Un condensador elèctric (també conegut freqüentment en Hispanoamèrica en l'anglicisme adaptat a la fonètica de l'espanyol capacitor) és un dispositiu electrònic passiu, format per un parell de superfícies conductores en situació d'influència total (açò és, que totes les llínees de camp elèctric que partixen d'una van a parar a l'atra) separats entre sí per un mig dielèctric o per buit, capaç d'almagasenar càrrega i per tant energia elèctrica.[1][2][3][4][5] Les plaques, someses a una diferència de potencial, adquirixen una determinada càrrega elèctrica, positiva en una d'elles i negativa en l'atra, sent nula la variació de càrrega total. Introduït en un circuit es comporta en la pràctica com un element «capaç» d'almagasenar l'energia elèctrica que rep durant el periodo de càrrega, la mateixa energia que cedix despuix durant el periodo de descàrrega. Ademés, és capaç d'almagasenar càrrega elèctrica després de carregat i desconectat del circuit, per lo que és apropiat ser cuidadós en manipular un, ya que podria haver quedat carregat des del seu us anterior, lo adequat és conectar sempre els seus extrems per mig d'un element conductor per uns segons abans de manipular un condensador. Les plaques i el material conductor que les conecten, inicialment es troben en una distribució donada de partícules carregades. Al moment d'aplicar una diferència de potencial (generat per una bateria, per eixemple), s'establix un camp elèctric, lo que provoca el moviment dels electrons a través del conductor. Una placa contindrà a les partícules carregades negativament, per lo que, tindrà una càrrega negativa. L'atra placa en tindre dèficit d'electrons, tindrà càrrega positiva. Les dos plaques tindran magnitut de càrrega iguals, pero de signe opost.[6]
En octubre de 1721 Ewald Georg von Kleist, de Pomerania (Alemània), va observar que la càrrega elèctrica podia ser almagasenada conectant per mig d'un cable un generador electrostàtic a un volum d'aigua en l'interior d'una gerra, flasco o botella de vidre. La mà de Von Kleist i l'aigua actuaven com a conductors, i el flasco com un dielèctric, açò és, aïllant (encara que els detalls del mecanisme varen ser incorrectament identificats en eixe moment). Von Kleist va ser sacsat en tocar l'aram per una poderosa purna, molt més dolorosa que la que s'obtenia d'un generador electrostàtic, per lo que va deduir correctament que la càrrega elèctrica s'almagasenava en eixe dispositiu. A l'any següent, el físic neerlandés Pieter van Musschenbroek va inventar un condensador similar que va ser cridat botella de Leyden (per l'Universitat de Leiden a on treballava). També ell va quedar impressionat per la força de la descàrrega que este aparat proporcionava, de manera que va aplegar a escriure que "no patiria una segona descàrrega per tot el regne de França".
Daniel Gralath va ser el primer en combinar vàries botelles de Leyden en paral formant una «bateria» per a incrementar la capacitat d'almagasenament de càrrega. Aixina mateix, Benjamin Franklin va investigar la botella de Leyden i va aplegar a la conclusió en 1749 de que la càrrega s'almagasenava no precisament en l'aigua, com uns atres havien assumit, sino en la vora del cristal. També va falcar el terme «bateria» (que indica l'aument de potència per mig d'una fila d'unitats similars, com en les bateries d'artilleria) que posteriorment es va aplicar a grups de cèles electroquímiques. Gràcies al descobriment de Franklin les botelles de Leyden posteriors es varen confeccionar recobrint l'interior i l'exterior dels flascos en un full de metal, deixant un espai en la boca per a evitar la formació d'arcs entre les làmines. La primera unitat de capacitat va ser el «tarro», equivalent a al voltant d'1,11 nanofaradios. Va escomençar a estudiar-se l'inductància o mida de l'oposició a un canvi de corrent d'un inductor que almagasena energia en presència d'un camp magnètic. Es varen usar botelles de Leyden o dispositius més potents (que ampraven plaques de vidre planes alternades en conductors de làmina metàlica) fins a més o menys 1900, quan l'invenció de la telegrafia sense fils va crear una nova demanda de condensadores (terme utilisat per primera volta per Alessandro Volta en 1782) tals com a làmines de material dielèctric (és dir, aïllant) flexible. Un condensador (generalment indicat en C) es constituïa generalment per un parell de conductors (o plaques) separades per un aïllant (dielèctric). La càrrega s'almagasenava en la superfície de les plaques de material conductor, en la vora en contacte en el dielèctric o aïllant. Des de l'inici de l'estudi de l'electricitat es varen utilisar per als condensadores materials no conductors com vidre, porcelana, paper i mica en funció d'aïllants o dielèctrics. En els primers anys de Guillermo Marconi es varen usar condensadores de porcelana per als aparats inalàmbrics de transmissió, mentres que per a la recepció es varen usar chicotets condensadores de mica en els circuits resonantes. Estos últim, els condensadores de mica, varen ser inventats en 1909 per William Dubilier. Abans de la Segona Guerra Mundial, la mica era el dielèctric per als condensadores més comú en Estats Units.
