Qué es la energía almacenada en un condensador : Derivación y sus aplicaciones

El condensador es un componente eléctrico de dos terminales, en el que dos terminales están dispuestos uno al lado del otro y separados por un aislante. La función principal de un condensador es almacenar energía eléctrica y su uso habitual incluye principalmente la protección contra picos de tensión, el filtrado de señales y el almacenamiento de energía. ¿Pero cómo se almacena esta energía en un condensador? Este artículo te dará información sobre qué es energía almacenada en el condensador y sus usos.

¿Qué es la energía almacenada en un condensador?

Un condensador almacena energía en el campo eléctrico entre sus dos placas. Cuando un condensador se carga a través de una pila, se puede crear un campo eléctrico. Una vez que el condensador cargado se separa de la pila, su energía permanecerá en el campo dentro del hueco entre sus dos placas.

Derivación de la energía almacenada en el condensador

A continuación se muestra el diagrama de la energía almacenada en el condensador. Cuando se conecta una batería a través de dos placas de un condensador, éste se carga, lo que provoca una acumulación de cargas en las placas opuestas del condensador. Cuando se aplica una tensión de corriente continua a través del condensador, las cargas positivas se acumulan en una placa y un número igual de cargas negativas en la otra. Como las cargas están separadas por un medio dieléctrico, se enfrentan a un campo eléctrico que se opone a su movimiento. Así, permanecen inmóviles en sus respectivas placas sólo mientras la tensión aplicada se mantenga constante.

Cuando se acumulan cargas, la disimilitud de potencial aumenta lentamente entre las dos placas del condensador. Del mismo modo, cuando se descargan las cargas, la disimilitud de potencial puede impulsar una corriente en sentido inverso.

La energía almacenada en un condensador o energía potencial eléctrica está relacionada con la carga y la tensión en el condensador. Si la capacitancia de un conductor es "C", primero no se carga, pero obtiene una diferencia de potencial "V" siempre que esté conectado a una batería. Si q es la carga en la placa del condensador, entonces

q = CV

El trabajo realizado equivale al producto de la carga y el potencial. Por tanto, W = V*q.

Si una pequeña cantidad de carga es entregada por la pila es 'dQ' a un potencial 'V', y entonces el trabajo realizado es

dW = Vdq = q/c dq

Así pues, el trabajo total realizado al entregar una carga con una cantidad "q" hacia el condensador puede venir dado por

W = 1/C [q^2/2] = ½ (q^2/C).

Por tanto, la energía almacenada en un condensador es

U = ½ (q^2/C).

Sustituyendo q=CV en la ecuación anterior podemos obtener

U = ½ (CV^2).

Sustituyendo C =q/v en la ecuación anterior podemos obtener

U = ½ qv

La energía almacenada en un condensador puede expresarse de forma sencilla de la siguiente manera

Ecap = QV/2 = CV^2/2 = Q^2/2C

Donde,

'Q' es la carga

v' es la tensión

c' es la capacidad del condensador.

La energía (E) está en julios (J) para una carga (q) en culombios, la tensión (V) en voltios y la capacidad (C) en faradios (F).

Energía almacenada en condensadores en serie y en paralelo

A continuación se analiza la energía almacenada cuando los condensadores se conectan en serie y en paralelo.

Energía almacenada cuando los condensadores se conectan en serie

Cuando condensadores como C1, C2 y C3 se conectan en serie entre sí, respectivamente, se da la carga "q" y cada condensador se cargará con "q". Si 'C' es la capacidad neta de la combinación en serie.

