¿Cuál es la diferencia entre una batería y un capacitor cargado?
Puedo ver muchas similitudes entre un condensador y una batería. En ambos, las cargas están separadas y cuando no están conectadas en un circuito, ambas pueden tener la misma diferencia de potencial V.
La única diferencia es que la batería funciona durante más tiempo, pero un condensador se descarga casi instantáneamente. ¿Por qué esta diferencia? ¿Cuál es la causa exacta de la diferencia en los tiempos de descarga?
Una batería genera un voltaje mediante una reacción química. Existe una clase de reacciones químicas llamadas reacciones redox que involucran el transporte de electrones, y puedes usar la reacción para conducir electrones a través de un circuito externo. Esta es la base de una batería. La batería continuará proporcionando energía hasta que todos los reactivos hayan sido utilizados y la reacción se detenga. Una batería genera una diferencia de potencial que está relacionada con el cambio de energía libre de la reacción que ocurre en la batería. Ten en cuenta que no hay separación de cargas en una batería hasta que la conectas a algo y fluye corriente.
Un condensador es completamente diferente. Tiene un potencial solo porque se ha almacenado carga en él, y cuando conectas el condensador a un circuito externo, la corriente solo fluye hasta que toda la carga se haya drenado. A diferencia de una batería, el voltaje en un condensador es variable y es proporcional a la cantidad de carga almacenada en él.
Una breve nota sobre los capacitores que almacenan carga... ellos no lo hacen, al menos no como se usa en circuitos eléctricos. En cambio, la carga se "mueve" de una placa a la otra a través del circuito externo. La energía se almacena en el campo eléctrico entre las placas. "Cargar" un capacitor no es almacenar carga en él, sino almacenar energía - al separar la carga.
También, una nota rápida sobre la separación de cargas en una batería. Hay una cantidad inicial de separación de carga que establece el voltaje de circuito abierto a través de la batería. No es mucho, pero tiene que suceder para desarrollar ese voltaje.
De acuerdo. En realidad no tengo ni idea de cuál es la capacitancia de una batería, pero es pequeña.
¿Por qué esta diferencia? ¿Cuál es la causa exacta de la diferencia en los tiempos de descarga?
La diferencia se debe a la diferencia en la cantidad de energía almacenada.
Consideremos, por ejemplo, una celda alcalina típica. En este gráfico, vemos que una nueva celda AAA alcalina de larga duración almacena alrededor de 5kJ de energía.
Ahora, consideremos un gran condensador electrolítico de, digamos, 1000$\mu$F. Cargado al mismo voltaje nominal de la celda, 1.5V, la energía almacenada es un poco más de 1mJ. Eso es 6 órdenes de magnitud menos.
De otra manera, para almacenar la misma cantidad de energía a 1.5V que la batería AAA requeriría un condensador de alrededor de 4400$F$(!!!). Esa es una capacitancia enorme.
¿Qué pasa si cargamos una batería para contener la misma cantidad de energía que almacena un condensador típico? Creo que incluso en este caso, ambos difieren en las tasas de descarga. Tu respuesta explica bien el caso habitual, ¿podrías arrojar algo de luz sobre este caso anormal donde la energía inicial almacenada es la misma? Gracias.
Algunos comentarios complementarios:
Vistos como cajas negras, ambos son simplemente fuentes de voltaje. Una batería está diseñada para suministrar, en la medida de lo posible, un voltaje constante, mientras que un capacitor no tiene tales capacidades de "dosificación".
Desde un punto de vista práctico, las baterías almacenan mucha carga, pero son lentas para cargar/descargar. Los capacitores son lo opuesto exacto: bajo almacenamiento, uso rápido. Por eso la cámara utiliza una batería para cargar un capacitor.
También hay mucha investigación en supercondensadores, que intentan obtener lo mejor de ambos mundos.
Entre las placas de una batería, hay un mecanismo (generalmente una reacción química de algún tipo) que mantiene una separación de carga entre las placas. No hay tal mecanismo entre las placas de un condensador, por lo que la separación de cargas no se puede mantener a medida que la carga se descarga de las placas.
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