Definizione della capacità dei condensatori
Un bicchiere piccolo può contenere poca acqua, mentre un bicchiere grande può contenerne di più. Maggiore è il volume del bicchiere, maggiore è la quantità d'acqua che può contenere. Quindi, ogni bicchiere ha una capacità, o dimensione, che gli consente di contenere acqua. Come il vetro, anche i condensatori possono immagazzinare cariche elettriche ed energia potenziale elettrica. La capacità di un condensatore di immagazzinare cariche elettriche 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 loro capacità di immagazzinare carica elettrica?
La figura a lato 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, le due piastre non sono caricate elettricamente. Successivamente, una delle piastre viene collegata al polo positivo della batteria e l'altra al polo negativo tramite un cavo.
Dopo il collegamento al polo positivo della batteria, la carica positiva della batteria attrae gli elettroni caricati negativamente presenti sulla piastra, spingendoli verso il polo positivo della batteria. Questo fa sì che le piastre si ritrovino con una carenza di elettroni (carica negativa) e un eccesso di protoni (carica positiva), risultando così caricate positivamente.
Dopo essere stata collegata al polo negativo della batteria, la carica positiva sulla piastra attrae gli elettroni caricati negativamente sul polo negativo della batteria, spingendoli a spostarsi verso la piastra. Questo provoca un sovraccarico di elettroni sulla piastra, che di conseguenza si carica negativamente. Il processo di trasferimento degli 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 si aumenta la carica elettrica su entrambe le piastre conduttrici? In altre parole, cosa bisogna fare per trasferire gli elettroni da e verso il polo positivo della batteria? Lo spostamento degli elettroni avviene solo quando la differenza di potenziale elettrico tra i due poli della batteria è maggiore della differenza di potenziale elettrico tra i due conduttori. Affinché gli elettroni possano nuovamente muoversi e la carica elettrica su ciascuna piastra conduttrice aumenti, la batteria utilizzata viene sostituita con un'altra fonte di tensione che abbia una differenza di potenziale elettrico maggiore. Lo spostamento degli elettroni si arresta quando la differenza di potenziale nella fonte di tensione è uguale alla differenza di potenziale del condensatore. Pertanto, se la differenza di potenziale nella 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 in 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 una carica elettrica e una differenza di potenziale elettrico è espressa nel seguente confronto:
Q α V
I confronti di cui sopra vengono convertiti in equazioni aggiungendo la costante C:
Q = CV o C = Q / V
Q = carica elettrica (Coulomb), V = differenza di potenziale elettrico o tensione (Volt), C = costante detta capacità del condensatore.
Il valore della capacità non dipende dalla carica elettrica e dalla tensione elettrica, ma dalla forma e dalle dimensioni delle piastre conduttrici. La dimostrazione matematica della dipendenza della capacità dalla forma e dalle dimensioni delle piastre conduttrici è illustrata nell'argomento relativo al condensatore a piastre parallele. In tale argomento, si assume che tra i due conduttori vi sia il vuoto.
La capacità di un condensatore dipende anche dalla natura del materiale interposto tra le due piastre conduttrici. Questo materiale è chiamato dielettrico. La capacità dei condensatori con dielettrico viene trattata in dettaglio nella sezione dedicata alle costanti dielettriche.
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 ciò si basa sull'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). Quindi, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Supponiamo che un condensatore con un valore di 2 Farad immagazzini una carica elettrica di +2 Coulomb su una delle piastre conduttrici e -2 Coulomb sull'altra. 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 cariche sarà Q = CV = (2) (12 Volt) = +24 Coulomb mentre l'altra piastra conduttrice sarà -24 Coulomb.
Si noti che il farad è un'unità di capacità enorme, quindi viene solitamente utilizzato come unità più piccola, ovvero il microfarad abbreviato in μF (10⁻⁶ farad ) o il picofarad abbreviato in pF ( 10⁻¹² farad). I calcoli matematici che dimostrano che il farad è un'unità di misura così grande sono discussi nell'argomento del condensatore a piastre parallele.
