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ELETTRONICA

… studiare, studiare ed ancora studiare, è il solo modo di capire quanto possa essere grande sia la propria ignoranza!

Massa

kilogrammo

RETI CAPACITIVE A REGIME COSTANTE

In queste pagine verrà studiato un nuovo tipo di bipolo, detto condensatore, e verranno esaminate le reti capacitive, ossia reti comprendenti condensatori variamente collegati tra loro. Lo studio verrà condotto a regime costante, supponendo che si siano esauriti i fenomeni transitori di carica dei condensatori e che tutte le grandezze elettriche interessanti la rete si possano ritenere costanti nel tempo.

Condensatore Nella sua forma più semplice (condensatore piano), un condensatore è un dispositivo elettrico costituito da due piastre conduttrici (armature) piane e parallele, provviste di due terminali di collegamento e separate tra loro da uno

strato di isolante, detto dielettrico; il suo simbolo elettrico è indicato nella sottostante figura:

Quando il condensatore non è elettricamente carico, entrambe le armature sono nello stato “neutro”, ossia possiedono in uguale misura cariche elettriche positive (protoni) e negative (elettroni). Collegando il condensatore a un generatore elettrico avente f.e.m. E ai suoi capi (A), gli elettroni dell’armatura A vengono forzati dal generatore, che fornisce loro energia, a fluire verso l’armatura B, stabilendo così un moto di elettroni da A verso B e quindi una circola- -zione di corrente elettrica (avente convenzionalmente il verso delle cariche positive, opposto a quello degli elettroni) da B verso A, in accordo con la polarità del generatore. L’armatura A, perdendo elettroni, si caricherà positivamente (eccesso di cariche positive), mentre l’armatura B acquisterà un’uguale carica negativa; tra le due armature nascerà una d.d.p. elettrica e, quindi, una tensione che aumenterà proporzionalmente alla carica elet- -trica delle due armature.

È importante tener presente che, durante tutto il processo di carica del condensatore, gli elettroni circoleranno soltanto all’esterno del condensatore stesso, attraverso i terminali di collegamento e il generatore; nessun elettrone passerà attraverso il dielettrico, data la sua natura di isolante elettrico. Questo significa che la corrente di carica di un condensatore interessa soltanto il circuito esterno. La circolazione degli elettroni terminerà quando la tensione Vc sul condensatore arriverà al valore della f.e.m. E del generatore: in queste condizioni le due tensioni, agendo in opposizione, faranno sì che nella maglia non vi sia più alcuna tensione in grado di far circolare corrente (figura b). Se il condensatore viene scollegato dall’alimentazione (figura c), la carica accumulata sulle armature fino a quel momento rimarrà immagazzinata nel condensatore stesso, dato che le due armature sono tra loro isolate dallo strato di dielettrico. In teoria il condensatore non si dovrebbe scaricare mai; in realtà, a causa delle inevitabili imperfezioni dello strato isolante, vi sarà una debolissima circolazione di elettroni da B verso A, fino ad annullare la d.d.p. tra le armature. Per far avvenire velocemente il processo di scarica occorre collegare tra loro le armature, tramite un resistore (figura d): gli elettroni sull’armatura B, non più forzati dal generatore, fluiranno verso l’armatura A e si creerà pertanto una corrente di scarica da A verso B, di verso opposto a quella di carica, che cesserà quando le armature ritorneranno allo stato neutro. L’energia elettrostatica immagazzinata nel condensatore durante la carica verrà intera- -mente dissipata per effetto Joule nel resistore.

Nella pratica costruttiva le forme che assumono i condensatori sono varie, a seconda del tipo (condensatori ceramici, elettrolitici, a film plastico ecc.); la descrizione delle particolarità tecnologiche le potrete trovare nella sezione delle Tecnologie.

Polarizzazione del dielettrico La presenza di cariche elettriche uguali e opposte sulle armature di un condensatore fa nascere al suo interno un campo elettrico, le cui linee di forza, nel caso di un condensatore piano ideale, sono rettilinee e parallele tra loro, come nella figura a destra. L’intensità E del vettore campo elettrico, da non confondere con la f.e.m. di un generatore, visto che hanno lo stesso simbolo, è legata alla tensione V tra le armature e alla distanza d tra le stesse, secondo la relazione:

La soprastante espressione mostra che E si misura in volt su metri (più frequentemente in kilovolt su millimetro o kilovolt su centimetro) e che l’intensità del campo è tanto maggiore quanto più piccola è la distanza, a parità di tensione V. Il campo elettrico agisce per induzione elettrostatica sulle molecole del dielettrico, polarizzandole, ossia attirando la parte positiva delle stesse verso l’armatura negativa e viceversa, come in figura; questo fenomeno è maggiormente evidente se il dielettrico è formato da molecole di tipo polare, costituite con legami ionici. A questa azione si oppongono le forze di coesione molecolare, per cui all’interno del condensatore si crea uno stato di equilibrio tra forze contrapposte, simile a quello che si ha in una molla tesa. Se la tensione tra le armature aumenta, anche l’intensità del campo elettrico cresce e, di conseguenza, aumenta la forza esercitata sulle molecole dalla carica presente sulle armature; lo stato di equilibrio permane sino a quando non si supera la forza di coesione molecolare: oltre tale limite gli elettroni del dielettrico vengono “strappati” dalle molecole, innescando una scarica interna che danneggia il condensatore (scarica distruttiva). Il massimo valore del rapporto V/d sopportabile dal dielettrico costituisce la sua rigidità dielettrica, che dipende dal tipo di isolante: normalmente si va da qualche unità alle centinaia di kilovolt al millimetro.

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