Condensatoarele constau din două plăci conductive paralele (de obicei, un metal) care sunt împiedicate să se atingă reciproc (separate) de un material izolator numit "dielectric".

Am văzut că atunci când se aplică o tensiune pe aceste plăci, un curent electric curge încărcând o placă cu o sarcină pozitivă în raport cu tensiunea de alimentare, iar cealaltă placă cu o sarcină negativă egală și opusă.

Astfeli, un condensator are capacitatea de a putea stoca o sarcină electrică Q (unități în Coulombi) de electroni. Atunci când un condensator este complet încărcat, există o diferență de potențial p.d. între plăcile sale, și cu cât este mai mare suprafața plăcilor și/sau cu cât este mai mică distanța dintre ele (cunoscută ca separare), cu atât mai mare va fi sarcina pe care o poate avea condensatorul și cu atât mai mare va fi capacitatea sa.

Abilitatea condensatoarelor de a stoca această sarcină electrică (Q) între plăcile sale este proporțională cu tensiunea aplicată V, pentru un condensator de capacitate cunoscută în Farad. Rețineți că capacitatea C este întotdeauna pozitivă și niciodată negativă.

Cu cât este mai mare tensiunea aplicată, cu atât mai mare va fi sarcina stocată pe plăcile condensatorului. Prin urmare, sarcina reală Q de pe plăcile condensatorului poate fi calculată cu:

Q = C x V

unde: Q (sarcina, în Coulombi) = C (Capacitate, în Farad) x V (Tensiune, în Volți)

Uneori este mai ușor să vă amintiți această relație utilizând imagini. Aici, cele trei cantități de Q, C și V au fost suprapuse într-un triunghi care dă sarcina în partea de sus cu capacitate și tensiune în partea de jos. Acest aranjament reprezintă poziția reală a fiecărei cantități în formula de sarcină a condensatorului.

și transpunerea ecuației de mai sus ne dă următoarele combinații ale aceleiași ecuații:

Unități de: Q măsurate în Coulombi, V în volți și C în Farazi.

Atunci, de mai sus, putem defini unitatea de capacitate ca fiind o constantă de proporționalitate, fiind egală cu coulomb/volt, care este numită Farad, unitatea F.

Deoarece capacitatea reprezintă abilitatea condensatorului de a stoca o sarcină electrică pe plăcile sale putem defini un Farad ca fiind "capacitatea unui condensator care necesită o sarcină de un coulomb pentru a stabili o diferență de potențial de un volt între plăcile sale", descrisă prima dată de Michael Faraday. Deci, cu cât este mai mare capacitatea, cu atât este mai mare cantitatea de sarcină stocată pe un condensator pentru aceeași cantitate de tensiune.

Abiliitatea unui condensator de a stoca o sarcină pe plăcile sale conductive îi dă valoarea capacității sale. Capacitatea poate fi determinată și din dimensiunile sau suprafața A a plăcilor și din proprietățile materialului dielectric dintre plăci. O măsură a materialului dielectric este dată de permitivitate (ε) sau constanta dielectrică. Deci, un alt mod de a exprima capacitatea unui condensator este:

unde A este aria plăcilor în metri pătrați, d este distanța sau separarea dintre cele două plăci. Cu cât distanța este mai mică, cu atât este mai mare abilitatea plăcilor de a stoca sarcina, deoarece sarcina -ve pe placa încărcată -Q are un efect mai mare asupra plăcii încărcate +Q, rezultând mai mulți electroni ce sunt respinși de placa încărcată +Q și deci crescând astfel sarcina globală.

εo (epsilon) este valoarea permitivității pentru aer, care este 8,84 x 10^-12 F/m, iar εr este permitivitatea mediului dielectric utilizat între cele două plăci.

Condensator cu plăci paralele

Am spus anterior că capacitatea unui condensator cu plăci paralele este proporțională cu suprafața A și invers propor-țională cu distanța d dintre cele două plăci și acest lucru este valabil pentru mediul dielectric de aer. Dar, valoarea capacității unui condensator poate fi mărită prin introducerea unui mediu solid între plăcile conductive care are o constantă dielectrică mai mare decât cea a aerului.

Valorile tipice ale lui epsilon ε pentru diferite materiale dielectrice uzuale sunt: Aer = 1.0, Hârtie = 2,5-3,5, Sticlă = 3-10, Mică = 5-7 etc.

