El condensador elèctric és un dispositiu passiu que és capaç d'acumular i emmagatzemar energia elèctrica. Consta de dues plaques conductores separades per un material dielèctric. L'aplicació de potencials elèctrics de diferents signes a plaques conductores comporta l'adquisició d'una càrrega per aquestes, que és positiva en una placa i negativa en l' altra. En aquest cas, el càrrec total és zero.
Aquest article tracta els problemes de la història i la definició de la capacitat d'un condensador.
Història d'invenció
A l'octubre de 1745, el científic alemany Ewald Georg von Kleist es va adonar que es podia emmagatzemar una càrrega elèctrica si un generador electrostàtic i una certa quantitat d'aigua en un recipient de vidre es connectessin amb un cable. En aquest experiment, la mà i l'aigua de von Kleist eren conductors, i el recipient de vidre era un aïllant elèctric. Després que el científic toqués el cable metàl·lic amb la mà, es va produir una potent descàrrega, que va sermolt més fort que la descàrrega d'un generador electrostàtic. Com a resultat, von Kleist va concloure que hi havia energia elèctrica emmagatzemada.
El 1746, el físic holandès Pieter van Muschenbroek va inventar un condensador, que va anomenar ampolla de Leiden en honor a la Universitat de Leiden on treballava el científic. A continuació, Daniel Gralat va augmentar la capacitat del condensador connectant diverses ampolles de Leiden.
El 1749, Benjamin Franklin va investigar el condensador de Leyden i va arribar a la conclusió que la càrrega elèctrica no s'emmagatzema a l'aigua, com es creia abans, sinó a la vora de l'aigua i el vidre. Gràcies al descobriment de Franklin, les ampolles de Leyden es van fer cobrint l'interior i l'exterior dels recipients de vidre amb plaques metàl·liques.
Desenvolupament de la indústria
El terme "condensador" va ser encunyat per Alessandro Volta el 1782. Inicialment, es van utilitzar materials com el vidre, la porcellana, la mica i el paper normal per fer aïllants de condensadors elèctrics. Així doncs, l'enginyer de ràdio Guglielmo Marconi va utilitzar condensadors de porcellana per als seus transmissors i per als receptors, petits condensadors amb un aïllant de mica, que es van inventar el 1909, abans de la Segona Guerra Mundial, eren els més comuns als EUA.
El primer condensador electrolític es va inventar l'any 1896 i era un electròlit amb elèctrodes d'alumini. El ràpid desenvolupament de l'electrònica va començar només després de la invenció el 1950 d'un condensador de tàntal en miniatura ambelectròlit sòlid.
Durant la Segona Guerra Mundial, com a conseqüència del desenvolupament de la química dels plàstics, van començar a aparèixer els condensadors, en els quals s'assignava el paper d'aïllant a les pel·lícules primes de polímer.
Finalment, als anys 50-60, es desenvolupa la indústria dels supercondensadors, que tenen diverses superfícies conductores de treball, per la qual cosa la capacitat elèctrica dels condensadors augmenta en 3 ordres de magnitud en comparació amb el seu valor per als condensadors convencionals.
El concepte de la capacitat d'un condensador
La càrrega elèctrica emmagatzemada a la placa del condensador és proporcional a la tensió del camp elèctric que hi ha entre les plaques del dispositiu. En aquest cas, el coeficient de proporcionalitat s'anomena capacitat elèctrica d'un condensador pla. En SI (Sistema Internacional d'Unitats), la capacitat elèctrica, com a magnitud física, es mesura en farads. Un farad és la capacitat elèctrica d'un condensador, la tensió entre les plaques del qual és d'1 volt amb una càrrega emmagatzemada d'1 coulomb.
La capacitat elèctrica d'1 farad és enorme i, a la pràctica, en enginyeria elèctrica i electrònica, s'utilitzen habitualment condensadors amb capacitats de l'ordre de picofarad, nanofarad i microfarad. Les úniques excepcions són els supercondensadors, que consisteixen en carbó actiu, que augmenta l'àrea de treball del dispositiu. Poden arribar a milers de farads i s'utilitzen per alimentar prototips de vehicles elèctrics.
Així, la capacitat del condensador és: C=Q1/(V1-V2). Aquí C-capacitat elèctrica, Q1 - càrrega elèctrica emmagatzemada en una placa del condensador, V1-V2- la diferència entre els potencials elèctrics de les plaques.
La fórmula per a la capacitat d'un condensador pla és: C=e0eS/d. Aquí e0i e és la constant dielèctrica universal i la constant dielèctrica del material aïllant S és l'àrea de les plaques, d és la distància entre les plaques. Aquesta fórmula us permet entendre com canviarà la capacitat d'un condensador si canvieu el material de l'aïllant, la distància entre les plaques o la seva àrea.
Tipus de dielèctrics usats
Per a la fabricació de condensadors s'utilitzen diversos tipus de dielèctrics. Els més populars són els següents:
- Aire. Aquests condensadors són dues plaques de material conductor, que estan separades per una capa d'aire i col·locades en una caixa de vidre. La capacitat elèctrica dels condensadors d'aire és petita. Normalment s'utilitzen en enginyeria de ràdio.
- Mica. Les propietats de la mica (la capacitat de separar-se en làmines fines i de suportar altes temperatures) són adequades per al seu ús com a aïllants en condensadors.
- Paper. El paper encerat o envernissat s'utilitza per protegir-se de la mullada.
Energia emmagatzemada
A mesura que augmenta la diferència de potencial entre les plaques del condensador, el dispositiu emmagatzema energia elèctrica a causa dela presència d'un camp elèctric al seu interior. Si la diferència de potencial entre les plaques disminueix, llavors el condensador es descarrega, donant energia al circuit elèctric.
Matemàticament, l'energia elèctrica que s'emmagatzema en un tipus arbitrari de condensador es pot expressar amb la fórmula següent: E=½C(V2-V 1)2, on V2 i V1 són el final i l'inici tensió entre les plaques.
Càrrega i descàrrega
Si un condensador està connectat a un circuit elèctric amb una resistència i alguna font de corrent elèctric, el corrent fluirà pel circuit i el condensador començarà a carregar-se. Tan bon punt estigui completament carregat, el corrent elèctric del circuit s'aturarà.
Si un condensador carregat està connectat en paral·lel amb una resistència, aleshores un corrent fluirà d'una placa a una altra a través de la resistència, que continuarà fins que el dispositiu es descarregui completament. En aquest cas, la direcció del corrent de descàrrega serà oposada a la direcció del flux de corrent elèctric quan el dispositiu s'estava carregant.
La càrrega i la descàrrega d'un condensador segueix una dependència temporal exponencial. Per exemple, la tensió entre les plaques d'un condensador durant la seva descàrrega canvia segons la fórmula següent: V(t)=Vie-t/(RC) , on V i - tensió inicial al condensador, R - resistència elèctrica al circuit, t - temps de descàrrega.
Combinació en un circuit elèctric
Per determinar la capacitat dels condensadors disponiblescircuit elèctric, cal recordar que es poden combinar de dues maneres diferents:
- Connexió en sèrie: 1/Cs =1/C1+1/C2+ …+1/C.
- Connexió paral·lel: Cs =C1+C2+…+C.
Cs: capacitat total de n condensadors. La capacitat elèctrica total dels condensadors es determina mitjançant fórmules similars a expressions matemàtiques per a la resistència elèctrica total, només la fórmula per a la connexió en sèrie de dispositius és vàlida per a la connexió en paral·lel de resistències i viceversa.
