Capacitore
Il capacitore è un componente elettronico fondamentale in grado di immagazzinare energia sotto forma di carica elettrica. Composto tipicamente da due conduttori, detti piastre o lamine, separati da un isolante, noto come dielettrico (per esempio, polistirene, olio o aria), i condensatori sono ampiamente utilizzati in circuiti elettrici ed elettronici moderni.
Tipologie e Funzionamento
I tipi più comuni di condensatori includono:
- Condensatori elettrolitici
- Condensatori ceramici
- Condensatori a carta
- Condensatori a film
- Condensatori a mica
- Supercondensatori
La capacità di un condensatore dipende principalmente dalla dimensione, forma e posizione relativa delle due piastre e dal materiale dielettrico che le separa. Un esempio semplice è costituito da due piastre parallele separate da una distanza piccola d e con area A.
Rappresentazione nei Circuiti
Nei diagrammi dei circuiti, un condensatore è rappresentato da uno dei seguenti simboli:
Classificazione dei Condensatori
I condensatori si dividono in tre gruppi principali:
- Condensatori fissi: il cui valore è stabilito in fase di produzione e non modificabile successivamente.
- Condensatori polarizzati: hanno specifiche polarità positive e negative e devono essere collegati correttamente nei circuiti.
- Condensatori variabili: utilizzati principalmente per la calibrazione di circuiti o come dispositivi sintonizzabili in strumenti elettronici.
Valori Tipici
Un farad (F) rappresenta un’unità di capacità relativamente grande. Esempi comuni:
- Un piccolo condensatore ceramico utilizzato in elettronica può avere una capacità di circa 0.1 microfarad (µF).
- Un condensatore elettrolitico utilizzato nei circuiti di alimentazione può avere una capacità di alcuni centinaia o migliaia di µF.
- Un supercondensatore usato in alcune applicazioni di stoccaggio energetico può raggiungere una capacità di vari farad.
Applicazioni dei Condensatori
I condensatori trovano impiego in numerosi settori, tra cui:
- Immagazzinamento di energia: per livellare le fluttuazioni di tensione nei circuiti di alimentazione.
- Temporizzazione: usati in circuiti come oscillatori per controllare la frequenza e durata dei segnali
elettrici. - Correzione del fattore di potenza: migliorano l’efficienza dei sistemi elettrici riducendo il consumo di potenza reattiva dalla rete.
- Avviamento di motori e condizionamento di potenza: utilizzati nei motori elettrici per fornire coppia di avviamento e migliorare il fattore di potenza del motore.
- Elaborazione di audio e segnali: impiegati nei circuiti audio e di elaborazione segnali per filtrare e sintonizzare i segnali e accoppiare segnali tra diverse fasi di un circuito.
- Circuiti a frequenza radio (RF): usati per bloccare i segnali in corrente continua mentre permettono il passaggio di segnali in corrente alternata, e per sintonizzare circuiti risonanti.
- Sensori: i sensori capacitivi utilizzano variazioni di capacità per rilevare cambiamenti di posizione, pressione, umidità e altri fattori ambientali.
Calcolo dei Condensatori
Ad esempio, la capacità di piastre piane parallele di area A e separazione d è data dall’espressione:
C = εrε0A/d
dove εr rappresenta la permittività relativa e ε0 la permittività del vuoto.
Condensatori in Serie e Parallelo
I condensatori possono essere combinati sia in serie che in parallelo. In serie, la capacità equivalente è data dalla somma dei reciproci delle capacità. In parallelo, la capacità equivalente è la somma delle capacità individuali.
Carica e Scarica di un Condensatore
La carica di un condensatore avviene collegandolo a una sorgente di tensione attraverso una resistenza, controllando così la velocità di carica. La costante di tempo, o ritardo temporale del circuito, descrive la risposta temporale del circuito quando viene applicato un segnale. La scarica avviene attraverso un circuito resistivo, seguendo un decadimento esponenziale.
Energia Immagazzinata in un Condensatore
La capacità dei condensatori di immagazzinare energia è uno dei loro utilizzi più importanti. L’energia potenziale elettrica accumulata in un condensatore caricato è uguale al lavoro richiesto
per caricarlo, cioè per separare cariche opposte e posizionarle su diversi conduttori. Quando il condensatore si scarica, questa energia immagazzinata viene recuperata sotto forma di lavoro svolto dalle forze elettriche. L’energia potenziale in un condensatore caricato può essere espressa come:
U = 1/2 QV
dove Q è la carica sulle piastre e V è la differenza di potenziale tra di esse.
Il Condensatore nella Analogia Idraulica
Nell’analogia idraulica, il condensatore è paragonabile a un serbatoio diviso da una membrana, che si estende in risposta alla pressione dell’acqua, simile al modo in cui la carica si deposita su un condensatore. La distensione della membrana rappresenta la caduta di tensione in un circuito elettrico, e la scarica del condensatore è paragonabile al ritorno della membrana alla sua posizione originale.
Condensatore con Dielettrico
La presenza di un dielettrico tra le piastre di un condensatore ha tre funzioni principali:
- Separazione meccanica: mantiene separate le piastre metalliche senza contatto diretto.
- Isolamento elettrico: permette al condensatore di sopportare differenze di potenziale maggiori, evitando il fenomeno del breakdown dielettrico.
- Riduzione del campo elettrico: aumenta la capacità del condensatore. L’applicazione di un campo elettrico induce una carica opposta nel dielettrico, che si oppone al campo applicato, consentendo al condensatore di immagazzinare più carica.
La capacità di un condensatore con dielettrico è data da:
C = κeC0
dove κe è la costante dielettrica del materiale.
Ogni materiale dielettrico ha una specifica resistenza dielettrica, che è il massimo valore del campo elettrico prima che si verifichi una rottura e inizino a fluire le cariche.
Conclusione
In sintesi, i condensatori sono componenti versatili e fondamentali in elettronica e sistemi elettrici. La loro capacità di immagazzinare energia, controllare i segnali e le frequenze, e le loro numerose applicazioni li rendono indispensabili in molteplici sett
ori tecnologici.
