Funcionamiento y Propiedades de Capacitores: Almacenamiento de Energía Eléctrica

Capacitancia y Dieléctricos

Los capacitores son dispositivos electrónicos esenciales que almacenan energía potencial eléctrica y carga eléctrica. Su estructura básica consiste en dos conductores aislados entre sí.

Para almacenar energía en un capacitor, se transfiere carga de un conductor al otro, generando así una diferencia de potencial. Uno de los conductores adquiere carga negativa, mientras que el otro acumula una cantidad igual de carga positiva. Este proceso requiere realizar un trabajo para trasladar las cargas, el cual se almacena en forma de energía potencial eléctrica.

Capacitancia

Cualquier campo eléctrico entre conductores cargados constituye un medio propicio para almacenar energía eléctrica. La energía necesaria para cargar un capacitor, como se muestra en la figura, puede ser suministrada por una batería o acumulador. Al desconectar la batería, las placas del capacitor permanecen cargadas, permitiendo que esta energía almacenada se utilice posteriormente.

El incremento en la carga (Q) es directamente proporcional a la diferencia de potencial (V). La constante de proporcionalidad en esta relación se define como la capacitancia (C).

La capacitancia (C) de un capacitor se define como la relación entre la magnitud de la carga (Q) en cualquiera de los conductores y la magnitud de la diferencia de potencial (V) entre ellos:

C = Q / V

La unidad de medida de la capacitancia en el Sistema Internacional (SI) es el faradio (F). Un faradio se define como la capacitancia de un capacitor que almacena una carga de un culombio (C) cuando se aplica una diferencia de potencial de un voltio (V).

Dado que el faradio (F) es una unidad de medida relativamente grande, en la práctica es común utilizar submúltiplos como el microfaradio (µF).

Cuanto mayor sea la capacitancia de un capacitor, mayor será la magnitud de la carga (Q) que puede almacenar con una diferencia de potencial determinada. En consecuencia, una mayor capacitancia implica una mayor capacidad para almacenar energía. Por lo tanto, la capacitancia es una medida de la capacidad de un capacitor para almacenar energía.

Capacitor de Placas Paralelas

Consideremos un capacitor de placas paralelas. En este caso, el campo eléctrico (E) entre las placas se puede expresar como:

E = σ / ε₀

Donde σ es la densidad superficial de carga, que es igual a la carga total (Q) en cada placa dividida por el área (A) de la placa: σ = Q / A. Por lo tanto, la magnitud del campo eléctrico (E) se puede expresar como:

E = Q / (Aε₀)

El campo eléctrico en un capacitor de placas paralelas es uniforme. Si la distancia entre las placas es d, la diferencia de potencial (V) entre las dos placas es:

V = E * d = (Q / (Aε₀)) * d = Qd / (Aε₀)

La capacitancia (C) para un capacitor de placas paralelas con área (A) y separadas por una distancia (d) en el vacío se obtiene de la relación C = Q / V:

C = ε₀ * A / d

Donde:

• ε₀ = Permisividad del vacío = 8.85 x 10^-12 C²/Nm²
• A = Área de las placas
• d = Distancia entre las placas