¿Por qué el voltaje no cae a 0 cuando un capacitor se carga por completo?

Esta es mi comprensión hasta ahora de qué son los capacitores y cómo funcionan, si ayuda a responder mi pregunta a un nivel que pueda entender:

Un capacitor se compone de dos placas conductoras de igual tamaño con una dialéctica (un aislante que puede transmitir fuerza electromagnética pero bloquea el flujo de corriente) en el medio.

Cuando una batería está conectada a un condensador no polarizado, los electrones comenzarán a propagarse desde el terminal negativo de la batería a la placa a la que está conectado.

Las partículas sin carga en esa placa recibirán un exceso de electrones, lo que hará que la placa se cargue más negativamente.

Al mismo tiempo, los electrones de valencia de las partículas sin carga de la placa a través de la dialéctica se propagarán al terminal positivo de la batería, dejando esa placa con una carga positiva o deficiencia de electrones en comparación con los protones.

La corriente dejará de propagarse cuando los átomos de la placa conectada al terminal negativo de la batería hayan aceptado el número máximo de electrones de valencia que pueden contener y cuando los átomos de la placa conectada al terminal positivo de la batería hayan perdido el máximo número de electrones de valencia que esos átomos son capaces de ceder. O cuando la placa negativa alcanza su carga negativa máxima y la placa positiva alcanza su carga positiva máxima.

Cuando se quita la batería y se reemplaza con un componente pasivo, debido a que los electrones no pueden propagarse a través de la dialéctica, fluirán en la dirección inversa en relación con la dirección del flujo de corriente durante la carga, desde la placa cargada negativamente alrededor del circuito de vuelta a la cargada positivamente. Placa para restablecer el equilibrio de carga.

Mi pregunta:

Desde el comienzo de la carga hasta que el capacitor esté completamente cargado, la corriente disminuirá gradualmente desde su tasa inicial a 0 porque, como expliqué anteriormente, los átomos en la placa cargada negativamente podrán aceptar cada vez menos electrones como la valencia de cada átomo individual. órbita alcanza su capacidad máxima.

Entonces, si los electrones están parados/no pueden propagarse a través del suministro a través del cable hacia la placa cargada negativamente, ¿cómo es posible que el voltaje permanezca constante si el voltaje es directamente proporcional/creado a partir de la propagación/corriente de electrones? ¿No deberían ser 0 el voltaje a través de la fuente y el voltaje a través del cable en este punto? ¿Y por qué no/cómo es esto posible?

El voltaje es un potencial. Si levantas un objeto y lo colocas en el estante, tiene una velocidad de 0 pero la energía potencial no se pierde hasta que cae de dicho estante. Considere las baterías en un paquete nuevo. Tienen un voltaje, pero su corriente es esencialmente "0". Los condensadores no son muy diferentes. Estoy seguro de que alguien aquí puede dar una explicación más detallada.
"¿Si el voltaje es directamente proporcional/creado a partir de la propagación/corriente de electrones?" ¿De dónde has sacado eso? Una batería desconectada tiene un voltaje pero no hay movimiento de electrones (propagación).
Piense en un condensador como un resorte. La carga es el desplazamiento del resorte, la corriente es la velocidad a la que se mueve el resorte. El voltaje es la tensión en el resorte. Aunque el resorte necesita moverse en algún momento para generar una tensión, la tensión permanece incluso cuando el resorte está en reposo. Esa analogía se puede llevar mucho más lejos, la energía almacenada en el resorte/condensador es proporcional al cuadrado del voltaje o al cuadrado de la tensión.
¿Quizás estoy confundiendo el voltaje potencial y el voltaje medido?

Respuestas (2)

Tienes algunos conceptos erróneos sobre la física detrás de ese fenómeno.

En primer lugar, aquí no estamos hablando de electrones de valencia. Las placas del condensador son metálicas, por lo que la mayoría de los electrones de las capas externas de los átomos están en la banda de conducción , no en la banda de valencia.

Los átomos de materiales metálicos forman el llamado enlace metálico , donde todos los electrones de las capas externas forman un enorme orbital que se extiende por toda la red cristalina metálica. En este tipo de "gran nube de electrones", los electrones son relativamente libres de moverse incluso sin que se apliquen fuerzas externas, es decir, no están unidos a un átomo específico.

