Comprendere la capacità
Un bicchiere piccolo può contenere una piccola quantità d'acqua, mentre un bicchiere grande può contenerne di più. Più grande è il bicchiere, più acqua può contenere. Quindi, ogni bicchiere ha una capacità, ovvero una misura della sua capacità di contenere acqua. Come i bicchieri, anche i condensatori hanno la capacità di immagazzinare carica elettrica ed energia potenziale elettrica. La capacità di un condensatore, ovvero la misura della sua capacità di immagazzinare carica elettrica ed energia potenziale elettrica, è chiamata capacità.
Fattori che influenzano la capacità
La capacità di un bicchiere di contenere acqua è determinata dal suo volume. E per quanto riguarda i condensatori? Cosa determina la capacità di un condensatore di immagazzinare una carica elettrica?
La figura seguente mostra un semplice condensatore costituito da due piastre conduttrici separate da una certa distanza. Prima di essere collegate a una sorgente di tensione, come una batteria, entrambe le piastre sono scariche. Successivamente, una piastra viene collegata al terminale positivo della batteria e l'altra al terminale negativo tramite dei fili.
Una volta collegata al terminale positivo della batteria, la carica positiva della batteria attrae gli elettroni caricati negativamente sulla piastra, spingendoli a spostarsi verso il terminale positivo della batteria. Ciò provoca una carenza di elettroni (carica negativa) e un eccesso di protoni (carica positiva) sulla piastra, con conseguente formazione di una carica positiva.
Analogamente, dopo aver collegato la piastra al terminale negativo della batteria, la carica positiva sulla piastra attrae gli elettroni caricati negativamente sul terminale negativo della batteria, provocandone lo spostamento verso la piastra. Ciò fa sì che la piastra abbia un eccesso di elettroni, risultando quindi carica negativamente.
Il processo di trasferimento di elettroni tra le piastre e la batteria si arresta quando la differenza di potenziale tra le due piastre è uguale alla differenza di potenziale tra i due poli della batteria.
Come può aumentare la carica elettrica su entrambe le piastre conduttrici? In altre parole, cosa bisogna fare per provocare nuovamente il trasferimento di elettroni? Il trasferimento di elettroni avviene solo quando la differenza di potenziale elettrico tra i due poli della batteria è maggiore della differenza di potenziale elettrico tra le due piastre conduttrici. Affinché il trasferimento di elettroni si verifichi nuovamente e la carica elettrica su ciascuna piastra conduttrice aumenti, la batteria utilizzata viene sostituita con un'altra batteria o un'altra fonte di tensione con una differenza di potenziale elettrico maggiore. Il trasferimento di elettroni si arresta quando la differenza di potenziale della fonte di tensione è uguale alla differenza di potenziale del condensatore; pertanto, se la differenza di potenziale della fonte di tensione è maggiore, anche la differenza di potenziale del condensatore sarà maggiore.
Sulla base dell'analisi precedente, si può concludere che maggiore è la carica elettrica immagazzinata su ciascuna piastra conduttrice, maggiore è la differenza di potenziale elettrico tra le due piastre conduttrici. Pertanto, la carica elettrica (Q) è proporzionale alla differenza di potenziale elettrico (V). La relazione tra carica elettrica e differenza di potenziale elettrico è espressa dalla seguente proporzionalità:
Q α V
La proporzionalità di cui sopra viene convertita in un'equazione aggiungendo la costante di proporzionalità C:
Q = CV o C = Q / V
Descrizione: Q = carica elettrica (Coulomb), V = differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica (Volt), C = costante di proporzionalità, detta anche capacità del condensatore.
Il valore della capacità non dipende dalla carica elettrica e dalla tensione, ma dalla forma e dalle dimensioni delle piastre conduttrici. La dimostrazione matematica di questa dipendenza della capacità dalla forma e dalle dimensioni delle piastre conduttrici è illustrata nell'articolo sui tipi di condensatori in base alla forma delle piastre, ovvero condensatori a piastre parallele , condensatori cilindrici e condensatori sferici . Nell'articolo si assume che tra le due piastre conduttrici sia presente il vuoto.
La capacità di un condensatore dipende anche dalle proprietà del materiale interposto tra le due piastre conduttrici. Questo materiale è chiamato dielettrico . La capacità di un condensatore con dielettrico è trattata in dettaglio nell'articolo sulla costante dielettrica.
Unità di capacità
L'unità di misura della carica elettrica è il Coulomb e l'unità di misura della differenza di potenziale elettrico è il Volt, quindi, in base all'equazione della capacità sopra riportata, l'unità di misura della capacità è il Coulomb per Volt (C/V), anche detto Farad (F), che deriva dal nome dello scienziato britannico Michael Faraday (1791-1867). Pertanto, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Ad esempio, un condensatore ha un valore di 2 Farad, il che significa che immagazzina una carica elettrica di +2 Coulomb su una delle piastre conduttrici e -2 Coulomb sull'altra, dove le due piastre conduttrici hanno una differenza di potenziale di 1 Volt. Se una batteria da 12 Volt viene collegata al condensatore, una delle piastre conduttrici avrà una carica elettrica di Q = CV = (2)(12 Volt) = +24 Coulomb, mentre l'altra piastra conduttrice avrà una carica di -24 Coulomb.
Va notato che il Farad è un'unità di misura della capacità molto grande, quindi si utilizzano solitamente unità più piccole, ovvero il microfarad abbreviato in μF (10⁻⁶ Farad ) e il picofarad abbreviato in pF (10⁻¹² Farad ). I calcoli matematici che dimostrano che il Farad è un'unità di misura molto grande vengono discussi nell'esempio di un condensatore a piastre parallele.
