Capacitores y Dielectricos

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Electricidad y Magnetismo,
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Capacitores y Dielectricos

  1. 1. Electricidad y Magnetismo Oscar Alejandro García Benítez. Registro: 11310145  G-205  Centro de Enseñanza Técnico Industrial (CETI)
  2. 2. CAPACITORES (Definición) Se llama capacitor a un dispositivo que almacena carga eléctrica. El capacitor está formado por dos conductores próximos uno a otro, separados por un aislante, de tal modo que puedan estar cargados con el mismo valor, pero con signos contrarios.
  3. 3. Definición  En su forma más sencilla, un capacitor está formado por dos placas metálicas o armaduras paralelas, de la misma superficie y encaradas, separadas por una lámina no conductora o dieléctrico. Al conectar una de las placas a un generador, ésta se carga e induce una carga de signo opuesto en la otra placa.
  4. 4. Definición Por su parte, teniendo una de las placas cargada negativamente (Q-) y la otra positivamente (Q+) sus cargas son iguales y la carga neta del sistema es 0, sin embargo, se dice que el capacitor se encuentra cargado con una carga Q.
  5. 5. Primer Capacitor  El primer capacitor es la botella de Leyden, el cual es un capacitor simple en el que las dos placas conductoras son finos revestimientos metálicos dentro y fuera del cristal de la botella, que a su vez es el dieléctrico. La magnitud que caracteriza a un capacitor es su capacidad, cantidad de carga eléctrica que puede almacenar a una diferencia de potencial determinado.
  6. 6. Tipos de capacitores CAPACITORES FIJOSEstos capacitores tienen una capacidad fija determinada por elfabricante y su valor no se puede modificar. Sus característicasdependen principalmente del tipo de dieléctrico utilizado, de talforma que los nombres de los diversos tipos se correspondencon los nombres del dieléctrico usado. De esta forma podemos distinguir los siguientes tipos: Cerámicos. Plástico. Mica. Electrolíticos. De doble capa eléctrica
  7. 7. Tipo de Capacitores(Ceramica) El dieléctrico utilizado por estos capacitores es la cerámica, siendo el material más utilizado el dióxido de titanio. Este material confiere al condensador grandes inestabilidades por lo que en base al material se pueden diferenciar dos grupos: Grupo I: caracterizados por una alta estabilidad, con un coeficiente de temperatura bien definido y casi constante.
  8. 8. Tipos de Capacitores(Ceramica) Grupo II: su coeficiente de temperatura no está prácticamente definido y además de presentar características no lineales, su capacidad varía considerablemente con la temperatura, la tensión y el tiempo de funcionamiento. Se caracterizan por su elevada permitividad. Las altas constantes dieléctricas características de las cerámicas permiten amplias posibilidades de diseño mecánico y eléctrico.
  9. 9. Tipos de Capacitores(Plastico)  Estos capacitores se caracterizan por las altas resistencias de aislamiento y elevadas tempeeraturas de funcionamiento. Según el proceso de fabricación podemos diferenciar entre los de tipo k y tipo MK, que se distinguen por el material de sus armaduras (metal en el primer caso y metal vaporizado en el segundo).
  10. 10. Tipos de Capacitores(Plastico)  Según el dieléctrico usado se pueden distinguir estos tipos comerciales:  KS: styroflex, constituidos por láminas de metal y poliestireno como dieléctrico.  KP: formados por láminas de metal y dieléctrico de polipropileno.  MKP: dieléctrico de polipropileno y armaduras de metal vaporizado.  MKY: dieléctrco de polipropileno de gran calidad y láminas de metal vaporizado.  MKT: láminas de metal vaporizado y dieléctrico de teraftalato de polietileno (poliéster).  MKC: makrofol, metal vaporizado para las armaduras y policarbonato para el dieléctrico.
  11. 11. Tipo de Capacitores(Mica) El dieléctrico utilizado en este tipo de capacitores es la mica o silicato de aluminio y potasio y se caracterizan por bajas pérdidas, ancho rango de frecuencias y alta estabilidad con la temperatura y el tiempo.
  12. 12. Tipo de Capacitores(Doble Capa Eléctrica) Estos capacitores también se conocen como supe capacitores o CAEV debido a la gran capacidad que tienen por unidad de volumen. Se diferencian de los capacitores convencionales en que no usan dieléctrico por lo que son muy delgados. Las características eléctricas más significativas desde el punto de su aplicación como fuente acumulada de energía son: altos valores capacitivos para reducidos tamaños, corriente de fugas muy baja, alta resistencia serie, y pequeños valores de tensión.
  13. 13. Tipo deCapacitores(Electroliticos)  En estos capacitores una de las armaduras es de metal mientras que la otra está constituida por un conductor iónico o electrolito. Presentan unos altos valores capacitivos en relación al tamaño y en la mayoría de los casos aparecen polarizados.  Aluminio  Tántalo
  14. 14. Tipo de Capacitores(Variables) Estos capacitores presentan una capacidad que podemos variar entre ciertos límites. Igual que pasa con las resistencias podemos distinguir entre capacitores variables, su aplicación conlleva la variación con cierta frecuencia (por ejemplo sintonizadores); y capacitores ajustables o trimmers, que normalmente son ajustados una sola vez (aplicaciones de reparación y puesta a punto). La variación de la capacidad se lleva a cabo mediante el desplazamiento mecánico entre las placas enfrentadas. La relación con que varían su capacidad respecto al ángulo de rotación viene determinada por la forma constructiva de las placas enfrentadas, obedeciendo a distintas leyes de variación, entre las que destacan la lineal, logarítmica y cuadrática corregida.
  15. 15. Tipo de Capacitores(Placas Planas y Paralelas)
  16. 16. Tipo de Capacitores(Placas Planas y Paralelas)
