¿Cómo puede un condensador almacenar carga mientras también pasa corriente?

Con frecuencia se dice que los condensadores almacenan carga. Solo leyendo Wikipedia , encuentro:

Daniel Gralath fue el primero en combinar varios frascos en paralelo en una "batería" para aumentar la capacidad de almacenamiento de carga . Benjamin Franklin investigó el frasco de Leyden y llegó a la conclusión de que la carga estaba almacenada en el vaso, no en el agua como otros suponían.

Debido a que los conductores (o placas) están muy juntos, las cargas opuestas en los conductores se atraen entre sí debido a sus campos eléctricos, lo que permite que el capacitor almacene más carga para un voltaje dado que si los conductores estuvieran separados, lo que le da al capacitor una gran capacidad. .

Aquí Q es la carga almacenada en el condensador

La carga se mide en coulombs, y sé por la definición de capacitancia que si un capacitor de 1F tiene un voltaje de 1V, entonces se almacena 1C de carga en él. Si un coulomb es 6.241 × 10 ¹⁸ electrones, entonces debería haber 6.241 × 10 ¹⁸ electrones en este condensador en alguna parte.

Pero ahora considera esto. Si uso un condensador como carga en alguna fuente de voltaje de CA, fluirá algo de corriente (la cantidad precisa depende del voltaje, la frecuencia y la capacitancia):

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Sé que la corriente fluye por todo este circuito, porque si coloco una bombilla a cada lado del condensador, se encenderá. Pero si la corriente fluye alrededor de este circuito, ¿cómo "carga" el condensador? En otras palabras, ¿cómo puedo poner electrones en el condensador si la corriente fluye alrededor del circuito, lo que significa que para todos los electrones que coloco en el condensador, el mismo número sale del otro lado? Si no puedo colocar electrones sin sacar algo, ¿cómo puede almacenarlos el condensador?

Es fácil. Un condensador no almacena carga, almacena energía . La carga neta en un condensador completo (en lugar de considerar una sola placa o el aislante) nunca cambia. Un aumento de la carga negativa en una placa se equilibra exactamente con una disminución de la carga negativa en la otra placa. Por lo tanto, cuando la corriente ingresa a un terminal, una corriente igual debe salir del otro terminal.

Esta es una especie de versión de dibujos animados, pero funciona en mi cabeza.

Hay una brecha aislante en el condensador, por lo que los electrones individuales no pueden viajar de un terminal a otro. ¡Entonces los electrones que entran no son los mismos que salen del otro lado! En cambio, los electrones entrantes se "detienen" en una placa. Pero el campo eléctrico de ese electrón repele un electrón del otro lado, que sale de la otra placa y finalmente llega a la fuente. Tenemos un circuito completo, ¡pero los electrones se están acumulando en una placa y los agujeros se están acumulando en la otra!

Ahora, hay un límite de cuántos electrones pueden acumularse en la placa. Los electrones se repelen entre sí, por lo que cuanto más haya, más difícil será que se adhiera otro. Necesitamos algo que los obligue a permanecer juntos en el plato. Eso es voltaje. Por el contrario, el hecho de que los electrones están tratando de repeler entre sí también es un voltaje, una fuerza que trata de mover los electrones alrededor de un circuito.

Ahora, cuando un electrón entrante suelta uno de la otra placa, el electrón saliente tiene menos energía que el entrante, lo que explica la caída de voltaje a través del condensador cargado.

Por supuesto, los electrones no se mantienen quietos, incluso si no hay a dónde ir en una escala macro. Todos se repelen entre sí, "rebotan" en el campo eléctrico del otro. Si esos campos se vuelven demasiado intensos (el voltaje es demasiado alto), las interacciones pueden hacer que un electrón penetre en la barrera dieléctrica entre las placas. Cuando el voltaje en las placas aumenta demasiado, la corriente de fuga de la tapa aumenta. Y si eso dura demasiado, el dieléctrico se daña y ya no tienes una tapa muy buena.

Cargar puede significar muchas cosas. Podemos hablar sobre cargar un condensador con energía, como cargamos bombas o tarjetas de crédito prepagas. También podemos tomar sobre la carga eléctrica , que se mide en culombios.

Aproximadamente 6.241 × 10 ¹⁸ electrones realmente hacen 1C de carga. Sin embargo, cuando las personas hablan sobre la carga en un condensador , no están hablando de electrones en un condensador, como se hablaría de las cookies en un tarro de galletas. Están hablando de otra cosa. Es confuso, pero es lo que hacen de todos modos.

