Capacitor
07 Mar, 2013
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PDFLeyden Jar
PRESENTATION: A glass bottle is covered with aluminum paper, and it is filled with little spheres made from the same aluminum paper, water,…. The connection to the inner part of the bottle is made with a nail driven through the bottle cork. The outer shell is placed on a metallic sheet connected to a cable. This simple capacitor may be charged and discharged, and its capacity can be determined. Several Leyden Jars can be associated in series, parallel, …
- A demonstration condenser microphone, Bob Froeclich, Phys. Teach. 50, 508 (2012)
- Charge and Energy Stored in a Capacitor, Yaakov Kraftmakher, Phys. Teach. 50, 73 (2012)
18 responses to "Capacitor"
Un condensador es un dispositivo capaz de almacenar energía sustentando un campo eléctrico. Está formado por un par de superficies conductoras, generalmente en forma de láminas o placas (de forma en que todas las líneas de campo eléctrico que parten de una van a parar a la otra) separadas por un material dieléctrico o por el vacío. Las placas, sometidas a una diferencia de potencial, adquieren una determinada carga eléctrica, positiva en una de ellas y negativa en la otra, siendo nula la variación de carga total.
Aunque desde el punto de vista físico un condensador no almacena carga ni corriente eléctrica, sino simplemente energía mecánica latente que al ser introducido en un circuito se comporta como un elemento capaz de almacenar la energía eléctrica que recibe durante el periodo de carga.
Sus aplicaciones son diversas:
Como temporizadores, para filtrado-suavizado, acoplamiento, como filtros, para sintonizar (sistemas de radio)…
A propósito de los condensadores, el primer condensador de la historia fue fabricado en el siglo XVIII y recibió el nombre de Botella de Leyden, cuyo nombre deriva de una localidad holandesa y no de su inventor, que fue Pieter van Musschenbroek, cuyas características podéis buscar en la Wikipedia. Casualmente, tanto un ayudante de este hombre, como Benjamin Franklin, que perfeccionó el condensador, sufrieron descargas eléctricas al manipular dichos aparatos, lo que nos recuerda que siempre que manipulemos cualquier tipo de instrumental eléctrico, debemos tomar precauciones.
Hay abundantísima información sobre condensadores y dieléctricos en la siguiente página (podéis navegar por los distintos apartados en el menú de la izquierda).
En este experimento se muestra como un dispositivo como es el condensador eléctrico se puede fabricar gracias a materiales de uso cotidiano como son el papel de aluminio, una botella de vidrio, hilo metálico y un clavo. Una de las aplicaciones que más me llamaron la atención y que desconocía es el desfibrilador que es un aparato que se usa para reanimar enfermos en situaciones de emergencia. El desfibrilador usa un condensador que puede almacenar 360J y entregar esta energía al paciente en 2mS. Sin duda es una de las aplicaciones más importantes ya que permite salvar muchas vidas.
Otras de las aplicaciones de los condensadores es en el flash de las cámaras fotográficas, que posee un condensador que almacena energía necesaria para proporcionar un destello súbito de luz. La Tierra se puede considerar como un gran condensador, cuyas placas (esféricas) serían la ionosfera (+) y el suelo (-). en el siguiente enlace se representa el modelo del condensador terrestre.
En condiciones de “buen clima”, la capa de aire que existe entre las dos “placas” de dicho condensador terrestre es un medio dieléctrico, pero no totalmente aislante, por lo que dicho condensador se tendría que ir descargando poco a poco a través de ella. No ocurre así y ello se debe a que existe un mecanismo compensatorio que lo recarga: las tormentas.
Os recomiendo que visitéis el siguiente vídeo de la explicación de lo que ocurre cuando se pone un condensador en el enchufe: Demostración del atraso de la corriente respecto al voltaje de una reactancia de fluorescente. Y la demostración de porque se paga menos luz al poner un condensador.
Efectivamente, en condiciones normales, la Tierra actúa como un condensador dado que la superficie terrestre generalmente está cargada negativamente y la ionosfera, en la parte alta de la atmósfera, está cargada positivamente. Este condensador natural tiende a descargarse, siendo las tormentas las responsables de su recarga. Las tormentas se generan por fuertes corrientes térmicas ascendentes que originan un tipo de nubes de gran altura llamadas cumulonimbos. La parte alta de la nube está a muy baja temperatura por lo que se forman cristales de hielo que se cargan positivamente, mientras que en la parte baja de la nube, más cálida, las gotas de agua tienen carga negativa. La superficie terrestre que hay debajo de la nube también se carga positivamente, sobre todo en los sitios más puntiagudos (torres, campanarios, árboles de gran altura). Las cargas positivas de la parte superior de la nube ascenderán hacia la ionosfera, mientras que las cargas negativas viajarán en sentido opuesto, hacia la superficie terrestre, produciéndose de este modo la recarga del condensador terrestre. Los rayos se originarían por las descargas eléctricas debidas a las diferencias de potencial que se dan en estas condiciones.
