Un condensador eléctrico (también conocido frecuentemente en Hispanoamérica con el anglicismo adaptado a la fonética del español capacitor) es un dispositivo electrónico pasivo, formado por un par de superficies conductoras en situación de influencia total (esto es, que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separados entre sí por un medio dieléctrico o por vacío, capaz de almacenar carga y por tanto energía eléctrica.Circuitos de corriente continua. Manuel Navarro Bernal. Universidad de Almería. 2012-2013Montaje de componentes y periféricos microinformáticos. IFCT0108, en Google libros Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.
Introducido en un circuito se comporta en la práctica como un elemento «capaz» de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el período de carga, la misma energía que cede después durante el período de descarga. Además, es capaz de almacenar carga eléctrica luego de cargado y desconectado del circuito, por lo que es apropiado ser cuidadoso al manipular uno, ya que podría haber quedado cargado desde su uso anterior, lo adecuado es conectar siempre sus extremos mediante un elemento conductor por unos segundos antes de manipular un condensador.
Las placas y el material conductor que las conectan, inicialmente se encuentran con una distribución dada de partículas cargadas. Al momento de aplicar una diferencia de potencial (generado por una batería, por ejemplo), se establece un campo eléctrico, lo que provoca el movimiento de los electrones a través del conductor. Una placa contendrá a las partículas cargadas negativamente, por lo que, tendrá una carga negativa. La otra placa al tener déficit de electrones, tendrá carga positiva. Las dos placas tendrán magnitud de carga iguales, pero de signo opuesto.
Historia 100px|miniatura|derecha|Botella de Leyden «desarmada», 1876 En octubre de 1721 Ewald Georg von Kleist, de Pomerania (Alemania), observó que la carga eléctrica podía ser almacenada conectando por medio de un cable un generador electrostático a un volumen de agua en el interior de una jarra, frasco o botella de vidrio. La mano de Von Kleist y el agua actuaban como conductores, y el frasco como un dieléctrico, esto es, aislante (aunque los detalles del mecanismo fueron incorrectamente identificados en ese momento). Von Kleist fue sacudido al tocar el alambre por una poderosa chispa, mucho más dolorosa que la que se obtenía de un generador electrostático, por lo que dedujo correctamente que la carga eléctrica se almacenaba en ese dispositivo.
Al año siguiente, el físico neerlandés Pieter van Musschenbroek inventó un condensador similar que fue llamado botella de Leyden (por la Universidad de Leiden donde trabajaba). También él quedó impresionado por la fuerza de la descarga que este aparato proporcionaba, de forma que llegó a escribir que "no padecería una segunda descarga por todo el reino de Francia".
Daniel Gralath fue el primero en combinar varias botellas de Leyden en paralelo formando una «batería» para incrementar la capacidad de almacenamiento de carga. Asimismo, Benjamin Franklin investigó la botella de Leyden y llegó a la conclusión en 1749 de que la carga se almacenaba no precisamente en el agua, como otros habían asumido, sino en el borde del cristal. También acuñó el término «batería» (que indica el aumento de potencia por medio de una fila de unidades similares, como en las baterías de artillería) que posteriormente se aplicó a grupos de células electroquímicas. Gracias al descubrimiento de Franklin las botellas de Leyden posteriores se confeccionaron recubriendo el interior y el exterior de los frascos con una hoja de metal, dejando un espacio en la boca para evitar la formación de arcos entre las láminas. La primera unidad de capacidad fue el «tarro», equivalente a alrededor de 1,11 nanofaradios. Empezó a estudiarse la inductancia o medida de la oposición a un cambio de corriente de un inductor que almacena energía en presencia de un campo magnético.
Se usaron botellas de Leyden o dispositivos más potentes (que empleaban placas de vidrio planas alternadas con conductores de lámina metálica) hasta más o menos 1900, cuando la invención de la telegrafía sin hilos creó una nueva demanda de condensadores (término utilizado por primera vez por Alessandro Volta en 1782) tales como láminas de material dieléctrico (es decir, aislante) flexible. Un condensador (generalmente indicado con C) se constituía generalmente por un par de conductores (o placas) separadas por un aislante (dieléctrico). La carga se almacenaba en la superficie de las placas de material conductor, en el borde en contacto con el dieléctrico o aislante.
Desde el inicio del estudio de la electricidad se utilizaron para los condensadores materiales no conductores como vidrio, porcelana, papel y mica en función de aislantes o dieléctricos. En los primeros años de Guillermo Marconi se usaron condensadores de porcelana para los aparatos inalámbricos de transmisión, mientras que para la recepción se usaron pequeños condensadores de mica en los circuitos resonantes. Estos último, los condensadores de mica, fueron inventados en 1909 por William Dubilier. Antes de la Segunda Guerra Mundial, la mica era el dieléctrico para los condensadores más común en Estados Unidos.
