I CONDENSATORI

Dato un conduttore di carica Q, si definisce capacità elettrica il rapporto costante tra la carica posseduta

dal conduttore e il potenziale elettrico, cioè:

[F] Farad

Nel Sistema Internazionale, l’unità di misura della capacità elettrica è il farad 1 (indicato con il simbolo F)

e si ha che:

Poiché il farad è un’unità di misura molto grande, le capacità si misurano spesso con i sottomultipli del

farad, in particolare con i microfarad (µF)

DEFINIZIONE

Si dice condensatore un sistema costituito da due conduttori metallici, detti armature, posti a distanza

ravvicinata e separati da un dielettrico. Un condensatore viene indicato negli schemi dei circuiti elettrici

con il seguente simbolo:

Quando si collegano le armature di un condensatore ai poli di una batteria, l’armatura collegata al polo

positivo perde parte dei suoi elettroni di conduzione e si carica positivamente, invece l’armatura

collegata al polo negativo acquista la stessa quantità di elettroni persa dall’armatura positiva e si carica

negativamente. Le due armature hanno quindi la stessa carica elettrica, anche se di segno opposto.

Si definisce capacità di un condensatore, il rapporto fra il valore assoluto della carica Q presente sulle

armature e la differenza di potenziale ∆V fra le armature stesse:

I condensatori sono quindi degli accumulatori di carica elettrica e per tale ragione vengono molto utilizzati

all’interno dei circuiti elettrici. Infatti, grazie ad essi è possibile accumulare energia potenziale elettrica

che può essere rapidamente rilasciata.

ll campo elettrico di un condensatore è confinato all’interno delle armature ed è nullo all’esterno. Esso è

uniforme all’interno del condensatore ed è direttamente proporzionale alla carica presente su ogni

armatura e inversamente proporzionale alla sua superficie:

In fisica, il campo elettrico è un campo di forze generato nello spazio dalla presenza di una o più cariche

elettriche.

La permettività o permittività è una grandezza fisica che descrive il comportamento di un

materiale dielettrico in presenza di un campo elettrico, non è altro che la tendenza del materiale a

contrastare l'intensità del campo elettrico presente al suo interno.

ɛ0 : è la costante dielettrica del vuoto o permittività elettrica del vuoto è la permittività elettrica

caratteristica del vuoto, ovvero dove non abbiamo nessun fenomeno di polarizzazione.

In altre parole è la propensione di una sostanza nel contrastare l'intensità di un campo elettrico presente

al suo interno. In accordo con la definizione il valore della costante dielettrica varia a seconda del mezzo o

della sostanza cui facciamo riferimento.

Il suo valore è:

ɛr : è la costante dielettrica relativa ovvero una grandezza adimensionale che misura la variazione della

forza elettrostatica in presenza di un mezzo.

Si dimostra che la capacità di un condensatore piano è direttamente proporzionale alla sua superficie e

inversamente proporzionale alla distanza tra le armature, in formule:

Se si riempie lo spazio tra le armature con un materiale isolante di costante dielettrica relativa εr ,

l’espressione della capacità risulta moltiplicata per il valore di tale costante, ovvero:

Dal campo elettrico possiamo ricavare la tensione fra le armature:

Se si vuole vedere qual è l’effetto complessivo di due condensatori collegati in parallelo quando si

conoscono le loro capacità C1 e C2, si dimostra che è sufficiente sommare le due capacità.

Quindi la capacità equivalente a quella di un sistema di condensatori in parallelo è data dalla somma dei

due condensatori, ovvero:

Per determinare la capacità equivalente ad un sistema di due condensatori collegati in serie

quando si conoscono le loro capacità C1 e C2, si dimostra che il suo reciproco è uguale alla

somma dei reciproci delle due capacità.

Quindi due condensatori collegati in serie sono equivalenti ad un unico condensatore avente

capacità complessiva il cui reciproco è pari alla somma dei reciproci delle capacità dei singoli

condensatori, ovvero:

da cui è possibile ricavare che:

PROCESSO DI CARICA E SCARICA DI UN CONDENSATORE

Se si collega un condensatore ad una batteria, dopo un certo intervallo di tempo, gli elettroni

passano dall’armatura positiva a quella negativa.

PROCESSO DI CARICA

Come abbiamo lo spazio tra le armature di un condensatore è sede di un campo elettrico

uniforme e quindi di energia potenziale elettrica che viene fornita ad esso durante il processo

di carica, e viene restituita durante il processo di scarica. Vediamo ora in che modo accumula

energia un condensatore, posto all’interno di un circuito come quello nella figura .

Quando l’interruttore è chiuso il condensatore si carica, ricevendo energia dal generatore. Durante

la carica, nel circuito circola una corrente che diminuisce nel tempo, perché il campo elettrico

interno del condensatore si oppone al passaggio di cariche. Più il condensatore si carica, cioè

più aumenta la differenza di potenziale tra le sue armature, e più il campo elettrico è intenso.

Quando la differenza di potenziale fra le armature del condensatore uguaglia il valore della

differenza di potenziale erogata dal generatore, la corrente si annulla del tutto. A questo

punto, anche se il circuito è chiuso idealmente al suo interno non circola alcuna corrente elettrica.

In figura è mostrato l’andamento nel tempo della differenza di potenziale ΔVC fra le armature del

condensatore durante il processo di carica, dal valore ΔVC =0 al valore ΔV0 pari alla differenza di potenziale

fornita dal generatore.

Costante di tempo che impiega il condensatore a caricarsi.

Tale andamento non è lineare: infatti, man mano che la differenza di potenziale aumenta, aumenta

l’opposizione all’ulteriore trasferimento di cariche fra le armature, da cui deriva l’andamento illustrato.

