Immaginate di avere una bottiglia d'acqua con cui volete riempire un bicchiere, ma volete anche poter decidere quando versarla. Ecco, un condensatore in un circuito elettrico funziona più o meno così: immagazzina energia elettrica (come l'acqua nella bottiglia) e la rilascia al momento giusto! È un componente fondamentale, usato in tantissime applicazioni elettroniche.
Che cos'è un condensatore?
Un condensatore è un componente che immagazzina energia elettrica sotto forma di campo elettrico. È formato da due piastre conduttrici separate da un materiale isolante chiamato dielettrico. Quando lo colleghi a una sorgente di tensione, come una batteria, si carica accumulando cariche opposte sulle due piastre.
Il ruolo del condensatore in un circuito
A cosa serve quindi un condensatore? Ecco i suoi principali utilizzi spiegati in modo semplice:
Immagazzinare energia: Come detto, un condensatore può accumulare energia e rilasciarla quando necessario. Questo è utile per mantenere costante l’alimentazione in dispositivi elettronici o per fornire un "boost" rapido di energia.
Filtrare segnali: Nei circuiti elettronici, i condensatori vengono spesso usati per eliminare disturbi o "rumore" da un segnale elettrico. È un po’ come avere un filtro per la vostra musica: elimina i suoni che non volete sentire.
Stabilizzare tensioni: Nei caricabatterie o alimentatori, il condensatore aiuta a livellare i picchi e le cadute di tensione, garantendo che il dispositivo collegato riceva una corrente costante.
Avviare motori: Nei motori elettrici, specialmente quelli piccoli come quelli delle lavatrici, il condensatore aiuta a creare il campo magnetico necessario per far partire il motore.
Creare circuiti temporizzatori: Un condensatore può essere usato insieme a una resistenza per creare ritardi temporali in un circuito. Per esempio, nei lampeggiatori delle frecce dell'auto, il tempo tra un lampeggio e l'altro è spesso determinato da un circuito che usa un condensatore.
Come funziona nella pratica?
Immaginate un flash fotografico: il condensatore si carica dalla batteria, accumulando energia. Quando scattate una foto, rilascia tutta quell'energia in un istante, permettendo al flash di illuminare la scena. Questo è un esempio perfetto di come un condensatore immagazzina e rilascia energia rapidamente.
I condensatori sono presenti in moltissimi dispositivi che usiamo ogni giorno, come smartphone, computer, altoparlanti, TV e monitor ed elettrodomestici.
Formule utili
Capacità del condensatore
La capacità (C) misura quanto un condensatore può immagazzinare carica per unità di tensione ed è definita dalla formula:
C è la capacità (la sua unità di misura è il Farad)
Q è la carica accumulata (la sua unità di misura è il Coulomb)
V è la tensione applicata (la sua unità di misura è il Volt)
Energia immagazzinata in un condensatore
Un condensatore immagazzina energia elettrica (E) sotto forma di campo elettrico:
C è la capacità del condensatore
V è la tensione applicata
Quando più condensatori sono collegati in serie, la capacità equivalente (Ceq) è data da:
\frac{1}{Ceq}=\frac{1}{C1}+\frac{1}{C2}+\frac{1}{C3}+...
Ricordiamoci che in un collegamento in serie, la carica (Q) su ciascun condensatore è la stessa.
Condensatori in parallelo
Quando più condensatori sono collegati in parallelo, la capacità equivalente (Ceq) è la somma delle capacità:
In un collegamento in parallelo, la tensione (V) è la stessa su ciascun condensatore.
Ma la capacità di un condensatore dipende anche dalla geometria e dal materiale isolante (dielettrico) tra le piastre.
Nella prossima formula parleremo di costante dielettrica (𝜀) ovvero una proprietà fisica molto importante quando di parla di condensatori perchè descrive come un materiale risponde quando è immerso in un campo elettrico. In altre parole, misura la capacità di un materiale isolante (dielettrico) di immagazzinare energia elettrica o di ridurre l'intensità del campo elettrico al suo interno. La presenza di un materiale con alta 𝜀 riduce l'intensità del campo elettrico rispetto al vuoto. La formula è:
C= \varepsilon \frac{A}{d}
ε: Permittività del dielettrico (𝜀=𝜀0𝜀𝑟)
A: Area delle piastre (in 𝑚2)
d: Distanza tra le piastre (in metri)
Tempo di carica e scarica
Per un condensatore in un circuito RC (resistenza-condensatore), il tempo di carica o scarica è descritto dalla costante di tempo (τ):
R: Resistenza del circuito
C: Capacità del condensatore
La carica (Q) e la tensione (V) seguono un andamento esponenziale:
In carica: V(t) = Vmax (1- e^{-t/r})
In scarica: V(t) = Vmax ⋅ e^{-t/r}
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