Condensatorul Electric

Oarecum, condensatorul este un fel de baterie. Cu toate că lucrează în moduri total diferite, şi condensatorii şi bateriile stochează energie electrică. În interiorul bateriilor, o serie de reacţii chimice produc electroni pe un terminal şi îi „absorb” de la celălalt. Un condensator este mai simplu decât o baterie, în sensul că el nu produce electroni, ci doar îi stochează. Deci, condensatorul este un dispozitiv electric pasiv ce înmagazinează energie sub forma unui câmp electric între două armături încărcate cu o sarcină electrică egală, dar de semn opus. Acesta mai este cunoscut si sub denumirea de capacitor. Unitatea de măsură, în sistemul internaţional, pentru capacitatea electrică este faradul (notat F). Condensatoarele pot fi de mai multe feluri (electrolitice, cu tantal, etc.), ele fiind realizate atât în tehnologie SMD (surface mounted device) cat şi tehnologie THD (trough hole device). În interiorul condensatorului, terminalele sunt conectate la două plăci de metal separate de un material dielectric (nonconductor). Puteţi face cu uşurinţă un condensator din două bucăţi de folie de aluminiu separate de o bucată de hârtie. Nu va fi un condensator foarte bun în privinţa capacităţii sale de acumulare a energiei electrice, dar va funcţiona. În teorie, orice material non-conductor poate fi dielectric. Totuşi, pentru aplicaţii practice, materiale specifice sunt folosite pentru a obţin cele mai bune rezultate. Mica, ceramica, celuloza, porţelanul, Mylar-ul, teflonul şi chiar aerul sunt o parte dintre materialele dielectrice folosite la condensatori. Dielectricul folosit dictează tipul condensatorului şi pentru ce este folosit. În funcţie de mărimea şi tipul dielectricului, unii condensatori sunt mai buni pentru curenţi electrici de frecvenţe înalte, în timp ce alţii pentru voltaje înalte. Condensatorii pot fi folosiţi în aproape orice scop, de la micii condensatori din computerul dumneavoastră la uriaşi condensatori ce alimentează un autobuz. NASA utilizează condensatori ce au ca dielectric sticla pentru a porni sistemele electrice uriaşe ale navetelor şi staţiilor spaţiale. Aici sunt o parte din dielectricii folosiţi în condensatori şi ce capacităţi le dau acestora:

1. 2.

Aerul – adesea folosit în circuite radio;

3. 4.

Sticla – bună pentru aplicaţii de mare voltaj;

5.

Super-condensatori – folosiţi la maşini electrice şi hibride.

Mylar – folosit adesea pentru circuitele ceasurilor, cronometrelor şi altor dispozitive de măsurare a timpului; Condensatorii ceramici – folosiţi pentru frecvenţe mari, în dispozitive ca antenele, scannere cu raze X sau MRI;

1. Circuitul condensatorilor Într-o reprezentare schematică a unui circuit electric, un condensator este prezentat astfel, în funcţie de tipul său.

Când conectaţi un condensator de o baterie, iată ce se întâmplă (vezi fig. de mai jos):

• •

Placa condensatorului care este ataşată la terminalul negativ al bateriei acceptă electronii produşi de aceasta; Placa condensatorului care este ataşată la terminalul pozitiv al bateriei pierde electroni, aceştia ducându-se la baterie.

Odată ce este încărcat, condensatorul va avea aceeaşi tensiune electrică ca şi bateria (dacă bateria are 1,5 volţi, atunci si condensatorul va avea tot 1,5 volţi). Pentru un mic condensator, capacitatea este mică. Marii condensatori pot suporta puţin mai multă sarcină electrică. Puteţi găsi condensatori mai cât o conservă care pot susţine destulă sarcină electrică necesară pentru a face posibilă aprinderea unui bec timp de un minut mai sau mai mult. Chiar şi natura are un „condensator” care funcţionează în forma fulgerelor. O „placă” sunt norii, iar cealaltă este reprezentată de pământ, iar fulgerul apare între aceste două „plăci”. Evident, cu un condensator de aceste dimensiuni se poate stoca destulă sarcină pentru a produce fulgerele.

