¿Por qué los cables no son condensadores?

Un condensador de placa paralela consta de dos conductores paralelos con cargas opuestas. En el diagrama anterior, los cables son paralelos y conductores, ¿actúan como placas de condensador?

Si lo hacen, si tiene dos cables uno al lado del otro y conecta un condensador al final, ¿el condensador aún se cargaría tanto? Dado que todo funciona como un gran condensador, la carga no solo se acumularía en el condensador, sino que se extendería por todo el cable y el condensador, lo que significa que habría menos carga en el condensador.

Y si esto es cierto, ¿por qué la ecuación de capacitancia no tiene en cuenta la posición de los cables?

Dos cables hacen hacer un condensador. Solo uno muy pequeño. Para placas paralelas, la capacitancia se puede calcular como:

Dónde:

• $\varepsilon$es la permitividad del dieléctrico, que es principalmente aire para algunos cables, con$\varepsilon \approx 8.85 \cdot 10^{-12} \mathrm F/\mathrm m$.
• $A$ es el área de las placas
• $d$ es la distancia entre las placas

Para dos cables ordinarios en un circuito, $A$ es muy pequeño y $d$es muy grande, en comparación con las distancias en su condensador típico. Por lo tanto, la capacitancia es muy, muy pequeña, y podemos descuidarla en la mayoría de los casos.

En cuanto a su segunda pregunta, debe tener cuidado con las palabras que usa. ¿ Carga significa carga eléctrica o cuánta energía ha almacenado en el condensador? No soy la única persona frustrada por el vocabulario contradictorio en torno a los condensadores . Haré todo lo posible para ser claro.

El desequilibrio de la carga no se extendió a lo largo del alambre, en un sentido. Entre los terminales de la batería, o entre dos puntos a lo largo del cable, o entre las placas del condensador, medirá la misma diferencia de potencial con su voltímetro. El campo eléctrico existe no solo entre las placas del condensador, sino también entre las dos mitades del circuito.

Dentro del condensador, el campo eléctrico debe cambiar del potencial de la mitad al potencial de la otra mitad dentro de una distancia muy pequeña, solo la separación de las placas ($d$desde arriba: es pequeño para hacer una alta capacitancia). Por lo tanto, la intensidad de campo, medida en voltios por metro, es más alta dentro del condensador.

En cuanto a dónde va la carga eléctrica, piénselo de esta manera: la mitad del circuito tiene demasiados electrones y la otra mitad del circuito no tiene suficiente. Cuando hay demasiados electrones, quieren trasladarse a un lugar donde hay menos, porque las cargas repelentes. Entonces, para la mitad con demasiados electrones, lo más cerca que pueden llegar a un lugar donde hay menos electrones es dentro del capacitor, porque está más cerca de la otra mitad del circuito.

No todos los electrones se acumulan en el condensador, porque eso dejaría el cable con una carga positiva. Más bien, los electrones se redistribuyen para que la diferencia de potencial (voltaje) sea la misma en todas partes en esa mitad del circuito. La mayoría del exceso de electrones termina en el condensador, precisamente porque aquí es donde el campo eléctrico es más fuerte.

También puede pensar en esto para la mitad opuesta al considerar la ausencia de un electrón como un "agujero", una especie de portador de carga positiva.

También puede pensar en cómo se distribuyen las cargas eléctricas de esta manera: ya hemos establecido que los cables tienen una capacitancia muy baja, pero no nula. Capacidad$C$ es solo otra forma de decir cuánta carga $Q$ se necesita para hacer un voltaje $V$ en una cosa:

Los cables, que tienen una baja capacitancia, no requieren mucho desequilibrio de carga eléctrica (electrones extra o faltantes) para hacer un gran cambio en el voltaje. El condensador, que tiene una gran capacitancia, requiere mucho más desequilibrio de carga para cambiar el voltaje. Por lo tanto, para igualar los voltajes en cada mitad del circuito, la mayor parte de la carga desequilibrada debe terminar en el condensador, no en los cables.

El problema es más serio de lo que usted describe, porque no solo hay una capacitancia sino también una inductancia y resistencia que están cambiando todo su diseño a su frecuencia de resonancia. Una buena herramienta para calcular la capacitancia de dos cables paralelos es QuickField y puede descargar la edición para estudiantes de forma gratuita.

En las trazas de PCB, algunos valores típicos de capacitancia e inductancia son

Como puede ver, hay un gran problema, especialmente en las frecuencias altas. Estos elementos parásitos están en todas partes, y los ingenieros deben tenerlos en cuenta de acuerdo con los parámetros principales de la aplicación (frecuencia, voltaje, etc.). Puede ver debajo de los elementos pasivos principales un circuito equivalente no ideal que introduce limitaciones en su uso.