De lo que realmente están hablando es de la integral de la corriente. Es decir, la corriente media que ha estado fluyendo, multiplicada por cuánto tiempo ha estado fluyendo. Si la corriente se mide en amperios y el tiempo en segundos, cuando tomas corriente y la multiplicas por tiempo, obtienes una medida en amperios-segundo. Y, si recuerdas, un amperio significa un culombio por segundo. Así:

Es decir, un amperio-segundo es un culombio. La integral de la corriente es la carga . Entonces, cuando alguien dice que un condensador está "almacenando 1C de carga", no significa que haya 1C de electrones en el condensador, significa que 1C de carga ha pasado a través del condensador. El condensador está "almacenando" tanta carga en el sentido de que ahora contiene suficiente energía para empujar 1C de carga hacia el otro lado.

Es mejor pensar en un condensador como un dispositivo de almacenamiento de energía que como un dispositivo de almacenamiento de carga. Cuando la corriente fluye hacia un condensador, se acumula un voltaje en los terminales. Este voltaje está separado por la distancia entre las placas y, por lo tanto, crea un campo eléctrico. Este campo es donde se almacena la energía. Los inductores, por otro lado, almacenan energía con campos magnéticos.

A medida que fluye la corriente, se acumulan cargas opuestas en cada placa opuesta del condensador. Los electrones intentan dar la vuelta al circuito, pero se detienen en la placa del condensador, dejando una carga negativa en un lado y una carga positiva en el otro. La magnitud de cada carga se puede describir mediante la ecuación:

C = Q / V

La corriente seguirá fluyendo y la carga seguirá acumulándose hasta que el circuito con el condensador sea estable. Por ejemplo, si el circuito fuera simplemente una batería, una resistencia y un condensador en serie, la corriente continuaría fluyendo hasta que el voltaje del condensador fuera igual al voltaje de la batería. Por lo tanto, en un circuito de CC de estado estable, donde no cambian las corrientes, aparece un condensador como un circuito abierto con la carga acumulada proporcional al voltaje a través de los terminales y la capacitancia.

Sin embargo, para cualquier circuito que no sea CC, una mejor manera de describir el comportamiento de los condensadores es:

I = C * (dV / dt)

Por lo tanto, si tiene una fuente de voltaje de onda sinusoidal, la corriente que fluye "a través" del condensador cambia constantemente y la carga acumulada nunca es constante. Imagínese inclinar una botella de agua medio llena de un lado a otro. El agua no fluye continuamente como la corriente en un circuito de CC, pero todavía está trabajando. Si tuviera algún dispositivo de turbina extraño en la botella de agua, estaría girando constantemente, deteniéndose solo para cambiar de dirección cuando la botella se voltea hacia el otro lado.

Finalmente, en un circuito de CC, se almacenan cargas iguales y opuestas en cada placa lateral del condensador. El condensador no almacena electrones en absoluto. Almacena un cargo. Los electrones de un lado viajan alrededor del circuito hacia el otro lado, provocados por una diferencia de voltaje externo. El resultado es una concentración de electrones en un lado y una ausencia en el otro, una carga. En un circuito de CA, este mismo fenómeno ocurre, pero cambia constantemente. Tan pronto como cambia el voltaje de suministro, los electrones no son atraídos por las placas de la misma manera y comienzan a movilizarse. Si estos electrones pasan por una carga, como una bombilla, en el camino, funcionarán y la bombilla se encenderá. Por lo tanto, la corriente no fluye realmente alrededor del circuito. Simplemente está chapoteando como agua en una botella. Sin embargo, todo lo que se necesita para encender la bombilla es mover electrones. A la bombilla no le importa en qué dirección se están moviendo, y sus ojos no pueden percibir el cambio de dirección mientras la velocidad de cambio sea lo suficientemente rápida.

También me gustaría señalar que estamos hablando de condensadores ideales. En la práctica, a frecuencias suficientemente altas, los condensadores se verán como inductores (V = L * (di / dt)).

Editar:

Para responder a la pregunta específica: ¿Dónde se almacena la carga en un condensador?

Dentro de un condensador completo, no se almacena carga neta. Sin embargo, utilizando el modelo de placa paralela , se encuentran cargas de magnitud Q iguales y opuestas en cada una de las placas. Cuando se aplica un voltaje externo a un condensador, los electrones huyen de la placa con un potencial más alto y son atraídos a la placa con un potencial más bajo. Estos electrones acumulados forman una carga negativa en esa placa y la ausencia de electrones de la otra placa forma una carga positiva. La magnitud real de cada carga total Q está determinada por el voltaje V y la capacitancia C.