>>Fisica 11° grado >> Condensatore in un circuito di corrente alternata
§ 33 CONDENSATORE NEL CIRCUITO CA
La corrente continua non può fluire attraverso un circuito contenente un condensatore. Infatti, in questo caso, il circuito risulta essere aperto, poiché le piastre del condensatore sono separate da un dielettrico.
Il condensatore assorbe energia durante la carica, la immagazzina e la scarica durante la scarica. L'energia viene spinta avanti e indietro senza alcun effetto. Questo è il motivo per cui è anche chiamata energia cieca e resistenza alla reattanza. In questo caso si tratta di un resistore reattivo capacitivo.
La corrente e la tensione sono sfasate tra loro. La tensione scorre attraverso la corrente per 90°. Si dice anche che la corrente di tensione aumenta di 90°. Il condensatore non cambia la forma d'onda. Il motivo è la carica e la scarica del condensatore. Ogni volta che la tensione cambia, la corrente scorre. La tensione cambia costantemente con tensione alternata. La corrente raggiunge sempre il suo valore di picco o il punto più alto quando la tensione CA cambia maggiormente. Lì l'onda di tensione sinusoidale è più ripida.
La corrente alternata può fluire attraverso un circuito contenente un condensatore. Ciò può essere verificato attraverso un semplice esperimento.
Diamo fonti di tensioni continue e alternate e la tensione costante ai terminali della sorgente è uguale al valore efficace della tensione alternata. Il circuito è costituito da un condensatore e una lampada a incandescenza (Fig. 4.13), collegati in serie. Quando la tensione continua è accesa (l'interruttore è girato a sinistra, il circuito è collegato ai punti AA"), la lampada non si accende. Ma quando è accesa la tensione alternata (l'interruttore è girato a destra, il circuito è collegato ai punti BB"), la lampada si accende se la capacità del condensatore è sufficientemente grande.
La corrente si interrompe quindi quando la tensione applicata raggiunge il punto più alto, noto come valore di picco. Lì l'onda di tensione sinusoidale è la più piatta. La reattanza capacitiva può essere calcolata utilizzando la legge di Ohm e i valori effettivi di tensione e corrente.
La reattanza capacitiva è influenzata dalla sua capacità e dalla frequenza della tensione alternata applicata. La reattanza capacitiva di un condensatore è tanto maggiore quanto minore è la capacità del condensatore e quanto minore è la frequenza della tensione applicata. Minore è la capacità, più velocemente si carica il condensatore. La corrente è minore e quindi la resistenza è maggiore. La resistenza diminuisce all'aumentare della frequenza. I condensatori sono utilizzati in quasi tutti i tipi di circuiti.
Come corrente alternata può percorrere il circuito se è effettivamente aperto (le cariche non possono muoversi tra le armature del condensatore)? Il fatto è che il condensatore viene periodicamente caricato e scaricato sotto l'influenza della tensione alternata. La corrente che scorre nel circuito quando il condensatore viene ricaricato riscalda il filamento della lampada.
Hanno molte applicazioni, ma il loro lavoro è davvero basilare. Poiché l'elettricità non è visibile, comprendere il funzionamento di un condensatore può essere un po' difficile. Anche se sai già come funzionano, questo articolo può aiutarti a visualizzare meglio quello attuale nella tua testa e a comprendere meglio il circuito reale.
Un condensatore è formato da due fogli di metallo conduttivo separati da una distanza molto breve da un materiale isolante come plastica o ceramica. I fogli conduttori sono così vicini che i loro atomi sono “visti ma non toccati”. Spiegato in modo più tecnico, i fogli sono abbastanza vicini da consentire agli atomi privi di elettroni di attrarre gli elettroni dal foglio opposto.
Stabiliamo come cambia l'intensità della corrente nel tempo in un circuito contenente solo un condensatore, se la resistenza dei fili e delle piastre del condensatore può essere trascurata (Fig. 4.14).
