Definizione del condensatore a piastre parallele
Il condensatore a piastre parallele è un condensatore costituito da due piastre conduttrici parallele, ciascuna avente un'area della sezione trasversale uguale (A) e due piastre separate da una certa distanza (d), come mostrato nella figura a sinistra. Una delle piastre conduttrici è caricata positivamente (+Q) mentre l'altra piastra conduttrice è caricata negativamente (-Q), dove la quantità di carica elettrica La carica su ciascuna piastra è uguale. Affinché la carica non si sposti verso le molecole d'aria, il condensatore è isolato dall'ambiente e tra le due piastre si crea il vuoto.
La differenza nel tipo di carica elettrica presente nelle due piastre conduttrici crea un campo elettrico e una differenza di potenziale elettrico tra le due piastre. La piastra caricata positivamente ha un potenziale elettrico maggiore, mentre la piastra caricata negativamente ha un potenziale elettrico minore. Come spiegato nell'argomento del potenziale elettrico, se esiste una differenza di potenziale elettrico tra le due piastre del condensatore, nel condensatore è immagazzinata energia potenziale elettrica. L'energia potenziale elettrica immagazzinata nei condensatori ha molteplici applicazioni.
Fattori che influenzano la capacità del condensatore a piastre parallele
Inizialmente il condensatore non è né carico elettricamente né neutro. Per caricarlo, è necessario collegarlo a una sorgente di tensione, come una batteria, tramite un cavo. Una delle piastre conduttrici è collegata al polo positivo della batteria, mentre l'altra è collegata al polo negativo.
Ricorda che cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. Gli elettroni sono carichi negativamente e si muovono facilmente perché si trovano sulla superficie dell'atomo, mentre i protoni sono carichi positivamente e non possono muoversi perché si trovano nel nucleo atomico. Se la piastra conduttrice ha più protoni che elettroni, la piastra è carica positivamente; al contrario, se il numero di elettroni è maggiore di quello dei protoni, la piastra è carica negativamente.
Dopo aver collegato il condensatore alla batteria, il polo positivo di quest'ultima si carica positivamente, attirando così gli elettroni dalla piastra conduttrice. Il polo negativo, invece, si carica negativamente, respingendo gli elettroni verso la piastra conduttrice. Lo spostamento di carica elettrica tra la batteria e la piastra conduttrice fa sì che quest'ultima perda elettroni, caricandosi positivamente, e ne riceva, caricandosi negativamente. Il movimento degli elettroni si arresta quando la differenza di potenziale elettrico tra le due piastre conduttrici eguaglia la differenza di potenziale elettrico tra i due poli della batteria.
La funzione del condensatore è quella di immagazzinare la carica elettrica e l'energia potenziale elettrica . La capacità del condensatore di immagazzinare carica elettrica ed energia potenziale elettrica è chiamata capacità. Maggiore è la quantità di elettricità immagazzinata, maggiore sarà anche l'energia potenziale elettrica immagazzinata e, di conseguenza, maggiore sarà la capacità del condensatore. Quali fattori influenzano la capacità di un condensatore a piastre parallele?
La superficie della piastra conduttrice
Il condensatore a piastre parallele immagazzina la carica elettrica sulle piastre conduttrici. Se la superficie delle piastre è piccola, viene immagazzinata poca carica elettrica; al contrario, se la superficie è grande, viene immagazzinata molta carica elettrica. Maggiore è la carica elettrica immagazzinata sulle piastre conduttrici, maggiore è l'energia potenziale elettrica posseduta dal condensatore. Pertanto, maggiore è l'energia potenziale elettrica del condensatore, maggiore è la sua capacità. Sulla base di questa analisi, si può concludere che la capacità del condensatore (C) è proporzionale alla superficie delle piastre conduttrici (A).
La distanza tra le due piastre conduttrici
Il trasferimento di elettroni si arresta quando la differenza di potenziale tra le due piastre conduttrici è uguale alla differenza di potenziale tra i due poli della batteria. Come si può aumentare la carica elettrica su entrambe le piastre conduttrici? Un modo è ridurre la distanza tra i due conduttori (minimizzando d). Quando i due conduttori vengono avvicinati, la quantità di carica elettrica rimane tale che il campo elettrico prodotto dalla carica elettrica è costante. In base all'equazione V = E d, quando il campo elettrico (E) è costante, la differenza di potenziale elettrico (V) diminuisce se la distanza tra le due piastre conduttrici diminuisce (d).
La differenza di potenziale tra le due piastre conduttrici si riduce fino a diventare inferiore alla differenza di potenziale tra i due poli della batteria. Ciò provoca nuovamente lo spostamento degli elettroni fino a quando la carica elettrica di ciascuna piastra conduttrice non aumenta. Il trasferimento di elettroni si arresta quando la differenza di potenziale tra le due piastre è uguale alla differenza di potenziale tra i due poli della batteria.
Quando la distanza tra le due piastre conduttrici si riduce, la carica elettrica su ciascuna piastra aumenta, di conseguenza aumenta anche l'energia potenziale elettrica del condensatore. Se l'energia potenziale elettrica del condensatore aumenta, aumenta anche la sua capacità. Se la distanza si riduce, la carica aumenta, quindi la capacità aumenta; se la distanza aumenta, la carica diminuisce, quindi la capacità diminuisce. Si può concludere che la capacità del condensatore (C) è inversamente proporzionale alla distanza tra le due piastre conduttrici (d).
L'equazione della capacità del condensatore a piastre parallele
In precedenza, sono stati spiegati i fattori che influenzano la capacità dei condensatori a piastre parallele. Il valore della capacità può essere determinato con precisione tramite calcoli utilizzando l'equazione. In un argomento relativo alla determinazione del campo elettrico tramite la legge di Gauss, la formula per il calcolo del campo elettrico in prossimità di una piastra conduttrice elettricamente carica è E = σ / εo, dove σ = Q / A in modo che l'equazione del campo elettrico si trasformi in E = Q/A: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoL'equazione del potenziale elettrico è V = E d, dove E = Q / A εo in modo che l'equazione si trasformi in V = Q d / A εoL'equazione della capacità è C = Q/V, dove V = Q d / A εo in modo che l'equazione della capacità cambi in C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / D.
In base all'equazione della capacità C = A ε o / d si può concludere che la capacità (C) è proporzionale all'area della superficie (A) e inversamente proporzionale alla distanza (d) tra le due piastre conduttrici.
E = campo elettrico, σ = densità di carica, ε₀ = permittività del vuoto = 8.85 x 10⁻¹² F /m, Q = carica elettrica, A = area superficiale della piastra conduttrice, V = differenza di potenziale elettrico.
