Condensadores: características y aplicaciones
Cuando Lucas saca una foto de noche con el flash de su celular o de una cámara, la luz sale en un instante muy breve y muy intensa. La batería no puede entregar tanta energía de golpe. Entonces, ¿de dónde sale? Un componente guarda la energía poco a poco y la devuelve de una sola vez: el condensador. Al final de la página vas a poder explicar cómo lo hace.
Qué es un condensador
Un condensador es un dispositivo que almacena carga eléctrica y, con ella, energía. Está formado por dos placas conductoras (armaduras) separadas por un aislante llamado dieléctrico (aire, papel, plástico, cerámica).
Al conectarlo a una batería, la fuente empuja electrones hacia una placa y los saca de la otra. Una placa queda con carga $+Q$ y la otra con $-Q$. Entre ellas aparece una tensión $V$ igual a la de la batería. Cuando las dos tensiones se igualan, la carga se detiene: el condensador está cargado.
La capacidad $C$ mide cuánta carga almacena el condensador por cada volt de tensión:
Por qué es una proporción: si duplicás la tensión, empujás el doble de carga, así que $Q/V$ queda constante para cada condensador. Esa constante es su capacidad.
Explicá con tus palabras qué es un condensador, de qué partes básicas está formado y qué magnitud física mide su capacidad. Indicá además en qué unidad se expresa la…
Explicá con tus palabras qué es un condensador, de qué partes básicas está formado y qué magnitud física mide su capacidad. Indicá además en qué unidad se expresa la capacidad en el Sistema Internacional.
Un condensador de $5\ \mu\mathrm{F}$ se conecta a una batería de $12\ \mathrm{V}$ hasta cargarse por completo. Calculá la carga que almacena, usando la relación…
Un condensador de $5\ \mu\mathrm{F}$ se conecta a una batería de $12\ \mathrm{V}$ hasta cargarse por completo. Calculá la carga que almacena, usando la relación $Q = C\,V$, y expresá el resultado en coulomb.
De qué depende la capacidad
En un condensador de placas paralelas, con área $A$ y separación $d$:
Tiene sentido: placas más grandes ($A$ mayor) tienen lugar para más carga; placas más cercanas ($d$ menor) se atraen más, y la carga de una ayuda a mantener la de la otra. Por eso la capacidad es directamente proporcional a $A$ e inversamente proporcional a $d$.
Un condensador de placas paralelas tiene placas de área $A = 0{,}02\ \mathrm{m^2}$ separadas por una distancia $d = 1{,}0\ \mathrm{mm}$, con aire entre ellas. Calculá su…
Un condensador de placas paralelas tiene placas de área $A = 0{,}02\ \mathrm{m^2}$ separadas por una distancia $d = 1{,}0\ \mathrm{mm}$, con aire entre ellas. Calculá su capacidad con $C = \varepsilon_0\dfrac{A}{d}$, tomando $\varepsilon_0 = 8{,}85 \cdot 10^{-12}\ \mathrm{F/m}$. Luego explicá qué le pasa a la capacidad si se duplica la separación entre las placas.
Energía almacenada
Cargar un condensador cuesta trabajo: cada carga nueva debe vencer la repulsión de las que ya están. Ese trabajo queda almacenado como energía en el campo eléctrico entre las placas.
El factor $\tfrac{1}{2}$ aparece porque la tensión va creciendo de $0$ a $V$ durante la carga: en promedio se empuja con $V/2$, no con $V$.
Un condensador de $20\ \mu\mathrm{F}$ está cargado a una tensión de $10\ \mathrm{V}$. Calculá la energía que almacena mediante $U = \dfrac{1}{2} C V^2$ y expresala en…
Un condensador de $20\ \mu\mathrm{F}$ está cargado a una tensión de $10\ \mathrm{V}$. Calculá la energía que almacena mediante $U = \dfrac{1}{2} C V^2$ y expresala en joule.
Condensadores en serie y en paralelo
Los condensadores se pueden conectar de dos maneras. Fijate que las reglas son al revés que en las resistencias.