Cuando aplicas una batería a las placas, funciona como una especie de bomba, es decir, "mueve" electrones de una placa a otra. El proceso no se detiene cuando "los átomos no pueden aceptar más electrones", sino cuando la diferencia de potencial entre las placas iguala el voltaje de la batería, alcanzando un equilibrio.

De hecho, cada electrón que se desplaza de una placa a otra genera un pequeño campo eléctrico que no es neutralizado por una carga positiva correspondiente en un átomo cercano. Como ya lo tienes, deja la carga positiva en la otra placa. Esto significa que el desplazamiento de la carga crea un campo eléctrico en el espacio entre las placas, y ese campo tiene una función de potencial correspondiente, que a su vez da lugar a esa diferencia de potencial entre las placas.

Cuanta más carga desplace, más intenso será el campo y más grande será la diferencia de potencial. Esa diferencia de potencial se opone al voltaje de la batería, y la diferencia de los dos es el "voltaje alrededor del bucle" real que hace que los electrones se muevan más. Como ha adivinado, una mayor diferencia de potencial entre las placas significa menos voltaje alrededor del bucle, por lo tanto, menos corriente (para una resistencia de circuito dada).

En teoría, este proceso es infinito (evitaré las matemáticas aquí), es decir, que el equilibrio se alcanza después de un tiempo infinito. En realidad, después de 3-5 constantes de tiempo, puede considerar que el capacitor está cargado.

Tengo que investigar un poco más para corregir esa parte de la comprensión, así que gracias por señalarlo, pero en lo que respecta a la pregunta principal: a alto nivel, si no fluye corriente hacia el capacitor, ¿es correcto decir que el potencial el voltaje del suministro sigue siendo constante pero el voltaje real medido en cualquier punto a lo largo del circuito hasta el capacitor es 0 porque no fluye corriente?
@ Ietpt123 Su pregunta no está clara. No existe tal cosa como un "voltaje en un punto". Voltaje es un nombre abreviado para una diferencia de potencial entre dos puntos . Si la corriente es cero (al "final" del proceso de carga), no tiene una caída de voltaje en los cables que conectan los polos de la batería a las placas, pero todavía tiene un voltaje en la batería y en el capacitor (en ese punto son idealmente iguales).
Creo que mi confusión es más acerca de cómo el voltaje de suministro puede permanecer constante cuando la corriente es 0 y obedecer la ley de ohmios, pero a partir de una búsqueda rápida en Google [ electronics.stackexchange.com/questions/166359/… una breve explicación dice que básicamente el voltaje en una batería es fijo e independiente de la ley de ohmios. Para reformular, ¿sería correcto decir que al "final" de la carga de un capacitor, la diferencia de corriente y potencial entre el terminal negativo de la batería y la placa cargada negativamente del capacitor es 0?
Una batería no es 'independiente de la ley de Ohm'
Y una batería no es una resistencia, aunque presenta cierta resistencia interna.
" al "final" de la carga de un condensador, la corriente y la diferencia de potencial entre el terminal negativo de la batería y la placa cargada negativamente del condensador es 0". Sí, eso es correcto, porque el cable que los conecta es una resistencia de bajo valor. , por lo tanto, sin corriente significa que no hay voltaje en la resistencia.

Todos los condensadores tienen una resistencia en serie efectiva (ESR) y una corriente de fuga a la tensión nominal máxima equivalente a una resistencia en paralelo.

Los conductores tienen una banda de valencia y una banda de conducción que se superponen, por lo que los electrones pueden saltar fácilmente entre las dos bandas, lo que significa que el material es altamente conductor. Los semiconductores tienen un espacio pequeño y los aisladores tienen un espacio muy grande que puede ser puenteado por contaminantes y esto afecta el umbral de ruptura.

Los efectos de la fuerza EMF en la corriente se deben a la diferencia de potencial entre el voltaje de la carga dieléctrica visto por los electrodos y el voltaje aplicado y la corriente está limitada por el capacitor ESR pero cuando no está limitada sigue las leyes de carga dQ/dt=Ic= CdV/dt y el voltaje se distribuye por V C ( t ) = I C ( t ) ∗ mi S R + ∫ I C ( t ) + V C ( t = 0 )

Aquí hay un casquete polar de propósito general (GP) 10uF. con todas las formas de onda y corriente de ondulación RMS. Estos tienden a tener un ESR*C = T > 100us mientras que los e-caps de ESR bajos son < 10us.

¿Por qué el voltaje no cae a 0 cuando un capacitor se carga por completo?
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