Condensador eléctrico: concepto, historia y funcionamiento

Un condensador eléctrico, también conocido en algunos países de habla hispana como "capacitor" por influencia del inglés, es un componente pasivo utilizado tanto en circuitos eléctricos como electrónicos. Este dispositivo está compuesto por dos superficies conductoras, habitualmente en forma de placas, que se encuentran en una configuración tal que todas las líneas del campo eléctrico generadas por una placa terminan en la otra.

Estas superficies están separadas por un material dieléctrico o por un vacío. Cuando se aplica una diferencia de potencial entre las placas, se acumula carga eléctrica: una placa se carga positivamente y la otra negativamente, pero la carga total del sistema no cambia.

Historia

En octubre de 1721, Ewald Georg von Kleist, originario de Pomerania (actualmente Alemania), descubrió que la carga eléctrica podía ser acumulada conectando un generador electrostático a un volumen de agua en una jarra o botella de vidrio, usando un cable. En este experimento, la mano de Von Kleist y el agua actuaban como conductores, mientras que el vidrio servía como aislante, aunque en ese momento no se comprendía completamente el mecanismo. Von Kleist experimentó una potente descarga al tocar el cable, mucho más intensa que la que se obtenía directamente del generador, lo que le llevó a concluir correctamente que el dispositivo almacenaba carga eléctrica.

Al año siguiente, el físico neerlandés Pieter van Musschenbroek inventó un dispositivo similar, conocido como la botella de Leyden, nombrado así por la Universidad de Leiden, donde trabajaba. Van Musschenbroek también quedó asombrado por la fuerza de la descarga que producía este aparato, llegando a afirmar que "no soportaría una segunda descarga por todo el reino de Francia". Posteriormente, Daniel Gralath fue el primero en conectar varias botellas de Leyden en paralelo para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga, formando así una "batería".

Benjamin Franklin también investigó la botella de Leyden y, en 1749, concluyó que la carga se almacenaba no en el agua, como se creía, sino en el vidrio. Franklin acuñó el término "batería" para describir un conjunto de dispositivos similares, como en la artillería, un término que más tarde se aplicaría a los grupos de células electroquímicas. Gracias a este descubrimiento, se mejoraron las botellas de Leyden, recubriendo el interior y el exterior de las botellas con una lámina de metal, dejando un espacio en la parte superior para evitar la formación de arcos eléctricos.

La primera unidad de capacidad utilizada fue el "tarro", equivalente a aproximadamente 1,11 nanofaradios. Durante este tiempo también se comenzó a estudiar la inductancia, que es la medida de la oposición a un cambio de corriente en un inductor, dispositivo que almacena energía en un campo magnético.

Las botellas de Leyden y otros dispositivos más potentes, que utilizaban placas de vidrio planas intercaladas con conductores de lámina metálica, se emplearon hasta aproximadamente 1900. En ese momento, la invención de la telegrafía inalámbrica generó una nueva demanda de condensadores. El término "condensador" fue usado por primera vez por Alessandro Volta en 1782, para describir un dispositivo compuesto por un par de conductores separados por un material aislante (dieléctrico), donde la carga se almacenaba en la superficie de los conductores en contacto con el aislante.

Desde los primeros estudios sobre electricidad, se utilizaron materiales no conductores como vidrio, porcelana, papel y mica como dieléctricos en los condensadores. En los primeros años del trabajo de Guillermo Marconi, se utilizaron condensadores de porcelana en transmisores inalámbricos, y pequeños condensadores de mica en los circuitos receptores resonantes. Estos condensadores de mica fueron inventados en 1909 por William Dubilier y eran comunes en los Estados Unidos antes de la Segunda Guerra Mundial.

Charles Pollak, nacido Karol Pollak, inventó los primeros condensadores electrolíticos, patentados en Estados Unidos en 1896 bajo el número 672.913. Estos dispositivos utilizaban electrodos de aluminio y electrolitos líquidos. En la década de 1950, los Laboratorios Bell desarrollaron condensadores de tantalio con electrolitos sólidos, que eran más compactos y confiables, especialmente útiles con la aparición del transistor.

Con el desarrollo de materiales plásticos durante la Segunda Guerra Mundial, la industria comenzó a reemplazar los condensadores de papel con películas de polímero delgadas, como se describe en una patente británica de 1944. Por último, el condensador de doble capa eléctrica, también conocido como supercondensador, representa un avance significativo en la capacidad de almacenamiento de energía.

Funcionamiento

La cantidad de carga almacenada en una de las placas de un condensador es directamente proporcional a la diferencia de potencial aplicada entre las placas, y esta proporcionalidad está determinada por la constante conocida como capacidad o capacitancia. En el Sistema Internacional de Unidades, la capacitancia se mide en Faradios (F). Un faradio es la capacidad de un condensador que, cuando se somete a una diferencia de potencial de 1 voltio, almacena una carga de 1 culombio.

Dado que 1 faradio es una unidad muy grande para la mayoría de los condensadores, la capacitancia se expresa comúnmente en submúltiplos como microfaradios (µF = 10⁻⁶ F), nanofaradios (nF = 10⁻⁹ F) o picofaradios (pF = 10⁻¹² F). Sin embargo, los supercondensadores (también conocidos como condensadores de doble capa eléctrica, EDLC) son una excepción, ya que pueden alcanzar capacidades de cientos o miles de faradios. Estos supercondensadores están fabricados con carbón activado para maximizar el área de superficie y tienen una separación molecular muy fina entre las placas. Un ejemplo de su uso es el reloj Kinetic de Seiko, que utiliza un supercondensador de 1/3 de faradio, eliminando la necesidad de una batería. También se están utilizando en prototipos de vehículos eléctricos.