Factorul prin care materialul dielectric sau izolatorul mărește capacitatea condensatorului comparativ cu aerul este cunoscut drept Constanta dielectrică (k). "k" este raportul dintre permitivitatea mediului dielectric care se utilizează și permitivitatea spațiului liber, altfel cunoscut sub numele de vid.

Prin urmare, toate valorile capacității sunt legate de permitivitatea vidului. Un material dielectric cu o constantă dielectrică ridicată este un izolator mai bun decât un material dielectric cu o constantă dielectrică inferioară. Condiția dielectrică este o cantitate fără dimensiuni, deoarece este relativă la spațiul liber.

Exemplul nr. 1 de capacitate

Un condensator este format din două plăci paralele cu o suprafață totală de 100 cm². Care va fi capacitatea în picoFarad (pF) a condensatorului dacă separarea plăcilor este de 0,2 cm, iar mediul dielectric folosit este aerul.

atunci valoarea condensatorului este de 44pF.

Încărcarea și descărcarea unui condensator

Luați în considerare următorul circuit.

Să presupunem că condensatorul este complet descărcat și comutatorul conectat la condensator tocmai a fost mutat în poziția A. Tensiunea pe condensatorul de 100 μF este zero în acest moment și un curent de încărcare (i) începe să curgă încărcând condensatorul până când tensiunea pe plăci este egală cu tensiunea de alimentare de 12 V. Curentul de încărcare se oprește și condensatorul se spune că este "complet încărcat". Atunci, Vc = Vs = 12V.

Odată ce condensatorul este "complet încărcat", în teorie, el își va menține starea de încărcare de tensiune chiar și atunci când tensiunea de alimentare a fost deconectată deoarece acționează ca un fel de dispozitiv de stocare tempo-rară. Dar, în timp ce acest lucru poate fi valabil pentru un condensator "ideal", un condensator real se va descărca încet pe parcursul unei perioade lungi de timp datorită curenților de scurgere interni care curg prin dielectric.

Acesta este un punct important de reținut, deoarece condensatoarele de mare valoare conectate pe surse de înaltă tensiune pot menține încă o cantitate semnificativă de sarcină chiar și atunci când tensiunea de alimentare este comutată "OFF".

Dacă comutatorul a fost deconectat în acest moment, condensatorul și-ar menține sarcina la nesfârșit, dar din cauza curenților de scurgere interni care curg prin dielectricul său, condensatorul va începe foarte lent să se descarce pe măsură ce electronii trec prin dielectric. Timpul necesar pentru ca condensatorul să se descarce până la 37% din tensiunea sa de alimentare este cunoscut ca constanta sa de timp.

Dacă comutatorul este acum deplasat din poziția A în poziția B, condensatorul complet încărcat ar începe să se descarce prin lampa conectată acum pe acesta, iluminând lampa până când condensatorul a fost complet descărcat, deoarece elementul lămpii are o valoare rezistivă.

Luminozitatea lămpii și durata iluminării ar depinde în cele din urmă de valoarea capacității condensatorului și de rezistența lămpii (t = C x R). Cu cât valoarea condensatorului este mai mare, cu atât mai strălucitoare și mai mult va fi iluminarea lămpii, deoarece ar putea stoca mai multă sarcină.

Exemplu nr. 2 de sarcină a condensatorului

Calculați sarcina în circuitul condensatorului de mai sus.

atunci sarcina pe condensator este de 1,2 millicoulombi.

Curent printr-un condensator

De fapt, curentul electric nu poate trece printr-un condensator, deoarece nu este un rezistor sau un inductor, datorită proprietăților izolatoare ale materialului dielectric dintre cele două plăci. Cu toate acestea, încărcarea și descărcarea celor două plăci dă efectul curgerii curentului.

Curentul care curge printr-un condensator este direct legat de sarcina pe plăci, deoarece curentul este rata debitului de sarcină în raport cu timpul. Deoarece abilitatea condensatoarelor de a stoca sarcina (Q) între plăcile sale este proporțională cu tensiunea aplicată (V), relația dintre curent și tensiune care se aplică plăcilor unui condensator devine:

Relația curent-tensiune (I-V)

Pe măsură ce tensiunea pe plăci crește (sau scade) în timp, curentul care curge prin capacitate depune (sau elimină) sarcină de pe plăcile sale, cantitatea de sarcină fiind proporțională cu tensiunea aplicată. Atunci atât curentul, cât și tensiunea aplicată la o capacitate, sunt funcții de timp și sunt notate cu simbolurile i(t) și v(t).

