Carga y descarga de un condensador real

Carga de un condensador

El circuito que representa la carga de un condensador real sería el siguiente.

Donde r es la resistencia interna del condensador.

Las ecuaciones son

V ab + V bc + V cd + V da =0   iR+ q C − V ε =0 V ae + V ef + V fd + V da =0   iR+ i 1 r− V ε =0             i= i 1 + i 2

Despejamos del sistema de ecuaciones las intensidades i1 e i2

i 1 = q rC    i 2 = 1 R [ V ε − q C ( 1+ R r ) ]

Teniendo en cuanta que i2=dq/dt, calculamos la carga q del condensador en función del tiempo t, sabiendo que en el instante t=0, q=0, el condensador está inicialmente descargado.

dq dt =a−bq   ∫ 0 q dq a−bq = ∫ 0 t dt q= a b ( 1−exp⁡(−bt) ) q= r r+R V ε C( 1−exp⁡( − t τ ) )  τ= 1 b = rR r+R C

Las intensidades valen

i 2 = dq dt = V ε R exp⁡( − t τ )    i 1 = q rC = V ε r+R ( 1−exp⁡( − t τ ) ) i= i 1 + i 2 = V ε r+R ( 1+ r R exp⁡( − t τ ) )

Energías

Energía almacenada en el condensador en el instante t

E C = 1 2 q 2 C = 1 2 ( V ε r r+R ) 2 C ( 1−exp⁡( − t τ ) ) 2

Energía disipada en la resistencia interna r.

E r = ∫ 0 t i 1 2 r·dt= ∫ 0 t r ( V ε r+R ) 2 ( 1−exp⁡( − t τ ) ) 2 dt= r ( V ε r+R ) 2 ( t− τ 2 exp⁡( − 2t τ )+2τexp⁡( − t τ )− 3 2 τ )

Energía disipada en la resistencia R.

E R = ∫ 0 t i 2 R·dt= ∫ 0 t R ( V ε r+R ) 2 ( 1+ r R exp⁡( − t τ ) ) 2 dt= R ( V ε r+R ) 2 ( t− τ 2 r 2 R 2 exp⁡( − 2t τ )−2 r R τexp⁡( − t τ )+ τ 2 r 2 R 2 +2 r R τ )

Energía suministrada por la batería

E ε = ∫ 0 t V ε i·dt= ∫ 0 t V ε 2 r+R ( 1+ r R exp⁡( − t τ ) ) dt= V ε 2 r+R ( t− r R τexp⁡( − t τ )+ r R τ )

Comprobamos que parte de la energía suministrada por la batería Eε, se almacena en el condensador EC y otra parte, se disipa en la resistencia interna Er y externa ER.

Eε=ER+Er+EC

Después de un tiempo grande exp(-t/τ) tiende a cero

La carga máxima del condensador es

q máx = r r+R V ε C

y la energía acumulada en el condensador es

E C = 1 2 q máx 2 C = 1 2 ( r r+R ) 2 V ε 2 C

Descarga de un condensador real

Las ecuaciones son

V ab + V bc + V cd + V da =0   iR+ q C =0 V ae + V ef + V fd + V da =0   iR+ i 1 r=0             i= i 1 + i 2

Despejamos del sistema de ecuaciones las intensidades i1 e i2

i 1 = q rC    i 2 =− q C ( 1 R + 1 r )

Teniendo en cuanta que i2=dq/dt, calculamos la carga q del condensador en función del tiempo t, sabiendo que en el instante t=0, q=q0, el condensador está inicialmente cargado.

dq dt =−bq   ∫ q 0 q dq q =−b ∫ 0 t dt q= q 0 exp⁡(−bt) q= q 0 exp⁡( − t τ )  τ= 1 b = rR r+R C

Las intensidades valen

i 2 = dq dt =− q 0 C r+R rR exp⁡( − t τ )    i 1 = q rC = q 0 rC exp⁡( − t τ ) i= i 1 + i 2 =− q 0 CR exp⁡( − t τ )

Energías

Energía almacenada en el condensador en el instante inicial

E C = 1 2 q 0 2 C

Energía disipada en la resistencia interna r.

E r = ∫ 0 t i 1 2 r·dt= ∫ 0 t r( q 0 rC exp⁡( − t τ ) ) 2 dt= 1 r ( q 0 C ) 2 ( τ 2 − τ 2 exp⁡( − 2t τ ) )

Energía disipada en la resistencia R.

E R = ∫ 0 t i 2 R·dt= ∫ 0 t R ( − q 0 CR exp⁡( − t τ ) ) 2 dt= 1 R ( q 0 C ) 2 ( τ 2 − τ 2 exp⁡( − 2t τ ) )

Comprobamos que la energía suministrada por el condensador se disipa en las dos resistencias

Δ E C = 1 2 q 0 2 C − 1 2 q 2 C = 1 2 q 0 2 C ( 1−exp⁡( − 2t τ ) ) Δ E C = E r + E R

Después de un tiempo grande exp(-2t/τ) tiende a cero

La energía almacenada en el condensador se disipa en las dos resistencias.

EC=Er∞+ER∞

Referencias

Carvalho P. S., Sampaio e Sousa A., Helping students understand real capacitors: measuring efficiencies in a school laboratory. Physics Education 43 (4) July 2008, pp. 400-406.