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Un condensatore è essenziale nei circuiti perché resiste alle variazioni di tensione immagazzinando cariche uguali e opposte sui suoi terminali conduttivi e quindi fornendo energia quando l'alimentazione di tensione diminuisce.
Un condensatore è composto da due terminali conduttivi, come le due piastre in un "condensatore a piastre parallele", separati da un materiale isolante o da una fessura. Quando la tensione viene applicata attraverso un condensatore, assorbe corrente. Ciò fa sì che gli elettroni si accumulino su una piastra mentre vengono respinti sull'altra, immagazzinando così cariche uguali e opposte sulle due piastre.
La capacità del componente di immagazzinare carica è chiamata capacità ed è misurata in unità chiamate Farad.
Questo video utilizza un condensatore a piastre parallele per illustrare il concetto di capacità e la sua dipendenza da fattori fisici e dalla configurazione della rete.
Quando una fonte di alimentazione viene applicata a un circuito, il condensatore assorbe "corrente di carica" fino a quando i suoi conduttori non sono completamente carichi. La quantità di carica 'Q' che un condensatore può immagazzinare dipende dalla capacità 'C' del componente e dall'entità della tensione fornita 'V'.
Quando la tensione scende, la carica dai conduttori del condensatore fluisce verso il circuito, generando corrente fino all'esaurimento della carica immagazzinata, stabilizzando così la fluttuazione della tensione. Corrente è il tasso di variazione dell'importo della carica. Combinando questo con l'equazione precedente, possiamo dire che il flusso di corrente in uscita dal condensatore è la capacità moltiplicata per la velocità di variazione della tensione.
Il valore di C è costante per un dato condensatore, e può essere ottenuto utilizzando questa equazione, che mostra che C è direttamente proporzionale ad A - l'area della superficie della piastra, d - la distanza della fessura, ed epsilon - la costante dielettrica o "permittività" del materiale isolante tra le piastre.
La costante dielettrica è una misura della misura in cui il materiale si polarizza in un campo elettrico.
Quindi, data la relazione tra epsilon e C, e C e Q; A una data tensione, maggiore è la permittività, maggiore sarà la capacità di accumulo della carica del condensatore.
Il vuoto ha una costante dielettrica di 8,85x10-12 Farad per metro, indicata con ?0. Altri media hanno generalmente valori di permittività maggiori, che vengono scalati a ?0 e definiti permittività "relativa" del mezzo. Ad esempio, la permittività relativa dell'aria è approssimativamente uno, i polimeri vanno da 2 a 4 e l'acqua distillata è 80.
Ora che le proprietà fisiche che influenzano la capacità sono state spiegate, diamo un'occhiata a come misurare la capacità in elementi capacitivi singoli o in rete.
Per iniziare, raccogli i seguenti materiali: un condensatore commerciale con capacità vicina a 470 micro farad, una sorgente di tensione programmabile e un amperometro o multimetro in grado di misurare la corrente.
Quindi, con la sorgente di tensione impostata su 0 V, collegare il suo terminale positivo all'amperometro. Quindi collegare l'altra porta dell'amperometro al condensatore, utilizzando cavi con morsetti o spine a banana. Ciò consente la misurazione della corrente di uscita dal condensatore. Successivamente, collegare la porta negativa della sorgente di tensione all'altro terminale del condensatore.
Quindi, commutare la sorgente di tensione da 0 a 1 V e osservare la lettura della corrente transitoria sull'amperometro. Quindi regolare la tensione su 0 prima di aumentare a 2 V, 5 V e infine 10 V. Per ogni tensione target, lasciare un secondo di riposo a 0 V tra le modifiche a diverse tensioni target. Osservare la corrente transitoria al variare della tensione.
Come previsto dall'equazione, la corrente transitoria dovrebbe essere maggiore per una tensione target più grande.
