Condensatore
Un condensatore è un dispositivo elettrico che immagazzina l'energia in un campo elettrico, accumulando al suo interno una certa carica elettrica. Un condensatore ideale, una volta immagazzinata l'energia, può fungere da batteria dopo essere stato staccato dal circuito che lo ha caricato. In circuiti a corrente alternata induce una differenza di fase di 90 gradi fra la tensione e la corrente che lo attraversa.
= Leggi fisiche =
Un condensatore è generalmente costituito da una qualsiasi coppia di conduttori (armature o piastre) separati da un isolante (dielettrico). La carica è immagazzinata sulla superficie delle piastre, sul bordo a contatto con il dielettrico. Poiché ogni piastra immagazzina una carica uguale ma di segno opposto una rispetto all'altra, la carica totale nel dispositivo è sempre zero.
| Table of contents |
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2 L'energia 3 In un circuito 4 Applicazioni in elettrotecnica 5 Applicazioni in elettronica |
Se si applica una tensione tra le armature, le cariche elettriche si separano e si forma un campo elettrico all'interno del dielettrico. L'armatura collegata al potenziale più alto si carica positivamente, negativamente l'altra. Le cariche positive e negative sono uguali ed il loro valore assoluto costituisce la carica Q del condensatore. La carica è proporzionale alla tensione applicata e la costante di proporzionalità è una caratteristica di quel particolare condensatore che si chiama capacità e si misura in farad:
La capacitÃ
La capacità di un condensatore piano (armature piane e parallele) è proporzionale al rapporto tra la superficie A di una delle armature e la loro distanza d. La costante di proporzionalità ε è un a caratteristica dell'isolante interposto e si chiama costante dielettrica assoluta e si misura in farad/m.
Ora, poiché la costante dielettrica del vuoto vale ε0=8,85*10-12 F/m, il rapporto tra la costante dielettrica assoluta di un isolante e quella del vuoto è un numero puro chiamato costante dielettrica relativa.
La capacità di un condesatore piano a facce parallele è quindi:
L'energia
L'energia immagazzinata in un condensatore è pari al lavoro fatto per caricarlo. Si consideri, ora, un condensatore con capacità C, con carica +q su una piastra e -q sull'altra. Per muove un piccolo elemento di carica dq da una piastra all'altra sotto l'azione della differenza di potenziale V'\'=q/C, il lavoro necessario è dW'':
In un circuito
Gli elettroni non riescono a passare direttamente da una piastra all'altra attraverso il dielettrico, proprio per le qualità di isolante del materiale utilizzato; quando viene applicata una differenza di potenziale ad un condesatore utilizzando un circuito esterno, la corrente fluisce da un piatto all'altro, mentre i due si caricano di una quantità Q uguale in modulo ma di segno opposto. Intanto, nel dielettrico, si assiste al fenomeno della polarizzazione: le molecole si dispongono a formare un dipolo elettrico che consente il passaggio della corrente nel condensatore. Questa corrente, però, è influenzata dala quantità di carica presente nell'elemento elettronico, ovvero essa dipende dalle variazioni di potenziale misurato sul condesatore. Matematicamente tale corrente è data dall'espressione:
La corrente
dove I è la corrente, mentre dV/dt è la derivata temporale del voltaggio.
Nel caso di voltaggio costante (DC), si raggiunge presto una situazione di equilibrio, dove la carica sui piatti corrisponde precisamente alla caduta di potenziale applicata attraverso la relazione Q=CV; non c'è, infine, alcun flusso di corrente all'interno del circuito, in particolare la corrente continua. D'altra parte la la corrente alternata (AC) produce cambi di potenziale, ad ognuno dei quali i piatti si caricano e scaricano, generando una corrente variabile. La quantità di resistenza che un condensatore oppone alla corrente alternata è nota come reattanza capacitiva e dipende dalla frequenza della AC:
La reattanza
dove XC è la reattanza capacitiva, misurata in ohm, f è la frequenza della AC misurata in hertz e C la capacità , in farad.
Dalla formula si possono fare alcune interessanti osservazioni:
- la reattanza è inversamente proporzionale alla frequenza;
- si ha la conferma che il condensatore blocca la corrente continua, in quanto questa ha frequenza nulla;
- ad alte frequenze la reattanza è così piccola da poter essere tranquillamente trascurata nell'eseguire i calcoli.
Vediamo, ora, quanto vale l'impedenza di un condensatore:
L'impedenza
dove j è immaginario.
Quindi, la reattanza capacitiva è la componente immaginaria negativa dell'impedenza. Il segno meno indica che la corrente sposta il voltaggio di 90° per un segnale sinusoidale, al contrario di un induttore che lo ritarda di 90°.
E' anche significativo che l'impedenza è inversamente proporzionale alla capacità , a differenza dei resistori e degli induttori per cui le impedenze sono linearmente proporzionali a resistenza e induttanza rispettivamente. Questo è il motivo per cui le formule delle serie e dei paralleli (date più sotto) sono inverse rispetto al caso delle resistenza: le impedenze si sommano in serie, le capacità si sommano in parallelo.
In un circuito sintonizzato, come un radio ricevitore, la frequenza selezionata è una funzione della serie tra l'induttanza L e la capacità C:
Se si montano alcuni condensatori in parallelo (vedi l'articolo Circuiti in serie e in parallelo), su ognuno di essi si misurerà la medesima caduta di potenziale. La capacità equivalente totale Ceq sarà , quindi, data dalla formula:
= Applicazioni =
Il condensatore ha molte applicazioni, quasi tutte nei campi dell'elettronica e dell'elettrotecnica. A seconda delle caratteristiche di capacità e tensione desiderate, e dell'uso che ne deve essere fatto, esistono diverse categorie di condensatori: in mylar, al tantalio, condensatori elettrolitici, ceramici, variabili in aria, diodi varicap ecc.
I condensatori elettrolitici si basano sulla passivazione dell'alluminio, cioè sulla pellicola isolante di ossido, estremamente sottile, che fa da dielettrico fra il metallo e una soluzione elettrolitica acquosa: per questo essi hanno una polarità ben precisa che deve essere rispettata pena la possibilità di esplosione del condensatore. Inoltre, vista la esiguità fisica del dielettrico, non possono sopportare tensioni molto alte.
In serie e in parallelo
Sui condensatori in serie, invece, sarà la corrente ad essere la stessa, mentre la caduta di potenziale sarà differente da condensatore a condensatore. La capacità equivalente totale sarà , pertanto:
Uno dei motivi per cui si montano condensatori in serie è per aumentare il valore del potenziale. In pratica è possibile montare un resistore molto grande ad una serie di condensatori, i quali consentono di portare il potenziale al valore più corretto per quel valore di resistenza.Applicazioni in elettrotecnica
La più importante sono senz'altro i condensatori di rifasamento per bilanciare l'induttanza degli avvolgimenti dei motori elettrici ed abbassare quindi lo sfasamento fra corrente e tensione che questi generano: per questo vengono collegati in parallelo agli avvolgimenti in modo da formare un circuito LC accordato sulla frequenza della tensione di alimentazione. Un'altra applicazione molto diffusa è nelle lampade al neon, per favorire la scarica nel gas della lampada.
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