Charles Pollak (naixcut Karol Pollak) va ser l'inventor dels primers condensadores electrolítics. En 1896 se li va concedir la palesa d'Estats Units n.º 672.913 per a un "condensador líquit elèctric en electrodos d'alumini". Els Laboratoris Bell varen inventar en la década de 1950 els electrolitos sòlits condensadores de tantalio com condensadores de respal de baixa tensió, miniaturizados i més fiables, per a complementar la nova invenció del transistor. En el desenroll de materials plàstics pels químics orgànics durant la Segona Guerra Mundial, l'indústria va començar a reemplaçar el condensador de paper en películes de polímero primes. En la palesa britànica 587.953 de 1944 es descriu un desenroll molt primerenc de condensadores de película. Per últim, pero no per això menys important, està el condensador de doble capa elèctrica o supercondensador.[7]
En sometre a dos plaques conductores parals a una diferència de potencial (ΔV), s'establix un camp elèctric, com es va dir anteriorment. Gràcies a este camp elèctric, un condensador funciona com a tal, ya que manté les càrregues en signe opost separades i per això, que les plaques tinguen una mateixa magnitut de càrrega, en signe contrari. En el cas de les plaques parals, este camp és aproximadament uniforme.[6]
Com hem indicat un condensador està format per dos plaques o armadures conductores molt pròxims, separats per un dielèctric o el buit. Es diu capacitat (C) d'un condensador a la relació, normalment constant, que existix entre la cantitat de càrrega elèctrica que almagasena en una de les seues armadures en un moment determinat (Q) i la diferència de potencial d'esta, respecte de l'atra armadura (___*), por tanto:[8][9]
Nótese que en la definición de capacidad es indiferente que se considere la carga de la placa positiva o la de la negativa, ya que
Por tanto, un condensador con más capacidad almacenará más carga baix el misme potencial. Por atre lado, un condensador con una determinada capacidad almacenará más carga cuanto mayor sea el voltaje aplicado, siempre teniendo en cuenta que todo condensador tiene un voltaje de trabajo máximo por encima del cual se puede dañar.[8] Por tanto hay un máximo de carga almacenable.[8]
La capacitancia mide la capacidad d'un sistema per a almacenar carga por unidad de diferencia de potencial.[6]
Experimentalmente se ha determinado que al introducir un dieléctrico homogéneo de constante dieléctrica , entre les armaduras d'un condensador cargado y aislado, que se halla a un potencial V, la diferencia de potencial entre sus placas se hace 1/K veces menor, , en lo que la capacitat del condensador
L'efecte que produïx el dielèctric, és possible justificar-ho, si admetem que, encara que globalment el dielèctric és material neutre, en el seu interior o en la superfície del mateix, apareixen les càrregues de polarisació.[9] En el cas d'un dielèctric homogéneu, només hi ha càrregues de polarisació en les superfícies d'este.[9] Hi haurà càrrega positiva en la superfície del dielèctric adjacent a la placa del condensador carregada negativament i càrrega negativa en la superfície del dielèctrica adjacent a la placa del condensador carregada positivament.[9] Les càrregues de polarisació estan lligades al material dielèctric i no poden eixir del mateix, a diferència de les càrregues de les armadures del condensador, que apleguen i ixen des del circuit, per ser càrregues lliures.[9]
Per tant, el dielèctric permet almagasenar més energia ya que esta és necessària per a produir la polarisació del dielèctric, puix cal realisar un treball per a conseguir la polarisació de les molècules i modificar la seua orientació. Esta energia és tornada al circuit, quan es descarrega el condensador.[9]
Per a trobar l'energia almagasenada en un condensador, quan este es conecta a una pila de potencial V, cal determinar el treball que fa la pila per a carregar les plaques en càrregues ___* y . [9] El trabajo elemental de llevar una carga hasta la armadura que tiene potencial V es , por lo tanto el trabajo total que realiza la pila, igual a la energía que acumula el condensador, es la suma de todos els trabajos elementals, que se calcula per mig de integración[9]
Como por la definición de capacidad del condensador obtenim[9]
Esta energia pot ser extreta del condensador conectant-ho a un circuit, per a descarregar-ho a través del mateix.[9]
Este fet és aprofitat per a la fabricació de memòries, en les que s'aprofita la capacitat que apareix entre la porta i el canal dels transistorésMOS per a aforrar components.
