¿Cómo puede almacenar un condensador la carga mientras pasa también la corriente?

Es fácil. Un condensador no almacena carga, almacena energía . La carga neta en un condensador completo (en lugar de considerar una sola placa o el aislante) nunca cambia. Un aumento de la carga negativa en una placa se equilibra exactamente por una disminución de la carga negativa en la otra placa. Por lo tanto, a medida que la corriente ingresa a un terminal, una corriente igual debe abandonar el otro terminal.

Este es el tipo de versión de dibujos animados, pero funciona en mi cabeza.

Hay un espacio de aislamiento en el condensador, por lo que los electrones individuales no pueden viajar de un terminal al otro. ¡Así que los electrones que entran no son los mismos que salen del 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 llega a la fuente. Tenemos un circuito completo, pero los electrones se acumulan en una placa y los orificios se acumulan en la otra.

Ahora, hay un límite a la cantidad de electrones que se pueden acumular en la placa. Los electrones se repelen entre sí, así que cuanto más hay, más difícil es que se pegue otro. Necesitamos algo que los obligue a permanecer juntos en el plato. Eso es voltaje. A la inversa, el hecho de que los electrones intenten repelerse entre sí también es un voltaje, una fuerza que intenta mover los electrones alrededor de un circuito.

Ahora, cuando un electrón entrante quita uno de la otra placa, el electrón saliente tiene menos energía que el entrante, lo que explica la caída de voltaje en el condensador cargado.

Por supuesto, los electrones no se mantienen quietos, incluso si no hay a dónde ir en una escala macro. Todos se repelen unos a otros, "rebotan" en el campo eléctrico del otro. Si esos campos se vuelven demasiado intensos (el voltaje es demasiado alto), las interacciones pueden hacer 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 dura demasiado tiempo, el dieléctrico se daña y ya no tienes una gorra muy buena.

Cargar puede significar muchas cosas. Podemos hablar de cargar un capacitor con energía, como cargamos bombas o tarjetas de crédito prepagas. También podemos tomar carga eléctrica , que se mide en coulombs.

Aproximadamente 6.241 × 10 ¹⁸ los electrones hacen que 1C sea de carga. Sin embargo, cuando las personas hablan de la carga de en un condensador , no están hablando de electrones en un condensador, como si se tratara de cookies en un bote de galletas. Están hablando de otra cosa. Es confuso, pero es lo que hacen de todos modos.

De lo que están hablando en realidad es la integral de la versión actual. Es decir, la corriente media que ha estado fluyendo, por cuánto tiempo ha estado fluyendo. Si la corriente se mide en amperios , y el tiempo en segundos, cuando se toma la corriente y se multiplica por tiempo, se obtiene un Lo medido en amperios-segundos. Y, si recuerdas, un amperio significa un culombio por segundo. Así:

$$ A = \ frac {1C} {s} \\ 1A \ cdot s = \ frac {1C} {s} \ cdot s = 1C $$

Es decir, un amperio-segundo es un coulomb. La integral de la corriente es carga . Entonces, cuando alguien dice que un capacitor está "almacenando 1C de carga", no significa que haya 1C de electrones en el capacitor, que significa que 1C de carga ha pasado a través de el capacitor. El condensador 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 condensador como un dispositivo de almacenamiento de energía que como un dispositivo de almacenamiento de carga. Cuando la corriente fluye hacia un condensador, se acumula una tensión en los 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 intentan rodear el 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 se seguirá acumulando hasta que el circuito con el condensador esté 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 hay corrientes cambiantes, un capacitor aparece como un circuito abierto con la carga acumulada proporcional al voltaje a través de los terminales y la capacitancia.

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

I = 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 estable. Imagínese volteando 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 tuvieras algún extraño dispositivo de turbina 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, se almacenan cargas iguales y opuestas en cada placa lateral del capacitor. El condensador no almacena electrones en absoluto. Almacena una carga. Los electrones de un lado se desplazan alrededor del circuito hacia el otro lado como lo provoca una diferencia de voltaje externo. El resultado es una concentración de electrones en un lado y una ausencia en el otro, una carga. En un circuito de CA, este mismo fenómeno ocurre, pero está cambiando constantemente. Tan pronto como cambia la tensión de alimentación, 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, funcionarán y la bombilla se encenderá. Por lo tanto, la corriente no está realmente fluyendo alrededor del circuito. Es simplemente chapotear de un lado a otro como el agua en una botella. Sin embargo, todo lo que se necesita para encender la bombilla es mover electrones. A la bombilla no le importa en qué dirección se mueven, y sus ojos no pueden percibir el cambio de dirección mientras 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 condensadores se verán como inductores (V = L * (di / dt)).

Editar:

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

Dentro de un capacitor completo, no se almacena carga neta. Sin embargo, utilizando el modelo de placa paralela , hay 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 a 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.