Los condensadores, llamados tambien capacitores, se encuentran entre los componentes electrónicos más utilizados. De hecho, son uno de los componentes fundamentales de la electrónica, que es una rama de la electricidad. Los condensadores son importantes porque almacenan energía.

Los condensadores permiten estudiar dos conceptos importantes en la física: el campo y la energía. Entre las diversas aplicaciones podemos nombrar dos: la producción de circuitos oscilantes para la emisión de ondas electromagnéticas (radio, televisión, teléfonos móviles, etc.) y de almacenamiento de energía para generar corrientes eléctricas de gran intensidad.

Condensador o capacitor

Un conjunto de dos conductores, llamados de placas, separadas por un medio aislante.

Capacitancia:
La capacitancia es la capacidad de almacenar cargas eléctricas. Es la razón entre la carga positiva \(q\) de la placa positiva y la diferencia de potencial \(ddp\) positiva \(\mathbb{V}_{AB}\) entre ellas: $$C = \frac{q}{\mathbb{V}}.$$ La capacitancia de un conductor depende de su geometría y del medio donde se encuentra. La unidad de capacitancia en el SI es el Faraday, que es Coulomb por Volt ( \([F] = \frac{C}{V} \) ).
Conductor esférico aislado:
La capacitancia para un conductor esférico aislado es $$C = \frac{R}{k},$$ donde \(R\) es el radio del conductor esférico y \(k\) es la constante electrostática del medio.
Placas planas y paralelas
La capacitancia de un condensador de placas planas y paralelas, en el vacío, es directamente proporcional al área de las placas e inversamente proporcional a la distancia entre ellos, $$C = \epsilon_0 \frac{A}{d},$$ donde \(A\) es la superficie útil de las placas, \(d\) es la separación entre las placas y \(\epsilon_0\) es la permitividad eléctrica del vacío.
Densidad de carga superficial \((\sigma)\)
Para un área \(A\) con una cantidad de carga \(q\) distribuidas uniformemente sobre su superficie, la densidad de superficie de la carga eléctrica es $$\sigma = \frac{q}{A}.$$

Asociación de condensadores

image/svg+xml   a) b)
Hay dos formas de vincular los condensadores: a) en la serie y b) en paralelo.
Asociación en serie
La carga de cada condensador es la misma y la \(ddp\) en el condensador i-ésimo está dada por: $$\mathbb{V}_i = \frac{Q}{C_i}$$ tal que $$\mathbb{V} = \mathbb{V}_1 + \mathbb{V}_2 + \ldots + \mathbb{V}_n$$ y dividiendo ambos lados por \(Q\) obtenemos $$\frac{1}{C_{eq}} = \frac{1}{C_{1}} +\frac{1}{C_{2}} + \ldots+ \frac{1}{C_{n}}$$
Asociación en paralelo
La \(ddp\) en cada condensador es la mismo, y la carga en el condensador i-ésimo está dada por \(Q_i = \mathbb{V} C_i\) y la capacitancia de cada condensador por \(C_i=\frac{Q_i}{\mathbb{V}}\). La carga total es $$Q = Q_1 + Q_2 + \ldots + Q_n,$$ y dividiendo ambos lados de la ecuación anterior por \(\mathbb{V}\) obtenemos $$\frac{Q}{\mathbb{V}} = \frac{Q_1}{\mathbb{V}} + \frac{Q_2}{\mathbb{V}} + \ldots + \frac{Q_n}{\mathbb{V}},$$ y por lo tanto $$C_{eq} = C_{1} + C_{2} + \ldots + C_{n}.$$

Efecto de un dieléctrico

Un material no conductor es también llamado el dieléctrico. Cuando se introduce un dieléctrico entre los conductores de un condensador, el campo eléctrico en el dieléctrico se reduce y la capacitancia \(C\) aumenta por un factor \(K\), llamado de constante dieléctrica. Esto es \(C = K C_0\) , donde \(C_0\) es la capacitancia sin el dieléctrico. El campo en el dieléctrico se reduce debido a los momentos dipolares de las moléculas ( permanentes o inducidos) tienden a alinearse con el campo y generan otro campo que se opone al primero. El momento dipolar alineado con el campo es proporcional a la intensidad de este campo.

Utilidades un dieléctrico:

  • Aumentar la capacitancia de un condensador;
  • Aumentar la rigidez dieléctrica;
  • Proporcionar una separación mecánica entre los conductores.

Energía almacenada en un condensador

La energía potencial almacenada \(E_p\) en un campo eléctrico de un condensador de capacitancia \(C\) , con una carga \(q\) y sometido a una diferencia de potencial \(\mathbb{V}\) está dada por: $$E_p = \frac{C\mathbb{V}^2}{2} = \frac{q^2}{2C} = \frac{q\mathbb{V}}{2} $$