Tensione del condensatore
L'intensità della corrente, che è la derivata temporale della carica, è pari a:
Il dielettrico non consentirà agli elettroni di passare da un foglio all'altro. Quando viene applicata tensione a una batteria, questa guiderà gli elettroni attraverso un polo e li attirerà verso l'altro. Gli elettroni forniti verranno attirati in un foglio del condensatore e scompariranno nell'altro mentre vengono assorbiti dalla batteria.
Quando si verifica il movimento degli elettroni, ci sarà una corrente elettrica. Il foglio isolante impedirà agli elettroni di fluire da un polo all'altro arrestandosi. Quando gli atomi dei fogli conduttori non consentono troppi o nessun elettrone, smettono di muoversi in modo che la corrente in entrata o in uscita dal condensatore si interrompa.
Di conseguenza, le fluttuazioni di corrente sono in anticipo rispetto alle fluttuazioni di tensione sul condensatore in (Fig. 4.15). 
L'ampiezza della corrente è:
Finché viene mantenuta la tensione applicata, gli elettroni continueranno a "spingere" sul foglio isolante, attratti dal polo opposto, anche se non sono in movimento. Non si muove, senza corrente. Una volta scomparsa la tensione, gli elettroni cercheranno una via alternativa per raggiungere la placca opposta.
Se c'è un conduttore o una resistenza che lo consente, gli elettroni si muoveranno, attratti dagli atomi caricati positivamente. Pertanto, la corrente elettrica circolerà finché gli elettroni di un foglio non saranno uguali a quelli dell'altro, si fermeranno e la corrente scomparirà.
Io m = U m C. (4.29)
Se inserisci la designazione
e invece delle ampiezze di corrente e tensione utilizzando i loro valori effettivi, otteniamo
Il valore di X c, il reciproco del prodotto Dalla frequenza ciclica a capacità elettrica il condensatore si chiama capacità. Il ruolo di questa quantità è simile al ruolo della resistenza attiva R nella legge di Ohm (vedi formula (4.17)). Il valore efficace della corrente è correlato al valore efficace della tensione sul condensatore nello stesso modo in cui la corrente e la tensione sono correlate secondo la legge di Ohm per una sezione di un circuito CC. Ciò ci consente di considerare il valore di X c come la resistenza del condensatore alla corrente alternata (capacità).
Cos'è un condensatore elettrico
Se la tensione viene applicata con la polarità opposta, l'intero processo verrà ripetuto, anche se la corrente scorrerà nella direzione opposta. Il foglio, che prima aveva una carica positiva, ora sarà negativo. A meno che non sia presente un circuito di scarica che consenta agli elettroni di fluire quando la tensione viene interrotta, il condensatore rimarrà carico indefinitamente.
Cosa indica il voltmetro?
Avrà quindi un suo voltaggio, frutto della differenza di potenziale tra gli atomi positivi e quelli negativi. Nel momento in cui viene collegato ad un circuito che ne permette la scarica, gli elettroni si muoveranno finché le cariche su entrambi i poli saranno uguali.
Maggiore è la capacità del condensatore, più più attuale ricaricare. Ciò è facile da rilevare dall'aumento dell'incandescenza della lampada all'aumentare della capacità del condensatore. Mentre la resistenza di un condensatore alla corrente continua è infinita, la sua resistenza alla corrente alternata ha un valore finito X c . All'aumentare della capacità, diminuisce. Inoltre diminuisce con l'aumentare della frequenza.
Maggiore è la superficie dei fogli, più atomi saranno rivolti verso il foglio opposto e quindi più elettroni verranno attratti o riflessi. Pertanto, la potenza sarà proporzionale alla sua superficie. I condensatori di solito hanno strati a spirale o impilati per massimizzare il più possibile la loro superficie.
I due poli del condensatore sono isolati in modo che non vi sia contatto elettrico tra loro. Pertanto, quando diciamo che un condensatore conduce o lascia passare corrente, non usiamo le parole giuste. È vero però che in pratica gli effetti sono simili a quelli di un condensatore che conduce corrente, per cui è comune parlare in questi termini.
In conclusione, notiamo che durante il quarto di periodo in cui il condensatore viene caricato alla sua tensione massima, l'energia entra nel circuito e viene immagazzinata nel condensatore sotto forma di energia del campo elettrico. Nel trimestre successivo, quando il condensatore si scarica, questa energia viene restituita alla rete.