Charles Pollak (nacido Karol Pollak) fue el inventor de los primeros condensadores electrolíticos. En 1896 se le concedió la patente de Estados Unidos n.º 672.913 para un "condensador líquido eléctrico con electrodos de aluminio". Los Laboratorios Bell inventaron en la década de 1950 los electrolitos sólidos condensadores de tantalio como condensadores de apoyo de baja tensión, miniaturizados y más fiables, para complementar la nueva invención del transistor.
Con el desarrollo de materiales plásticos por los químicos orgánicos durante la Segunda Guerra Mundial, la industria comenzó a reemplazar el condensador de papel con películas de polímero delgadas. En la patente británica 587.953 de 1944 se describe un desarrollo muy temprano de condensadores de película. Por último, pero no por ello menos importante, está el condensador de doble capa eléctrica o supercondensador.
Campo eléctrico entre placas Al someter a dos placas conductoras paralelas a una diferencia de potencial (ΔV), se establece un campo eléctrico, como se dijo anteriormente. Gracias a este campo eléctrico, un condensador funciona como tal, ya que mantiene las cargas con signo opuesto separadas y por ende, que las placas tengan una misma magnitud de carga, con signo contrario. En el caso de las placas paralelas, este campo es aproximadamente uniforme.
Capacidad Como hemos indicado un condensador está formado por dos placas o armaduras conductoras muy próximos, separados por un dieléctrico o el vacío.
Se llama capacidad (C) de un condensador a la relación, normalmente constante, que existe entre la cantidad de carga eléctrica que almacena en una de sus armaduras en un momento determinado (Q) y la diferencia de potencial de ésta, respecto de la otra armadura (), por tanto:Arduino. Curso práctico de formación. Oscar Torrente Artero. RC Libros. 2013Condensadores y dieléctricos. Temas teóricos en heurema-fq.com. J.L. Hernández Pérez, R.D. Fernández Cruz. 2022 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 bajo el mismo potencial. Por otro 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. Por tanto hay un máximo de carga almacenable.
La capacitancia mide la capacidad de un sistema para almacenar carga por unidad de diferencia de potencial.
Experimentalmente se ha determinado que al introducir un dieléctrico homogéneo de constante dieléctrica , entre las armaduras de 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, , con lo que la capacidad del condensador
es ahora K veces mayor que sin dieléctrico.
El efecto que produce el dieléctrico, es posible justificarlo, si admitimos que, aunque globalmente el dieléctrico es material neutro, en su interior o en la superficie del mismo, aparecen las cargas de polarización. En el caso de un dieléctrico homogéneo, sólo hay cargas de polarización en las superficies de éste. Habrá carga positiva en la superficie del dieléctrico adyacente a la placa del condensador cargada negativamente y carga negativa en la superficie del dieléctrica adyacente a la placa del condensador cargada positivamente. Las cargas de polarización están ligadas al material dieléctrico y no pueden salir del mismo, a diferencia de las cargas de las armaduras del condensador, que llegan y salen desde el circuito, por ser cargas libres.
Por tanto, el dieléctrico permite almacenar más energía ya que esta es necesaria para producir la polarización del dieléctrico, pues hay que realizar un trabajo para conseguir la polarización de las moléculas y modificar su orientación. Esta energía es devuelta al circuito, cuando se descarga el condensador.
Energía almacenada en el condensador Para hallar la energía almacenada en un condensador, cuando éste se conecta a una pila de potencial V, hay que determinar el trabajo que hace la pila para cargar las placas con cargas y . 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 los trabajos elementales, que se calcula mediante integración
Como por la definición de capacidad del condensador obtenemos
Esta energía puede ser extraída del condensador conectándolo a un circuito, para descargarlo a través del mismo.
Este hecho es aprovechado para la fabricación de memorias, en las que se aprovecha la capacidad que aparece entre la puerta y el canal de los transistores MOS para ahorrar componentes.
Carga y descarga
miniatura|izquierda|Video explicativo sobre los condensadores Al conectar un condensador en serie con una resistencia a una fuente de tensión eléctrica (o comúnmente, fuente de alimentación), la corriente empieza a circular por ambos. El condensador va acumulando carga entre sus placas. Cuando el condensador se encuentra totalmente cargado, deja de circular corriente por el circuito. Si se quita la fuente y se coloca el condensador y la resistencia en serie, las cargas empiezan a fluir de una de las placas del condensador a la otra a través de la resistencia, hasta que la carga o energía almacenada en el condensador es nula. En este caso, la corriente circulará en sentido contrario al que circulaba mientras el condensador se estaba cargando. Carga
Descarga
Donde: V(t) es la tensión en el condensador. Vi es la tensión o diferencia de potencial eléctrico inicial (t=0) entre las placas del condensador. Vf es la tensión o diferencia de potencial eléctrico final (a régimen estacionario t ≥ 4RC) entre las placas del condensador. I(t) la intensidad de corriente que circula por el circuito. RC es la capacidad del condensador en faradios multiplicada por la resistencia del circuito en ohmios, llamada constante de tiempo.
Reactancia capacitiva En CA, un condensador ideal ofrece una resistencia al paso de la electricidad que recibe el nombre de reactancia capacitiva, XC, cuyo valor viene dado por la inversa del producto de la pulsación () 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.