Infine, programmare la sorgente di tensione per generare una rampa di tensione da 0 V a 10 V in 5 secondi e registrare la lettura dell'amperometro a metà rampa di "stato stazionario". Quindi, ripetere per tempi di rampa di 10 s, 20 s e 30 s.
Ora procuratevi un condensatore a piastre parallele con separazione regolabile tra le piastre e utilizzate una batteria da 300 V come fonte di tensione. Sostituire l'amperometro con una resistenza da 1 mega-ohm. Questo resistore fornisce una protezione aggiuntiva che limita il flusso di corrente nel circuito.
In secondo luogo, collegare un voltmetro ad alta impedenza, o elettrometro, tra le due piastre per misurare la differenza di tensione.
Quindi, collegare la batteria al condensatore e attendere che anche l'elettrometro raggiunga lo stato stazionario di 300 V, indicando che il condensatore è completamente carico. Quindi scollegare rapidamente la batteria dalle piastre. L'elettrometro dovrebbe ancora leggere 300 V.
Ripetere la misurazione dopo aver diminuito la distanza tra le piastre a 15, 10 e 5 mm.
Infine, con una distanza della piastra del condensatore di 20 mm, inserire una lastra di plastica tra le due piastre e osservare cosa succede alla lettura della tensione dell'elettrometro.
Per il condensatore commerciale, il grafico della corrente misurata rispetto alla velocità di rampa di tensione rivela una relazione lineare tra i due parametri.
Ciò è conforme alla relazione prevista da questa equazione, che abbiamo ricavato in precedenza nel video. Secondo l'equazione, la pendenza della linea è uguale alla capacità.
Per il condensatore a piastre parallele con carica fissa, il grafico della tensione tra le piastre rispetto alla distanza tra le piastre è lineare. Questo supporta ancora una volta le relazioni teoriche. Sappiamo che la capacità e la distanza della piastra sono inversamente proporzionali. Sappiamo anche che quando la carica del conduttore è fissa, anche la capacità e la tensione sono inversamente proporzionali. La combinazione di queste due equazioni rivela che la tensione e la distanza di placca sono direttamente proporzionali l'una all'altra quando la carica è fissa.
Questa equazione prevede anche che con una carica fissa, maggiore è la costante dielettrica del mezzo gap, minore sarebbe la tensione tra le piastre. Ciò è stato confermato quando l'aria nella fessura è stata sostituita dalla plastica e abbiamo visto un calo nella lettura del voltmetro.
I condensatori sono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni ingegneristiche e scientifiche per immagazzinare la carica e scaricare selettivamente l'elettricità.
I condensatori sono essenziali per l'elaborazione del segnale elettrico. Ad esempio, i biologi hanno utilizzato un test a due scelte per valutare come i topi riconoscono e rispondono a diverse vocalizzazioni ultrasoniche. Innanzitutto, i file audio vengono registrati da mouse vivi e tagliati utilizzando filtri passa-alto per selezionare la frequenza.
I circuiti di filtro passa-alto utilizzano condensatori per bloccare le oscillazioni a bassa frequenza, poiché la conduzione tra le piastre del condensatore generalmente aumenta a frequenze più alte e diminuisce a basse frequenze. Quindi, i suoni a frequenza variabile vengono riprodotti simultaneamente in due posizioni separate, consentendo ai topi di migrare verso la vocalizzazione preferita.
Mentre gli alimentatori di rete sono CA con corrente fluttuante, molti dispositivi elettronici, come i computer, richiedono l'alimentazione CC. I condensatori vengono utilizzati all'interno degli adattatori di alimentazione CA per filtrare i segnali elettrici e stabilizzare l'alimentazione CC, fornendo una sorgente fluida e ininterrotta.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE ai condensatori. A questo punto dovresti comprendere il concetto di capacità, come misurare questo parametro fisico e come proprietà come la distanza da piastra a piastra o il materiale della fessura influiscono sul valore della capacità. Come sempre, grazie per la visione!
