Dos condensadores con pérdidas en serie

Un condensador con pérdida de carga es equivalente a un condensador ideal de capacidad C que se descarga a través de una resistencia R. Como ya hemos estudiado en la página anterior, la carga del condensador disminuye exponencialmente con el tiempo
La resistencia R no suele ser constante sino que depende de la diferencia de potencial V=q/C entre las placas del condensador. Sin embargo, en nuestro estudio supondremos que la resistencia R es constante. Hay condensadores que tiene constantes de tiempo RC del orden de minutos. Sin embargo, hay otros como aceites o plásticos especiales cuyas constantes de tiempo se miden en horas o en días
Un condensador con pérdidas

Consideremos un condensador con pérdidas unido a una batería de potencial V0 en serie con una resistencia 'externa' R0.
La intensidad de la corriente i es la suma de dos contribuciones: la intensidad i1 que pasa por la resietncia R y la variación de carga q del condensador ideal, con el tiempo, dq/dt
Diferencia de potencial entre a y b
Aplicando la regla de Kirchoff al circuito abcd
Combinando las tres ecuaciones obtenemos una ecuación diferencial en i1
Resolvemos esta ecuación diferencial, con la condición inicial t=0, i1=0
La solución particular es i1=B, introducimos en la ecuación diferencial
La solución completa de la ecuación diferencial es la suma de la particular más la de la homogénea
El coeficiente A se determina a partir de las condiciones iniciales, t=0, i1=0
Esta es la corriente que pasa por la resistencia R, la corriente total i es
Después de un tiempo muy grande t→∞ se establece el estado estacionario caracterizado por una corriente
Cuando se conecta la batería, t=0, la intensidad de la corriente es
Ejemplo
- Voltage de la batería, V0=100
- Resistencia, R0=10 Ω
- Condensador, C=5 F, R=1 Ω
Una línea a trazos señala la inensidad en el estado estacionario
C=5; R=1; R0=10; V0=100.0; %voltios hold on in1=@(t) V0*(1-exp(-(R+R0)*t/(R*C*R0)))/(R+R0); fplot(in1,[0,30]) in=@(t) V0*(1+R*exp(-(R+R0)*t/(R*C*R0))/R0)/(R+R0); fplot(in,[0,30]) V_inf=V0/(R0+R); line([0,30], [V_inf,V_inf],'lineStyle','--') hold off xlabel('t') legend('i_1','i','Location','best') ylabel('i') grid on
Agrupación de dos condensadores en serie

