Unidad 4: Capacitancia

Introducción

La capacitancia es una de las propiedades fundamentales de los circuitos eléctricos y electrónicos. Se refiere a la capacidad de un sistema para almacenar carga eléctrica en forma de campo eléctrico. Los capacitores, componentes esenciales en muchos dispositivos electrónicos, permiten el almacenamiento y la liberación controlada de energía eléctrica.

En esta unidad, exploraremos en detalle los principios de la capacitancia, los tipos de capacitores, el comportamiento de los circuitos RC y su aplicación en la ingeniería eléctrica y electrónica.

Objetivos Terminales

Explicar los conceptos de capacidad, carga, descarga, constante de tiempo y reactancia capacitiva.
Determinar, analítica y/o experimentalmente, el estado y características operacionales de circuitos capacitivos.
Montar circuitos RC, de acuerdo a diagramas esquemáticos dados.

Contenidos

Concepto de Capacidad Eléctrica

La capacidad eléctrica de un capacitor se define como la cantidad de carga \( Q \) que puede almacenar por unidad de voltaje \( V \):

C = \frac{Q}{V}

Donde:

C: Capacitancia en faradios (F).
Q: Carga en coulombs (C).
V: Voltaje en voltios (V).

Capacitores: Estructura y Tipos

Los capacitores están formados por dos placas conductoras separadas por un material dieléctrico. Existen diferentes tipos de capacitores según su construcción y aplicaciones:

Cerámicos: Utilizados en circuitos de alta frecuencia.
Electrolíticos: Para aplicaciones de alta capacidad.
De Tántalo: Alta estabilidad y baja fuga de corriente.

Carga y Descarga en Circuitos RC

Cuando un capacitor se carga en un circuito RC, la carga sigue una curva exponencial descrita por la ecuación:

V (t) = V (0) + (V - V (0)) (e^{- \frac{t}{R \cdot C}})

Conexión de Capacitores

Los capacitores pueden conectarse en serie o en paralelo.

En serie:

\frac{1}{C_eq} = \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} + ... + \frac{1}{C_n}

En paralelo:

C_eq = C_1 + C_2 + ... + C_n

Reactancia Capacitiva

La reactancia capacitiva \(X_c\) es la oposición que presenta un capacitor al paso de corriente alterna y se expresa como:

X_c = \frac{1}{2 π f C}

Actividades

Analizar el concepto de capacitancia y su relación con los materiales dieléctricos.
Realizar experimentos de carga y descarga de capacitores midiendo \(V(t)\) e \(I(t)\).
Calcular la reactancia capacitiva en diferentes frecuencias y capacitores.
Montar circuitos RC en serie y en paralelo y analizar su comportamiento.

Conclusión

La capacitancia es un concepto fundamental en la electrónica moderna, con aplicaciones que van desde el almacenamiento de energía hasta la filtración de señales. Comprender el comportamiento de los capacitores en circuitos eléctricos permite diseñar y analizar sistemas electrónicos más eficientes.

Al completar esta unidad, los estudiantes estarán capacitados para aplicar los conceptos de capacitancia en circuitos eléctricos y electrónicos, realizar cálculos de carga, descarga y reactancia capacitiva, y montar circuitos RC según especificaciones dadas.