Capacità: definizione, formula e unità

Proprio come le batterie consentono l'accumulo di energia portatile, i condensatori consentono l'accumulo di energia temporaneo e sono componenti critici di molti circuiti.

Consentono di separare grandi quantità di cariche l'una dall'altra e rilasciarle in un'improvvisa esplosione di energia, per l'uso in dispositivi come fotocamere flash, nonché mediare altri processi elettronici come la conversione tra fonti di alimentazione CA e CC o caricare e scaricare campi magnetici, utile per sintonizzare la radio stazioni.

La capacità è una misura della capacità di un materiale non conduttore di immagazzinare energia creando una separazione di carica attraverso una differenza di potenziale (tensione). Il materiale deve essere non conduttivo, come il vetro o un tubo in PVC, perché altrimenti le cariche lo attraverserebbero, non potendo rimanere separate.

Matematicamente, la capacità di un oggettoCè uguale al rapporto di caricaQalla tensioneV​.

L'unità SI della capacità è il

Qualsiasi parte di un circuito che separa la carica in questo modo è chiamata acondensatore. Quindi, seguendo l'equazione sopra, qualsiasi capacità data di un condensatoreCcollegato a una batteria con una differenza di potenzialeV, immagazzinerà la carica elettricaQ​.

Un tipo comune di condensatore è acondensatore a piastre parallele. In un tale dispositivo, due piastre di materiale conduttore (come un metallo) sono tenute, come suggerisce il nome, parallele l'una all'altra a una certa distanza. Tra i piatti c'è unmateriale dielettrico, chiamato anche anmateriale isolante​.

Questo è qualcosa che non consente alle cariche di fluire attraverso di essa e quindi può polarizzarsi: le cariche al suo interno riorientare in modo che tutti i positivi siano insieme da un lato e tutti i negativi dall'altro - in presenza di un elettrico campo.

Chiunque può creare un semplice condensatore a piastre parallele utilizzando due fogli di lamina metallica come piastre e diversi fogli di carta come isolante inserito tra di loro.

La capacità di un condensatore a piastre parallele dipende dall'area di una piastra, oUN; la separazione tra lorod; e la costante dielettricaκdel materiale tra di loro in questo modo:

Il termine₀ ("epsilon-nulla") è ilpermettivitàdi spazio libero, che è una costante pari a 8.854 × 10^-12 farad per metro (F/m). La costante dielettricaκè una quantità senza unità che può essere cercata in una tabella, come quella collegata a questo articolo.

Non tutti i tipi di condensatori richiedono piastre parallele. Alcuni sono cilindrici, come un cavo coassiale, o sferici, come una membrana cellulare (che finisce per trattenere una carica pompando ioni di potassio positivi fuori dalla cellula e ioni cloruro negativi in ​​essa).

Un cavo coassiale è ampiamente utilizzato per fornire dati video, audio e di comunicazione. Il suo design cilindrico è costituito da diversi strati di materiali dielettrici isolanti tra robusti fogli conduttori, spesso di rame, tutti arrotolati come un rotolo di gelatina.

Ciò consente al cavo di trasportare anche segnali elettrici deboli senza degradazione su lunghe distanze. Inoltre, poiché gli strati isolanti e conduttori sono arrotolati, un cavo coassiale è in grado di fornire questo accumulo di energia in uno spazio relativamente piccolo, certamente in un volume inferiore rispetto ai condensatori a piastre parallele può.

Un'applicazione comune dei condensatori è in un circuito RC, così chiamato perché contiene un resistore e un condensatore. Supponiamo che due componenti del circuito siano collegati in parallelo, con un interruttore che consente al circuito di connettersi in uno dei due possibili circuiti singoli: sorgente di tensione più condensatore o condensatore più resistore.

Quando il condensatore è collegato alla sorgente di tensione, la corrente scorre nel circuito e inizia ad accumulare una carica immagazzinata. Quando l'interruttore viene attivato e il condensatore è collegato al resistore, si scaricherà e riscalderà il resistore.

La tensione, o differenza di potenziale, ai capi del condensatore durante la carica è:

dove entrambi?V_condensatoreeV_fontesono le tensioni in volt etè il tempo in secondi. La costante di tempoRCè il prodotto della resistenza e della capacità del circuito, il che implica che più grande è il resistore o il condensatore, più tempo ci vorrà per caricarsi o scaricarsi. La sua unità è anche in secondi.

Nel processo inverso (durante lo scarico), l'equazione è simile:

DoveV₀è la tensione di carica iniziale del condensatore prima che inizi a scaricarsi.

Perché la carica richiede tempo per accumularsi e rilasciarsi, e quel tempo dipende dalle proprietà di gli elementi del circuito, un circuito RC è utile in molti dispositivi elettrici che richiedono precisione tempismo. Alcuni esempi comuni sono: fotocamere flash, pacemaker e filtri audio.

Esempio 1: Qual è la capacità di un condensatore a piastre parallele composto da due 0,25 m² lastre di alluminio separate da 0,1 m con teflon a 20 gradi Celsius?

Data l'area di una piastra, la separazione e il materiale dielettrico, inizia a cercare la costante dielettrica del Teflon. A 20 gradi Celsius, è 2,1 (ricorda, non ha unità!).

Risolvendo per la capacità:

Esempio 2: quanto tempo ci vorrà per caricare un 100-µF (10^-6 farad) condensatore a 20 V quando è collegato a una batteria da 30 V e in circuito con un resistore da 10 kΩ (1.000 Ohm)?

