Il condensatore

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Testo

Due lastre metalliche aventi cariche opposte e poste l'una di fronte all'altra ad una
distanza piccola rispetto alle loro dimensioni, costituiscono un condensatore.
Tra le due piastre, che vengono dette armature, si forma un campo elettrico, le cui linee di forza sono parallele e vanno dall'armatura carica positivamente a quella carica negativamente; l'intensità del campo elettrico prodotto da un condensatore è uguale alla somma dei campi elettrici generati dalle due armature. Possiamo osservare che i campi elettrici prodotti dalle singole piastre all'esterno si sottraggono mentre all'interno si sommano.
Tenendo conto che il campo elettrico di ciascuna armatura è costante ed è espresso dalla relazione:
E=o/2eo
dove: o=omega=densità superficiale di carica della lastra;
eo=epsilon 0=costante dielettrica nel vuoto;
concludiamo che il campo elettrico di un condensatore all'esterno è nullo, mentre nello spazio compreso tra le due armature è costante e uguale al doppio del campo prodotto da una piastra, perciò:
E=o/eo
Ogni condensatore ha una sua capacità, che è definita dal rapporto:
C=Q/V2-V1
dove V1 e V2 sono rispettivamente i potenziali dell'armatura negativa e di quella positiva, e Q è la carica di ciascuna armatura; poiché i potenziali V dipendono direttamente dalla carica Q, si può notare che la capacità non dipende dalla carica sulle armature, ma dalla geometria del condensatore stesso e dal dielettrico interposto tra le armature.
Tutto ciò che potevo dire sul condensatore era questo, ed effettivamente mi sentivo molto fiero di me per tutto quello che ricordavo. Ma, a pensarci bene, non sapevo assolutamente dire a che cosa servisse un condensatore in un circuito; così, con un po' di vergogna, chiesi al mio amico (che aveva fatto solamente la terza media) una breve spiegazione, e lui mi rispose:
Il condensatore di tensione è uno strumento che serve a mantenere un segnale stabile, cioè a "pulire" l'alimentazione, assorbendo gli eccessi e compensando i difetti; oppure può anche essere utilizzato per dare una grande quantità di energia in poco tempo: messo in serie con una resistenza, accumula tensione tanto quanto la sua capacità gli permette, dopodiché la scarica tutta in un tempo brevissimo (un esempio potrebbe essere il flash di una macchina fotografica).
Beh, il mio amico non sapeva tutto quello che sapevo io sul condensatore, anzi, probabilmente non aveva neanche la benché minima idea su come funzionasse, eppure sapeva come usarlo, sapeva dove inserirlo in un circuito e cosa avrebbe provocato: sapeva che cos'era realmente un condensatore.
Una volta tornato a casa, cercai sul libro di fisica e trovai, insieme ad un sacco di altre formule, qualche riga sulla sua utilizzazione concreta:
"...vengono usati per ridurre le fluttuazioni della tensione degli alimentatori, per generare o rivelare onde elettromagnetiche a radiofrequenza e quindi anche nella radio e nella televisione.
I condensatori, inoltre, trovano impiego come dispositivi per studiare il moto delle cariche nel campo elettrico generato fra le armature; la deviazione del puntino luminoso sullo schermo di un oscillografo è dovuta all'azione del campo elettrico di un condensatore su un fascio di elettroni che lo attraversano".
In dieci pagine che in cui si spiegava il funzionamento di questo strumento, vi erano solamente una decina di righe che toccavano l'aspetto pratico della spiegazione; allora a che pro imparare a memoria formule su formule se poi non si conosce l'aspetto più semplice e immediato di quello che si è studiato: la praticità?
Il programma della V liceo scientifico è incentrato sull'elettromagnetismo, ma quando uno studente esce dal liceo, non sa nemmeno dove mettere le mani in un circuito d'appartamento o in un qualsiasi circuito di televisione o di radio. In molti si giustificano dicendo che il liceo scientifico non è un istituto tecnico, ma a che cosa serve tutto ciò che si impara in teoria se poi non si ha la benché minima idea di cosa questo significhi in pratica?
Io trovo che se tutte le ore di fisica fatte in cinque anni (pensate che sono più di trecento!) fossero svolte tenendo conto dell'aspetto pratico della materia, non dico che dal liceo uscirebbero dei tecnici, ma almeno delle persone ingegnose e pronte a risolvere ogni piccolo problema quotidiano relativo agli argomenti studiati, e questo è molto di più che persone che ricordano a malapena qualche regola e qualche formula.
Mi rendo conto che sto implicitamente estremizzando la mia posizione in questi discorsi; faccio ammenda e preciso: perchè non dev'essere possibile accompagnare costantemente alle nozioni teoriche delle nozioni "operative" e delle "pratiche" che, oltre a dare un senso concreto a ciò che si studia, rendano lo stesso studio più attraente e vivo? Oppure: non è possibile procedere induttivamente dall'esperienza alle formule, alle definizioni?
In alcuni casi, è vero, ciò non è possibile; ma sono certo più numerosi quelli in cui si può essere più "induttivi", più "naturali", meno "artificiali".

