La mayor parte de los condensadores llevan entre sus láminas
una sustancia no conductora o dieléctrica. Un condensador
típico está formado por láminas metálicas enrolladas, separadas
por papel impregnado en cera. El condensador resultante se
envuelve en una funda de plástico. Su capacidad es de algunos
microfaradios.
La botella de Leyden es el condensador más primitivo, consiste
en una hoja metálica pegada en las superficies interior y
exterior de una botella de vidrio.
Los condensadores electrolíticos utilizan como dieléctrico
una capa delgada de óxido no conductor entre una lámina metálica
y una disolución conductora. Los condensadores electrolíticos
de dimensiones relativamente pequeñas pueden tener una capacidad
de 100 a 1000 mF.
La función de un dieléctrico sólido colocado entre las láminas
es triple:
- Resuelve el problema mecánico de mantener dos grandes
láminas metálicas a distancia muy pequeña sin contacto alguno.
- Consigue aumentar la diferencia de potencial máxima que
el condensador es capaz de resistir sin que salte una chispa
entre las placas (ruptura dieléctrica).
- La capacidad de un condensador de dimensiones dadas es
varias veces mayor con un dieléctrico que separe sus láminas
que si estas estuviesen en el vacío.
Sea un condensador plano-paralelo cuyas láminas hemos cargado
con cargas +Q y Q, iguales y opuestas.
Si entre las placas se ha hecho el vacío y se mide una diferencia
de potencial V0, su capacidad y la energía
que acumula serán
Si introducimos un dieléctrico se observa que la diferencia
de potencial disminuye hasta un valor V. La capacidad
del condensador con dieléctrico será
donde k se denomina constante dieléctrica
La energía del condensador con dieléctrico es
la energía de un condensador con dieléctrico disminuye respecto
de la del mismo condensador vacío.
Dieléctrico |
Constante dieléctrica |
Ámbar |
2.7-2.9 |
Agua |
80.08 |
Aire |
1.00059 |
Alcohol |
25.00 |
Baquelita |
4-4.6 |
Cera de abejas |
2.8-2.9 |
Glicerina |
56.2 |
Helio |
1.00007 |
Mica moscovita |
4.8-8 |
Parafina |
2.2-2.3 |
Plástico vinílico |
4.1 |
Plexiglás |
3-3.6 |
Porcelana electrotécnica |
6.5 |
Seda natural |
4-5 |
Fuente: Manual de física elemental, Koshkin N. I,
Shirkévich M. G., Edt. Mir, págs 124-125
La disminución de la diferencia de potencial que experimenta
el condensador cuando se introduce el dieléctrico puede explicarse
cualitativamente del siguiente modo.
Las moléculas de un dieléctrico pueden clasificarse en polares
y no polares. Las moléculas como H2, N2,
O2, etc. son no polares. Las moléculas son simétricas
y el centro de distribución de las cargas positivas coincide
con el de las negativas. Por el contrario, las moléculas N2O
y H2O no son simétricas y los centros de distribución
de carga no coinciden.
Bajo la influencia de un campo eléctrico, las cargas de una
molécula no polar llegan a desplazarse como se indica en la
figura, las cargas positivas experimentan una fuerza en el
sentido del campo y las negativas en sentido contrario al
campo. La separación de equilibrio se establece cuando la
fuerza eléctrica se compensa con la fuerza recuperadora (como
si un muelle uniese los dos tipos de cargas). Este tipo de
dipolos formados a partir de moléculas no polares se denominan
dipolos inducidos.
Las moléculas polares o dipolos permanentes de un dieléctrico
están orientados al azar cuando no existe campo eléctrico,
como se indica en la figura de la derecha. Bajo la acción
de un campo eléctrico, se produce cierto grado de orientación.
Cuanto más intenso es el campo, tanto mayor es el número de
dipolos que se orientan en la dirección del campo.
Sean polares o no polares las moléculas de un dieléctrico,
el efecto neto de un campo exterior se encuentra representado
en la figura inferior. Al lado de la placa positiva del condensador,
tenemos carga inducida negativa y al lado de la placa negativa
del condensador, tenemos carga inducida positiva.
Como vemos en la parte derecha de la figura, debido a la
presencia de las cargas inducidas el campo eléctrico entre
las placas de un condensador con dieléctrico E es
menor que si estuviese vacío E0. Algunas
de las líneas de campo que abandonan la placa positiva penetran
en el dieléctrico y llegan a la placa negativa, otras terminan
en las cargas inducidas. El campo y la diferencia de potencial
disminuyen en proporción inversa a su constante dieléctrica
k.=є/є0
E=E0/k
Ejemplo:
Se conecta un condensador plano-paralelo
a una batería de 10 V. Los datos del condensador son:
-
Condensador vacío
La capacidad del condensador vacío
|
La carga Q
y densidad de carga σf en las
placas del condensador es
Q=C0·(V-V’),
Q=8.25·10-9 C
El campo eléctrico en el espacio
comprendido entre las placas del condensador es
E0=σf/є0,
E0=13333.33 N/C |
-
Se desconecta el condensador de la
batería y se introduce un dieléctrico, por ejemplo, baquelita
de k=4.6
La capacidad del condensador, aumenta
C=k·C0, C=3.80·10-9
F
|
La diferencia de potencial
entre las placas, disminuye
V-V’=Q/C, V-V’=2.17
V
El campo eléctrico E en el
espacio comprendido entre las placas del condensador
es
E=E0/k, E=2898.6
N/C |
|
Podemos considerar
este campo E, como la diferencia entre le campo
E0 producido por las cargas libres
existentes en las placas, y el campo Eb
producido las cargas inducidas en la superficie del
dieléctrico, ambos campos son de signos contrarios.
E=E0-Eb
|
La densidad de carga inducida en el dieléctrico
es σb=9.23·10-8 C/m2
Supongamos que tenemos dos condensadores iguales cargados
con la misma carga q, en paralelo. Si introducimos
un dieléctrico de constante dieléctrica k en uno de
los condensadores. La capacidad del condensador con dieléctrico
aumenta, la diferencia de potencial entre sus placas disminuye.
Al unir las placas del mismo signo de los dos condensadores,
la carga se repartirá hasta que se igualen de nuevo sus potenciales
La analogía hidráulica se muestra en la figura inferior
2q=q1+q2
|