Dar, din ecuația de mai sus putem vedea că dacă tensiunea rămâne constantă, sarcina va deveni constantă și, prin urmare, curentul va fi zero!. Cu alte cuvinte, nici o schimbare în tensiune, nici o mișcare a sarcinii și nici un flux de curent. Acesta este motivul pentru care un condensator pare să "blocheze" fluxul de curent atunci când este conectat la o tensiune DC constantă.

Faradul

Acum știm că abilitatea unui condensator pentru a stoca o sarcină îi dă acestuia valoarea capacității sale C, care are unitatea Farad, F. Dar faradul este o unitate extrem de mare pentru ea, ceea ce o face imposibil de folosit, deci sunt folosite submultipli sau fracțiuni ale unității standard Farad.

Pentru a obține o idee despre cât de mare este într-adevăr un Farad, suprafața plăcilor necesară pentru a produce un condensator cu o valoare de doar un Farad, cu o separare rezonabilă a plăcilor de doar 1 mm care funcționează într-un vid este:

A = Cd ÷ 8,85 pF/m = (1 x 0,001) ÷ 8,85 × 10^-12 = 112.994.350 m²

sau 113 milioane m², care ar fi echivalentă cu o placă de mai mult de 10 kilometri x 10 kilometri pătrați. Este imens.

Condensatoarele care au o valoare de un Farad sau mai mult tind să aibă un dielectric solid și deoarece "Un Farad" este o unitate atât de mare de utilizat, sunt folosite prefixe în formulele electronice cu valori ale condensatoarelor date în microFarad (μF), nanoFarad (nF) și picoFarad (pF). De exemplu:

Subunități ale Faradului

Convertiți următoarele valori de capacitate de la: a) 22nF la μF, b) 0,2μF la nF, c) 550pF la μF.

a) 22nF = 0,022μF

b) 0,2μF = 200nF

c) 550pF = 0,00055μF

În timp ce un Farad este o valoare mare, condensatoarele sunt acum disponibile în mod obișnuit cu valori de capacitate de multe sute de Farazi și au nume care să reflecte acest lucru, ca "Super-condensatoare" sau "Ultra-condensatoare".

Aceste condensatoare sunt dispozitive de stocare a energiei electrochimice care utilizează o suprafață mare a dielectricului lor de carbon pentru a furniza densități de energie mult mai mari decât condensatoarele convenționale și deoarece capacitatea este proporțională cu suprafața carbonului, cu cât carbonul este mai gros, cu atât mai multă capacitate are.

Super-condensatoarele de joasă tensiune (de la ~ 3,5V la 5,5V) sunt capabile să stocheze cantități mari de sarcină datorită valorilor lor ridicate de capacitate, deoarece energia stocată într-un condensator este egală cu 1/2 (C x V²).

Super-condensatoarele de joasă tensiune sunt utilizate în mod obișnuit în dispozitive portabile pentru a înlocui bateriile de tip litiu mari, costisitoare și grele, deoarece oferă caracteristici de stocare și descărcare ca baterii, făcându-le ideale pentru a fi utilizate ca sursă alternativă de alimentare sau pentru memorie de rezervă. Super-condensatoarele utilizate în dispozitivele de mână sunt de obicei încărcate cu ajutorul celulelor solare montate pe dispozitiv.

Ultra-condensatoarele sunt dezvoltate pentru a fi utilizate în automobile electrice hibride și în aplicațiile de energie alternativă pentru a înlocui bateriile convenționale mari precum și aplicațiile de netezire DC în sistemele audio și video ale autovehiculelor. Ultra-condensatoarele pot fi reîncărcate rapid și au densități foarte mari de stocare a energiei, făcându-le ideale pentru utilizarea în aplicațiile vehiculelor electrice.

Energia într-un condensator

Când un condensator se încarcă de la sursa de alimentare conectată la acesta, se creează un câmp electrostatic care stochează energia în condensator. Cantitatea de energie în jouli stocată în acest câmp electrostatic este egală cu energia pe care alimentarea cu tensiune o exercită pentru a menține sarcina pe plăcile condensatorului și este dată de formula:

astfel încât energia stocată în circuitul condensatorului de 100 μF de mai sus este calculată ca:

Următorul tutorial din secțiunea noastră despre condensatoare va trata codurile de culori ale condensatoarelor și diferitele moduri în care valorile capacității și tensiunii condensatorului sunt marcate pe corpul său.