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

Es fácil. Un condensador no almacena carga, almacena energía . La carga neta en un capacitor completo (en lugar de considerar una sola placa o el aislador) nunca cambia. Un aumento de carga negativa en una placa se equilibra exactamente con una disminución de carga negativa en la otra placa. Por lo tanto, cuando la corriente entra en 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 capacitor, por lo que los electrones individuales no pueden viajar de una terminal a la otra. ¡Así que los electrones que entran no son los mismos que salen por el 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 acumulan en una placa y los agujeros se acumulan en la otra!

Ahora, hay un límite para la cantidad de electrones que se pueden acumular en la placa. Los electrones se repelen entre sí, por lo que cuanto más hay, más difícil es que otro se pegue. Necesitamos algo que los obligue a permanecer juntos en el plato. Eso es voltaje. Por el contrario, el hecho de que los electrones estén tratando de repelerse entre sí también es un voltaje, una fuerza que intenta 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 tensión en el condensador cargado.

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

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

Aproximadamente 6.241 × 10 ¹⁸ electrones forman 1C de carga. Sin embargo, cuando la gente habla de carga en un capacitor , no están hablando de electrones en un capacitor, como si hablaran de galletas en un tarro de galletas. Están hablando de otra cosa. Es confuso, pero es lo que hacen de todos modos.

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

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

Es mejor pensar en un capacitor como un dispositivo de almacenamiento de energía que como un dispositivo de almacenamiento de carga. Cuando la corriente fluye hacia un capacitor, se acumula un voltaje en las 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 capacitor. Los electrones están tratando de dar la vuelta al circuito, pero se detienen en la placa del capacitor, 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 capacitor sea estable. Por ejemplo, si el circuito fuera simplemente una batería, una resistencia y un capacitor en serie, la corriente continuaría fluyendo hasta que el voltaje del capacitor fuera igual al voltaje de la batería. Por lo tanto, en un circuito de CC de estado estable, donde no cambian las corrientes, un capacitor aparece como un circuito abierto con la carga acumulada proporcional al voltaje entre los terminales y la capacitancia.

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

Yo = C*(dV/dt)

Por lo tanto, si tiene una fuente de voltaje de onda sinusoidal, la corriente que fluye "a través" del capacitor cambia constantemente y la carga acumulada nunca es constante. Imagine 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 sigue funcionando. 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 inclina hacia el otro lado.

Finalmente, en un circuito de CC, las cargas iguales y opuestas se almacenan en cada placa lateral del capacitor. El condensador no almacena electrones en absoluto. Almacena una carga. Los electrones de un lado viajan por todo el circuito hasta el otro lado provocados por una diferencia de voltaje externa. El resultado es una concentración de electrones en un lado y una ausencia en el otro, una carga. En un circuito de CA, ocurre este mismo fenómeno, pero cambia constantemente. Tan pronto como cambia el voltaje de suministro, los electrones no son atraídos a las placas de la misma manera y comienzan a movilizarse. Si estos electrones pasan a través de una carga, como una bombilla, en el camino, harán trabajo y la bombilla se encenderá. Por lo tanto, la corriente en realidad no fluye alrededor del circuito. Simplemente está chapoteando de un lado a otro como agua en una botella. Sin embargo, todo lo que se necesita para encender la bombilla son electrones en movimiento. A la bombilla no le importa en qué dirección se mueven, y sus ojos no pueden percibir el cambio de dirección siempre que 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 capacitores se verán como inductores (V = L*(di/dt)).

Editar:

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

Dentro de un capacitor completo, no se almacena carga neta. Sin embargo, utilizando el modelo de placas paralelas , se ubican cargas iguales y opuestas de magnitud Q en cada una de las placas. Cuando se aplica un voltaje externo a un capacitor, los electrones huyen de la placa con un potencial más alto y son atraídos hacia 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.