¿Cómo funcionan exactamente los condensadores?

Question

Entonces, cuando un capacitor se está cargando, se conecta a una fuente de voltaje y circula una corriente a través de él (durante un tiempo).

Ahora bien, la física de secundaria dice que cuando un capacitor hecho de 2 placas grandes paralelas se carga, una placa recoge un exceso de electrones, lo cual la hace más negativa. Pero ... los electrones (en este modelo) también están circulando en el circuito, por lo que también "pasan" a través del capacitor, hasta que "algo sucede" y ya no pueden pasar más (es decir, un capacitor cargado bloquea corriente continua). ¿Qué es este algo que sucede?

Hasta donde entiendo, el modelo de secundaria es demasiado simplista, pero ¿dónde falla? Tengo una vaga idea de que los electrones son demasiado lentos para transportar corriente (especialmente si cambia con alta frecuencia como en circuitos de RF) y la corriente eléctrica es en realidad un campo electromagnético que se propaga, similar a cómo se comporta la luz (y la totalidad del espectro de RF), solo localizado en el cable (un conductor, como el vidrio lo es para la luz). Entonces, ¿cómo explica ese modelo los capacitores?

¿Alguien puede señalar una buena explicación de la física involucrada aquí?

Answer 1

Los electrones en realidad no pasan a través del capacitor. Cuando una placa de un capacitor gana electrones, esto crea un campo eléctrico que repele los electrones de la otra placa, y son esos electrones los que continúan moviéndose a través del material en el otro lado del capacitor.

Tienes razón al decir que lo que realmente se propaga es un campo electromagnético, no los electrones en sí mismos: los electrones se mueven, pero la onda electromagnética se mueve significativamente más rápido, ¡y si tuvieras que esperar a que los electrones se movieran, sería más rápido enviar tu mensaje por correo postal que por correo electrónico! Lo clave es que el campo eléctrico existe fuera de los conductores, mientras que los electrones móviles (¡usualmente!) no, por lo que un campo eléctrico puede acoplar los dos lados del capacitor juntos.

Answer 2

La analogía hidráulica se ve así:

Imagina que el tubo es el condensador con electrodos o placas que no se muestran en los extremos izquierdo/derecho con una membrana de goma en el medio. Luego aplica algo de fuerza al fluido desde un lado. El fluido comienza a moverse rápidamente y luego disminuye cuando la fuerza aplicada coincide con la fuerza de la membrana de acuerdo con la constante elástica de la membrana (o el voltaje del condensador alcanza el voltaje aplicado). El fluido fluye desde un lado del tubo desde el exterior, y un lado de la mitad desde una posición neutral (sin carga), y el fluido fluye A TRAVÉS DEL TUBO hacia el otro lado, pero digamos que si la membrana va más allá del final del tubo, la delgada membrana puede reventar en cualquier momento. Esto es como cuando el voltaje supera la clasificación de Voltaje de Ruptura Dieléctrica (BDV), entonces el dieléctrico ya no será un aislante y se cortará (se convierte en un conductor) (y la membrana reventará y el fluido de un lado fluye tan rápido como sea posible hacia el otro lado.

Aunque las cargas pueden fluir a través de los electrodos, el campo E está SOLO a través del aislante dieléctrico o entre los electrodos creando el campo E alto, tal como la membrana podría ir más allá del extremo del tubo hipotéticamente, pero la fuerza en la membrana es entre los conductores de fluido en ambos lados o los cables y electrodos en ambos lados del condensador.

• si se excede la clasificación de BDV y el condensador falla, la carga fluye tan rápido como sea posible y ¡el condensador ¡puf!

Notas Resumen

Todos los dieléctricos son aislantes y con electrodos, por lo tanto se convierten en un condensador incluso en el espacio exterior en un vacío. {la constante dieléctrica se define como d=1} o en agua d=80 o en un PCB d=4.

Todos los dieléctricos tienen un voltaje de ruptura desconocido pero se clasifican como Vmax seguro (máximo absoluto), pero a menudo elegimos <80% Vmax por margen de seguridad.

Las cargas fluyen desde los conductores a través de los electrodos y crean una fuerza para exprimir las cargas de transferencia de un lado al otro creando un fuerza de campo E.

Para el lector avanzado

Algunos condensadores dieléctricos tienen un efecto secundario llamado efecto de doble capa con una densidad muy alta, y como las baterías de ácido de plomo tienen algunos efectos de memoria de 2 condensadores equivalentes en paralelo en su interior con distintas ESR en serie internas y por lo tanto diferentes constantes de tiempo o tasas máximas de carga. A veces llamados "absorción dieléctrica" pero cuando se usan para mejorar una batería o super condensador, lo llamamos "efecto de doble capa" de cargas en los electrodos. Es por esto que un condensador de TV HV y una batería de coche regresan a cierto voltaje después de un cortocircuito.