Resistor

Condensador

Inductor

Cables y líneas de transmisión

Los tamaños de componentes más pequeños generalmente resultan en parásitos más pequeños. Hoy en día, los componentes pasivos SMD en PCB permiten un diseño seguro de varios GHz. En los cables, se utilizan técnicas de líneas de transmisión (coaxial, par trenzado, cables planos, cable doble, microstip y línea de banda ...)

Sí, cualquier par de conductores separados por un dieléctrico es un condensador. La disposición de los conductores como placas paralelas aumentará la capacitancia ya que es proporcional al área de superficie. La página de wikipedia muestra cómo calcular la capacitancia de diferentes geometrías (puede verificar los cálculos en uno de los libros de texto referenciados). Se incluyen placas paralelas y dos cables. En circuitos simples, esta capacitancia parásita, como dijo Nick, no es un problema. Sin embargo, en un circuito complejo, como una PCB multicapa con circuitos analógicos y digitales, este fenómeno puede ser un gran problema.

Los ingenieros de EMC se ganan la vida probando y optimizando circuitos para evitar la capacitancia parásita y la inductancia mutua. Tenga en cuenta que las antenas son solo condensadores también. El campo eléctrico cambiante en la antena (condensador) genera ondas de radio (campo eléctrico). Por lo tanto, cualquier cable también es una antena. Además, cualquier lazo de alambre es un inductor. Todas estas consecuencias pueden ser un gran problema en el diseño de circuitos. Es bueno que hayas notado los posibles problemas.

Los cables son condensadores. Siempre que tenga una diferencia en el potencial de carga en una distancia, tendrá un campo eléctrico y, en efecto, un condensador. Si incluyese la inductancia de los cables en su esquema, habría descrito lo que se llama una "línea de transmisión".

Estos principios son la razón por la cual las líneas de alimentación de CA tienen un espaciado notablemente consistente a un voltaje dado, así como por qué los cables de antena de 300 ohmios consisten en esos dos cables paralelos espaciados con precisión entre sí. Básicamente, los globos de carga viajan a lo largo de la red LC que crean estas líneas paralelas.

Ni siquiera tienen que ser paralelas: una sola pieza recta de alambre de oro de calibre cero tiene una pequeña resistencia. Esto significa que hay una ligera diferencia de carga de extremo a extremo si pasa corriente y también puede ser su propio dieléctrico. El aire, el vacío, el aislamiento, etc. a su alrededor también actúa como dieléctrico. Debido a que esta no es una interacción placa-placa sino a lo largo de una línea, el campo sigue un patrón ovalado extendido de extremo a extremo.

Así es como funcionan las antenas monopolo y dipolo. La capacitancia es pequeña pero con frecuencia creciente se vuelve cada vez más relevante. Con esto combinado con la inductancia a lo largo del cable, la antena básicamente se convierte en su propio circuito LC y tiene una frecuencia resonante. A frecuencias más altas, la resistencia aparente debida a la inductancia incluso hace que el cable en sí mismo parezca un dieléctrico.

Q = CV o

carga = capacitancia x voltaje.

La carga en el condensador real está dictada por su voltaje terminal. ¿Sería menor la tensión del terminal en un largo par de cables al final a través de un condensador normal? No, no lo haría (dado que habrá un pequeño retraso de tiempo para que el voltaje llegue al final donde está el capacitor regular).

¿Qué pasa con la resistencia de los cables? Si el condensador tuviera fugas (fuga de CC) y fuera bastante malo, la resistencia en serie de los cables caería unos pocos milivoltios. Por supuesto, esto significa que el voltaje del terminal en el condensador ha bajado unos milivoltios y luego la carga se reduciría.

Dado que todo funciona como un gran condensador, la carga no solo se acumularía en el condensador, sino que se extendería por todo el cable y el condensador, lo que significa que habría menos carga en el condensador.

No, habría más carga en el condensador, la carga en los cables se agrega a la carga en la tapa. Pero dado que la capacidad de un cable corto es solo de unos pocos pF, el efecto es insignificante en la mayoría de los casos.

Es el dieléctrico entre los cables que crea la capacitancia. Reemplace el dieléctrico con un bloque conductor óhmico y tendrá lo que es un cable. Básicamente, cada cable tiene cierta capacitancia y cada condensador tiene cierta conductancia, generalmente conocida como condensadores con fugas, pero en ambos casos, al tratar con el análisis agrupado, asumimos cables ideales (que tienen capacitancia cero) y condensadores ideales (que tienen conductancia cero)