Capacità elettrica - introduzione
Un altro elemento passivo che si incontra nello studio delle reti lineari è il condensatore. Esso ha la caratteristica di accumulare una certa quantità di energia potenziale, e di mantenerla a disposizione fino a quando non si effettua la scarica. Il Condensatore si presenta sotto forma di due lamine (armature) sovrapposte opportunamente isolate tra di loro mediante il dielettrico e racchiuse all' interno di un contenitore isolante. In figura 31.1.a e 31.1.b sono riportati il disegno schematizzato di un condensatore ed il relativo simbolo.

Fig. 31.1.a
Fig. 31.1.b
Il condensatore presenta un certo valore di capacità (C), (che si misura in Farad (F) dal nome del fisico Faraday), ed indica quanta quantità di carica è in grado di accumulare. Il valore di C è direttamente proporzionale alla superfice delle armature sovrapposte, (armature molto larghe ma non sovrapposte non formano un condensatore), inversamente proporzionale alla distanza tra le armature, e dipende dalla natura del dielettrico (materiale interposto tra le due armature).
S
C =  * --- [F]
d
C = capacità del condensatore in farad
S = superfice delle armature in m²
d = distanza tra le armature in metri
 = permettività del mezzo
La permettività rappresenta la capacità di polarizzazione di un elemento, essa è costante. Non tutti gli elementi hanno questa proprietà, solo i materiali conosciuti come isolanti riescono a polarizzarsi proprio perchè le cariche non si possono muovere al loro interno, e quindi in presenza di un campo elettrico, esse si accumulano alle estremità del corpo. È evidente che i materiali conduttori non hanno la capacità di polarizzarsi, in quanto le cariche riescono a muoversi liberamente al loro interno. Anche il vuoto si polarizza lievemente, e contribuisce ad aumentare la permettività di un elemento. Nella maggior parte dei casi però questo contributo lo si vede espresso come prodotto tra la permettività del vuoto e quella dell' elemento.
 = r * 0
 = Permettività assoluta di un materiale
r = Permettività relativa del materiale
0 = Permettività del vuoto
Valori di permettività dei principali materiali
Materiale
Permettività relativa F/m
Acqua distillata
80
Aria secca
1
Bachelite
5,5 - 8,8
Carta impregnata in Olio
3,5 - 5
Gomma
3
Mica in foglio continuo
4,5 - 5
PVC
2,2 - 2,4
Vetro
3,8 - 9,5
Vuoto
1
Permettività del vuoto = 8.854 * 10E-12 F/m
Quando un condensatore viene collegato ad un circuito elettrico, sulle due armature si accumulano delle cariche elettriche. La quantità di cariche che si accumulano, è direttamente proporzionale sia alla capacità del condensatore, sia alla tensione applicata ai suoi capi.
Q = C * V
Q = Quantità di carica accumulata in coulomb
C = capacità del condensatore in farad
V = tensione applicata ai capi del condensatore
Benchè nelle formule si esprimano le grandezze unitarie, i valori comuni di capacità dei condensatori variano da alcuni picoF (10E-12 F), ad alcune centinaia di microF (10E-6 F).

Esempio