Energia di un condensatore carico, uso dei condensatori

I metalli sono ottimi conduttori di elettricità. Conducono elettricità perché hanno portatori di elettroni liberi senza carica elettrica. E se viene creata una differenza di potenziale alle estremità, ad esempio, di un filo di rame con l'aiuto di una fonte costante di EMF, allora in tale filo sorgerà una corrente elettrica: gli elettroni si faranno avanti dal terminale negativo dell'EMF sorgente - al suo terminale positivo.

Al contrario, i dielettrici non sono conduttori di corrente elettrica, poiché in essi non sono presenti portatori liberi di carica elettrica. I portatori di carica positivi e negativi nei dielettrici sono interconnessi e formano i cosiddetti dipoli elettrici, che in un campo elettrico esterno possono solo ruotare, ma non sono in grado di muoversi traslativamente sotto l'influenza di un campo elettrico.

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Prendi, ad esempio, un pezzo di dielettrico sotto forma di un tubo in PVC (il cloruro di polivinile è un dielettrico).Coprire la superficie esterna del tubo con pellicola trasparente e semplicemente inserire altra pellicola accartocciata all'interno in modo che tocchi le pareti interne del tubo tutt'intorno.

Se ora prendiamo la fonte EMF, diciamo batteria di 24 volt e collegarlo con il polo negativo alla lamina interna e il polo positivo a quella esterna, allora entrambe le parti della lamina riceveranno una carica di segno diverso dalla batteria e un campo elettrico diretto dall'esterno dall'interno agire in tutto il volume della parete del tubo in PVC.

Pertanto, in questo campo elettrico, le molecole dielettriche (PVC) gireranno, si orienteranno secondo il campo elettrico esterno — il dielettrico è polarizzato in modo che le sue molecole costituenti rivolgano i loro lati negativi verso l'esterno - rispettivamente, verso l'elettrodo positivo (alla lamina collegata alla batteria più), con i loro lati positivi - verso l'interno, verso l'elettrodo negativo. Rimuoviamo la batteria.

La carica positiva rimane sulla lamina esterna, poiché è ancora trattenuta dai lati caricati negativamente delle molecole di PVC rivolte verso l'esterno, e una carica negativa su quella interna, poiché è trattenuta dai lati positivi delle molecole dielettriche, che si sono girate verso l'interno. Tutto è avvenuto nel pieno rispetto della legge dell'elettrostatica.

Se ora chiudi le parti esterna ed interna del foglio con una pinza, al momento della chiusura puoi notare una piccola scintilla: le cariche opposte delle piastre si attraggono e provocano una corrente attraverso il filo (pinza) e il dielettrico ritorna al suo stato neutrale originale.

Si può affermare che in questo dispositivo, costituito da un tubo dielettrico e due piastre di lamina, quando si collega una batteria ad esso, un accumulo di Energia elettrica.

Vengono chiamati dispositivi con una configurazione simile: un dielettrico racchiuso tra piastre conduttive isolate l'una dall'altra condensatori elettrici.

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Storicamente, il primo prototipo di condensatore, il Leiden Bank, fu inventato nel 1745 a Leida dal fisico tedesco Ewald Jürgen von Kleist e indipendentemente dal fisico olandese Peter van Muschenbrück.

L'energia di un condensatore carico dipende dalla tensione (differenza di potenziale tra le armature) a cui è caricata, poiché si tratta dell'energia potenziale di cariche opposte sulle armature separate l'una dall'altra.

Pertanto, questa energia è pari al lavoro che farà il campo elettrico di queste cariche quando si attraggono (o che ha fatto la sorgente quando si sono separate durante la carica del condensatore). Il lavoro elementare di spostare una parte elementare della carica da una piastra all'altra è pari a:

Condensatori di diverse configurazioni, se caricati con la stessa quantità di carica, sperimenteranno diverse differenze di potenziale tra le piastre. Si può anche dire che per diversi condensatori, diverse tensioni applicate alle armature si tradurranno in una carica quantitativamente diversa.

In pratica ciò significa che ogni condensatore ha un certo valore costante, caratteristica che caratterizza quel particolare condensatore, legata alla sua configurazione, alla forma delle armature, alla costante dielettrica del dielettrico, ecc. Questo parametro è chiamato capacità elettrica C. La carica su un condensatore q è correlata alla differenza di potenziale tra le sue armature U come segue:

Pertanto, l'espressione per l'energia totale del condensatore carico, una volta integrata, può essere scritta come segue:

Oggi i condensatori sono utilizzati in vari campi della scienza e della tecnologia: come dispositivi di accumulo di energia elettrica, come filtri per livellare le onde negli alimentatori, durante il controllo circuiti RC di dispositivi elettronici, in dispositivi di compensazione della potenza reattiva, in installazioni a induzione e dispositivi radio come parte di un circuito oscillante, in potenti generatori di impulsi, in acceleratori elettromagnetici, in misuratori di umidità dell'aria, ecc.

Per maggiori dettagli vedi qui:Perché i condensatori vengono utilizzati nei circuiti elettrici?