Almacenamiento de Energía en Capacitores y Energía de Campo Eléctrico

in StemSocial2 years ago

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Muchas de las aplicaciones más importantes de los capacitores dependen de su alcance para almacenar energía. La energía potencial eléctrica almacenada en un capacitor cargado es simplemente igual a la cantidad de trabajo que se necesitó para cargarlo, es decir, para separar cargas opuestas y colocarlas en conductores diferentes. Cuando se descarga el capacitor, esta energía almacenada se recupera en forma de trabajo realizado por fuerzas eléctricas.

Calculo de Potencial Eletcrico.png
Imagen realizada con la página web de diseño gráfico y composición de imágenes Canva

La energía potencial U de un capacitor cargado se halla calculando el trabajo W que se necesitó para cargarlo. Supongamos que al terminar de cargar el capacitor la carga final es Q y la diferencia de potencial es V. De acuerdo con la definición de capacitancia se pueden relacionar de la siguiente manera:

Diapositiva1.PNG

Sean q y v la carga y la diferencia de potencial, respectivamente, en una etapa intermedia del proceso de carga; entonces v = q/c. En esta etapa, el trabajo dW que se requiere para transferir un elemento de carga adicional dq es

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El trabajo total W que se necesita para aumentar la carga q del capacitor de cero a un valor final Q es:

Diapositiva3.PNG

Esto resulta ser igual al trabajo total que el campo eléctrico realiza sobre la carga cuando el capacitor se descarga. En este caso q disminuye de un valor inicial Q a cero conforme los elementos de carga dq “caen” a través de diferencias de potencial v que varían desde V hasta cero.

Si se define como cero la energía potencial de un capacitor sin carga, entonces W es igual a la energía potencial U del capacitor cargado. La carga almacenada final es Q = CV; por tanto, se puede expresar U (que es igual a W) como

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Cuando Q está en coulombs, C en faradios y V en voltios, por lo tanto la unidad de U es el joule. La forma final de la última expresión U = ½ QV, nos muestra que el trabajo total que se requiere para cargar el capacitor es igual a la carga total multiplicada por la diferencia de potencial promedio 1/2V durante el proceso de carga.

La expresión U = ½ (Q²/C) nos muestra que el capacitor cargado es el análogo eléctrico de un resorte estirado, cuya energía elástica es U = ½ kx². La carga Q es análoga al alargamiento x, y el reciproco de la capacitancia, 1/C, es análogo a la constante de fuerza k. La energía que se suministra a un capacitor durante el proceso de carga es análoga al trabajo que se realiza sobre un resorte para alargarlo.

Cabe resaltar, que las dos últimas ecuaciones presentadas nos dicen que la capacitancia mide la facultad de un capacitor para almacenar tanto energía como carga. Si se carga un capacitor conectándolo de una batería a otra fuente que suministre una diferencia de potencial fija V, entonces un aumento en el valor de C proporciona una carga mayor Q = CV y una cantidad más grande de energía almacenada U = ½ CV². En cambio, si lo que se busca es transferir una cantidad de carga determinada Q de un conductor a otro, entonces el trabajo W que se requiere es inversamente proporcional a C, cuando más grande es la capacitancia, tanto más fácil es proporcionarle a un capacitor una cantidad fija de carga.

Casi todas las aplicaciones prácticas de los capacitores aprovechan su capacidad para almacenar y liberar energía. En las unidades de destello electrónico que utilizan los fotógrafos y en las unidades de almacenamiento de energía para láseres pulsantes, la energía y la carga almacenadas en un capacitor se recuperan rápidamente.

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En otras aplicaciones la energía se libera con más lentitud. Por ejemplo, los resortes de la suspensión de un automóvil contribuyen a hacer más suave la marcha absorbiendo la energía de las sacudidas bruscas y liberándola gradualmente; de manera análoga, un capacitor en un circuito electrónico puede amortiguar las variaciones indeseables de voltaje debidas a oleadas de corriente. Y así como la presencia de un resorte proporciona a un sistema mecánico una frecuencia natural a la cual responde con la máxima intensidad a una fuerza periódica aplicada, así también la presencia de un capacitor proporciona a un circuito eléctrico una frecuencia natural con respecto a las oscilaciones de corriente. Esta idea se utiliza en los circuitos sintonizados, como los de los receptores de radio y televisión, los cuales responden a las señales transmitidas a una frecuencia en particular y pasan por alto las señales a otras frecuencias.

Las propiedades de almacenamiento de energía de los capacitores tienen además ciertos efectos prácticos indeseables. Los soportes adyacentes del lado inferior de un chip de computadora actúan como un capacitor, y la propiedad que confiere utilidad a los capacitores para amortiguar las variaciones de voltaje tiene el efecto de retardar la rapidez con la que los potenciales de los soportes del chip puedan cambiar. Esta tendencia limita la rapidez con la que el chip puede efectuar cálculos, un efecto que adquiere mayor importancia a medida que los chips de computadora se hacen más pequeños y se les obliga a funcionar con rapidez cada vez mayor.

Ya para despedirme espero que el tema sea del agrado de los lectores y deseo ver en los comentarios sus opiniones y aportes significativos que ayuden a la ampliación del tema y que genere un debate crítico y enriquecedor para la satisfactoria divulgación del conocimiento científico.


Referencias

Figuera, J. (2009). Física, Texto y problemario. Caracas: Ediciones CO-BO.

Sánchez, E. (2005). Física. Caracas: Ediciones CO-BO.

Zemansky, S. (2009). Física Universitaria Volumen II. México: Pearson Educación.

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