1/C = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3

La energía total almacenada en la combinación en serie es "W

Por tanto, W = (1/2) (q^2 / C)

W= (1/2) q^2 [1/ C1 + 1/C2 + 1/ C3 ] => (1/2) q^2 C1 +(1/2) q^2 C2 +(1/2) q^2 C3

De lo contrario, la ecuación de combinación en serie anterior también puede escribirse como

W = W1 + W2 + W3

Energía almacenada cuando los condensadores se conectan en paralelo

Cuando condensadores como C1, C2 y C3 se conectan en una combinación en paralelo, se cargan a un potencial "V" similar. Si 'C' es la capacidad neta de la combinación, entonces

C = C1+ C2+C3

La energía total almacenada en la combinación paralela es "W

W = (1/2) ( CV^2 )

W = (1/2)( C1+C2+C3)V^2

De lo contrario, la ecuación de combinación paralela anterior también puede escribirse como

W = W1+W2 +W3

Por tanto, la energía neta almacenada en una combinación de condensadores es equivalente a la suma de las energías almacenadas en cualquier tipo de combinación de condensadores, ya sea en serie o en paralelo.

Ejemplo 1: Si la capacidad de un condensador es de 30 F cargado a un potencial de 100 V, calcula la energía almacenada en él.

U = ½ CV^2

Sustituyendo los valores dados en la ecuación anterior, podemos obtener

U = ½ 30 (100)^2 = 150 x 10^3 J

Ejemplo2: Una batería de 12 V está conectada a tres condensadores que están conectados en serie como 10μF, 10μF y 20μF. Calcula la energía almacenada en los condensadores.

Si se conectan tres condensadores, la capacidad será

1/C = 1/C1+1/C2+1/C3

1/C = 1/10+1/10+1/20 => 2+2+1/20 =1/4

C= 4uF

La energía almacenada en el condensador puede calcularse como 1/2CV^2

= 1/2×4 x 10^-6 x (12)^2 = 2x144x10^-6 = 288×10^-6 J

Ventajas y desventajas

El ventajas de la energía almacenada en los condensadores incluyen las siguientes.

• La energía del condensador puede cargarse y acumularse muy rápidamente.
• Pueden entregar la energía almacenada rápidamente.
• En comparación con otros dispositivos de almacenamiento, las pérdidas son menores.
• Menos mantenimiento.
• La vida útil es larga.

El desventajas de la energía almacenada en los condensadores incluyen las siguientes.

• En comparación con las pilas, los condensadores tienen menos capacidad energética.
• El almacenamiento de energía es limitado por el coste de cada dólar.
• La energía almacenada se reducirá con el tiempo debido a las pérdidas internas.

Aplicaciones

Los usos de la energía almacenada en los condensadores son los siguientes

• Los condensadores se utilizan para suministrar energía a diferentes dispositivos, como desfibriladores y microelectrónica, como lámparas de flash y calculadoras.
• Los condensadores pueden emitir energía con mayor rapidez que las pilas, lo que se traduce en una densidad de potencia mucho mayor que la de las pilas con la misma cantidad de energía.
• Los condensadores son aplicables en varios dispositivos electrónicos que utilizan una pila.
• Los condensadores almacenan energía para evitar una pérdida de memoria cuando se altera la batería.
• Estos componentes desempeñan un papel fundamental en diferentes circuitos prácticos
• Además, los condensadores desempeñan un papel clave en muchos circuitos prácticos, principalmente como estabilizadores de corriente y en adaptadores de CA para ayudar en la conversión de CA a CC.
• Los condensadores son resistentes a los cambios inesperados de tensión, por lo que actúan como amortiguadores de la energía eléctrica almacenada, así como de la eliminada para mantener una salida de corriente constante. Por tanto, el condensador es capaz de estabilizar la energía variable de CA y de descarga en diferentes momentos.
• La energía almacenada en los condensadores es aplicable en SAIs, flashes de cámaras, equipos de audio, cargas pulsadas como láseres, bobinas magnéticas, etc.
• Los supercondensadores se utilizan para almacenar grandes cantidades de energía.

Por tanto, se trata de la evolución de la energía almacenada en el condensador, que es el trabajo necesario para cargar el condensador. Así, la carga eléctrica puede almacenarse dentro del campo eléctrico en el hueco entre dos placas de los condensadores. Depende principalmente de la cantidad de carga en las dos placas del condensador y también de la diferencia de potencial entre las dos placas. Aquí tienes una pregunta, ¿qué es la capacitancia?