En conectar un condensador en série en una resistència a una font de tensió elèctrica (o comunament, font d'alimentació), la corrent escomença a circular per abdós. El condensador va acumulant càrrega entre les seues plaques. Quan el condensador es troba totalment carregat, deixa de circular corrent pel circuit. Si es lleva la font i es coloca el condensador i la resistència en série, les càrregues escomencen a fluir d'una de les plaques del condensador a l'atra a través de la resistència, fins que la càrrega o energia almagasenada en el condensador és nula. En este cas, la corrent circularà en sentit contrari al que circulava mentres el condensador s'estava carregant.
Càrrega
___*
Descarga
A on:
V(t) és la tensió en el condensador.
Vi és la tensió o diferència de potencial elèctric inicial (t=0) entre les plaques del condensador.
Vf és la tensió o diferència de potencial elèctric final (a règim estacionario t ≥ 4RC) entre les plaques del condensador.
I(t) l'intensitat de corrent que circula pel circuit.
RC és la capacitat del condensador en faradis multiplicada per la resistència del circuit en ohms, cridada constant de temps.
En CA, un condensador ideal oferix una resistència al pas de l'electricitat que rep el nom de reactància capacitiva, XC, el valor del qual ve dau per l'inversa del producte de la pulsació (___*) por la capacidad, C:
Si la pulsación se expresa en radianes por segundo (rad/s) y la capacidad en faradios (F), la reactancia resultará en ohmios. d'acuerdo con la ley d'Ohm, la corriente alterna que circule por el condensador se adelantará 90° () respecte a la tensió aplicada.
Els condensadores poden associar-se en série, paral o de forma mixta. Per a això, en estos casos, és justament al contrari de les resistències; la capacitat equivalent resulta ser per a l'associació en série:
___*
y per a la asociación en paralo:
Es decir, el sumatorio de todas les capacidades dels condensadores conectados en paralo. Es fácil demostrar estas dos expresiones, per a la primera solo hay que tener en cuenta que la carga almacenada en les placas es la misma en ambos condensadores (se tiene que inducir la misma cantidad de carga entre les placas y por tanto cambia la diferencia de potencial per a mantener la capacitancia de cada uno), y por atre lado en la asociación en "paralo", se tiene que la diferencia de potencial entre ambas placas tiene que ser la misma (debido al modo en el que están conectados), así que cambiará la cantidad de carga. Como esta se encuentra en el numerador () la suma de capacitats serà simplement la suma algebraica. També val recordar que el càlcul de la capacitat equivalent en paral és similar al càlcul de la resistència de dos dispositius en série, i la capacitat o capacitancia en série es calcula de forma similar a la resistència en paral. D'igual manera, tant per a condensadores i resistores en paral, el potencial elèctric és el mateix, pero diferent en série. El valor de Q i I (corrent elèctrica) serà el mateix en condensadores i resistores en série, pero diferent en paral.[6]
Un condensador variable és en el qual es pot canviar el valor de la seua capacitat. En el cas d'un condensador pla, la capacitat pot expressar-se per la següent equació:
és la constant dielèctrica o permitividad relativa del material dielèctric entre les plaques;
A és l'àrea efectiva de les plaques;
i d és la distància entre les plaques o gruixa del dielèctric. Per a tindre condensador variable cal fer que per lo manco una de les tres últimes expressions canvien de valor. D'esta manera, es pot tindre un condensador en el que una de les plaques siga mòvil, per lo tant varia d i la capacitat dependrà d'eixe desplaçament, la qual cosa podria ser utilisat, per eixemple, com sensor de desplaçament. Un atre tipo de condensador variable es presenta en els diodos Varicap.
Un condensador real en CC es comporta pràcticament com un ideal, és dir, com un circuit obert. Açò és aixina en règim permanent ya que en règim transitori, açò és, en conectar o desconectar un circuit en condensador, succeïxen fenomens elèctrics transitoris que incidixen sobre la diferència de potencial en els seus borns (vore circuits serie RL i RC).
