Definición de la capacitancia de los capacitores
Un vaso pequeño puede contener poca agua, mientras que un vaso grande puede contener más. Cuanto mayor sea el volumen del vaso, más agua podrá contener. Por lo tanto, cada vaso tiene una capacidad determinada para contener agua. Al igual que el vidrio, los condensadores también pueden almacenar cargas eléctricas y energía potencial eléctrica. La capacidad de un condensador para almacenar carga eléctrica y energía potencial eléctrica se denomina capacitancia.
Factores que afectan la capacitancia
La capacidad de un vaso para contener agua está determinada por su volumen. ¿Y qué ocurre con los condensadores? ¿Qué determina su capacidad para almacenar carga eléctrica?
La figura lateral muestra un condensador simple compuesto por dos placas conductoras separadas por una cierta distancia. Antes de conectarlo a una fuente de voltaje, como una batería, las dos placas no están cargadas eléctricamente. Luego, una de las placas se conecta al polo positivo de la batería y la otra al polo negativo mediante un cable.
Tras conectarse al polo positivo de la batería, la carga positiva de esta atrae los electrones con carga negativa de la placa, provocando que estos se desplacen hacia el polo positivo. Esto hace que las placas carezcan de electrones (carga negativa) y tengan un exceso de protones (carga positiva), adquiriendo así una carga positiva.
Tras conectarse al polo negativo de la batería, la carga positiva de la placa atrae a los electrones con carga negativa del polo negativo, provocando que estos se desplacen hacia la placa. Esto sobrecarga la placa, cargándola negativamente. El proceso de transferencia de electrones entre placas y baterías se detiene cuando la diferencia de potencial entre ambas placas se iguala a la diferencia de potencial entre los polos de la batería.
¿Cómo se incrementa la carga eléctrica en ambas placas conductoras? En otras palabras, ¿qué se debe hacer para transferir electrones desde y hacia el polo positivo de la batería? El desplazamiento de electrones ocurre solo cuando la diferencia de potencial eléctrico entre los dos polos de la batería es mayor que la diferencia de potencial eléctrico entre los dos conductores. Para que el electrón se mueva nuevamente y aumente la carga eléctrica en cada placa conductora, se reemplaza la batería por otra fuente de voltaje con una diferencia de potencial eléctrico mayor. El desplazamiento de electrones se detiene cuando la diferencia de potencial en la fuente de voltaje es igual a la diferencia de potencial del condensador. Por lo tanto, si la diferencia de potencial en la fuente de voltaje es mayor, la diferencia de potencial del condensador también lo es.
Según lo expuesto anteriormente, se puede concluir que cuanto mayor sea la carga eléctrica almacenada en cada placa conductora, mayor será la diferencia de potencial eléctrico entre ambas. Por lo tanto, la carga eléctrica (Q) es proporcional a la diferencia de potencial eléctrico (V). La relación entre una carga eléctrica y una diferencia de potencial eléctrico se muestra en la siguiente comparación:
Q α V
Las comparaciones anteriores se convierten en ecuaciones añadiendo la constante C:
Q = CV o C = Q / V
Q = carga eléctrica (culombios), V = diferencia de potencial eléctrico o voltaje (voltios), C = constante que se denomina capacitancia del capacitor.
El valor de la capacitancia no depende de la carga eléctrica ni del voltaje, sino de la forma y el tamaño de la placa conductora. La demostración matemática de que la capacitancia depende de la forma y el tamaño de la placa conductora se explica en el tema del condensador de placas paralelas. En dicho tema, se supone que existe vacío entre los dos conductores.
La capacitancia de un capacitor también depende de la naturaleza del material que se encuentra entre las dos placas conductoras. Este material se denomina dieléctrico. La capacitancia de los capacitores con dieléctricos se analiza en detalle en el tema de las constantes dieléctricas.
Unidad de capacitancia
La unidad de carga eléctrica es el culombio y la de diferencia de potencial eléctrico es el voltio, según la ecuación de capacitancia anterior. La unidad de capacitancia es el culombio por voltio (C/V), también llamado faradio (F), nombre que proviene del científico británico Michael Faraday (1791-1867). Por lo tanto, 1 faradio = 1 culombio/voltio.
Supongamos que un condensador con un valor de 2 Faradios almacena una carga eléctrica de +2 culombios en una de sus placas conductoras y de -2 culombios en la otra. La diferencia de potencial entre ambas placas es de 1 voltio. Si se conecta una batería de 12 voltios al condensador, la carga eléctrica de una de las placas es Q = CV = (2) (12 voltios) = +24 culombios, mientras que la de la otra es de -24 culombios.
Tenga en cuenta que el faradio es una unidad de capacitancia muy grande, por lo que generalmente se utiliza como unidad más pequeña, concretamente el microfaradio (abreviado μF, 10⁻⁶ Faradios ) o el picofaradio (abreviado pF, 10⁻¹² Faradios ). Los cálculos matemáticos que demuestran que el faradio es una unidad gigante se analizan en el tema del condensador de placas paralelas.
