Capacitores y circuitos RC

Capacitores

Un capacitor es un dispositivo capaz de almacenar carga eléctrica y energía en un campo eléctrico. Está formado, idealmente, por dos conductores separados por un material aislante llamado dieléctrico.

La magnitud que caracteriza a un capacitor es su capacitancia:

Donde:

De esta relación:

Cuanto mayor sea la capacitancia, mayor será la carga que puede almacenar el capacitor para una misma diferencia de potencial.

Capacitor de placas paralelas

Para dos placas de área , separadas una distancia :

Donde es la permitividad del material entre las placas.

En el vacío:

Por lo tanto, la capacitancia aumenta al aumentar el área de las placas y disminuye al aumentar su separación.

Energía almacenada

Un capacitor cargado almacena energía potencial eléctrica:

También puede escribirse como:

O bien:

La energía se mide en joule (J).

Asociación de capacitores

Capacitores en paralelo

Todos los capacitores tienen la misma diferencia de potencial:

La capacitancia equivalente es:

Capacitores en serie

Todos los capacitores almacenan la misma magnitud de carga:

La capacitancia equivalente cumple:

Circuitos RC

Un circuito RC está formado por un resistor de resistencia y un capacitor de capacitancia .

Al conectar el capacitor a una fuente de tensión continua, este no se carga instantáneamente. La resistencia limita la corriente y la carga aumenta progresivamente.

Constante de tiempo

La rapidez del proceso está determinada por la constante de tiempo:

Donde:

Después de un tiempo , el capacitor alcanza aproximadamente el 63 % de su carga final.

Después de aproximadamente:

Se considera prácticamente completamente cargado o descargado.

Carga de un capacitor

Para una fuente de tensión constante , suponiendo que el capacitor está inicialmente descargado, la carga evoluciona según:

La tensión sobre el capacitor es:

La corriente disminuye con el tiempo:

Inicialmente:

Y para tiempos muy grandes:

Por lo tanto, una vez cargado, un capacitor ideal se comporta como un circuito abierto frente a corriente continua.

Descarga de un capacitor

Si un capacitor inicialmente cargado a una tensión se conecta a una resistencia:

La carga disminuye como:

Y la magnitud de la corriente es:

Después de una constante de tiempo:

Es decir, queda aproximadamente el 37 % de la tensión inicial.

Valores útiles

Tiempo Carga durante la carga Carga durante la descarga
63 % 37 %
86 % 14 %
95 % 5 %
98 % 2 %
>99 % <1 %

La idea central de los circuitos RC es que el capacitor introduce una escala de tiempo : la tensión y la carga del capacitor no pueden cambiar instantáneamente, sino que evolucionan de manera exponencial.