  17. 17. Tipo de Capacitores(Cilindrico)
  18. 18. Tipo deCapacitores(Esferico)
  19. 19. Calculo de la Capacitancia
  20. 20. Calculo de la Capacitancia
  21. 21. Energía Almacenada en el Capacitor El capacitor almacena energía en el campo eléctrico que aparece entre las placas cuando se carga. La energía almacenada puede calcularse a través de las siguientes expresiones: Wc =(1/2)*q*V Wc=(1/2)*C*V q = Carga C = Capacidad V = Tensión Wc = Energía medida en Joule.
  22. 22. Capacitadores Serie Un capacitor puede ser armado acoplando otros en serie y/o en paralelo. De esta manera se obtiene una capacidad total equivalente para el conjunto de capacitores que se puede calcular mediante expresiones simples. También es posible conocer las caídas de potencial y la carga almacenada en cada capacitor. El acoplamiento de capacitores en serie se realiza conectando en una misma rama uno y otro capacitor, obteniendo una capacidad total entre el primer borne del primer capacitor y el último del último. Capacidad total en serie La capacidad total (o equivalente) en serie se calcula sumando las inversas de cada una de las capacidades y calculando la inversa del resultado.
  23. 23. Capacitores Serie La carga de cada uno de los capacitores de una rama en serie es igual a la de los demás y es igual a la carga equivalente acumulada en toda la rama (entre A y B) A su vez, cada carga puede ser calculada como q = C V de cada capacitor, con lo que: Y la carga total (qt) que es igual a la carga sobre cualquier capacitor se puede calcular sobre el capacitor equivalente como: 
  24. 24. Capacitores Paralelo  El acoplamiento en paralelo de los capacitores se realiza conectándolos a todos a los mismos dos bornes.  Capacidad total en paralelo  La capacidad total (o equivalente) en paralelo se calcula sumando las capacidades de cada uno de los capacitores. 
  25. 25. Capacitores Paralelo Carga de capacitores en paralelo La carga total es igual a suma de las cargas almacenadas en cada capacitor  Y cada carga puede calcularse como q = C V de cada capacitor, pero en este caso V es la misma para todos, con lo que:  De esta manera, al ser V la misma, puede verse que las cargas que almacena cada capacitor para una determinada tensión aplicada no son iguales si las capacidades son distintas.
  26. 26. Dieléctricos (Definición) Aunque el dieléctrico y el aislador generalment e se consideran sinónimo, el término dieléctrico es más de uso frecuente al considerar el efecto de alternar campos eléctricos en la sustancia mientras que el aislador es más de uso frecuente cuando el material se está utilizando para soportar un alto campo eléctrico.
  27. 27. Definición Un material dieléctrico esta  La función de un dieléctrico hecho de moléculas. sólido colocado entre las láminas Dieléctricos polares tienen un es triple: momento de dipolo. Dieléctricos NO polares, no son  Resuelve el problema mecánico naturalmente polares, pero al ser de mantener dos grandes sometidos a un campo eléctrico, láminas metálicas a distancia se vuelven polares. muy pequeña sin contacto Las moléculas del dieléctrico se alguno. alinean con el campo eléctrico aplicado, de tal forma que el  Consigue aumentar la diferencia campo “incluido” se opone al de potencial máxima que el campo externo. condensador es capaz de resistir Esto da lugar a una reducción del sin que salte una chispa entre las campo eléctrico resultante entre placas (ruptura dieléctrica). las placas. Esto da lugar a una disminución  La capacidad de un condensador del potencial. de dimensiones dadas es varias Si las placas se encuentran veces mayor con un dieléctrico conectadas a una batería, mas que separe sus láminas que si carga fluirá hacia las placas. estas estuviesen en el vacío.
  28. 28. Definición
  29. 29. Corriente Dieléctrica Los dieléctricos más utilizados son el aire, el papel y la goma. La introducción de un dieléctrico en un condensador aislado de una batería, tiene las siguientes consecuencias: Disminuye el campo eléctrico entre las placas del condensador. Disminuye la diferencia de potencial entre las placas del condensador, en una relación Vi/k. Aumenta la diferencia de potencial máxima que el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa entre las placas (ruptura dieléctrica). Aumento por tanto de la capacidad eléctrica del condensador en k veces. La carga no se ve afectada, ya que permanece la misma que ha sido cargada cuando el condensador estuvo sometido a un voltaje. Normalmente un dieléctrico se vuelve conductor cuando se sobrepasa el campo de ruptura del dieléctrico. Esta tensión máxima se denomina rigidez dieléctrica. Es decir, si aumentamos mucho el campo eléctrico que pasa por el dieléctrico convertiremos dicho material en un conductor.
  30. 30. Capacitadores con Dielectricos Capacitor con dieléctrico: Michael Faraday, en 1837, fue el primero en investigar el efecto de llenar el espacio entre las placas de un capacitor con un dieléctrico. Faraday construyó dos capacitores idénticos, llenando uno con un dieléctrico y el otro con aire en condiciones normales. Cuando ambos capacitores fueron cargados a la misma diferencia de potencial, los experimentos de Faraday demostraron que la carga en el capacitor con el dieléctrico era mayor que aquélla en el otro. Puesto que q es mayor para la misma V con el dieléctrico presente, se sigue de la relación C =q/V que la capacitancia de un capacitor aumenta si se coloca un dieléctrico entre las placas.(Suponemos, a menos que se indique lo contrario, que el dieléctrico llena completamente el espacio entre las placas.) El factor a dimensional por el cual crece la capacitancia, en relación con su valor Co cuando no hay un dieléctrico presente se llama constante dieléctrica Ke:

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