Condensatore: cos'è, le formule e usi quotidiani
Quando si studiano i fenomeni elettrici e in particolare nello studio dell’elettrostatica è fondamentale conoscere cos’è il condensatore. Si tratta di un componente dei circuiti scoperto ancora nel 1780 da Alessandro Volta durante uno dei suoi esperimenti. Per comprenderne il funzionamento è fondamentale conoscere il fenomeno dell’induzione elettrica.
Al suo interno un condensatore può immagazzinare l’energia elettrica che gli viene fornita tramite la carica. Il dispositivo ha avuto parecchi usi pratici, soprattutto all’interno dei circuiti per distribuire la corrente erogata da un generatore.
Da cosa è fatto un condensatore?
A comporre questo componente elettrico ci sono due armature. Si tratta da due conduttori che sono posti a distanza ravvicinata ma non a contatto diretto. La loro forma è quella di due piastre sottili e parallele fra di loro con un piccolo spazio interno. Solitamente il materiale da cui sono composti è un metallo con buona conducibilità elettrica.
Per riuscire a caricare il condensatore è sufficiente porre una carica elettrica Q su una delle due armature una volta avvenuta la messa a terra. La lamina metallica di fronte infatti si caricherà a sua volta grazie al fenomeno dell’induzione elettrostatica. In questo modo entrambe le armature avranno la stessa carica, ma il segno fra le due sarà opposto (una positiva e una negativa).
Questa elettrizzazione avviene in quanto un conduttore isolato allo stato neutro genera cariche opposte se posto in prossimità di un corpo carico. Più nota nel quotidiano invece è l’induzione per strofinio, ad esempio quando si strofina un palloncino sui capelli per poi attaccarlo al muro senza che cada a terra.
Mantenendo la carica Q di prima costante sulla prima armatura, il dispositivo riesce a immagazzinare energia potenziale elettrica al suo interno. Fra le due lamine però esiste una differenza di potenziale (indicata con ΔV) che si misura in Volt (V). La quantità di carica Q invece si misura in Coulomb (C).
La capacità del condensatore
Per definire la quantità di energia elettrica che il dispositivo può accumulare si parla di capacità del componente elettrico. Tale grandezza si indica con il simbolo C. Calcolarla richiede di effettuare il rapporto fra la quantità di carica Q e la differenza di potenziale ΔV. In formula quindi si può scrivere C = Q/ΔV.
Le formule inverse che si ricavano da quest’ultima per ricavare invece la carica o la differenza di potenziale sono le seguenti:
- Q = C x ΔV.
- ΔV = Q/C.
La capacità di un condensatore però si può ottenere anche con un’altra formula che invece considera il campo elettrico generato dalla carica. Chiamando σ la densità della carica presente sulle armature e ricordando la costante di elettrica nel vuoto ε0 e il campo elettrico fra le armature sarà pari a σ/ε0.
La differenza di potenziale fra le lamine del condensatore si può calcolare anche come il prodotto fra il campo elettrico e la distanza d. Quindi con la formula ΔV = Ed. La carica Q allo stesso modo è pari alla densità di carica per la superficie S della lamina (Q = σS). Sostituendo le due formule si ottiene C = σS/ (σ/ε0d).
Le diverse tipologie
- Condensatori sferici. I conduttori o meglio le armature in questo caso sono due sfere concentriche, in cui una risulta più grande e cava e contiene al proprio interno la seconda. Fra i due globi metallici può esserci il vuoto o in alternativa si può colmare lo spazio con materiale isolante di vario tipo.
- Condensatore cilindrico. Come nel caso precedente si tratta di due armature cilindriche coassiali e poste una dentro l’altra. Quella con il raggio di base minore viene posta al centro mentre la seconda è un cilindro cavo che lo racchiude. Anche qui fra i due conduttori può esserci uno spazio vuoto o un riempimento isolante.
Fra i due cilindri della seconda tipologia descritta il campo elettrico risulta sempre perpendicolare all’asse di simmetria dei due solidi. Il cilindro centrale può anche avere lo spessore di un filo. Inoltre le linee di campo risulteranno sempre radiali.
