¿Por qué un capacitor infinitamente grande es un circuito abierto de CC?

¿Alguna vez tomó un telescopio, sostuvo el extremo equivocado de su ojo y descubrió que no puede entender lo que ve?

Lo único malo de usar este telescopio para ver cómo se comporta una capacitancia infinita

$I=C\frac{dU}{dt}$

es que usted no está sosteniendo el final útil a su ojo.

Pruébalo de esta manera

$\frac{dU}{dt}=\frac{I}{C}$

Lo que significa esta ecuación es que puede empujar cualquier cantidad finita de corriente, por grande que sea, en un capacitor infinito, y su voltaje no cambiará. Esta es una aproximación conveniente para el comportamiento de capacitores 'muy grandes', cuyo voltaje 'no cambia mucho' durante la operación. LTSpice tiene un condensador infinito, y supongo que la mayoría de las otras especias también lo tienen. Estos son útiles para aproximar capacitores de acoplamiento o desacoplamiento, cuando no está interesado en su desviación del ideal.

Ahora, si reformula su pregunta como 'Tengo un componente cuyo voltaje de terminal no puede cambiar , y cambio su voltaje de terminal ...', bueno, obtiene lo que obtiene.

Es posible que desee editar su título para que diga 'Cortocircuito de CC'.

Este es uno de los muchos casos en los que es importante pensar realmente en lo que sucede físicamente en un capacitor.

Los condensadores no almacenan carga. Almacenan energía y la almacenan en un campo eléctrico. Un campo entre dos placas. Si fuerza más electrones en una placa de los que normalmente quiere que estén allí, tiene una carga neta negativa. Esto significa que algunos de los electrones en la otra placa, que antes sentían una carga neta cero, están sintiendo una fuerza repulsiva del campo de carga negativa generado por el exceso de electrones en una placa. Entonces, los electrones son empujados fuera de esa placa, exactamente el número necesario para hacer que esa placa sea tan positiva como la otra es negativa.

El número de electrones en un condensador ideal (y los reales para todos los efectos) es fijo. Un condensador cargado no tiene ni más ni menos carga que uno sin carga. Por cada electrón que fuerza en una placa, un electrón será empujado fuera de la otra placa, equilibrando perfectamente la carga neta. O tal vez esté extrayendo electrones de una placa, lo que provocará que un electrón adicional sea atraído hacia la placa opuesta.

A medida que los capacitores se cargan, desarrollan una caída de voltaje a través de ellos, y si hay un componente de CC en la señal de una placa, lentamente (o rápidamente, dependiendo del tamaño) pero seguramente cargará la caída de voltaje a través del capacitor hasta que sea igual a el voltaje a través de él, y ahora no tienes suficiente EMF para empujar otro electrón a una placa y sacar otro electrón de la otra placa.

Esta es la razón por la que los condensadores más grandes pueden conducir frecuencias más bajas. Un componente de CA alterna la dirección desde el punto de vista del condensador. Una señal de CA sin un componente de CC puede simplemente usar un capacitor como conductor porque la corriente en una placa significa una cantidad igual de corriente que sale de la otra placa, y esto puede continuar indefinidamente siempre que la corriente invierta la dirección y equilibre el electrón. desplazamiento.

Me gusta visualizarlo como una lámina de goma estirada sobre un tubo lleno de agua, y hay una varilla del otro lado que puedes agarrar. Puede empujar y tirar de la varilla y, por lo tanto, de la membrana, que empujará y tirará del agua, pero en realidad no puede bombear agua de esta manera, solo moverla hacia atrás y hacia adelante. El bombeo es CC.

Las frecuencias más bajas requieren empujar o tirar en una dirección durante más tiempo, más distancia y requieren más carga para poder hacerlo. Una gran membrana de 10 pies de ancho, podría estirarse varios pies hacia adelante o hacia atrás. Uno del tamaño de un dedal se moverá un centímetro. También puede pensar en términos de longitud de onda: las frecuencias más bajas tienen ondas más grandes, longitudes de onda más largas, por lo que simplemente debe haber más carga de placa disponible para manejar el desplazamiento de carga más grande, incluso si es temporal y se cancela en general.

