Importancia del dieléctrico en un condensador

El propósito del dieléctrico es poder almacenar la mayor cantidad de carga posible en el condensador, con el tamaño más pequeño posible. La capacitancia para un condensador de placa paralela viene dada por:

$$ C = [k] \ epsilon _ {0} \ frac {A} {d} $$ donde \ $ A \ $ es área y \ $ d \ $ es distancia; \ $ \ epsilon _ {0} \ $ es la permitividad del vacío, y k es la constante dieléctrica relativa del material dieléctrico (si existe).

Así que quieres C grande, y un paquete pequeño; así que tienes que reducir d, pero esto significa un mayor campo E porque

$$ V = \ int_ {d} {E \ mathrm {\ ds}} $$

para que no puedas presionarlo demasiado, porque es más fácil de romper. Así que puedes intentar aumentar A (pero luego el paquete se hace más grande) o k, lo que se hace con dieléctricos.

Sobre la energía, esto viene dado por

$$ E = \ frac {1} {2} CV ^ {2} \\ Q = CV \\ E = \ frac {1} {2} Q ^ {2} \ frac {1} {C} $$

lo que significa que si puede aumentar la capacidad, puede almacenar la misma carga con menos voltaje, por lo que se reduce la energía general; pero esto es más una ventaja que una desventaja, porque como se señaló anteriormente, el límite para una distancia dada entre las placas es el campo E, así que con el dieléctrico puede almacenar más carga con la misma energía.

Tenga en cuenta que en la tecnología MOS moderna, para reducir el grosor de la capa de aislamiento de Gate, es común el uso de dieléctricos high-k , que permite una capacitancia de compuerta más grande con fugas reducidas.

Si toma dos condensadores de dimensiones idénticas, y en uno utiliza aire o vacío para un dieléctrico, y en el otro, coloca un poco de material sólido y aplica el mismo voltaje a cada uno, debe encontrar que el que tiene el sólido el material en realidad tiene una mayor densidad de energía, no menor como dices.

Si luego coloca cantidades iguales de energía en ambos condensadores, encontrará que el que tiene el dieléctrico sólido tiene un voltaje más bajo, debido a las propiedades del dieléctrico, pero esto no es lo mismo que tener una densidad de energía más baja . Esto se debe a que una mayor densidad de energía significa más julios en el capacitor por voltio en él, por lo que se necesita menos voltaje para almacenar la misma energía.

Si te he entendido correctamente, tu confusión proviene de la ecuación: -

\ $ Q = CV \ $

lo que implica que si la capacitancia aumenta, la carga aumenta proporcionalmente. Al reorganizar esta ecuación se obtiene: -

\ $ V = \ dfrac {Q} {C} \ $

... lo que implica que al aumentar la capacitancia se reduce el voltaje. Pero en el primer caso se supone que el voltaje permanece constante y en el segundo caso que la carga permanece constante.

Mire el circuito superior debajo e imagine que varía la capacitancia del capacitor. El voltaje permanece constante pero la corriente fluirá y la carga variará como en la primera ecuación. En el segundo circuito, se elimina la fuente de voltaje. Si variamos la capacitancia ahora, la carga permanece constante ya que no hay ningún lugar para que vaya, por lo que el voltaje varía como en la segunda ecuación.