È importante che anche se dici che il condensatore funziona, tu sappia che in realtà non lo è. Il fatto è che il condensatore si carica o si scarica a seconda della tensione applicata. Quando la tensione del circuito è maggiore della tensione del condensatore, si caricherà e quando la tensione del circuito è inferiore si scaricherà.
Proprio come una batteria. Infatti, batteria e condensatore sono realizzati secondo gli stessi principi, anche se le loro funzioni e quindi le loro caratteristiche sono diverse. Quando un condensatore è carico, la corrente scorre attraverso un terminale e un'altra corrente esce dall'altro terminale.
La resistenza di un circuito con condensatore è inversamente proporzionale al prodotto della frequenza ciclica e della capacità elettrica. Le fluttuazioni di corrente anticipano le fluttuazioni di tensione in fase di .
1. Come sono correlati tra loro i valori effettivi di corrente e tensione su un condensatore in un circuito a corrente alternata?
2. L'energia viene rilasciata in un circuito contenente solo un condensatore se resistenza attiva le catene possono essere trascurate!
3. L'interruttore è una sorta di condensatore. Perché l'interruttore apre il circuito in modo affidabile!
La corrente è ritardata rispetto alla tensione applicata
Durante la scarica le correnti sono invertite. Logicamente, il condensatore si carica quando c'è tensione, quindi è così corrente di carica corrisponde alla corrente del circuito. Si spegne quando la tensione scompare, quindi la corrente di scarica è al di sotto del circuito. Questa corrente di scarica differita al circuito è ciò che rende questo componente così speciale.
Nella corrente alternata il condensatore si carica e si scarica tante volte quanto varia la tensione. Con una corrente alternata a 50 Hz, la tensione è positiva 50 volte al secondo e negativa altre 50 volte, quindi cambia 100 volte al secondo. Ciò significa che il condensatore si carica e si scarica 100 volte al secondo.
Condensatore nel circuito CA
Un condensatore in un circuito CA si comporta diversamente da un resistore. Mentre i resistori resistono semplicemente al flusso di elettroni (la tensione ai loro capi è direttamente proporzionale alla corrente), i condensatori resistono al cambiamento di tensione ("frenata" o aggiunta di corrente durante la carica o la scarica ad un nuovo livello di tensione). La corrente che passa attraverso il condensatore è direttamente proporzionale alla velocità di variazione della tensione. Questa opposizione a una variazione di tensione è un'altra forma di reattanza, che è in effetti l'opposto della reattanza di un induttore.
La corrente di carico è uguale alla tensione del circuito, ma la corrente di scarica è ritardata, quindi è sfasata rispetto alla tensione del circuito. Questo è il motivo per cui si verificano e cambiano i carichi capacitivi. Ciò porta al fatto che quando la tensione aumenta, la corrente circola in una direzione, ma la corrente che rilascia il condensatore non dovrebbe seguire nella stessa direzione, motivo per cui può rallentare fino alla prima.
Per capirlo meglio, immagina le onde del mare. L’acqua sarebbe una massa di elettroni. Le onde CA sono un tipo di onda di elettroni che viaggia lungo un circuito. Tensione elettrica sarebbe paragonabile all'altezza delle onde. Più alta è l'onda, maggiore sarà la forza che dovrai muovere nell'acqua.
La relazione matematica tra la corrente che passa attraverso un condensatore e la velocità di variazione della tensione ai suoi capi è la seguente:
Il rapporto du/dt è la velocità di variazione della tensione istantanea (u) nel tempo e viene misurato in volt al secondo. La capacità (C) è misurata in Farad e corrente istantanea(i) - in ampere. Per mostrare cosa succede con la corrente alternata, analizziamo un semplice circuito capacitivo:
La corrente sarà la quantità di acqua che muove l'onda. L'acqua si muove avanti e indietro sotto l'influenza del vento, creando onde. Il condensatore avrà l'aspetto di una spiaggia sabbiosa. Quando l'onda si alza lungo la riva, la gravità la tira indietro, creando i postumi di una sbornia.