Diferencia de potencial entre a y b y entre b y c
La intensidad de la corriente i
Aplicando la regla de Kirchoff al circuito abcd e
Intensidad i1
Obtenemos un sistema de dos ecuaciones diferenciales
Para resolverlo, derivamos la primera respecto del tiempo
En la segunda ecuación diferencial, despejamos di2/dt e introducimos en ésta
En la primera ecuación diferencial, despejamos i2 e introducimos en ésta
Resolvemos la ecuación de segundo grado, con las siguientes condiciones iniciales, en el instante t=0, i1=0, i2=0, y de la primera ecuación difeencial,
La solución particular es la constante i1=D, introducimos en la ecuación difeencial
Solución de la homogénea. La ecuación característica es
Dos raíces reales negativas
La solución completa, es la suma de la particular más la homogénea
Los coeficientes A y B se determinan a partir de las condiciones iniciales
Intensidad i2
Calculamos la corriente i2 conocido i1. Partimos de la primera ecuación diferencial
Comprobamos que para t=0, i2=0. Como puede comprobarse en la segunda ecuación diferencial
Para ello, utilizamos las relaciones entre las dos raíces
Después de muchas operaciones, obtenemos los resultados esperados
Intensidad i
Conocido i1, partimos de la ecuación
En el estado estacionario
En el instante t=0
Ejemplo
- Voltage de la batería, V0=100
- Resistencia, R0=10 Ω
- Primer condensador, C1=1 F, R1=5 Ω
- Segundo condensador, C2=5 F, R2=1 Ω
Una línea a trazos señala la inensidad en el estado estacionario
C1=1; %Faradios R1=5; %Ohm C2=5; R2=1; R0=10; V0=100.0; %voltios a=((R1+R0)/(C1*R1)+(R2+R0)/(C2*R2))/R0; b=sqrt(((R1+R0)/(C1*R1)+(R2+R0)/(C2*R2))^2/R0^2-4*(R0*R1+R2)/(C1*C2*R1*R2*R0)); s1=(a-b)/2; s2=(a+b)/2; A=V0*(1/(C1*R1*R0)-s2/(R0+R1+R2))/(s2-s1); B=-V0*(1/(C1*R1*R0)-s1/(R0+R1+R2))/(s2-s1); hold on in1=@(t) A*exp(-s1*t)+B*exp(-s2*t)+V0/(R0+R1+R2); fplot(in1,[0,30]) in2=@(t) A*exp(-s1*t)*(C1*R1*R0*s1-R1-R0)/R2+B*exp(-s2*t)* (C1*R1*R0*s2-R1-R0)/R2+V0/(R0+R1+R2); fplot(in2,[0,30]) in=@(t) A*exp(-s1*t)*(1-C1*R1*s1)+B*exp(-s2*t)*(1-C1*R1*s2)+V0/(R0+R1+R2); fplot(in,[0,30]) V_inf=V0/(R0+R1+R2); line([0,30], [V_inf,V_inf],'lineStyle','--') hold off xlabel('t') legend('i_1','i_2','i','Location','best') ylabel('i') grid on
Una situación con solución analítica sencilla
Consideremos ahora la situación que se muestra en la figura. Se establece una diferencia de potencial V entre a y c, se ha suprimido la resistencia R0
Estado inicial
Inicialmente las cargas de los condensadores son iguales y las diferencias de potencial entre sus placas son respectivamente V1=q/C1 y V2=q/C2. Por lo que cumple que
Como V1+V2=V tendremos que
La corriente comienza a fluir a través de las resistencias R1 y R2 y en general, las cargas en los condensadores serán distintas.
Estado final
Si la diferencia de potencial entre los extremos a y c se mantiene constante, se alcanza un estado estacionario en el que la misma corriente i pasa por las resistencias R1 y R2. Se cumplirá entonces que V1=iR1 y V2=iR2. Por lo que tendremos la relación
Como V1+V2=V tendremos que
La carga final de cada condensador será q1=V1·C1 y q2=C2·V2, de modo que se cumple la relación
Evolución del estado inicial al final
Supongamos que a los extremos a y c se aplica una diferencia de potencial constante V.
La corriente total i que pasa por a o que sale en b en el instante t, es la suma de dos términos:
- la corriente i1 que pasa por la resistencia R1 y
- la razón del cambio de la carga del condensador con el tiempo dq1/dt
tal como hemos visto al estudiar el circuito formado por dos condensadores y una resistencia
Del mismo modo, la corriente i que entra en b o que sale en c en el instante t, es la suma de dos términos:
- la corriente i2 que pasa por la resistencia R2 y
- la razón del cambio de la carga del condensador C2 con el tiempo dq2/dt
Sustituyendo V2=V-V1 tenemos una ecuación en V2.
o bien
Integramos esta ecuación diferencial con las siguientes condiciones iniciales: en el instante t=0, la diferencia de potencial entre las placas del condensador C2 es V02 tal como vimos al principio de este apartado.
Integrando
El resultado final es
Comprobación
En el estado inicial t=0 tenemos que
En el estado final t →∞ tenemos
Intensidad de la corriente
La intensidad de la corriente i es igual a
La intensidad es máxima en el instante t=0, y tiende hacia un valor constante para t→∞
Caso particular
En el caso particular de que C1R1=C2R2 las diferencias de potencial V1 y V2 son independientes del tiempo, aunque la corriente sigue fluyendo a través de cada uno de los condensadores
Como C1R1=C2R2 las cargas en los condensadores q1 y q2 son iguales.
Esta condición se puede cumplir eligiendo adecuadamente la constante dieléctrica k y la resistividad ρ del dieléctrico que se coloca entre las placas de un condensador plano paralelo, cuyas placas tiene un área A y están separadas una distancia d.
- La capacidad del condensador es C=kε0A/d
- La resistencia al paso de la corriente es R=ρd/A
El producto de ambas magnitudes solamente depende de la constante dieléctrica k y de la resistividad ρ del dieléctrico, RC=ρkε0.
Siempre que de los dieléctricos que separan las placas de los dos condensadores sean tales que cumplan la relación ρ1k1=ρ2k2 se cumplirá también que C1R1=C2R2
Ejemplo 1:
Representamos: el cociente V1(t)/V2(t) en función del tiempo t, la intensidad i en función del tiempo t
- Primer condensador son C1=0.2μF y R1=5000 MΩ.
- Segundo condensador son C2=0.5μF y R2=1000 MΩ.
C1=0.2; %micro Faradios R1=5000; %mega Ohm C2=0.5; R2=1000; V0=100.0; %voltios T=R2*R1*(C1+C2)/(R1+R2); V2=@(t) (V0/(R1+R2))*(R2+(C1*R1-C2*R2)*exp(-t/T)/(C1+C2)); subplot(2,1,1) fplot(@(t) (V0-V2(t))./V2(t), [0,3500]) xlabel('t') ylabel('V_1/V_2') grid on subplot(2,1,2) inten=@(t) (V0/(R1+R2))*(1+(C1*R1-C2*R2)*(C1*R1-C2*R2)*exp(-t/T) /((C1+C2)*(C1+C2)*R1*R2)); fplot(inten,[0,3500]) xlabel('t') ylabel('i') grid on
En la parte superior, se representa, V1/V2 en función de t. En el instante inicial t=0 la relación V1/V2=2.50. Después de un tiempo suficientemente grande t →∞, V1/V2=5.0
En la gráfica inferior, se representa la intensidad i, que tiende hacia un valor constante e igual a 0.0167 cuando t →∞
Ejemplo 2:
- Los datos del primer condensador son C1=0.1μF y R1=5000 MΩ.
- Los datos del segundo condensador son C2=0.5μF y R2=1000 MΩ.
Se cumple el caso especial de que C1R1=C2R2. La relación V1/V2=5 en la situación inicial (t=0) y en la final (t →∞). Aunque la carga de cada condensador no cambia, la intensidad es 0.0167 no nula.
Referencias
Kirk T. McDonald. Leaky Capacitors (2001)
French A, P. Are the Textbook Writers Wrong about Capacitors?. The Physics Teacher, Vol 31, March 1993, pp156-159