Un condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare cariche elettriche e può essere utilizzato per proteggere i circuiti da picchi indesiderati. Si potrebbe pensare che anche una batteria faccia questo. Tuttavia, anche se è così, la differenza è che una batteria immagazzina energia sotto forma di potenziale chimico, mentre i condensatori immagazzinano energia sotto forma di potenziale elettrico. Inoltre, la corrente di dispersione è più elevata nei condensatori che nelle batterie, il che significa che i condensatori non possono mantenere la carica a lungo come le batterie.

Un condensatore.

Il rapido movimento degli elettroni tra le due piastre di un condensatore lo rende molto utile nelle applicazioni elettroniche.

Condensatore

All'interno di un condensatore sono presenti due piastre metalliche realizzate in un materiale conduttivo come l'alluminio. Queste piastre sono separate da un materiale isolante, noto anche come dielettrico.Prima di esplorare il funzionamento di un condensatore, è necessario comprendere il concetto di polarizzazione.

Un dielettrico è costituito da molte molecole polari che hanno un'estremità positiva e una negativa. Quando il condensatore non immagazzina carica, non c'è campo elettrico e queste molecole si orientano casualmente in direzioni diverse.

Molecole orientate casualmente (in alto) e molecole in un campo elettrico (in basso).

Quando si applica una tensione a un condensatore, si genera un campo elettrico. Le estremità positive delle molecole sono attratte dalla piastra con carica negativa e viceversa.Poiché il dielettrico è un isolante e le molecole non possono spostarsi, le molecole polarizzate si orientano in modo tale che le cariche opposte sulle molecole e sulle piastre si orientino l'una verso l'altra.

Fig. 1 - Orientamento delle molecole polarizzate in un campo elettrico

Poiché il campo elettrico delle molecole polarizzate è in direzione opposta alle piastre del condensatore, la differenza di potenziale si riduce e la capacità del condensatore di immagazzinare carica per unità di differenza di potenziale aumenta.Prendete una batteria e attaccate l'estremità negativa al terminale negativo del condensatore (indicato da un simbolo \( - \)) e l'estremità positiva al terminale positivo. Bisogna tenere presente che non tutti i condensatori hanno i poli contrassegnati. In questo caso, possono essere collegati in qualsiasi direzione nel circuito.

Le cariche fluiscono dalla batteria al terminale negativo del condensatore e dalla piastra positiva al terminale positivo della batteria.

Il diagramma mostra come il voltaggio tra le piastre e la corrente che fluisce nel circuito cambi durante la carica del condensatore.

Una volta che le cariche sono passate dalla piastra positiva alla batteria e dalla batteria alla piastra negativa, non è più possibile alcun flusso di elettroni e un lato del condensatore è carico negativamente mentre l'altro è carico positivamente. Il condensatore si trova allo stesso livello di tensione della batteria.Poiché gli elettroni si accumulano su un lato del condensatore, si dice che esso sta immagazzinando energia, che può essere rilasciata quando è necessaria.Tra le piastre del condensatore si crea una differenza di potenziale, poiché la quantità di cariche sulle piastre è diverso.

Applicazioni di un condensatore

Un condensatore carico può essere utilizzato per fornire una carica in un circuito senza interruzioni.Ad esempio, quando si collega un LED a un condensatore completamente carico, le cariche dalla piastra negativa del condensatore passano attraverso il LED alla piastra positiva del condensatore fino a quando non c'è differenza di potenziale tra i due terminali. Di conseguenza, il LED lampeggia per un breve momento.La durata del lampo sarà molto breve, poiché il flusso di elettroni è molto veloce. Tuttavia, se in questo circuito colleghiamo una batteria al condensatore, quest'ultimo si caricherà e immagazzinerà energia, per poi scaricarla nuovamente in caso di interruzione del flusso di corrente.

Misurazione dell'energia accumulata

Un condensatore presenta due valori importanti: uno è la tensione (\(V\)) e l'altra è la capacità in Farad(\(F\)).

La lettura della tensione sul condensatore indica la tensione massima che può sopportare. Se questo valore viene superato, è probabile che il condensatore si bruci, o addirittura esploda.

Capacità di un condensatore

Ogni condensatore ha una capacità, ovvero la capacità di immagazzinare carica elettrica. Il simbolo della capacità è C, che si misura in Farad. I Farad sono il numero di coulomb che possono essere immagazzinati per ogni volt:

\[1 F = \frac{1C}{1V}\]

La capacità può quindi essere utilizzata per calcolare la carica in coulomb presente nel condensatore quando è completamente carico:

\[Q = C \times V\]

Dove Q indica la carica, C la capacità del condensatore e V il voltaggio.

Formula della capacità

La capacità di un condensatore può essere generalmente calcolata con la seguente equazione:

\[ C = K \frac{\epsilon_0 A}{d} \]

Dove C è ancora una volta la capacità del condensatore, K è la costante dielettrica relativa, ovvero la costante dielettrica del materiale rispetto a quella del vuoto (questo è generalmente un valore noto, per esempio la costante dielettrica dell'aria è 1), \(\epsilon_0\) è la costante dielettrica del vuoto, A è l'area tra le due piastre del condensatore e d è la distanza tra le piaste.