În imaginea de mai sus este un circuit format dintr-un bec, o baterie şi un condensator. Dacă condensatorul este destul de mare, veţi observa că, atunci când conectaţi bateria, becul va lumina în timp ce curentul de bateriei circulă spre condensator şi acest acumulează sarcină electrică. Lumina becului va creşte în intensitate până ce condensatorul îşi atinge capacitatea maximă. Dacă veţi deconecta bateria de la circuit şi o veţi înlocui cu un fir, curentul va circula de la o placă a condensatorului la cealaltă. Becul va emite iniţial o lumină intensă care apoi scade în intensitate pe măsură ce condensatorul se descarcă. 2. Faradul Capacitatea de stocare a sarcinii electrice de către condensator, sau capacitanţa, este măsurată în Sistemul Internaţional în unităţi numite farazi. Un condensator de un farad poate stoca un coulomb de sarcină la un volt. Un coulomb are 625 X 1016 electroni. Un amper reprezintă o rată de electroni de 1 coulomb pe secundă, aşadar un condensator de un farad poate susţine un amper pe secundă la tensiunea de un volt. Un condensator de un farad este destul de mare. Din acest motiv, de obicei condensatorii se măsoară în submultiplii faradului, în unităţi ca microrfaradul (mF) şi picofaradul (pF). Pentru a avea o perspectivă a cât de mare este un farad, gândiţi-vă la asta: 1. 2. 3.

O baterie AA alcalină standard are aproximativ 2,8 amperi/oră; Asta înseamnă că o baterie AA alcalină standard poate produce un curent electric cu intensitatea de 2,8 amperi şi cu tensiunea de 1,5 volţi timp de o oră (aproximativ 4,2 waţi pe oră – o astfel de baterie poate ţine aprins un bec de 4 waţi aproximativ de o oră); Să spunem că bateria produce curent cu tensiunea de un volt pentru a simplifica calculele. Pentru a stoca energia unei baterii AA cu intensitatea curentului de 2,8 amperi şi cu tensiunea de un volt într-un condensator, v-ar trebui un condensator de 3600 X 2.8=10080 farazi, deoarece un amper pe oră este egal cu 3600 amperi pe secundă.

3. Energia stocată Ca sarcini opuse care se acumulează pe plăcile unui condensator datorate unei separaţii a sarcinilor, se dezvoltă un voltaj în condensator datorită câmpului electric al acestor sarcini. Creşterea energiei se face împotriva câmpului electric, fiind separată mai multă sarcină electrică. Energia (măsurată în SI în jouli) stocată în condensator este egală cu acţiunea necesară pentru a stabili voltajul în condensator şi, implicit, şi a câmpului electric. Energia stocată este calculată prin formula:

unde „V” este voltajul (tensiunea electrica) la bornele condensatorului. Energia maximă care poate fi stocată (în siguranţă) într-un condensator este limitată de câmpul electric maxim pe care îl poate suporta materialul dielectric înainte să se distugă. Aşadar, toţi condensatorii care folosesc acelaşi material dielectric au aceeaşi densitate a energiei (jouli per metru cub). 4. Aplicaţii Diferenţa dintre un condensator şi o baterie este că un condensator poate să se descarce de toată energia electrică într-o fracţiune de secundă, în timp ce unei baterii îi trebuie minute pentru a se descărca în totalitate. Acesta este motivul pentru care fulgerul electronic al unei camere foto foloseşte un condensator – bateria încarcă condensatorul timp de câteva secunde, iar acesta eliberează toată sarcina pe care a acumulat-o în lampa de blitz aproape instantaneu. Acest lucru face condensatorii mari extrem de periculoşi – televizoarele şi alte dispozitive care conţin condensatori mari au avertismente cu privire la deschiderea lor. Condensatorii sunt folosiţi în circuitele electrice în câteva moduri diferite: 1. 2. 3.