En serie
La misma carga $Q$ pasa por todos (lo que sale de una placa llega a la siguiente, que es un conductor aislado: no puede ganar ni perder carga neta). Las tensiones se suman: $V = V_1 + V_2 + \dots$
En paralelo
Todos tienen la misma tensión $V$ y las cargas se suman: es como tener una placa más grande.
Mónica conecta en serie dos condensadores de $6\ \mu\mathrm{F}$ y $3\ \mu\mathrm{F}$ a una fuente de $9\ \mathrm{V}$. Calculá la capacidad equivalente, la carga de cada…
Mónica conecta en serie dos condensadores de $6\ \mu\mathrm{F}$ y $3\ \mu\mathrm{F}$ a una fuente de $9\ \mathrm{V}$. Calculá la capacidad equivalente, la carga de cada condensador y la tensión en cada uno. Explicá por qué la carga es la misma en ambos.
Dos condensadores de $4\ \mu\mathrm{F}$ y $8\ \mu\mathrm{F}$ se conectan en paralelo a una fuente de $12\ \mathrm{V}$. Calculá la capacidad equivalente, la carga…
Dos condensadores de $4\ \mu\mathrm{F}$ y $8\ \mu\mathrm{F}$ se conectan en paralelo a una fuente de $12\ \mathrm{V}$. Calculá la capacidad equivalente, la carga almacenada en cada uno y la energía total almacenada en el conjunto.
Circuitos mixtos y conexión de condensadores cargados
Para un circuito mixto, reducí por tramos: primero los paralelos y los series más internos, hasta quedar con un solo condensador. Después volvé hacia atrás repartiendo carga y tensión.
Condensador cargado conectado a otro descargado
Si desconectás un condensador de la batería, su carga queda atrapada. Al unirlo en paralelo con otro, la carga total se conserva y se reparte hasta que ambos tienen la misma tensión:
$$V_f = \frac{Q_{total}}{C_1 + C_2}$$Un condensador de $10\ \mu\mathrm{F}$ se carga con una batería de $20\ \mathrm{V}$ y luego se desconecta de ella. Después, sin que pierda carga, se lo conecta en…
Un condensador de $10\ \mu\mathrm{F}$ se carga con una batería de $20\ \mathrm{V}$ y luego se desconecta de ella. Después, sin que pierda carga, se lo conecta en paralelo con otro condensador descargado de $30\ \mu\mathrm{F}$. Calculá la tensión final del conjunto y la carga de cada condensador. Compará la energía almacenada antes y después de la conexión, y explicá a qué se debe la diferencia.
Un circuito tiene un condensador $C_1 = 2\ \mu\mathrm{F}$ conectado en serie con un grupo formado por dos condensadores en paralelo, $C_2 = 3\ \mu\mathrm{F}$ y…
Un circuito tiene un condensador $C_1 = 2\ \mu\mathrm{F}$ conectado en serie con un grupo formado por dos condensadores en paralelo, $C_2 = 3\ \mu\mathrm{F}$ y $C_3 = 1\ \mu\mathrm{F}$. El conjunto se conecta a una fuente de $24\ \mathrm{V}$. Calculá la capacidad equivalente de todo el circuito, la carga total, la tensión en $C_1$ y en el grupo en paralelo, y la energía almacenada en $C_2$. Explicá el razonamiento que seguiste para reducir el circuito paso a paso.
Aplicaciones
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Flash de cámara o celular: un circuito carga el condensador en unos segundos y lo descarga en una fracción de milisegundo, con mucha potencia.
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Filtro de una fuente: alisa la tensión de los cargadores y las radios, almacenando carga cuando la tensión sube y devolviéndola cuando baja.
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Arranque de motores: el ventilador del techo o el aire acondicionado usan un condensador para dar el impulso inicial al motor.
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Sintonía de radios y pantallas táctiles: la capacidad cambia al variar $d$, $A$ o el medio, y eso se detecta.
Volvé al principio: el flash funciona porque el condensador acumula energía despacio con una corriente pequeña de la batería y la entrega de golpe, en un instante.