Pero, volviendo a la pregunta original. Si un condensador tuviera un número infinito de electrones disponibles, porque tiene placas infinitamente grandes para obtener esa suma principesca de infinitos faradios de capacitancia, no importa cuánta carga empuje o tire de cualquiera de las placas, siempre generará suficiente campo eléctrico para producir un voltaje a través de él. Cualquier corriente no producirá ningún voltaje a través del condensador, lo que significa que no se almacenará energía, y puedes seguir empujando la membrana tanto como quieras sin estirarla. Puede simplemente empujar tantos electrones en una placa y hacer que salgan tantos electrones de la otra y hacer esto para siempre.

Incluso tendrá una diferencia de fase (el componente imaginario) de 0, como un cortocircuito.

Excepto que no es un corto.

Hay una cosa sutil que intencionalmente he dejado fuera de todo esto.

Un condensador infinito no tiene que tener energía cero almacenada. Tampoco necesita tener 0V a través de él. Puede tener cualquier intensidad de campo eléctrico que desee y, por lo tanto, cualquier voltaje. Lo único que no puede hacer es cambiar la intensidad de ese campo y, por lo tanto, el voltaje.

Por lo tanto, no es correcto llamar corto a un capacitor infinito, porque un corto siempre tendrá 0V en él. Un capacitor infinito puede tener cualquier voltaje que desees, simplemente no se puede cambiar.

Es por eso que un capacitor infinito generalmente se llama por su nombre más familiar, que es una fuente de voltaje ideal.

Un capacitor infinito y una fuente de voltaje ideal son el mismo objeto y concepto teórico.

Entonces, para dejar de divagar y responder realmente a su pregunta, no, un capacitor infinito no es corto. Es una fuente de voltaje, porque se comportan de manera idéntica en todos los sentidos a cualquier voltaje, incluido el cero. Entonces, la parte en la que te equivocaste es que un condensador infinito no estaba parcialmente cargado por la tortuga en la que viaja el universo antes de que existiera el universo, y por lo tanto siempre tiene un voltaje a través de él que no se puede cambiar.

Por supuesto, todo esto es una tontería. No hay ninguna implicación aquí, ya que las aproximaciones no implican la realidad. Y esa ecuación es una aproximación, ya que la carga está cuantizada y la ecuación asume que es continua. Por lo tanto, no sirve como fuente de verdad sobre la realidad, pero es excelente para hacer predicciones con un error entre 0 y ± ¡una elección!

Un voltaje de CC puro es siempre constante y nunca cambia, es decir. no tiene componente AC. No puede poner voltaje de CC puro a través de un capacitor, porque eso implica un cambio en el voltaje, que es CA.

Para que un condensador (de cualquier tamaño) tenga un voltaje de CC puro, ese voltaje siempre debe haber estado allí. Si el voltaje siempre ha estado allí, entonces el capacitor ya debe estar cargado, por lo que no fluye corriente y ¡es un circuito abierto de manera efectiva!

Lo que esto significa en la práctica es que un capacitor solo responde al componente de CA de una forma de onda. Por ejemplo, si enciende un dispositivo que tiene un condensador de filtro de fuente de alimentación, el condensador ve el borde de ataque de una onda cuadrada. Después de un tiempo, el capacitor se cargará hasta el punto en que prácticamente no fluya corriente, y luego podrá decir que es un "circuito abierto a CC". Pero cuando apaga el dispositivo, el capacitor ve el borde posterior de una onda cuadrada y se descarga. Entonces, realmente no aplicó CC al capacitor, aplicó una forma de onda de CA con una compensación de CC.

En lo que respecta a un capacitor, no existe la CC, solo frecuencias que son lo suficientemente bajas como para que se cargue y descargue en un tiempo relativamente insignificante y, por lo tanto, es prácticamente un circuito abierto en esas frecuencias.

Pero, ¿y si el capacitor fuera infinitamente grande? Entonces sería más grande que el Universo, lo cual es imposible. Pero seguiría siendo un circuito abierto porque el voltaje de CC siempre habrá estado allí.

¿Está diciendo que el voltaje a través del capacitor nunca debería cambiar?

Piense en ambos lados también, que el voltaje está cambiando abruptamente. Entonces, es físicamente imposible para el condensador.

Dado que el voltaje a través del capacitor no puede cambiar abruptamente para bajas frecuencias.

Pero dado que la impedancia Z = 1 / jwc Entonces, para bajas frecuencias, el capacitor actúa como abierto

Y para frecuencias altas, actuará como cortocircuito.