¿Qué es un faradio?
Un faradio (F) es la unidad estándar de capacitancia (C) en el Sistema Internacional de Unidades (SI). Indica la capacidad de una sustancia para mantener una carga eléctrica. El valor de la mayoría de los capacitores eléctricos se expresa en faradios, microfaradios (µF) o nanofaradios (nF).
1 F, que debe su nombre al científico inglés Michael Faraday, equivale a 1 segundo elevado a la cuarta potencia de amperio cuadrado por kilogramo metro cuadrado (s4 x A2 / kg x m2).
Explicación del Faradio
Cuando una carga eléctrica se mueve entre dos conductores sin carga, se establece una diferencia de potencial entre ellos, o la cantidad de electricidad cargada sobre un conductor aumenta su potencial. Además, un conductor se carga positivamente y el otro se carga negativamente.
La capacitancia se refiere a la cantidad de carga eléctrica separada o energía eléctrica que se puede almacenar en un conductor por unidad de cambio en el potencial eléctrico. Matemáticamente, se expresa como la relación entre la cantidad de carga (q) en cualquiera de los conductores y la diferencia de potencial (V) entre ellos:
C = q / V
Faradio es la unidad de capacitancia. Un capacitor tiene una capacidad de 1 F cuando 1 culombio (C) de electricidad cambia el potencial entre las placas en 1 voltio (V). Otra forma de decir esto es que, cuando el voltaje a través de un capacitor de 1 F cambia a un ritmo de 1 V/s, el resultado es un flujo de corriente de 1 A.
Las unidades básicas del SI de 1 faradio son s4 x A2 x m-2 x kg-1.
Matemáticamente, se puede representar de la siguiente manera:
1 F = 1 s4 x A2 / m2 x kg
Faradio, microfaradio, nanofaradio, picofaradio
El faradio es una unidad de capacidad extremadamente grande. En la mayoría de los equipos electrónicos y eléctricos, los capacitores con valores tan grandes son poco comunes — pero no imposibles. La mayoría de los capacitores se clasifican generalmente en microfaradios, nanofaradios o picofaradios (pF). El término más antiguo para picofaradio era micromicrofaradio (μμF). A los capacitores de picofaradios a veces se los conoce como pic o puff.
1 µF = 10-6 F = 0.000001 F
1 nF = 10-9 F = 0.000000001 F
1 pF = 10-12 F = 0.000000000001 F
El milifaradio (mF) se utiliza muy poco en la práctica. Se representa de la siguiente manera:
1 mF = 10-3 F = 0.001 F
En las radiofrecuencias, las capacitancias varían de aproximadamente 1 pF a 1000 pF en circuitos sintonizados y de aproximadamente 0.001 µF a 0.1 µF para bloqueo y derivación.
En las audiofrecuencias, las capacitancias varían de aproximadamente 0.1 µF a 100 µF.
En los filtros de fuente de alimentación, las capacitancias pueden llegar a 10 000 µF.
Supercondensadores y kilofaradios
También se utilizan algunos condensadores con valores de faradios de hasta 1000 F (kilofaradios). Estos condensadores se conocen como supercondensadores o ultracondensadores. Los altos valores de faradios indican que estos condensadores pueden almacenar mayores cantidades de energía por unidad de volumen o masa — normalmente de 10 a 100 veces más que los condensadores electrolíticos.
Además, estos condensadores pueden suministrar una carga más rápida que las baterías recargables. También pueden tolerar más ciclos de carga y descarga que las baterías recargables de iones de litio, que tienden a degradarse con cada ciclo de carga.
Los supercondensadores de alto valor de faradio se utilizan generalmente en aplicaciones que requieren almacenamiento de energía a corto plazo, suministro de energía en modo ráfaga y múltiples ciclos de carga y descarga. Son adecuados para lo siguiente:
- automóviles
- ascensores
- grúas
- turbinas eólicas
Los supercondensadores no son adecuados para aplicaciones que requieren un almacenamiento de energía compacto a largo plazo, como los dispositivos de consumo, como los teléfonos inteligentes o las tablets. No obstante, hay algunos dispositivos de consumo en los que se utilizan supercondensadores debido a su capacidad de recarga rápida y sus ciclos de vida prolongados. Entre ellos se incluyen los reproductores de MP3 y los flashes de cámaras profesionales.
Cómo se obtienen mayores capacitancias
La mayoría de los condensadores prácticos oscilan entre 0.001 μF y 10 F. Se pueden obtener capacidades mayores aumentando el área del conductor, disminuyendo el espacio entre las placas o utilizando un medio dieléctrico con un valor de permitividad mayor — medido en faradios por metro.
Sin embargo, existe un límite en cuanto a la distancia entre placas que puede reducirse para conseguir una alta capacidad (alto valor en faradios). Este límite depende de la resistencia a la ruptura dieléctrica del material aislante entre las placas conductoras. Cuando se excede este límite de espacio, salta una chispa entre las placas. También deja una pista conductora dentro del material aislante, dañando el condensador.
Conocer la intensidad del campo eléctrico del material dieléctrico también es importante. Este valor se utiliza para calcular el voltaje que se puede aplicar de manera segura a un condensador con una separación de placas dada. Por seguro se entiende el valor de tensión que no provocará un arco eléctrico en el condensador. Por eso los condensadores llevan estampados los valores de capacitancia (faradios) y voltaje.
Faradio y Constante de Faraday
Aunque tanto el faradio como la constante de Faraday se simbolizan con la letra mayúscula F, son dos cosas diferentes. Una F indica que el capacitor produce 1 V de diferencia de potencial para una carga eléctrica de 1 C. La constante de Faraday es una medida de la cantidad (magnitud) de carga eléctrica transportada por un solo mol de electrones (número de Avogadro). Se representa como C/mol.
El valor de la constante de Faraday se obtiene dividiendo la constante de Avogadro por la cantidad de electrones por culombio o multiplicando la carga de un solo electrón por la cantidad de electrones en 1 mol.
Constante de Faraday (F) = carga de un solo electrón x la cantidad de electrones en 1 mol
= 1.6023 x 10-19 C x 6.02 x 1023
= 96 485 C/mol