En conectar una CA sinusoidal v(t) a un condensador circularà una corrent i(t), també sinusoidal, que ho carregarà, originant en els seus borns una caiguda de tensió, -vc(t), que el seu valor absolut pot demostrar-se que és igual al de v(t). Tot lo anterior, una volta alcançat el règim estacionario. En dir que pel condensador «circula» una corrent, es deu puntualisar que, en realitat, dita corrent mai travessa la seua dielèctric. Lo que succeïx és que el condensador es carrega i descàrrega al ritme de la freqüència de v(t), per lo que la corrent circula externament entre les seues armadures. Açò fa referència a la corrent de conducció pero, en l'interior del dielèctric podem parlar de la corrent de desplaçament.
El fenomen físic del comportament del condensador en CA es pot observar en la figura 2. Entre els 0° i els 90° i(t) va disminuint des del seu valor màxim positiu a mida que aumenta la seua tensió de càrrega vc(t), aplegant a ser nula quan alcança el valor màxim negatiu als 90°, ya que la suma de tensions és zero (vc(t)+ v(t) = 0) en eixe moment. Entre els 90° i els 180° v(t) disminuïx, i el condensador comença a descarregar-se, disminuint per lo tant vc(t). En els 180° el condensador està completament descarregat, alcançant i(t) el seu valor màxim negatiu. Dels 180° als 360° el raonament és similar a l'anterior. De tot lo anterior es deduïx que la corrent queda alvançada 90° respecte de la tensió aplicada. Considerant, per lo tant, un condensador C, com el de la figura 1, al que s'aplica una tensió alterna de valor:
D'acort en la llei d'Ohm circularà una corrent alterna, alvançada 90° (___*) respecto a la tensión aplicada (figura 4), de valor:
a on . Si se representa el valor eficaz de la corriente obtenida en forma polar:
Por lo tanto, en els circuitos de CA, un condensador ideal se puede asimilar a una magnitud compleja sin parte real y parte imaginaria negativa:
En el condensador real, caldrà tindre en conte la resistència de pèrdues del seu dielèctric, RC, podent ser el seu circuit equivalent, o model, el que apareix en la figura 4a) o 4b) depenent del tipo de condensador i de la freqüència a la que es treballe, encara que per a anàlisis més precisos poden utilisar-se models més complexos que els anteriors.
Podem classificar els condensadores segons si tenen o no polarisació:[8]
Els condensadores polarisats es tenen que conectar al circuit conectat el terminal negatiu al pol negatiu i el terminal positiu al pol positiu. És dir, s'han de conectar sempre en polarisació directa i si no es trenquen. Per tant, estos condensadores no són vàlits en corrent alterna. Solen tindre una capacitat elevada, de més d'1 microfaradio. Per a distinguir un terminal d'un atre normalment el terminal negatiu ve pintada en una franja en el cos del condensador. Ademés, normalment el terminal negatiu és més curt que el positiu. Solen ser d'este tipo els condensadores en dielèctric electrolític o de tantalio.
Els condensadores no polarisats o unipolars poden conectar-se al circuit en abdós sentits indiferentemente. Per lo general solen tindre una capacitat prou menor que els condensadores polarisats. Típicament els condensadores ceràmics són d'este tipo.
Tipos de condensadores segons el material que està entre les plaques
La capacitat d'un condensador depén de la constant dielèctrica del material que està entre les plaques.[9] A la dreta es presenta taula que mostra la constant dielèctrica de distints materials usats per a l'elaboració de condensadores:[9][10]
Material intermig
Constant dielèctrica (K)
Buit
1
Heli
1.00007
Aire
1,00059
Teflón
2,1
Parafina
2.2-2.3
Àmbar
2.7-2.9
Poliestireno
2,56
Cera d'abelles
2.8-2.9
Plexiglás
3-3.6
Nylon
3,4
Paper
3,7
Baquelita
4-4.6
Seda natural
4-5
Plàstic vinílico
4.1
Mica moscovita
4.8-8
Vidre Pyrex
5,6
Porcelana electrotécnica
6.5
Alcohol
25.00
Aigua
80.08
Analisem alguns condensadores de distints tipos de materials
Condensadores d'aire. Es tracta de condensadores, normalment de plaques parals, en dielèctric d'aire i encapsulados en vidre. Com la permitividad elèctrica relativa és l'unitat, solament permet valors de capacitat molt chicotets. Es va utilisar en radi i radar, puix carixen de pèrdues i polarisació en el dielèctric, funcionant be a freqüències elevades.
Condensadores de mica. la mica posseïx vàries propietats que la fan adequada per a dielèctric de condensadores: baixes pèrdues, exfoliació en làmines fines, soporta altes temperatures i no es degrada per oxidació o en la humitat. Sobre una cara de la làmina de mica es deposita alumini, que forma una armadura. S'apilen vàries d'estes làmines, soldando els extrems alternativament a cada u dels terminals. Estos condensadores funcionen be en altes freqüències i soporten tensions elevades, pero són cars i es veuen gradualment substituïts per atres tipos.
