Capacitores

Botella de Leyden

Pieter van Musschenbroek físico y científico holandés que nació en Leyden, Holanda el 14 de marzo de 1692 y murió en 1761. Durante el año de 1746 construye el primer capacitor práctico y lo llama, en honor a la Universidad y Ciudad de donde era oriundo, “Botella de Leyden”. El nombre de la “Botella de Leyden” quedó en la historia como uno de los grandes descubrimientos de la ciencia y consistía en una botella de vidrio con delgadas láminas metálicas que la cubrían por dentro y por fuera. Una varilla metálica atravesaba la tapa aislante haciendo contacto con la lámina interna. Entre las placas interna y externa se aplicaba una diferencia de potencial que hacía que la “Botella de Leyden” se cargara. Una vez cargada se la podía descargar acercando el conductor central a la placa externa, produciendo la perforación dieléctrica del aire mediante una chispa.

Lo que se busca al diseñar un capacitor, es que exista una gran superficie de enfrentamiento entre los dos cuerpos metálicos que ofician de placas. Pero ¿por qué Musschenbroek utilizo el vidrio para separar las placas metálicas? Porque observó que la capacidad era fuertemente dependiente del material utilizado para separar los cuerpos metálicos o placas y que llamó “dielectrico”.

Sabemos que un capacitor acumula energía eléctrica. Pero en donde esta acumulada esa energía eléctrica ¿en las placas o en el dieléctrico? Musschenbroek estaba seguro que era en las placas como parece indicar la lógica y para demostrarlo fabricó un capacitor desarmable con dos chapas cuadradas y un vidrio que podía retirase a voluntad para reemplazarlo por otro vidrio. Armó el capacitor lo cargó con varios KV, sacó el vidrio y coloco un vidrio virgen; probó si sacaba chispas y se sorprendió al ver que el capacitor estaba descargado. Volvió a colocar el primer vidrio y observó que el capacitor produjo chispas al unir las placas con un conductor.

Es decir que la energía estaba en el dieléctrico, lo cual explicaba que la capacidad dependiera del mismo. De sus estudios y experimentos dedujo que la energía no podía estar acumulada en las placas porque un metal no puede tener diferencias de potencial en su interior debido a la movilidad de los electrones. En cambio, en el dieléctrico, si los electrones son reubicados se quedan en esa misma posición por una infinita cantidad de tiempo si el dieléctrico es ideal (no tiene fugas). Se puede decir que en el dieléctrico existe un campo eléctrico con zonas donde hay un exceso de electrones a zonas donde hay una ausencia de electrones. Todo el dieléctrico es neutro pero sus diferentes zonas tienen lo que se llama un gradiente de potencial que va variando linealmente de una zona positiva a otra negativa.

Distribución del potencial dentro de un capacitor plano

La capacidad de un capacitor es directamente proporcional a la superficie enfrentada de las placas e inversamente proporcional a la separación o espesor del dieléctrico. La constante de proporcionalidad es un coeficiente que depende del dieléctrico utilizado y se llama constante dieléctrica. Cuando se requieren grandes capacidades se recurre a realizar dieléctricos de muy bajo espesor y placas de mucha superficie. Algo muy común es realizar placas y dieléctricos muy largos y luego enrollarlas sobre si misma. Otro modo es realizar mas de dos capas metálicas planas y unir todas las placas pares y todas las placas impares. Más adelante volveremos sobre la tecnología de los capacitores.

La capacidad de un capacitor se mide en Faradios (F), siendo 1 faradio la capacidad de un condensador al que, sometidas sus armaduras a una d.d.p. de 1V éste adquiere una carga eléctrica de 1 Culombio de electricidad.

Un capacitor de 1 faradio es mucho más grande que la mayoría de los capacitores utilizados en electrónica, por lo que en la práctica se suele indicar la capacidad en submúltiplos del F. Los supercondensadores son la excepción. Están hechos de carbón activado para conseguir una gran área relativa y tienen una separación molecular entre las “placas”. Así se consiguen capacidades del orden de cientos o miles de faradios. Uno de estos condensadores se incorpora en el reloj Kinetic de Seiko, con una capacidad de 1/3 de Faradio, haciendo innecesaria la pila. También se están utilizando en los prototipos de automóviles eléctricos.

El valor de la capacidad viene definido por la fórmula siguiente

Q = C . V

en donde:

• C: Capacidad

• Q: Carga eléctrica

• V: Diferencia de potencial o tensión aplicada

Ahora imagínese al capacitor como un recipiente de electrones cuando mas tensión V le aplica mas electrones entran en el mismo. Lo mismo ocurre cuando mas grande es el recipiente “C”.

Capacitores cerámicos

Los capacitores cerámicos sueles ser de dos tipos diferentes. Los cerámicos disco son los mas comunes y tienen una forma muy simple: se trata de un disco de material aislante cerámico de elevada constante dieléctrica metalizado en sus dos caras. Sobre el metalizado se sueldan los dos chicotes de conexión resultando un dispositivo como el mostrado en la figura 3 en donde se observa el capacitor si su baño final de pintura epoxi que tapa el disco y parte de los terminales.

Fig.3 Capacitor cerámico disco

Este tipo de capacitor se provee desde capacidades de 2,2 pF hasta .1 uF en tensiones relativamente bajas de 63V. Existen también capacitores cerámicos disco de mayor tensión para aplicaciones especiales que llegan a valores de 2 KV.

Este tipo de capacitor se utiliza en constantes de tiempo bajas del orden del uS o menores aun. La tolerancia mas común es del 5% y los de valores bajos hasta 100 pF no varían con la temperatura y se denominan NP0. Los valores mayores pueden tener coeficientes de variación con la temperatura positivos o negativos que algunas veces se utilizan para compensar el coeficiente del resistor y lograr una constante de tiempo fija que no varíe con la temperatura.

Por lo general estos capacitores están marcados con lo que se llama el método Japonés que consiste en utilizar un código de 3 cifras en donde las dos primeras cifras indican el valor absoluto del capacitor y la tercera indica la cantidad de ceros que se deben agregar a las dos primeras cifras, para obtener la capacidad en pF. Por ejemplo un capacitor marcado 223 es de 22.000 pF. Para que no existan confusiones con los capacitores de bajos valores cuando se utiliza este código se lo escribe subrayado (en nuestro ejemplo 223). Si un capacitor es de 220 con subrayado es de 22 pF y si no lo está es de 220pF. Observe que el mismo capacitor de 22 pF podría estar marcado 220 o 22.

Otra tecnología muy parecida es la de los capacitores Plate

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