Soy un estudiante de ingeniería mecánica y estoy trabajando en un proyecto que involucra un capacitor de alto voltaje.
Entiendo que cuando aumenta la separación entre las placas de un condensador cargado, aumenta la tensión. Pero realmente me gustaría saber qué sucede con las placas si el condensador está completamente cargado, desconectado del circuito de carga y luego las placas se separan una a otra por una distancia infinita. ¿Permanecerá cargada cada placa?
Carga = capacitancia x voltaje (\ $ Q = C \ cdot V \ $)
Si el capacitor tiene un voltaje en sus placas y la alimentación se desconecta, la carga permanece independientemente de la distancia, de modo que si la distancia aumenta (y la capacitancia disminuye), entonces el voltaje aumenta proporcionalmente. Si las placas se llevan a una distancia infinita, el voltaje se vuelve infinito.
Cabe señalar que la energía "retenida" en el condensador aumenta a medida que las placas se separan, es decir,
Energía = \ $ \ dfrac {CV ^ 2} {2} \ $
El aumento de energía se produce porque se debe trabajar (julios) para separar físicamente las placas, es decir, se necesita una fuerza para abrir la brecha. Esto, creo, mantiene feliz y sonriente toda la conservación de energía y ecuaciones de carga. Recuerde que en un condensador normal, hay una fuerza atractiva entre las dos placas con carga opuesta y es esta fuerza la que está tratando de evitar que las placas se separen.
Si las placas de condensadores permanecen conectadas a la fuente de alimentación, a medida que aumenta la distancia, la tensión debe permanecer igual, por lo que la carga se reduce (porque C se reduce) y esto empuja la corriente a la fuente de alimentación.
Las infinidades pueden ser complicadas.
La fuerza entre dos partículas cargadas varía inversamente con el cuadrado de la distancia entre ellas. La energía requerida para aumentar la distancia entre dos partículas con carga opuesta desde d 1 a d 2 es la integral de la fuerza sobre esa trayectoria. Incluso si d 2 es infinito, esta integral tiene un valor finito.
Este resultado generaliza grandes colecciones de cargas en, por ejemplo, las placas de un capacitor. Lo que esto significa en términos de su pregunta es que la capacitancia de las dos placas en realidad no tiende a cero cuando se separan, y el voltaje no llega al infinito. Una forma de interpretar este resultado es decir que cada placa individualmente tiene un valor mínimo de capacidad para el universo "en general".
Puede ayudar a visualizar esto no como dos placas paralelas, sino como dos esferas concéntricas, y permitir que la esfera exterior crezca a un radio infinito.
También puede ayudar a dibujar la analogía con la gravedad, que es otra fuerza inversa al cuadrado. Un objeto que cae a la superficie de la Tierra, incluso desde una distancia infinita, tiene una cantidad finita de energía (y una velocidad finita) cuando llega.
Tenga en cuenta que la carga no necesariamente permanece en las placas. Especialmente cargando un frasco de Leyden a alto voltaje, las cargas saltarán el espacio de aire entre la lámina y el frasco para sentarse directamente sobre la superficie dieléctrica. Puedes quitar las placas, pero la carga permanece con el frasco. Aquí hay una buena demostración enlace
Pero podría realizar el experimento mental original utilizando un dieléctrico de doble capa. Construya un condensador de dos piezas de papel de aluminio, con dos hojas de plástico entre ellas. Luego, cárguelo a alto voltaje, retire la lámina y las hojas de plástico permanecerán pegadas. Luego retire las láminas de plástico y, en un medio de aislamiento perfecto, deben permanecer completamente cargadas. En el aire, su densidad de carga superficial sería demasiado alta y se desangraría en cuanto se separen, hasta el límite de 26.55 microcoulombs por metro cuadrado enlace ... aunque todavía es suficiente para pegar un globo al techo :)
La carga permanecerá en las placas de un capacitor a menos que esa carga pueda llevarse a otra parte. Si las placas cargadas están aisladas, luego se separan en un vacío, mantendrán su carga indefinidamente. El polvo, la humedad, el aire en sí, pueden eliminar esa carga distinta de cero.
Las cargas iguales se repelen, por lo que se extienden sobre la superficie de un conductor. La placa o el ensamblaje de la placa no se separarían realmente hasta que estemos hablando de cargas increíblemente densas. Incluso entonces, esperaría capturar el polvo, ionizar el aire o eliminar átomos de "conductores" uno a la vez en lugar de causar que la placa se deshaga en una escala macroscópica más.
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