L'onda successiva incontra i postumi di una sbornia, così che una parte dell'acqua ne incontra un'altra, che va nella direzione opposta. Ciò fa sì che l’onda si rompa, cada e perda forza perché vengono sottratte le forze nella direzione opposta. L'onda può essere trovata con l'acqua che va nella direzione opposta oppure con l'acqua ferma se i postumi della sbornia precedente sono già cessati.
Un semplice circuito capacitivo: la tensione del condensatore è in ritardo di 90° rispetto alla corrente.
Se tracciamo la corrente e la tensione per questo semplice circuito, sarà simile a questo:
Come ricordi, la corrente che passa attraverso un condensatore è una reazione a una variazione di tensione ai capi di questo condensatore. Da ciò possiamo concludere che la corrente istantanea uguale a zero ogni volta che il valore della tensione istantanea è al suo picco (variazione zero o pendenza zero dell'onda sinusoidale di tensione) e la corrente istantanea è uguale al suo valore di picco ogni volta che la tensione istantanea si trova nei punti di variazione massima (i punti di pendenza più ripida di l'onda di tensione alla quale attraversa la linea dello zero). Tutto ciò porta al fatto che l'onda di tensione è sfasata di -90 o rispetto all'onda di corrente. Il grafico mostra come l'onda di corrente dia un "vantaggio" all'onda di tensione: la corrente "precede" la tensione e la tensione "ritarda" rispetto alla corrente.
Complichiamolo con la frequenza
Ciò fa sì che l'onda si rompa prima di raggiungere la riva o la riva senza interruzione, nella sabbia. Se sei in riva al mare e osservi le onde, vedrai che la loro frequenza è casuale e la separazione varia. Quando la frequenza è bassa, le onde sono più separate.
Se è una frequenza più alta, le onde saranno più vicine. Questo è qualcosa che è molto importante da padroneggiare per i surfisti esperti perché vedendo le distanze puoi prevedere quando l'onda si romperà velocemente o quando colpirà la riva, potendo cavalcarla con la tavola fino quasi ad entrare nel bar della spiaggia.
Come avrai intuito, la stessa insolita onda di potenza che abbiamo visto in un semplice circuito induttivo è presente anche in un semplice circuito capacitivo:
Come con un semplice circuito induttivo, uno sfasamento di 90 gradi tra tensione e corrente fa sì che l'onda di potenza si alterni uniformemente tra valori positivi e negativi. Ciò significa che il condensatore non dissipa potenza (poiché risponde alle variazioni di tensione), ma semplicemente la assorbe e la rilascia (alternativamente).
Se comprendi il meccanismo delle onde, capirai come funziona un condensatore CA. La tensione fa sì che la corrente si muova come un'onda, maggiore è la tensione maggiore sarà l'altezza che avrà e maggiore sarà la forza applicata agli elettroni. Questa tensione spingerà gli elettroni nel condensatore, proprio come un'onda spinge l'acqua sulla sabbia di una spiaggia.
Quando la tensione scompare, questi elettroni ritorneranno mentre l'acqua della sabbia ritorna al mare. Se incontrano una nuova onda al loro ritorno, si mescoleranno, provocando un calo di tensione, proprio come un'onda si rompe e scompare prima di approdare.
La resistenza al cambiamento di tensione di un condensatore viene interpretata come la resistenza alla tensione alternata nel suo insieme, che per definizione cambia costantemente in grandezza e direzione istantanea. Per ogni data quantità di tensione alternata a una data frequenza, un condensatore di una data dimensione "condurrà" una certa quantità di corrente alternata. Proprio come la corrente che attraversa un resistore è una funzione della tensione ai capi del resistore e della sua resistenza, la corrente alternata che attraversa un condensatore è una funzione della tensione alternata ai capi del condensatore e della sua reattanza. Come nel caso degli induttori, la reattanza di un condensatore si misura in Ohm ed è simboleggiata dalla lettera X (o X C per essere più precisi).