Uneori, sunt folosiţi pentru a stoca energie şi pentru a o folosi cu mare viteză. Acest lucru face un fulger. Laserele mari folosesc această tehnică pentru a genera scântei luminoase, instantanee. Condensatorii pot de asemenea elimina pulsaţiile. Dacă un traseu electric de alimentare in curent continuu "are pulsaţi", un condensator poate absorbi „vârfurile” şi umple „văile”, deci netezi forma de unda (de tensiune). Un condensator poate bloca tensiunea curentului continuu. dacă conectaţi un condensator la o baterie, atunci când se va încărca în totalitate, între polii bateriei nu va mai circula curentul. Totuşi, orice semnal alternativ, trece printr-un condensator nestingherit. Acest lucru se întâmplă deoarece condensatorul se încarcă şi se descarcă odată cu fluctuaţiile curentului, făcând să pară că acesta trece prin el.

5. Istoria condensatorului

Invenţia condensatorului variază oarecum în funcţia de cine întrebi. Există documente care indică faptul că cercetătorul german Ewald Gorg von Kleist a inventat condensatorul în noiembrie 1754. Câteva luni după aceea, Pieter van Musschenbroek, un profesor olandez de la universitatea Leyden a venit cu un dispozitiv similar, numit butelia de Leyda, care este considerat primul condensator. Deoarece Kleist nu avea jurnale şi note foarte amănunţite, el a fost adesea privit ca un contribuitor la dezvoltarea condensatorului, nu inventatorul acestuia. Totuşi, peste ani, s-a stabilit că cercetările lor au fost independente şi că între ele a fost doar o pură coincidenţă. Butelia de Leyda este un dispozitiv foarte simplu. El constă dintr-un borcan de sticlă, pe jumătate umplut cu apă, şi căptuşi pe interior şi pe exterior cu folie de metal. Sticla acţionează ca un dielectric, deşi s-a crezut pentru un timp că apa este ingredientul-cheie. Acolo este de obicei un fir de metal sau un lanţ care este trecut printr-un dop de plută (sau alt material izolant). Lanţul este încovoiat pe ceva care va distribui sarcina. Odată transmis curentul în butelie, ea ar trebui să poată susţine două sarcini opuse, dar egale în echilibru până când este conectată la un fir, producând o scânteie sau un şoc.

Benjamin Franklin a folosit butelia de Leyda în experimentele sale cu electricitatea şi a descoperit că o bucată de sticlă plată funcţionează la fel ca şi butelia de Leyda, dezvoltând astfel condensatorul plat sau pătratul Franklin. Câţiva ani mai târziu, chimistul englez Michael Faraday a folosit condensatorii în primele aplicaţii practice în încercarea de a stoca electroni nefolosiţi de la experimentele sale. Acesta a fost primul condensator utilizabil, făcut din butoaie mari de ulei. Progresul lui Faraday asupra condensatorilor este cel care ne-a permis să „transportăm” energie electrică pe distanţe mari. Ca rezultat pentru realizările lui Faraday domeniul câmpurilor câmpurile electrice, unitatea de măsură a capacitanţei condensatorilor este faradul. 6. Circuite electrice 6.1 Sursele de curent continuu

Materialul dielectric dintre plăci este un izolator care opreşte fluxul de electroni. Un curent electric constant care străbate un condensator „depozitează” electroni pe o placă şi ia aceeaşi cantitate de electroni de pe placa cealaltă. Acest proces se numeşte „încărcare”. Curentul ce trece prin condensator rezultă în separaraţia de sarcină din interiorul său, care dezvoltă un câmp electric între plăcile unui condensator, dezvoltând o diferenţă de voltaj între plăci echivalentă cu curentul electric ce trece prin el. Acest voltaj (V) este direct proporţional cu cantitatea de sarcină separată (Q). Întrucât curentul (I) din condensator este rata prin care sarcina (Q) este „forţată” prin condensator (dQ/dt), aceasta poate fi exprimată matematic:

unde „I” este fluxul de curent în direcţia convenţională, măsurat în amperi, „dV/dt” este timpul derivat al voltajului, măsurat în volţi per secundă, şi „C” este capacitanţa măsurată în farazi. Pentru circuitele cu o sursă de voltaj constant (conninuu) şi care constă doar din rezistenţe şi condensatori, voltajul care traversează condensatorul nu poate depăşi voltajul de la sursă. Astfel, se ajunge la un echilibru unde voltajul care traversează condensatorul este constant, iar curentul de la condensator este zero. Din acest motiv, se spune că condensatorii blochează curentul continuu. 6.2 Sursele de curent alternativ Curentul potrivit pentru un condensator este curentul alternativ, care îşi schimbă direcţia periodic. Acest tip de curent electric este cel mai potrivit pentru un condensator deoarece încarcă plăcile alternativ: într-o direcţie încarăcă o plcaă iar când şi-o schimbă o încarcă pe cealaltă. Cu excepţia momentului în care curentul electric îşi schimbă direcţia, curentul condensatorului este diferit de zero pe tot parcursul unui ciclu. Din acest motiv putem spune că condensatorii lasă curentul alternativ „să treacă”. Totuşi, electronii nu trec niciodată direct de la o placă la alta decât atunci când materialul dielectric este distus. O asemenea situaţie duce la distrugeri fizice ale condensatorului şi, uneori, a circuitului electric în care acesta se află. Deoarece voltajul care traversează condensatorul este proporţional cu integralul curentului electric, cu sinusul undelor în curentul alternativ sau semnalul curcuitelor, rezultă în această fază un unghi de 90 de grade, curentul conducând voltajul unghiului de tranzit. Poate fi demonstrat că voltajul curentului alternativ care trece printr-un condensator este în cvardratură cu alternarea curentului prin condensator. Aceasta înseamnă că voltajul şi curentul electric sunt defazate cu un sfert de ciclu. Amplitudinea voltajului depinde de amplitudinea curentului divizat de produsul frecvenţei curentului cu capacitanţa. 6.3 Impedanţa Rata voltajului fazat („fazat” este un număr complex, care reprezintă amplitudinea a unei funcţii sinusoidale a timpului) care traversează un element al circuitului spre curentul fazat. Acel element se numeşte impedanţă (Z). Impedanţa descrie o măsură a opoziţiei a unui curent alternativ. Pentru un condensator, aceasta se calculează prin formula:

unde:

este reactanţa capacitivă, ω=2πf este frecvenţa unghiulară („f” este frecvenţa, „C” este capacitanţa măsurată în farazi, iar „ j” este "unitatea imaginară"). Cât timp această relaţie (între voltajul domeniului de frecvenţă şi curentul aociat cu un condensator) este adevărată, raportul dintre voltajul domeniului de timp şi amplitudinii curentului este egal cu „Xc” doar pentru circuite sinusoidale (pentru curent alternativ) în stare stabilă. De aici, reactanţa capacitivă este componenta negativă imaginată a impedanţei. Semnul negativ indică faptul că curentul electric duce voltajul la 90 pentru semnalul sinusoidal, ca opus faţă de inductor, unde curentul electric rămâne la 90o. Impedanţa este similară cu rezistenţa opusă de un rezistor. Impedanţa unui condensator este invers proporţională cu frecvenţa – aşadar, pentru curenţi electric alternativi cu frecvenţe foarte mari, reactanţa se apropie de zero – aşa că un condensator este aproape de un scurt-circuit la curenţi electrici alternativi cu frecvenţa mari. În schimb, pentru curenţi electrici alternativi de frecvenţă mică, reactanţa creşte în exteriorul condensatorului, astfel încât acesta este un circuit deschis pentru un curent electric alternativ de frecvenţă mică. Această frecvenţă dependentă de comportarment descrie majoritatea funcţiilor condensatorilor. Reactanţa este astfel numită deoarece condensatorul nu risipeşte energia, ci o stochează. În circuitele electrice, ca şi în mecanică, sunt două tipuri de sarcini: rezistivă şi reactivă. Sarcinile rezistive (se aseamănă prin analogie cu un obiect care se deplasează pe o suprafaţă aspră) disipează energia de la circuit sub formă de căldură, iar sarcinile reactive (se aseamănă prin analogie cu un obiect care se deplasează pe o suprafaţă unde frecarea este foarte mică) stochează energia, introducând-o înapoi pe circuit. De asemenea semnificativă este şi impedanţa care este invers proporţională cu capacitanţa, spre deosebire de inductori şi rezistori, unde impedanţa este proporţională cu rezistenţa şi, respectiv, inductanţa. Aşa că formula impedanţei la legarea în serie şi în paralel sunt inversul cazului rezistiv; în serie, suma impedanţelor, iar în paralel suma conductanţei (conductibilităţii). 6.4 Legarea în serie sau în paralel Condensatorii aflaţi într-o configuraţie paralelă au aceeaşi diferenţă de potenţial (voltaj). Capacitanţa totală (Ceq) a lor este dată de formula:

Motivul pentru legarea condensatorilor în paralel este de a creşte totalul de energie stocată. Cu alte cuvinte, crescând capacitanţa creşte şi energia care poate fi stocată. Formula prin care se poate calcula acest lucru este

Curentul electric care trece prin condensatorii legaţi în serie rămâne acelaşi, dar voltajul care traversează fiecare condensator poate fi diferit. Suma diferenţelor de potenţial (voltajelor) este egală cu voltajul total. Capacitanţa totală a lor este dată de formula:

În paralel, suprafaţa efectivă a condensatorului combinat a crescut, crescând şi capacitanţa totală, în timp ce, în serie, distanţa dintre plăci se reduce efectiv, aşa că se reduce capacitanţa totală. Practic, conectarea condensatorilor în serie înseamnă obţinerea economică a unor condensatori de mare voltaj, care pot fi folosiţi, de exemplu, pentru a stabiliza curentul electric provenit de la o sursă de mare voltaj. Trei condensatori de 600 de volţi legaţi în serie vor „crea” un condensator de 1800 de volţi. Aceasta este desigur capacitanţa obţinută din legarea condensatorilor în serie, fiecare având o treime din capactanţa totală. Opus aceşti rezultat, se poate obţine, conectând în paralel aceeaşi condensatori, obţinem o matriţă de condensatori 3X3, cu aceeaşi capacitanţă totală cu un singur condensator, dar operabilă în tensiuni de trei ori mai mici. În această aplicaţie, un rezistor va fi conectat „în faţa” fiecărui condensator pentru a asigura că voltajul este divizat egal la fiecare condensator şi descărcarea condensatorilor când aceştia nu sunt în uz. Altă aplicaţia a acestui aranjament este utilizarea condensatorilor polarizaţi în circuite alternative; condensatorii sunt conectaţi în serie, cu polaritate inversă, aşa că la orice moment, un condensator va fi non-coductor. 7. Tipurile de condensatori [Ordonate după materialul dielectric:]