Inizia convertendo la capacità e la resistenza nelle loro unità SI, quindi calcolando la costante di tempo RC:

C = 100 µF = 0,0001 F

R = 10 kΩ = 10.000 Ω

RC = 0,0001 F × 10.000 = 1 secondo

Quindi, usando la formula per caricare un condensatore e risolvendo per il tempot​:

Condensatori e batterie possono sembrare simili in quanto sono entrambi in grado di immagazzinare e rilasciare la carica elettronica. Ma hanno diverse differenze chiave che li portano ad avere diversi vantaggi e svantaggi.

Innanzitutto, un condensatore immagazzina energia in un campo elettrico carico mentre una batteria immagazzina energia in sostanze chimiche, rilasciandola tramite una reazione chimica. A causa di queste differenze materiali, una batteria può immagazzinare più energia di un condensatore della stessa dimensione.

Tuttavia, la reazione chimica necessaria per rilasciare quell'energia è tipicamente più lenta del rilascio di cariche attraverso il campo elettrico in un condensatore. Quindi, un condensatore può caricarsi e scaricarsi molto più rapidamente di una batteria, fornendo più energia elettrica in un breve scatto. Un condensatore è anche in genere più durevole di una batteria, il che lo rende più rispettoso dell'ambiente.

Per tutti questi motivi, oggi gli ingegneri stanno cercando di aumentare i limiti di stoccaggio dei condensatori e ridurre i tempi di carica e scarica delle batterie. Fino ad allora, i dispositivi vengono spesso utilizzati insieme. Ad esempio, il flash di una fotocamera e un pacemaker utilizzano entrambi una batteria e un condensatore per fornire energia a lunga durataeconsegnarlo in raffiche veloci a tensioni più elevate.

I condensatori vengono spesso utilizzati nei circuiti per attenuare o mediare i cambiamenti di tensione che altrimenti subirebbero un dispositivo. Ad esempio, la maggior parte dell'energia fornita a una casa arriva in un'alimentazione a corrente alternata (AC), che fornisce una tensione "irregolare", ma la maggior parte degli elettrodomestici richiede una fornitura di energia in corrente continua (DC).

I condensatori nella parete aiutano a trasformare il segnale da CA a CC per questi dispositivi. La tensione in ingresso carica il condensatore e, quando inizia ad alternarsi a una tensione inferiore, il condensatore inizia a scaricare parte della sua energia immagazzinata. Ciò consente al dispositivo dall'altra parte di continuare a sperimentare una tensione più costante di quella che farebbe senza il condensatore.

I condensatori sono utili anche in dispositivi in ​​cui potrebbe essere necessario filtrare determinate frequenze di segnali elettronici, ad esempio un amplificatore radio o un mixer audio. Ad esempio, un condensatore nel circuito può indirizzare i suoni a bassa e alta frequenza a diverse parti di un altoparlante, come il subwoofer o il tweeter. Oppure, un altoparlante radio che utilizza condensatori per separare le frequenze può amplificarne alcune ma non altre, rafforzando così il segnale della stazione desiderata su cui è sintonizzata la radio.

​Disaccoppiamento in un circuito integrato.Uno degli usi più diffusi per un condensatore è in un circuito integrato: il piccolo circuito scheda contenente tutti i componenti elettrici utilizzati per alimentare la maggior parte dell'elettronica di consumo, come smartphone. Lì, il condensatore funge da scudo, proteggendo altri componenti elettronici da improvvisi cadute di tensione e fungendo da piccole fonti di alimentazione temporanee quando l'alimentazione viene momentaneamente interrotta, altrettanto spesso succede.

Simile a come aiutano a fornire corrente continua agli elettrodomestici, i condensatori tamponano le variazioni di tensione per l'elettronica al di là di essi nel circuito; essi "assorbono" la tensione extra e rilasciano a loro volta la tensione in eccesso quando l'alimentazione inizia a diminuire.

I condensatori di disaccoppiamento nei circuiti integrati rimuovono specificamente le variazioni di tensione ad alta frequenza (poiché possono assorbire parte della variazione di tensione che li attraversa). Ciò si traduce nel resto dei componenti del circuito che sperimentano una tensione più uniforme ai livelli necessari per il loro corretto funzionamento.

​Condensatori come sensori.Poiché il design del condensatore dipende dai materiali utilizzati, che a loro volta hanno proprietà conduttive diverse in condizioni diverse, i condensatori sono componenti importanti nei sensori elettronici.

Ad esempio, un sensore di umidità utilizza un materiale dielettrico come una plastica o un polimero che cambia la sua conduttanza in modo affidabile al variare dei livelli di umidità. Pertanto, leggendo la conduttanza attraverso quel dielettrico, il sensore deduce l'umidità relativa.

Allo stesso modo, alcuni sensori di livello del carburante, compresi quelli degli aeroplani, utilizzano condensatori per misurare la quantità di carburante rimasta nel serbatoio. In questi dispositivi, il carburante stesso funge da dielettrico. Una volta che scende a un livello sufficientemente basso, la conduttività cambia e il pilota viene avvisato.

Forse ancora più comuni sono gli interruttori capacitivi utilizzati nei dispositivi touchscreen. Quando il dito di una persona tocca uno schermo, scarica una piccola quantità di carica, modificando in modo misurabile la conduttanza del dispositivo e individuando una posizione specifica. Questo spiega anche perché indossare i guanti interferisce con lo scorrimento su uno smartphone: la lana o il cotone in un guanto è un ottimo isolante, impedendo alle cariche nelle dita di saltare sullo schermo.