Material de almacenamiento de energía eléctrica en condensadores
Un condensador está compuesto por dos placas conductoras y entre ellas hay un dieléctrico . Inicialmente, ambos conductores no tienen carga eléctrica. Para que el condensador funcione, cada placa conductora debe tener carga eléctrica, con la misma magnitud pero de diferente tipo. Por ejemplo, un conductor tiene una carga de Q = +10 Coulomb y el otro, una carga de Q = -10 Coulomb. La presencia de cargas eléctricas de igual magnitud pero de tipo opuesto en ambos conductores crea un campo eléctrico entre las placas, cuya dirección va desde la carga positiva hacia la negativa. Además, se genera una diferencia de potencial eléctrico entre los dos conductores: el conductor con carga positiva tiene un potencial mayor, mientras que el conductor con carga negativa tiene un potencial menor.
Para cargar ambos conductores, se conectan a una fuente de alimentación, como una batería u otra fuente de energía. Inicialmente, ambos conductores son neutros, con la misma cantidad de electrones con carga negativa y protones con carga positiva. Posteriormente, los electrones se transfieren de un conductor al otro, lo que provoca que el conductor que pierde electrones se cargue positivamente y el conductor que los gana se cargue negativamente. La cantidad de electrones transferidos es igual a la cantidad de electrones recibidos, lo que resulta en que cada conductor tenga la misma carga eléctrica. Cabe destacar que cuando un condensador se conecta a una batería, esta actúa como conductor, transfiriendo electrones de un conductor al otro.
Un conductor está conectado al polo negativo y el otro al polo positivo. La presencia de una diferencia de potencial eléctrico (V) entre los terminales de la batería provoca la transferencia de electrones (q) de un conductor al otro. Esta transferencia cesa cuando la diferencia de potencial entre ambos conductores se iguala a la de la batería. Inicialmente, cuando los conductores no tienen carga eléctrica, no se requiere trabajo para mover los electrones. Una vez que cada conductor tiene carga eléctrica, se requiere trabajo para moverlos. Cuanto mayor sea la carga eléctrica en cada conductor, mayor será el trabajo necesario para mover los electrones debido a la fuerza de repulsión entre ellos.
La transferencia de electrones de un conductor a otro no ocurre simultáneamente, sino gradualmente, de modo que el voltaje eléctrico entre los dos conductores también aumenta gradualmente. Por lo tanto, para calcular el trabajo total (W) durante la transferencia de electrones, se utiliza el valor promedio del voltaje (V/2). Así, el trabajo realizado para mover electrones es W = Q (V/2) = 1/2 Q V. Debido a que el trabajo para mover electrones se convierte en energía potencial eléctrica almacenada en el capacitor, la energía potencial eléctrica almacenada en el capacitor es EP = 1/2 Q V. Como Q = CV, la fórmula EP = 1/2 QV se puede cambiar a EP = 1/2 QV = 1/2 (CV)(V) = 1/2 CV 2 y EP = 1/2 QV = 1/2 (Q)(Q/C) = 1/2 Q 2 /C. Información: Q = carga eléctrica, C = capacitancia, V = voltaje eléctrico.
Energía eléctrica en un campo eléctrico
Durante el proceso de carga, cuando cada conductor comienza a cargarse, se crea un campo eléctrico entre las dos placas conductoras. Por lo tanto, el trabajo realizado no solo provoca que el conductor se cargue eléctricamente, sino que también crea indirectamente un campo eléctrico entre las dos placas conductoras. Dado que el trabajo se convierte en energía potencial eléctrica almacenada en el condensador, se puede considerar que la energía se almacena dentro del campo eléctrico.
La siguiente fórmula se deriva para demostrar matemáticamente la relación entre la energía potencial eléctrica y los campos eléctricos.
En el artículo titulado condensadores de placas paralelas, se ha derivado la fórmula C = A ε o /s y en el artículo titulado potencial eléctrico, se ha enunciado la fórmula V = E s. Anteriormente, se ha derivado la fórmula para la energía potencial eléctrica almacenada en un condensador, a saber, EP = 1/2 CV 2.
Descripción de la fórmula: EP = energía potencial eléctrica, A = área de superficie, s = distancia, A s = volumen, E = campo eléctrico, EP/A s = energía potencial eléctrica por unidad de volumen = densidad de energía.
La fórmula anterior establece que la energía potencial eléctrica por unidad de volumen en un campo eléctrico es proporcional al cuadrado del campo eléctrico. Si existe un dieléctrico entre las dos placas o láminas conductoras, entonces ε₀ ( la permitividad del vacío) se reemplaza por la permitividad del material (ε). Si bien esta ecuación de densidad de energía se deriva utilizando la ecuación del condensador de placas paralelas, también es aplicable a todos los espacios que poseen un campo eléctrico.