Condensadores de paper. El dielèctric és paper parafinado, baquelizado o somés a algun atre tractament que reduïx el seu higroscopia i aumenta l'aïllament. S'apilen dos cintes de paper, una d'alumini, atres dos de paper i una atra d'alumini i es enrollan en espiral. Les cintes d'alumini constituïxen les dos armadures, que es conecten a sengles terminals. S'utilisen dos cintes de paper per a evitar els poros que poden presentar.
Condensadores autorregenerables. Els condensadores de paper tenen aplicacions en ambients industrials. Els condensadores autorregenerables són condensadores de paper, pero l'armadura es realisa depositant alumini sobre el paper. Davant una situació de sobrecàrrega que supere la rigidea dielèctrica del dielèctric, el paper es trenca en algun punt, produint-se un curtcircuit entre les armadures, pero este curt provoca una alta densitat de corrent per les armadures en la zona del trencament. Esta corrent fon la fina capa d'alumini que rodeja al curtcircuit, restablint l'aïllament entre les armadures.
Condensadores electrolítics. És un tipo de condensador que utilisa un electrolito, com la seua primera armadura, la qual actua com càtodo. En la tensió adequada, el electrolito deposita una capa aïllant (la qual és en general una capa molt fina d'òxit d'alumini) sobre la segona armadura o cuba (ànodo), conseguint aixina capacitats molt elevades. Són inadequats per a funcionar en corrent alterna. La polarisació inversa destruïx l'òxit, produint un curtcircuit entre el electrolito i la cuba, aumentant la temperatura, i per tant, ardix o esclata el condensador conseqüentment. Existixen varis tipos, segons la seua segona armadura i electrolito empleats.
Condensadores d'alumini. És el tipo normal. La cuba és d'alumini i el electrolito una dissolució d'àcit bórico. Funciona be a baixes freqüències, pero presenta pèrdues grans a freqüències miges i altes. S'ampra en fonts d'alimentació i equips d'àudio. Molt utilisat en fonts d'alimentació commutades.
Condensadores de tàntal (tàntal). És un atre condensador electrolític, pero ampra tàntal en lloc d'alumini. Conseguix corrents de pèrdues baixes, molt menors que en els condensadores d'alumini. Solen tindre millor relació capacitat/volum.
Condensadores bipolars (per a corrent alterna). Estan formats per dos condensadores electrolítics en série inversa, utilisats en cas que la corrent puga invertir-se. Són inservibles per a altes freqüències.
Condensadores de polièster o Mylar. Està format per làmines primes de polièster sobre les que es deposita alumini, que forma les armadures. S'apilen estes làmines i es conecten pels extrems. De la mateixa manera, també es troben condensadores de policarbonat i polipropileno.
Condensadores de poliestireno també coneguts comunament com Styroflex (marca registrada de Siemens). Un atre tipo de condensadores de plàstic, molt utilisat en radi, per dispondre de coeficient de temperatura invers a les bobines de sintonia, conseguint d'esta manera estabilitat en els circuits resonantes.
Condensadores ceràmics. Utilisa ceràmiques de varis tipos per a formar el dielèctric. Existixen diferents tipos formats per una sola làmina de dielèctric, pero també els hi ha formats per làmines apilades. Depenent del tipo, funcionen a distintes freqüències, aplegant fins a les microones.
Condensadores de carbó activat. En especial són interessants els supercondensadorés (EDLC). Estan fets de carbó activat per a conseguir una gran àrea relativa i tenen una separació molecular entre les «plaques». Aixina es conseguixen capacitats de l'orde de centenars o mils de faradis. Un d'estos condensadores s'incorpora en el rellonge Kinetic de Seiko, en una capacitat d'1/3 de faradi, fent innecessària la pila. També s'està utilisant en els prototips d'automòvils elèctrics.
Dielèctric variable. Este tipo de condensador té una armadura mòvil que gira entorn a un eix, permetent que s'introduïxca més o menys dins de l'atra. El perfil de l'armadura sol ser tal que la variació de capacitat és proporcional alogaritmo de l'àngul que gira l'eix.
Condensadores d'ajust. Són tipos especials de condensadores variables. Les armadures són semicirculares, podent girar una d'elles entorn al centre, variant aixina la capacitat. Un atre tipo es basa en acostar les armadures, per mig d'un tornell que les apreta.