La capacidad de un condensador se calcula mediante la siguiente fórmula:

Tipos de condensadores

• Condensadores Electrolíticos: Utilizan un dieléctrico hecho de papel impregnado en un electrolito. Estos condensadores siempre tienen polaridad y generalmente presentan una capacidad superior a 1 µF. Por ejemplo, un condensador de 2200 µF con una tensión máxima de 25 V está claramente marcado como "2200 µF / 25 V". A menudo se encuentran en aplicaciones eléctricas como fuentes de alimentación, y su estructura está compuesta por un dieléctrico y electrolito.
• Condensadores Electrolíticos de Tántalo: Estos condensadores emplean una película muy delgada de óxido de tantalio como dieléctrico, lo que les proporciona un alto poder aislante con un menor grosor. Al igual que los electrolíticos convencionales, tienen polaridad y capacidades superiores a 1 µF. Su diseño a menudo toma la forma de una gota, lo que les da su nombre.
• Condensadores de Poliéster Metalizado (MKT): Tienen capacidades menores a 1 µF y soportan tensiones a partir de 63 V. Su estructura incluye dos láminas de policarbonato recubiertas con un depósito metálico, que se bobinan juntas. Un ejemplo típico sería un condensador de 0.033 µF con una tensión de 250 V, marcado como "0.033 K / 250 MKT".
• Condensadores de Poliéster: Son similares a los MKT, pero con un proceso de fabricación algo diferente. A menudo se presentan en forma plana y los datos se imprimen en bandas de color, recibiendo el nombre de condensadores "de bandera". Su capacidad máxima suele ser de 470 nF.
• Condensadores de Poliéster Tubular: Estos condensadores son parecidos a los de poliéster, pero tienen un diseño tubular enrollado en lugar de plano.
• Condensadores Cerámicos "de Lenteja" o "de Disco": Son los tipos de condensadores cerámicos más comunes, con capacidades que varían entre 0.5 pF y 47 nF. Los datos suelen estar impresos en bandas de color. Son reconocidos por su forma de disco o lenteja.
• Condensadores Cerámicos "de Tubo": Estos condensadores tienen valores de capacidad en el rango de picofaradios y hoy en día se usan raramente debido a su alta deriva térmica, que causa variaciones en la capacidad con los cambios de temperatura.

¿Para qué sirve un capacitor?

La principal función de un condensador es acumular energía en forma de carga eléctrica que puede liberarse rápidamente. La capacidad de carga y descarga de un condensador resulta beneficiosa en varias aplicaciones, tales como:

1. Almacenamiento de Energía Rápida: Los condensadores pueden almacenar y liberar energía de manera rápida. Esto los hace ideales para aplicaciones que requieren un incremento instantáneo de energía, como los flashes en cámaras fotográficas y los sistemas de arranque de motores.
2. Nivelación de Voltaje: En circuitos con fluctuaciones de voltaje, los condensadores ayudan a estabilizar la tensión. Almacenan el exceso de energía cuando el voltaje aumenta y la liberan cuando disminuye, contribuyendo a mantener un voltaje más constante.
3. Generación de Retrasos: Los condensadores se utilizan para introducir retrasos en los circuitos eléctricos. Esto es útil en aplicaciones que requieren tiempos específicos o intervalos controlados.
4. Regulación de Corriente: En circuitos de corriente continua, los condensadores pueden suavizar las variaciones en la corriente, minimizando los picos y valles. Esto ayuda a regular la frecuencia de la corriente eléctrica y a mantener un ritmo constante en las operaciones.

¿Qué es un condensador?

Un condensador es un componente electrónico esencial para almacenar energía. En el ámbito de la informática, además de su función principal, los condensadores también se utilizan para convertir señales de corriente alterna (AC) a corriente continua (DC), a menudo en combinación con un diodo. Aunque los condensadores pueden presentar diversas formas, los cilíndricos son los más comunes en los ordenadores. Están compuestos por dos placas metálicas separadas por un material dieléctrico. En las placas base, se emplean múltiples superficies metálicas concéntricas separadas por dieléctricos para alcanzar una mayor capacidad en un espacio compacto.

El principio de funcionamiento de un condensador, o capacitor, es relativamente simple. Cuando una señal eléctrica (electrones) llega a una de las placas, el dieléctrico impide que la señal pase a través de él, lo que provoca una acumulación de carga en esa placa. La placa opuesta detecta este exceso de carga y entre ambas se establece una diferencia de potencial. Esta diferencia de potencial representa la energía almacenada por el condensador hasta que se interrumpe el flujo de corriente. Utilizando un dieléctrico con una constante dieléctrica mayor, se puede lograr una diferencia de potencial mayor y, por ende, almacenar más energía.

En las placas base, a menudo se encuentran términos como “condensadores japoneses 10K”. Aunque la nacionalidad del condensador puede ser irrelevante hoy en día, en el pasado, los condensadores fabricados en Japón eran conocidos por su alta fiabilidad en comparación con otros. El término “10K” indica su capacidad, que corresponde a 10 kpF, es decir, 10,000 picofaradios (pF) o 10 nanofaradios (nF). Por lo tanto, los condensadores etiquetados como 10K tienen una capacidad de 10 nF.