PROCESSO DI SCARICA

Una volta caricato, un condensatore si comporta come una sorta di «serbatoio» di energia, che può essere

restituita durante il processo di scarica. Affinché ciò avvenga va eliminato il generatore, per esempio

chiudendo il circuito come illustrato in figura

Il condensatore si comporta come una sorta di generatore, la cui differenza di potenziale diminuisce nel

tempo via via che esso si scarica, come illustrato in figura:

La corrente elettrica che circola nel circuito ha, in questo caso, verso opposto rispetto alla corrente durante

il processo di carica, e tuttavia in entrambi i casi l’andamento è decrescente nel tempo, come illustrato in

figura:

TIPOLOGIE DI CONDENSATORI

A seconda delle caratteristiche di capacità e tensione desiderate, e dell'uso che ne deve essere fatto,

esistono diverse categorie di condensatori: in mylar, al tantalio, condensatori elettrolitici, ceramici, variabili

in aria, diodi varicap, ecc.

A dielettrico solido

Ad aria: sono altamente resistenti agli archi poiché l'aria ionizzata viene presto rimpiazzata, non

consentono però capacità elevate. I condensatori variabili più grandi sono di questo tipo, ideale nei

circuiti risonanti delle antenne.

Ceramico: a seconda del materiale ceramico usato si ha un diversa relazione temperatura-capacità e

perdite dielettriche. Bassa induttanza parassita per via delle ridotte dimensioni.

Vetro: condensatori altamente stabili e affidabili.

Carta - molto comuni in vecchi apparati radio, sono costituiti da fogli di alluminio avvolti con carta e

sigillato con cera. Capacità fino ad alcuni μF e tensione massima di centinaia di volt. Versioni con carta

impregnata di olio possono avere tensioni fino a 5 000 volt e sono usati per l'avviamento di motori

elettrici, rifasamento e applicazioni elettrotecniche.

Poliestere, Mylar: usati per gestione di segnale, circuiti integratori e in sostituzione ai condensatori a

carta e olio per i motori monofase. Sono economici ma hanno poca stabilità in temperatura.

Polistirene: capacità nella gamma dei picofarad, sono particolarmente stabili e destinati al trattamento

di segnali.

Polipropilene: condensatori per segnali, a bassa perdita e resistenza alle sovratensioni.

Politetrafluoroetilene: condensatori ad alte prestazioni, superiori agli altri condensatori plastici alle alte

temperature, ma costosi.

Mica argentata: ideali per applicazioni radio in HF e VHF (gamma inferiore), stabili e veloci, ma costosi.

a circuito stampato: due aree conduttive sovrapposte su differenti strati di un circuito stampato

costituiscono un condensatore molto stabile.

In figura dei condensatori ceramici

Nei condensatori elettrolitici non è presente un materiale dielettrico, ma l'isolamento è dovuto alla

formazione e mantenimento di un sottilissimo strato di ossido metallico sulla superficie di una armatura a

contatto con una soluzione chimica umida. Vista la esiguità fisica del dielettrico, non possono sopportare

tensioni molto alte. La sottigliezza dello strato di ossido consente di ottenere, a parità di dimensioni,

capacità molto più elevate. Per contro, occorre adottare particolari accorgimenti per conservare l'ossido

stesso.

Esistono diversi tipi di condensatori elettrolitici:

ad alluminio: il dielettrico è costituito da uno strato di ossido di alluminio. Sono disponibili con capacità

da meno di 1 μF a 1.000.000 μF con tensioni di lavoro da pochi volt a centinaia di volt. Sono compatti

ma con elevate perdite. Contengono una soluzione corrosiva e possono esplodere se alimentati con

polarità invertita. Nel lungo periodo di tempo, tendono a seccarsi andando fuori uso e costituiscono

una delle più frequenti cause di guasto in diversi tipi di apparati elettronici. Ad esempio, tanti iMac

G5 prodotti tra il 2005 e il 2006 utilizzavano condensatori di questo tipo, che si guastavano a causa del

calore generato dal processore.

al tantalio: rispetto ai condensatori ad alluminio hanno una capacità più stabile e accurata, minori

corrente di perdita e bassa impedenza alle basse frequenze. A differenza dei primi però, i condensatori

al tantalio non tollerano i picchi di sovratensione e possono danneggiarsi, a volte esplodendo

violentemente, cosa che avviene anche qualora vengano alimentati con polarità invertita o superiore al

limite dichiarato. La capacità arriva a circa 100 μF con basse tensioni di lavoro. Le armature del

condensatore al tantalio sono differenti: Il catodo è costituito da grani di tantalio sinterizzati e il

dielettrico è formato da ossido di titanio. L'anodo è invece realizzato da uno strato semi-conduttivo,

depositato chimicamente, di biossido di manganese. In una versione migliorata l'ossido di manganese è

rimpiazzato da uno strato di polimero conduttivo (polipirrolo) che elimina la tendenza alla combustione

in caso di guasto.

Condensatori elettrolitici ad alluminio

Supercondensatori o elettrolitici a doppio strato: sono condensatori con capacità estremamente elevate,

che possono arrivare a decine di farad, ma a bassa tensione. L'alta capacità è dovuta alla grande superficie

dovuta a "batuffoli" di carbone attivo immerso in un elettrolita, e con la tensione di ogni "batuffolo" tenuta

al di sotto di un volt. La corrente scorre attraverso il carbone granulare. Questi condensatori sono in genere

usati al posto delle batterie tampone per le memorie di apparecchi elettronici.

Ultracondensatori o ad aerogel: simili ai supercondensatori ma basati su un aerogel di carbonio che

costituisce un elettrodo di immensa superficie, hanno valori di capacità fino a migliaia di farad.