• Aunque la batería tiene química con más energía almacenada, básicamente es un "Super Cap" con miles de Faradios

Para RF o AC tenemos la impedancia del condensador \$Z_C=\frac{1}{2\pi fC}\$

Por lo tanto, un C más pequeño y una f más alta "producto" pueden tener la misma impedancia, ya sea en un circuito sintonizado o en un conductor de desacoplamiento de CC o un efecto de capacitancia parasita. Un f más alto equivale a una alta tasa de tiempo de flujo de carga y por lo tanto, conduce la carga más rápido y, por lo tanto, tiene una impedancia Z más baja.

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Notas matemáticas simples

Cuando una corriente limitada por R carga un condensador, la carga Q aumenta según Q=CV

Donde C es fijo y V cambia según Vc=dI/dt donde dt tiene una pendiente inicial o T=RC y luego dI/dt sigue una disminución exponencial.

Es el tiempo necesario para cargar el condensador, a través del resistor, en ≈ 63.2% de la diferencia entre el valor inicial y el valor final o para descargar el condensador a ≈36.8%. Este valor se deriva de la constante matemática e, específicamente \$1 - e^{−1}\$, más específicamente como voltaje para cargar el condensador versus tiempo.

La corriente I está definida por I=dQ/dt, por lo tanto la carga alcanza el pleno Q cuando Vc alcanza el V aplicado a través de la serie R.

realmente 5T todavía se está cargando, pero a menudo descuidamos la diferencia. Yo uso 8T para mi trabajo.

Answer 3

La analogía del diafragma o pistón funciona bastante bien para los capacitores. A continuación se muestra un capacitor descargado. Ambos resortes son iguales y tienen la misma extensión, por lo que no hay presión en ninguno de los extremos del pistón.

Cuando aplicas presión a través del capacitor, causa un flujo de portadores de carga desde un lado hacia el otro a través del circuito, desviando el pistón.

El resorte se comprime y eso causa una contrapresión que reacciona contra la presión aplicada hasta que las fuerzas se equilibran. Cuando retiras la presión externa, y la reemplazas con un corto circuito al otro lado, la carga se expulsará del capacitor hasta que los resortes se reequilibren.

La capacitancia está determinada por el diámetro del pistón. La resistencia es la restricción del flujo a través de los acoplamientos.

Observa la tubería de derivación en el lado del capacitor. Si el pistón se empuja demasiado lejos, se descubrirá la derivación permitiendo que la carga fluya más allá de ella. Esta es la tensión de ruptura. Sin embargo, una vez que se alcanza ese punto, en un capacitor real, el dispositivo suele sufrir daños permanentes.

Por debajo de la tensión de ruptura, en un capacitor ideal, en ningún momento los portadores de carga realmente se mueven a través del capacitor. Más bien, se mueven de un lado, a través del circuito correspondiente, al otro lado. Sin embargo, en realidad, habrá un poco de fuga alrededor del pistón. Esta es la resistencia de fuga de un capacitor.

En cuanto a los electrones lentos, tienes que darte cuenta de que no se trata del carruaje, se trata del tren.

Cuando empujas un extremo del tren, sientes la fuerza en el otro extremo casi de inmediato. Los electrones en realidad no tienen que moverse mucho para que eso suceda.

Adición:

Este modelo también funciona para capacitores polarizados, como los capacitores electrolíticos. En esos dispositivos, piensa en el modelo teniendo solo un resorte. Si aplicas presión al extremo incorrecto, el pistón irá inmediatamente hacia el otro extremo revelando el camino de ruptura.

Answer 4

Imagina dos imanes que están separados a través de un medio (aire, etc.) un lado el polo norte de ese imán atrae al polo sur del otro, cada imán tiene un polo norte y un polo sur. Una placa acumula carga positiva, empujando la negativa en la otra dirección, la otra placa acumula carga negativa empujando la carga positiva fuera del camino. Nada realmente cruza, siendo un condensador solo funciona con deltas C*dv/dt, aplica dc y eso es un cambio de paso, se carga hacia arriba o hacia abajo, pero luego se mantiene, para MOVER electrones necesitas cambiar el voltaje causando que la cantidad de carga positiva y negativa se acumule en las placas, a medida que aumenta la carga, algo de energía se mueve para compensar empujando lo opuesto fuera del camino, a medida que disminuye, algo de energía se mueve combinando / equilibrando el positivo y negativo en cada lado (parte de la energía positiva en la placa retrocede y se vuelve a combinar con la energía negativa para equilibrar).