Condensatore con dielettrico | Come funziona

Cos’è un Condensatore con Dielettrico

Un condensatore è un dispositivo capace di immagazzinare carica elettrica, composto generalmente da due oggetti conduttori, come piastre o fogli, posizionati vicini ma senza contatto diretto. Fondamentalmente, i condensatori sono costituiti da due piastre metalliche separate da un isolante, noto come dielettrico, che può essere di vari materiali come polistirene, olio o aria. I condensatori sono componenti elettronici ampiamente utilizzati in circuiti e dispositivi elettronici ed elettrici moderni.

La loro capacità dipende solo dalle dimensioni, forma e posizione relativa dei due conduttori, e anche dal materiale che li separa. Un semplice condensatore è costituito da una coppia di piastre parallele di area A separate da una piccola distanza d. Spesso, le due piastre sono arrotolate sotto forma di cilindro con un isolante come plastica o carta che le separa.

Nei diagrammi di circuito, un condensatore è rappresentato da uno di questi simboli:

Tipi di Condensatori

I condensatori sono divisi in tre gruppi principali:

1. Condensatori fissi: Il cui valore è definito durante il processo di produzione e non può essere modificato successivamente.
2. Condensatori polarizzati: Hanno polarità positive e negative specifiche. Durante l’utilizzo di questi condensatori nei circuiti, è importante che siano connessi nelle polarità corrette.
3. Condensatori variabili: Con una capacità variabile, utilizzati come trimmer, regolati solo durante la calibrazione del circuito, o come dispositivo regolabile durante il funzionamento dello strumento elettronico.

I più comuni sono i condensatori fissi, molti dei quali prendono il nome dal tipo di dielettrico utilizzato. Tra i tipi più comuni di condensatori troviamo: condensatori elettrolitici, al tantalio, al niobio, all’alluminio, ceramici, a carta, a film, a mica e supercondensatori.

Condensatore con un DielettricoCondensatore con un Dielettrico

I dielettrici trovano molteplici applicazioni, ma l’uso più significativo è nei condensatori. In molti condensatori, è presente un materiale isolante come carta o plastica tra le piastre. Tale materiale, noto come dielettrico, serve a mantenere una separazione fisica delle piastre. Inserire un dielettrico solido tra le piastre di un condensatore ha tre funzioni principali:

1. Separazione Meccanica: Risolve il problema meccanico di mantenere due grandi fogli metallici a una separazione molto piccola senza contatto diretto.
2. Isolamento Elettrico: Utilizzando un dielettrico, si aumenta la differenza di potenziale massima possibile tra le piastre del condensatore. Materiali dielettrici possono tollerare campi elettrici più intensi senza subire un breakdown rispetto all’aria, consentendo al condensatore di sostenere una differenza di potenziale maggiore e quindi immagazzinare maggiori quantità di carica ed energia.
3. Riduzione del Campo Elettrico: Sperimentalmente si è riscontrato che la capacità C aumenta quando lo spazio tra i conduttori è riempito con dielettrici. La polarizzazione del dielettrico da parte del campo elettrico applicato aumenta la carica superficiale del condensatore per una data intensità di 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.

Per esemplificare, supponiamo che un condensatore abbia una capacità quando non vi è materiale tra le piastre. Quando un materiale dielettrico è inserito per riempire completamente lo spazio tra le piastre, la capacità aumenta a: C = κ_eC₀ dove κ_e è noto come costante dielettrica. Come si può vedere, ci sono due casi:

1. Se la differenza di potenziale tra le piastre di un condensatore è mantenuta, come da una batteria B, l’effetto di un dielettrico è quello di aumentare la carica sulle piastre.
2. Se la carica sulle piastre del condensatore è mantenuta, l’effetto di un dielettrico è quello di ridurre la differenza di potenziale tra le piastre.

Nella tabella di seguito
, mostriamo alcuni materiali dielettrici con la loro costante dielettrica. Gli esperimenti indicano che tutti i materiali dielettrici hanno κ_e > 1. Da notare che ogni materiale dielettrico ha una caratteristica forza dielettrica, che è il valore massimo del campo elettrico prima che si verifichi il breakdown e inizi il flusso di carica.

Conclusioni

In conclusione, i condensatori con dielettrici giocano un ruolo cruciale nella tecnologia moderna. Offrono una maggiore capacità di immagazzinare carica, migliorano l’efficienza dei circuiti e permettono la realizzazione di dispositivi più compatti e potenti. La scelta del materiale dielettrico e la comprensione delle sue proprietà sono fondamentali per ottimizzare le prestazioni dei condensatori in una vasta gamma di applicazioni elettroniche e elettriche.

La tecnologia dei condensatori continua a evolversi, con nuovi materiali e tecniche che spingono i limiti delle prestazioni. Che si tratti di elettronica di consumo, di telecomunicazioni o di sistemi di alimentazione, i condensatori con dielettrici rimangono componenti insostituibili, testimoniando la loro importanza fondamentale nel panorama tecnologico moderno.