2. Condensatorul

Definiţie

În mod normal, electronii nu pot intra într-un conductor decât dacă există o cantitate egală de electroni ce părăsesc exact acelaşi conductor (analogia tubului cu mărgele). Din această cauză, conductorii trebuie conectaţii împreună pentru a forma un drum complet (circuit) pentru deplasarea continuă a electronilor. Ciudat este totuşi faptul că, electroni adiţionali pot fi „îngrămădiţi” într-un conductor, fără existenţa unui drum de ieşire, dacă este posibilă/permisă formarea unui câmp electric în spaţiul liber dintre acest conductor şi un alt conductor. Numărul electronilor adiţionali din conductor (sau numărul de electroni pierduţi) este direct proporţional cu valoarea fluxului câmpului dintre cei doi conductori.

Condensatoarele sunt componente ce utilizează acest fenomen electric în funcţionarea lor. Acestea sunt realizate din două armături (plăci) metalice conductoare plasate una în apropierea celeilalte, separate printr-un dielectric. Există totuşi o multitudine de tipuri şi moduri de construcţie a condensatoarelor, în funcţie de aplicaţia necesară.

Simbolul condensatorului

Simbolul electric al condensatorului este prezentat în figura alăturată.

Modul de funcţionare al condensatorului

Atunci când la bornele condensatorului aplicăm o tensiune electrică, între cele două armături ia naştere un câmp electric ce permite existenţa unei diferenţe semnificative de electroni liberi (sarcină) între cele două armături.

Pe măsura formării câmpului electric datorită aplicării tensiunii, electronii liberi vor fi forţaţi să se „adune” la terminalul negativ fiind „furaţi” de pe terminalul pozitiv. Acestă diferenţă de sarcină se traduce prin apariţia unui stoc de energie electrică în condensator şi reprezintă sarcina potenţială a electronilor dintre cele două armături. Cu cât diferenţa numerică a electronilor între cele două armături ale unui condensator este mai mare, cu atât mai mare este fluxul câmpului şi cu atât mai mare „stocul” de energie din condensator.

Deoarece condensatorii stochează energie potenţială sub formă de câmp electric, comportamentul lor într-un circuit este fundamental diferit de cel al rezistorilor, cei din urmă disipând pur şi simplu putere în circuit sub formă de căldură. Energia stocată într-un condensator depinde de tensiunea dintre armături precum şi de alţi factori pe care îi vom lua imediat în considerare. Abilitatea acestora de a stoca energie în funcţie de tensiune se traduce printr-o tendinţă de menţinere a tensiunii la un nivel constant. Cu alte cuvinte, condensatoarele tind să se opună variaţiei căderii de tensiune. Atunci când modificăm tensiunea la bornele unui condensator, fie o mărim, fie o scădem, acesta tinde să se opună schimbării folosind curent de la sau generând curent spre sursa de variaţie a tensiunii, în opoziţie cu variaţia.

Creşterea energiei potenţiale stocate de condensator

Pentru a stoca mai multă energie într-un condensator, trebuie mărită valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o înmulţire a electronilor pe armătura negativă şi o diminuare a lor pe cea negativă, lucru ce necesită existenţa unui curent în acea direcţie. Dimpotrivă, pentru a elibera energie dintr-un condensator, trebuie scăzută valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o diminuare a electronilor pe armătura negativă prin deplasarea lor spre cea pozitivă; această deplasare dă naştere, evident, unui curent în acea direcţie (opusă).

Asemenea legii de mişcare a lui Isaac Newton (un obiect aflat în mişcare, tinde să rămână în mişcare; un obiect aflat în repaus tinde să rămână în repaus) ce descrie tendinţa obiectelor de a se opune variaţiilor de viteză, putem descrie tendinţă unui condensator de a se opune variaţiei tensiunii astfel: „Un condensator încărcat tinde să rămână încărcat; un condensator descărcat tinde să rămână descărcat.”

Ipotetic, un condensator (încărcat sau descărcat) lăsat neatins îşi va menţine la infinit starea sa iniţială. Doar o sursă (sau un canal) exterior de curent poate modifica valoarea energiei stocate (implicit şi a tensiunii la bornele sale) de către un condensator perfect.

Practic, condensatoarele îşi vor pierde tensiunea stocată datorită imperfecţiunilor interne ce permit electronilor să se deplaseze de pe o armătură pe cealaltă. În funcţie de tipul specific de condensator, timpul de „golire” poate fi foarte lung, de până la câţiva ani, pentru condensatoarele ce nu sunt deloc folosite.

Încărcarea condensatorului; condensatorul ca o sarcină

Când tensiunea la bornele condensatorului creşte, acesta utilizează curent din circuit; în acest caz condensatorul se comportă ca o sarcină şi spunem că se încarcă. Observaţi direcţia de deplasare a electronilor (curentul) faţă de polaritatea tensiunii.

Descărcarea condensatorului; condensatorul ca o sursă de putere

Invers, atunci când tensiunea la bornele condensatorului scade, acesta introduce/generează curent în circuitul extern; în acest caz condensatorul se comportă ca o sursă de putere şi spunem că se descarcă. Stocul de energie din câmpul electric este direcţionat către restul circuitului. Observaţi direcţia de deplasare a electronilor (curentul) faţă de polaritatea tensiunii.

Observaţie

Dacă introducem brusc o sursă de tensiune la bornele unui condensator descărcat (o creştere bruscă de tensiune), acest va utiliza curent din circuitul exterior, reprezentat în acest caz de sursa respectivă, până în momentul în care tensiunea la bornele sale este egală cu tensiunea sursei. După atingerea acestui punct de încărcare, curentul scade spre zero (condensator încărcat). Invers, dacă o rezistenţă de sarcină este conectată la bornele unui condensator încărcat, acesta va genera curent spre sarcină până în momentul epuizării energiei stocate, iar tensiunea sa va scădea spre zero. După atingerea acestui punct de descărcare, curentul scade spre zero (condensator descărcat). Putem să ne gândim la condensatoare ca la un fel de baterii secundare prin modul de încărcare şi descărcare al lor.

Dielectricul

Precum am mai spus, alegerea materialului izolant dintre plăci are o importanţă capitală în comportamentul condensatorului, mai bine spus, în mărimea fluxului electric şi implicit a tensiunii dintre armături. Datorită rolului acestui material în comportamentului fluxului, i s-a dat un nume special: dielectric. Nu toate materialele dielectrice sunt identice, ci sunt diferenţiate printr-o valoare fizică numită permitivitatea dielectricului.

Capacitatea electrică(C)

Mărimea pentru volumul de energie stocat de un condensator, atunci când se aplică o anumită tensiune la bornele sale, poartă denumirea de capacitate electrică. Simbolic, se notează cu C şi se măsoară în Farad, prescurtat F.

Există o anumită convenţie atunci când vine vorba de notaţia condensatoarelor, şi anume, valorile acestora se exprimă adesea în mircoFarad (µF).

Condensator vs. capacitor

Aparent, denumirea de condensator este învechită şi nu mai este folosită în lucrările de specialitate, fiind înlocuită cu cea de capacitor. Întrucât în literatura de specialitate de la noi din ţară se foloseşte încă termenul de condensator, îl vom folosi şi noi în această carte.