5.1: Introducción

Un condensador consiste en dos placas metálicas separadas por un medio no conductor (conocido como el medio dieléctrico o simplemente el dieléctrico) o por un vacío. Está representado por el símbolo eléctrico

Capacitores de un tipo u otro están incluidos en casi cualquier dispositivo electrónico. Físicamente, existe una gran variedad de formas, tamaños y construcción, dependiendo de su aplicación particular. Este capítulo, sin embargo, no se ocupa principalmente de los condensadores reales, prácticos y cómo se hacen y para qué se utilizan, aunque una breve sección al final del capítulo discutirá esto. Además de sus usos prácticos en circuitos electrónicos, los capacitores son muy útiles para los profesores para torturar a los estudiantes durante los exámenes y, lo que es más importante, para ayudar a los estudiantes a comprender los conceptos y las relaciones entre los campos eléctricos\(\textbf{E} \text{ and }\textbf{D}\), la diferencia de potencial, la permitividad, la energía, y así sucesivamente. Los capacitores de este capítulo son, en su mayor parte, conceptos académicos imaginarios útiles en gran medida con fines pedagógicos. ¿Necesita que el técnico en electrónica o ingeniero electrónico dedique tiempo a estos capacitores académicos, aparentemente tan alejados de los dispositivos reales que se encuentran en los equipos electrónicos? La respuesta es segura y decididamente sí —más que nadie, el técnico o ingeniero práctico debe comprender a fondo los conceptos básicos de la electricidad antes incluso de comenzar con dispositivos electrónicos reales.

Si se mantiene una diferencia de potencial a través de las dos placas de un condensador (por ejemplo, conectando las placas a través de los polos de una batería) se\(Q\) almacenará una carga + en una placa y -\(Q\) en la otra. La relación de la carga almacenada en las placas a la diferencia de potencial a\(V\) través de ellas se llama la capacitancia\(C\) del condensador. Así:

\[Q=CV.\label{5.1.1}\]

Si, cuando la diferencia de potencial es de un voltio, la carga almacenada es de un culombo, la capacitancia es de un farado, F. Así, un farad es un culombo por voltio. Cabe mencionar aquí que, en términos prácticos, un farado es una unidad muy grande de capacitancia, y la mayoría de los capacitores tienen capacitancias del orden de los microfaradios,\(\mu\) F.

Las dimensiones de la capacitancia son\(\frac{Q}{\text{ML}^2\text{T}^{-2}\text{Q}^{-1}}=\text{M}^{-1}\text{L}^{-2}\text{T}^2\text{Q}^2\).

Se podría remarcar que, en libros más antiguos, un condensador se llamaba “condensador”, y su capacitancia se llamaba su “capacidad”. Así lo que ahora llamaríamos la “capacitancia de un condensador” se llamaba antiguamente la “capacidad de un condensador”.

En los condensadores altamente idealizados de este capítulo, se supone que las dimensiones lineales de las placas (longitud y anchura, o diámetro) son mucho mayores que la separación entre ellas. Esto de hecho casi siempre es el caso en los condensadores reales, también, aunque quizás no necesariamente por la misma razón. En los condensadores reales, la distancia entre las placas es pequeña para que la capacitancia sea lo más grande posible. En los condensadores imaginarios de este capítulo, quiero que la separación sea pequeña para que el campo eléctrico entre las placas sea uniforme. Así los condensadores que voy a estar discutiendo son en su mayoría como la Figura\(V.\) 1, donde he indicado, en azul, el campo eléctrico entre las placas:

No obstante, no siempre los voy a dibujar así, porque es bastante difícil ver lo que sucede dentro del condensador. Normalmente voy a exagerar mucho la escala en una dirección, para que mis dibujos se vean más así:

\(\text{FIGURE V.2}\)

Si la separación fuera realmente tan grande como esta, el campo no sería casi tan uniforme como se indica; las líneas del campo eléctrico se abultarían mucho hacia afuera cerca de los bordes de las placas.

En las siguientes secciones vamos a derivar fórmulas para las capacitancias de diversos capacitores de formas geométricas simples.