18 ¡xC, 9.00 V
2
2 ixF
4
6
6
2
530
Capítulo 26
Resumen y repaso
*26.42
. Dos condensadores idénticos de 20 ¡xF, A y B, se
conectan en paralelo con una batería de 12 V. ¿Cuál
es la carga en cada condensador si se inserta una
lámina de porcelana (K = 6) entre las placas del
condensador B y la batería permanece conectada?
*2 6 .4 3 . Tres condensadores, A, B y C, tienen capacitancias
de 2, 4 y 6 ¡jlF, respectivamente. Calcule la capa­
citancia equivalente si los tres están conectados en
serie con una fuente de 800 V. ¿Cuáles son la carga
y el voltaje a través del condensador de 4 /xF?
Resp. 1.09 fiF, 873 /xC, 218 V
*2 6.4 4. Supongamos que los condensadores del proble­
ma 26.43 se conectan nuevamente en paralelo con
la fuente de 800 V. ¿Cuál es ahora la capacitancia
equivalente? ¿Cuáles son la carga y el voltaje a tra­
vés del condensador de 4 ,uF?
*2 6 .4 5 . Demuestre que la capacitancia total de un conden­
sador con placas múltiples que contenga N placas
separadas entre sí por aire está dada por:
Cn =
CN - l)e 0A
donde A es el área de cada placa y d es la separación
entre cada una de ellas.
*26.46. La densidad de energía u de un condensador se de­
fine como la energía potencial (EP) por unidad de
volumen (Ad) del espacio comprendido entre las
placas. Con esta definición y varias fórmulas de este
capítulo encuentre la siguiente relación para hallar
la densidad de energía ir.
w=
1
E-
donde E es la intensidad del campo eléctrico entre
las placas.
*26 .4 7 . Un condensador entre cuyas placas hay una sepa­
ración de 3.4 mm está conectado a una batería de
500 V. Aplique la relación obtenida en el problema
26.46 para calcular la densidad de energía entre las
placas.
Resp. 95.7 m J/m 3
Preguntas para la reflexión crítica
26.48. Cierto condensador tiene una capacitancia de 12 /xF
cuando sus placas tiene una separación de 0.3 mm de
espacio vacío. Una batería de 400 V carga las placas
y después se desconecta del condensador, (a) ¿Cuál
es la diferencia de potencial a través de las placas si
se inserta una lámina de baquelita (K = 7) entre las
placas? (b) ¿Cuál es la carga total en las placas? (c)
¿Cuál es la capacitancia con el dieléctrico inserta­
do? (d) ¿Cuál es la permitividad de la baquelita? (e)
¿Cuánta carga adicional puede acumularse en el con­
densador si la batería de 400 V se vuelve a conectar?
Resp. (a) 57.1 V, (b) 4800 ¡jlC, (c) 84.0 /xF,
(d) 6.20 X 10 11 C2/N m2, (e) 28.8 mC
*2 6.49. Un desfibrilador médico usa un condensador para rea­
nimar a las víctimas de ataques cardiacos. Suponga
que un condensador de 65 /xF de uno de esos apara­
tos se carga hasta 1500 V. ¿Cuál es la energía total
almacenada? Si 25% de esa energía pasa a través de
una víctima en 3 ms, ¿que potencia se descarga?
*2 6.50. Considere tres condensadores de 10, 20 y 30 ¿xF.
Muestre cómo podrían conectarse para producir la
máxima y la mínima capacitancia equivalente y escri­
ba una lista de esos valores. Trace en un diagrama la
conexión que daría como resultado una capacitancia
equivalente a 27.5 /xF. Presente una conexión capaz
de producir una capacitancia combinada de 22.0 ¿xF.
Resp. 60 /xF, 7.5 /xF
*26.51. Un condensador de aire de 4 /xF está conectado
a una fuente de diferencia de potencial de 500 V.
Después, el condensador se desconecta de la fuente
y se inserta una lámina de mica (K = 5) entre las
placas. ¿Cuál es el nuevo voltaje en el condensador?
Suponga que se vuelve a conectar la batería de 500
V y calcule la carga final en el condensador. ¿En
qué porcentaje se incrementa la energía total en el
condensador a causa del dieléctrico?
*26.52. Un condensador de 3 /xF y otro de 6 ¡iF están co­
nectados en serie a una batería de 12 V. ¿Cuál es la
energía total del sistema? ¿Cuál es la energía total si
la conexión se realiza en paralelo? ¿Cuál es la ener­
gía total para cada una de esas conexiones si se usa
mica (K = 5) como dieléctrico en cada uno de los
condensadores?
Resp. 0.144 mJ, 0.648 mJ,
0.720 mJ, 3.24 mJ
Capítulo 26
Resumen y repaso
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