Definición del condensador de placas paralelas
El condensador de placas paralelas es un condensador que consta de dos placas conductoras paralelas, cada placa con un área de sección transversal igual (A) y dos placas separadas por una cierta distancia (d), como se muestra en la figura de la izquierda. Una de las placas conductoras está cargada positivamente (+Q) mientras que la otra placa conductora está cargada negativamente (-Q), donde la cantidad de carga eléctrica La carga en cada placa es igual. De esta manera, para que la carga no se desplace a las moléculas de aire, el condensador queda aislado del entorno y, entre las dos placas, existe un vacío.
La diferencia en los tipos de cargas eléctricas en ambas placas conductoras crea un campo eléctrico y una diferencia de potencial eléctrico entre ellas. La placa con carga positiva tiene un potencial eléctrico mayor, mientras que la placa con carga negativa tiene un potencial eléctrico menor. Como se explicó en el tema del potencial eléctrico, si existe una diferencia de potencial eléctrico entre las dos placas del condensador, existe energía potencial eléctrica en el condensador. La energía potencial eléctrica almacenada en los condensadores tiene múltiples aplicaciones.
Factores que afectan la capacitancia del condensador de placas paralelas
Inicialmente, el condensador no está cargado eléctricamente ni es eléctricamente neutro. Para cargarlo, se conecta a una fuente de voltaje, como una batería, mediante un cable. Una de las placas conductoras se conecta al polo positivo de la batería, mientras que la otra se conecta al polo negativo.
Recuerda que las cargas iguales se repelen, mientras que las cargas opuestas se atraen. Los electrones tienen carga negativa y se mueven con facilidad porque se encuentran en la superficie del átomo, mientras que los protones tienen carga positiva y no se mueven porque se encuentran en el núcleo atómico. Si una placa conductora tiene más protones que electrones, está cargada positivamente; por el contrario, si hay más electrones que protones, está cargada negativamente.
Una vez conectado el condensador a la batería, el polo positivo de esta se carga positivamente, atrayendo así los electrones de la placa conductora. Por otro lado, el polo negativo se carga negativamente, repeliendo los electrones hacia la placa conductora. El desplazamiento eléctrico entre la batería y la placa conductora provoca que esta última pierda electrones, cargándose positivamente, y que reciba electrones, cargándose negativamente. El movimiento de electrones se detiene cuando la diferencia de potencial eléctrico entre las dos placas conductoras se iguala a la diferencia de potencial eléctrico entre los polos de la batería.
Función del condensador para almacenar tla carga eléctrica y la energía potencial eléctricaLa capacidad de un condensador para almacenar carga eléctrica y energía potencial eléctrica se denomina capacitancia. Cuanto mayor sea la cantidad de electricidad almacenada, mayor será la energía potencial eléctrica almacenada y, por lo tanto, mayor será la capacitancia del condensador. ¿Qué factores influyen en la capacitancia de un condensador de placas paralelas?
El área superficial de la placa conductora
El condensador de placas paralelas almacena la carga eléctrica en la placa conductora. Si la superficie de la placa es pequeña, se almacena poca carga eléctrica; si es grande, se almacena mucha. Cuanta más carga eléctrica se almacene en la placa conductora, mayor será la energía potencial eléctrica del condensador. Por lo tanto, cuanto mayor sea la energía potencial eléctrica del condensador, mayor será su capacitancia. En consecuencia, se puede concluir que la capacitancia del condensador (C) es proporcional a la superficie de la placa conductora (A).
La distancia entre las dos placas conductoras
La transferencia de electrones se detiene cuando la diferencia de potencial entre las dos placas conductoras es igual a la diferencia de potencial entre los dos polos de la batería. ¿Cómo se incrementa la carga eléctrica en ambas placas conductoras? Una forma es reducir la distancia entre los conductores (minimizando d). Al acercar los conductores, la cantidad de carga eléctrica permanece constante, de modo que el campo eléctrico generado por dicha carga se mantiene fijo. Según la ecuación V = E d, cuando el campo eléctrico (E) es constante, la diferencia de potencial eléctrico (V) disminuye si la distancia entre las dos placas conductoras disminuye (d).
La diferencia de potencial entre las dos placas conductoras se reduce hasta ser menor que la diferencia de potencial entre los dos polos de la batería. Esto provoca el desplazamiento de electrones hasta que la carga eléctrica de cada placa conductora aumenta. La transferencia de electrones se detiene cuando la diferencia de potencial entre las dos placas se iguala a la diferencia de potencial entre los dos polos de la batería.
Cuando se reduce la distancia entre las placas conductoras, la carga eléctrica en cada placa aumenta, por lo que la energía potencial eléctrica del condensador también aumenta. Si la energía potencial eléctrica del condensador aumenta, la capacitancia del condensador también aumenta. Si se reduce la distancia, la carga aumenta, por lo que la capacitancia aumenta; cuando se aumenta la distancia, la carga disminuye, por lo que la capacitancia disminuye. Se puede concluir que la capacitancia del condensador (C) es inversamente proporcional a la distancia entre las dos placas conductoras (d).
La ecuación de la capacitancia del condensador de placas paralelas
Anteriormente, se explicaron los factores que afectan la capacitancia de los condensadores de placas paralelas. El valor de la capacitancia se puede conocer claramente mediante cálculos utilizando la ecuación. En un tema sobre la determinación del campo eléctrico utilizando la ley de Gauss, la fórmula para calcular el campo eléctrico cerca de la placa conductora cargada eléctricamente es E = σ / εo, donde σ = Q / A de modo que la ecuación del campo eléctrico cambia a E = Q/A: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoLa ecuación del potencial eléctrico es V = E d, donde E = Q / A εo de modo que la ecuación cambia a V = Q d / A εoLa ecuación de capacitancia es C = Q/V, donde V = Q d / A εo de modo que la ecuación de capacitancia cambia a C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / d.
Basándonos en la ecuación de capacitancia C = A εo / d se puede concluir que la capacitancia (C) es proporcional al área de la superficie (A) e inversamente proporcional a la distancia (d) entre las dos placas conductoras.
E = campo eléctrico, σ = densidad de carga, εo = permitividad del vacío = 8.85 x 10-12 F/m, Q = carga eléctrica, A = área de la superficie de la placa conductora, V = diferencia de potencial eléctrico.
