Energía almacenada en el condensador con dieléctrico
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Como ya hemos comentado, un material aislante colocado entre las placas de un condensador se llama dieléctrico. La inserción de un dieléctrico entre las placas de un condensador afecta a su capacitancia. Para ver por qué, consideremos un experimento descrito en la Figura 8.17. Inicialmente, un condensador con capacitancia [latex]{C}_{0}[/latex] cuando hay aire entre sus placas es cargado por una batería al voltaje [latex]{V}_{0}[/latex]. Cuando el condensador está totalmente cargado, la batería se desconecta. Una carga [latex]{Q}_{0}[/latex] reside entonces en las placas, y la diferencia de potencial entre las placas se mide como [latex]{V}_{0}[/latex]. Ahora, supongamos que insertamos un dieléctrico que llena totalmente el espacio entre las placas. Si controlamos la tensión, encontramos que la lectura del voltímetro ha bajado a un valor menor V. Escribimos este nuevo valor de tensión como una fracción de la tensión original [latex]{V}_{0}[/latex], con un número positivo [latex]\kappa[/latex], [latex]\kappa >1[/latex]:
La constante [latex]\kappa[/latex] en esta ecuación se llama la constante dieléctrica del material entre las placas, y su valor es característico para el material. Una explicación detallada de por qué el dieléctrico reduce el voltaje se da en la siguiente sección. Diferentes materiales tienen diferentes constantes dieléctricas (en la siguiente sección se proporciona una tabla de valores para materiales típicos). Una vez que la batería se desconecta, no hay camino para que la carga fluya hacia la batería desde las placas del condensador. Por lo tanto, la inserción del dieléctrico no tiene ningún efecto sobre la carga en la placa, que permanece en un valor de [latex]{Q}_{0}[/latex]. Por lo tanto, encontramos que la capacitancia del condensador con dieléctrico es
Densidad energética del condensador
Considera de nuevo el tubo de rayos X que se ha comentado en el problema de ejemplo anterior. ¿Cómo se puede producir un campo eléctrico uniforme? Una sola carga positiva produce un campo eléctrico que apunta lejos de ella, como en la figura 18.18. Este campo no es uniforme, porque el espacio entre las líneas aumenta al alejarse de la carga. Sin embargo, si combinamos una carga positiva y una negativa, obtenemos el campo eléctrico que se muestra en la figura 18.20(a). Observe que, entre las cargas, las líneas del campo eléctrico están más espaciadas. ¿Qué sucede si colocamos, digamos, cinco cargas positivas en una línea frente a cinco cargas negativas, como en la figura 18.29? Ahora la región entre las líneas de carga contiene un campo eléctrico bastante uniforme.
Figura 18.29 Los puntos rojos son cargas positivas y los azules son cargas negativas. La dirección del campo eléctrico se muestra con las flechas rojas. Observe que el campo eléctrico entre los puntos positivos y negativos es bastante uniforme.
Podemos ampliar esta idea aún más y en dos dimensiones colocando dos placas metálicas frente a frente y cargando una con carga positiva y la otra con una magnitud igual de carga negativa. Esto puede hacerse conectando una placa al terminal positivo de una batería y la otra placa al terminal negativo, como se muestra en la figura 18.30. El campo eléctrico entre estas placas cargadas será extremadamente uniforme.
Energía almacenada en un condensador de placas paralelas
ResumenLa creciente demanda de sistemas eléctricos y electrónicos de alta densidad de potencia ha fomentado el desarrollo de condensadores de almacenamiento de energía con atributos tales como alta densidad de energía, alta densidad de capacitancia, alta tensión y frecuencia, bajo peso, operabilidad a alta temperatura y respeto al medio ambiente. En comparación con sus homólogos electrolíticos y de película, los condensadores cerámicos multicapa de almacenamiento de energía (MLCC) destacan por su resistencia en serie equivalente extremadamente baja
y la inductancia equivalente en serie, la alta capacidad de manejo de corriente y la estabilidad a altas temperaturas. Estas características son importantes para aplicaciones como los semiconductores de banda ancha de tercera generación de conmutación rápida en vehículos eléctricos, estaciones base 5G, generación de energía limpia y redes inteligentes. Se han publicado numerosos informes sobre soluciones de almacenamiento de energía MLCC de última generación. Sin embargo, los condensadores sin plomo suelen tener una baja densidad energética, y los condensadores de alta densidad energética
de alta densidad energética suelen contener plomo, lo cual es un problema clave que dificulta su amplia aplicación. En esta revisión, presentamos las perspectivas y los retos de los MLCC de almacenamiento de energía sin plomo. En primer lugar, se presenta el mecanismo de almacenamiento de energía y la caracterización del dispositivo; a continuación, se resumen las cerámicas dieléctricas para aplicaciones de almacenamiento de energía con aspectos de composición y optimización estructural. Tras la elaboración del proceso de fabricación y el diseño estructural del electrodo, se discuten los avances en los MLCC de almacenamiento de energía más avanzados. A continuación, se discuten las aplicaciones emergentes de los MLCC de almacenamiento de energía en términos de fuentes de energía pulsada avanzadas y convertidores de energía de alta densidad desde un punto de vista teórico y tecnológico. Por último, se discuten los retos y las perspectivas de futuro para la industrialización de los MLCC de almacenamiento de energía sin plomo a escala de laboratorio.
Fórmula de la energía almacenada en un condensador de placas paralelas
Actualmente estoy en el concepto de densidad de energía y el almacenamiento de energía potencial eléctrica en el propio campo (que es un concepto bastante nuevo y genial para mí). Sin embargo, todavía no tengo un conocimiento sólido de cómo se almacena la ENERGÍA potencial en primer lugar. Me gustaría pedir algún consejo/corrección para mi cadena de razonamiento.
Coloco dos láminas conductoras suficientemente grandes razonablemente juntas (pero sin tocarse). Esto forma un condensador de placas paralelas. También he aprendido que un plano de carga suficientemente grande produce un campo uniforme y perpendicular. Colocando dos placas paralelas con densidad de carga opuesta se formaría un campo eléctrico, pero SÓLO dentro del espacio entre ellas, ya que los campos exteriores se anulan totalmente. Consideremos un caso en el que no hay campos de fricción y esto se aproxima suponiendo una placa suficientemente grande.
Ahora, si quiero cargar el condensador, esto significa bombear cargas en una de las placas que, por inducción, produce una carga igual pero opuesta en la placa opuesta. Se supone que la energía potencial eléctrica se almacena porque se necesita trabajo para mover la carga contra el campo eléctrico (y de hecho es igual al trabajo si ponemos 0 de energía potencial a un estado sin carga). Como analogía, me imagino un condensador como un muelle en el que “comprimir el muelle” significa añadir carga.
