Capacità

La capacità, simboleggiata dalla lettera maiuscola C, è definita come la capacità di immagazzinare una carica elettrica. Ogni coppia di conduttori separati da un isolante (o vuoto) costituisce un condensatore. La quantità di carica immagazzinata in un condensatore è pari alla sua capacità moltiplicata per la tensione ai capi del condensatore: q = CV. La costante di proporzionalità C è detta capacità del condensatore.

Unità di Misura

La capacità (C), misurata in farad, è pari alla quantità di carica (q) che può essere immagazzinata in un dispositivo o condensatore divisa per la tensione (V) applicata ai capi delle piastre del condensatore quando la carica è immagazzinata. Il farad, unità SI di capacità, è definito come coulomb per volt. Per praticità, si usano sottomultipli come il microfarad e il picofarad.

Tipi di Capacità

Esistono due nozioni strettamente correlate di capacità: la capacità propria e la capacità mutua. La capacità tra due conduttori dipende unicamente dalla geometria, dall’area di superficie opposta dei conduttori, dalla distanza tra di loro e dalla permittività di qualsiasi materiale dielettrico tra di loro.

Formulazione Matematica

La capacità è una misura di quanta carica deve essere posta sulle piastre per produrre una certa differenza di potenziale tra di loro: maggiore è la capacità, maggiore è la carica richiesta. C = q/V. Per esempio, la capacità di piastre piane, parallele, di area A e separazione d è data da:

Permesso

La permittività è spesso rappresentata dalla permittività relativa εr o κ, che è il rapporto tra la permittività assoluta ε e la permittività del vuoto ε0. εr = κ = ε/ε0.

Analogia Idraulica

Nell’analogia idraulica, i condensatori sono equivalenti a un serbatoio con una connessione ad ogni estremità e una membrana che divide il serbatoio in due longitudinalmente (un accumulatore idraulico). Come la pompa nel sistema inizia a spingere acqua, la membrana si estende in risposta alla pressione di detta acqua. L’estensione della membrana rappresenta la caduta di tensione in un circuito elettrico, e lo scarico di
un condensatore è paragonabile al ritorno della membrana alla sua estensione originale.

Aumento della Capacità di un Condensatore

Sperimentalmente, si è scoperto che la capacità C aumenta quando lo spazio tra i conduttori è riempito con dielettrici. La polarizzazione del dielettrico dal campo elettrico applicato aumenta la carica superficiale del condensatore per la data forza del campo elettrico. L’applicazione di un campo elettrico tra le due piastre induce una certa carica opposta sul dielettrico, che si oppone al campo elettrico applicato. Il risultato netto è che il campo elettrico all’interno del dielettrico (che riempie l’area tra le piastre) è ridotto, consentendo al condensatore di immagazzinare più carica.

Applicazioni dei Dielettrici

I dielettrici hanno molte applicazioni, ma l’uso più significativo è nei condensatori. In molti condensatori, c’è un materiale isolante, come carta o plastica, tra le piastre. Tale materiale, detto dielettrico, può essere utilizzato per mantenere una separazione fisica delle piastre. Collocare un dielettrico solido tra le piastre di un condensatore serve a tre scopi: separazione meccanica, isolamento elettrico – consente una tensione più alta, e riduzione del campo elettrico – aumenta la capacità.

Conclusioni

La capacità è un concetto fondamentale nell’elettrotecnica, che trova applicazione in una vasta gamma di dispositivi elettronici. La comprensione della capacità e dei suoi principi sottostanti è essenziale per lo sviluppo e l’uso di tecnologie innovative in molti settori.