Onde sempre più vicine tra loro
Se le onde sono vicine tra loro, si romperanno costantemente, formando schiuma che smorza le nuove onde. Pertanto, è improbabile che arrivi un'onda "pulita", che spinga abbastanza acqua sulla sabbia. Pertanto, il condensatore ha la capacità di attenuare o assorbire le alte frequenze.
Immagina che le onde siano distanti l'una dall'altra. Quando un'onda colpisce la riva, rimbalza avanti e indietro fino all'onda successiva. Pertanto, il secondo troverà pace nell'acqua, e potrà anche raggiungere la riva, come il precedente. In questo modo vedremo onde grandi e pulite che si infrangono sulla sabbia senza trovare ostacoli.
Poiché la corrente che passa attraverso un condensatore è proporzionale alla velocità di variazione della tensione, sarà maggiore per tensioni che cambiano rapidamente e minore per tensioni con una variazione più lenta. Ciò significa che la reattanza di qualsiasi condensatore (in Ohm) è inversamente proporzionale alla frequenza della corrente alternata. La formula esatta per calcolare la reattanza di un condensatore è la seguente:
Allo stesso modo, un condensatore ha poco effetto sulle correnti a bassa frequenza. Immaginiamo di trovarci su una spiaggia molto piatta. Quando entriamo in acqua, possiamo camminare senza che l'acqua arrivi fino alle ginocchia. Quando arriva un'onda, l'acqua si sposta per molti metri, lasciando un'enorme massa d'acqua sulla sabbia.
Una volta persa la corrente, l'acqua si ritirerà lentamente nel mare finché la sabbia non diventerà limpida. Il tempo trascorso dal momento in cui un'onda raggiunge la riva fino a quando si dissipa è più lungo. Si può dire che questa spiaggia abbia una grande capacità di stoccaggio perché è in grado di immagazzinare molta acqua sulla sabbia.
Se un condensatore con una capacità di 100 μF viene esposto a frequenze di 60, 120 e 2500 Hz, la sua reattanza assumerà i seguenti valori:
Si noti che il rapporto tra reattanza capacitiva e frequenze è esattamente l'opposto del rapporto tra reattanza induttiva e le stesse frequenze. La reattanza capacitiva diminuisce all'aumentare della frequenza AC, mentre la reattanza induttiva, al contrario, aumenta all'aumentare della frequenza AC. Se gli induttori si oppongono a un rapido cambiamento di corrente, producendo più tensione, i condensatori si oppongono a un rapido cambiamento di tensione, producendo più corrente.
Per analogia con gli induttori, l'espressione 2πf nell'equazione della reattanza del condensatore può essere sostituita dalla lettera greca minuscola ω (Omega), altrimenti chiamata frequenza angolare (ciclica) della corrente alternata. Pertanto, l'equazione X C = 1/(2πfC) può essere scritta come X C = 1/(ωC), dove ω è espresso in radianti al secondo.
La corrente alternata in un circuito capacitivo semplice è uguale alla tensione (in Volt) divisa per la reattanza del condensatore (in Ohm). Questo è simile al fatto che una variabile o DC in un circuito resistivo semplice è uguale alla tensione (in Volt) divisa per la resistenza (in Ohm). Ad esempio, consideriamo il seguente diagramma:
Tuttavia, dobbiamo tenere presente che la tensione e la corrente hanno fasi diverse. Come accennato in precedenza, la corrente ha uno sfasamento di +90° rispetto alla tensione. Se rappresentiamo matematicamente gli angoli di fase della tensione e della corrente (sotto forma di numeri complessi), vedremo che la reattanza di un condensatore alla corrente alternata ha il seguente angolo di fase:
Matematicamente possiamo dire che l'angolo di fase della resistenza del condensatore alla corrente alternata è -90o. L'angolo di fase della reattanza di corrente è molto importante nell'analisi del circuito. Questa importanza è particolarmente evidente durante l'analisi circuiti complessi corrente alternata, dove le resistenze reattive e semplici interagiscono tra loro. Risulterà utile anche per rappresentare la resistenza di qualsiasi componente corrente elettrica in termini di numeri complessi (piuttosto che di quantità scalari di resistenza e reattanza).