a). Vidul: doi electrozi, de obicei din cupru, sunt separaţi de vid. Învelişul izolator este de obicei fabricat din sticlă sau dintr-un material ceramic. Ei au tipic capacitanţe mici – între 10 şi 1000 picofarazi – şi voltaje mari – peste 10 kilovolţi (kV) – sunt adesea utilizaţi la transmiţătoare radio şi la alte dispozitive care folosesc curenţi electrici de voltaje mari. Acest tip de condensatori poate fi fix sau variabil. Condensatorii cu vid variabili pot avea un raport dintre capacitanţa minimă şi cea maximă de peste 100, permiţând oricărui circuit pornit să acopere o decadă completă de frecvenţe. Vidul cel mai apropiat de perfecţiune dintre dielectricele cu pierderea tangenţială egală cu zero. Acest lucru permite transmiterea curenţilor electrici fără pierderi semnificative şi degajare de căldură. b). Aerul: un condensator care are ca material dielectric aerul, constă din două plăci metalice, fabricate de obicei din aluminiu sau alamă placată cu argint. Aproape toţi condensatorii cu aer sunt variabili şi sunt folosiţi la circuite pentru unde radio. c). Folie de plastic metalizată: aceşti condensatori sunt fabricaţi dintr-o folie din polimer de înaltă calitate (de obicei policarbonat, polistiren, polipropilenă, poliester, şi pentru condensatori de înaltă calitate, polisulfon), şi o folie sau un strat de metal care acoperă această folie din plastic. Ei au o calitate şi o stabilitate bună şi sunt potrivite pentru circuitele temporizatoarelor. Adecvate pentru frecvenţe mari. d). Mică: Asemănători cu cei din folie metalică. Adesea pentru voltaj înalt. Potriviţi pentru frecvenţe mari. Scumpi. e). Hârtie: Folosiţi pentru voltaje relativ mari. Acum învechit. f). Sticlă: Folosiţi pentru voltaje înalte. Scumpi. Coeficient stabil de temperatură într-o gamă largă. g). Ceramici: Straturi subţiri, alternative, de metal şi material ceramic. De materialul ceramic folosit ca dielectric, şi dacă sunt din clasa I sau II, depinde temperatura şi capacitanţa. Ei au (în special cei din clasa a II-a) un factor de disipare mare, un coeficient mare de disipare al frecvenţei, capacitatea lor depinde de voltajul care îi străbate, capacitatea lor se modifică odată cu vârsta. Totuşi, ei sunt folosiţi în multe aplicaţii de mică precizie de cuplare şi filtrare. Adecvaţi pentru frecvenţe înalte. h). Aluminiu electrolitic: Polarizaţi. Similari ca structură cu cei cu folie metalică, dar electrozii (plăcile) sunt fabricate din plăci de aluminiu decapate pentru a dobândi o suprafaţă mai mare. Dielectricul este fabricat dintr-un material îmbibat într-o substanţă numită electrolit. Ei pot avea capacităţi mari, dar suferă din cauza toleranţelor mici, instabilităţii mari, pierderea graduală a

capacităţii în special atunci când sunt supuşi la căldură şi scurgeri de electrolit. Tind să îşi piardă capacitatea la temperaturi scăzute. Neadecvaţi pentru curenţi de înaltă frecvenţă. i). Tantal electrolitic: similari cu condensatorii de tipul aluminiu-electrolitic dar cu caracteristici de temperatură şi frecvenţă mai bune. Absorbţie dielectrică mare. Neetanşeitate mare. Au performanţe mai mari la temperaturi scăzute. j). OS-CON: Condensatori fabricaţi dintr-un semiconductor organic polimerizat de tip solid-electrolit care oferă o durată de viaţă mai mare şi un cost mai mare. k). Supercondensatori: Fabricaţi din carbon aerogel, nanotuburi de carbon sau electrozi cu porozitate mare. Capacitate extrem de mare. l). Condensatori „pitici”: Sunt fabricaţi din doi conductori izolaţi care au fost răsuciţi. Fiecare conductor se comportă ca un electrod al condensatorului. Condensatorii „pitici” sunt o formă de condensatori variabili. Mici modificări ale capacitanţei (20% sau mai puţin) sunt obţinute prin răsucirea şi desfacerea celor doi conductori. m). Varactor sau varicap: Sunt condensatori speciali cu praguri de diode inverse a căror capacitanţă cariată cu voltajul. Folosiţi printre altele în bucle blocate în fază.

Bibliografie:

• •

http://en.wikipedia.org/wiki/capcitor (www.wikipedia.org) http://electronics.howstuffworks.com/capacitor (www.howstuffworks.com)