Me parecen muy interesantes este tipo de experimentos históricos, ya que además de trabajar los conceptos asociados, se puede introducir algunas pincelas de historia de la ciencia.
La botella de Leyden, es un dispositivo eléctrico realizado con una botella de vidrio que permite almacenar cargas eléctricas. Históricamente la botella de Leyden fue el primer tipo de condensador (eléctrico).
No campo da fisioloxía celular as membranas biolóxicas actúan como condensadores das cargas de diferentes ions metálicos (positivos) e de proteínas (xeralmente negativas). Canais proteicos para cada tipo de ion actúan como resistencias, que poden ser vencidas ó superarse un potencial de membrana. É o mecanismo tralo potencial de acción das neuronas.
Nuevamente podemos ver como con objetos cotidianos y de forma sencilla se pueden explicar de forma visual, más tangible conceptos que son difícil de entender para los jóvenes, y no tan jóvenes.
Los frascos de Leyden forman parte de la máquina de Wimshurst, un generador electrostático de alto voltaje desarrollado entre 1880 y 1883 por el inventor británico James Wimshurst. Este instrumento tiene un aspecto característico con dos grandes discos montados en un plano vertical que giran en sentidos opuestos, dos barras cruzadas con cepillos metálicos, y dos esferas de metal separadas por una distancia donde saltan las chispas. Estas máquinas pertenecen a una clase de generadores que crean cargas eléctricas por inducción electrostática. Los frascos de Leyden tienen como función en este caso aumentar la chispa de energía acumulada. En la siguiente imagen se muestra una máquina de Wimshurst.
En este enlace, se puede leer información acerca de cómo era, en su origen, la botella de Leyden. Una vez que se construye la botella de Leyden, varias son las demostraciones que se pueden hacer en el aula de forma sencilla. Por ejemplo, si se dispone de un televisor o monitor antiguo cuya pantalla sea de rayos catódicos, se puede usar para cargar la botella. Para ello, simplemente es necesario sujetar la botella con una mano por la placa exterior, mientras se acerca y toca la pantalla con el cable que conecta con la parte interior. El cable atado a la parte externa debe acercarse al cable que viene de la parte interna de la botella dando lugar a un chispazo, que permite demostrar que se ha cargado eléctricamente la botella. En caso de no tener una pantalla adecuada, se puede cargar la botella de Leyden acercándola a un paño de lana recién sacado de la secadora de ropa. Otra opción a tener en cuenta para la fuente de carga es frotar un trozo de tubo plástico de PVC (previamente lijado para eliminar la grasa y el barniz), con una toalla de papel hasta que el mismo adquiera carga suficiente.
Como bióloga, me ha resultado muy interesante la interpretación del experimento que hacen María y Guadalupe sobre las tormentas eléctricas. En relación a estos comentarios, me gustaría aportar que las auroras boreales y/o australes constituyen uno de los fenómenos atmosféricos que tienen lugar en la ionosfera, ya que se forman por el rozamiento de los electrones que llegan del Sol contra las moléculas de esta capa (nitrógeno y oxígeno). En el siguiente artículo se explica la participación del campo magnético terrestre en la formación de este fenómeno, además, se trata de un artículo de carácter pedagógico.
Paréceme interesante introducir a analoxía hidráulica na explicación do comportamento da corrente nun circuíto eléctrico. Nesta analoxía o condensador eléctrico é equivalente a un acumulador hidráulico e polo tanto, os condensadores encárganse de filtrar as diferenzas de presión (potencial eléctrico) a vez que permiten cambios rápidos de presión.
O grafeno, tamén vai dar moito xogo no mundo dos condensadores.
Desde el momento en el que aparecen las botellas de Leyden (s. XVIII) hasta la actualidad han existido diferentes tipos de condensadores y han evolucionado en sus capacidades y en sus dimensiones. Comercialmente se reconocen los condensadores planos (combinando láminas metálicas y láminas de papel) que pueden enrollarse, los condensadores de alta tensión compuesto por placas paralelas separadas de aceite aislante y condensador electrolítico (entre el electrolito y el metal aparece una capa de óxido como aislante). Algo que quizás estaría interesante ver en esta explicación es el funcionamiento de los condensadores en los circuitos eléctricos.
Tras haber echado un ojo a la web, he visto algo interesante en la siguiente URL . Básicamente, se explica un condensador con la analogía del globo de agua. Creo que podría ser un buen enfoque para una clase de iniciación en el tema eléctrico el realizar un experimento con algo tan simple como un globo de agua para introducir el concepto de condensador.
Uno de los elementos básicos de por ejemplo una placa base de un ordenador es el condensador. Es importante tener experimentos como estos para enseñar como funciona un condensador.
Completamente de acuerdo con el comentario de Andrea P. Las analogías hidráulicas son muy ilustrativas para explicar el no tan intuitivo mundo del electromagnetismo. Para completar su comentario, enlazo un vídeo que explica la analogía del condensador con un tanque de agua (en lugar del globo).
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