Condensatorul

Condensatorul

Definitia condensatorului

In mod normal, electronii nu pot intra intr-un conductor decat daca exista o cantitate egala de electroni ce parasesc exact acelasi conductor (analogia tubului cu margele). Din aceasta cauza, conductorii trebuie conectatii impreuna pentru a forma un drum complet (circuit) pentru deplasarea continua a electronilor. Ciudat este totusi faptul ca, electroni aditionali pot fi "ingramaditi" intr-un conductor, fara existenta unui drum de iesire, daca este posibila/permisa formarea unui camp electric in spatiul liber dintre acest conductor si un alt conductor. Numarul electronilor aditionali din conductor (sau numarul de electroni pierduti) este direct proportional cu valoarea fluxului campului dintre cei doi conductori.

Condensatoarele sunt componente ce utilizeaza acest fenomen electric in functionarea lor. Acestea sunt realizate din doua armaturi (placi) metalice conductoare plasate una in apropierea celeilalte, separate printr-un dielectric. Exista totusi o multitudine de tipuri si moduri de constructie a condensatoarelor, in functie de aplicatia necesara.

Simbolul condensatorului

Simbolul electric al condensatorului este prezentat in figura alaturata.

Modul de functionare al condensatorului

Atunci cand la bornele condensatorului aplicam o tensiune electrica, intre cele doua armaturi ia nastere un camp electric ce permite existenta unei diferente semnificative de electroni liberi (sarcina) intre cele doua armaturi.

Pe masura formarii campului electric datorita aplicarii tensiunii, electronii liberi vor fi fortati sa se "adune" la terminalul negativ fiind "furati" de pe terminalul pozitiv. Acesta diferenta de sarcina se traduce prin aparitia unui stoc de energie electrica in condensator si reprezinta sarcina potentiala a electronilor dintre cele doua armaturi. Cu cat diferenta numerica a electronilor intre cele doua armaturi ale unui condensator este mai mare, cu atat mai mare este fluxul campului si cu atat mai mare "stocul" de energie din condensator.

Deoarece condensatorii stocheaza energie potentiala sub forma de camp electric, comportamentul lor intr-un circuit este fundamental diferit de cel al rezistorilor, cei din urma disipand pur si simplu putere in circuit sub forma de caldura. Energia stocata intr-un condensator depinde de tensiunea dintre armaturi precum si de alti factori pe care ii vom lua imediat in considerare. Abilitatea acestora de a stoca energie in functie de tensiune se traduce printr-o tendinta de mentinere a tensiunii la un nivel constant. Cu alte cuvinte, condensatoarele tind sa se opuna variatiei caderii de tensiune. Atunci cand modificam tensiunea la bornele unui condensator, fie o marim, fie o scadem, acesta tinde sa se opuna schimbarii folosind curent de la sau generand curent spre sursa de variatie a tensiunii, in opozitie cu variatia.

Cresterea energiei potentiale stocate de condensator

Pentru a stoca mai multa energie intr-un condensator, trebuie marita valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o inmultire a electronilor pe armatura negativa si o diminuare a lor pe cea negativa, lucru ce necesita existenta unui curent in acea directie. Dimpotriva, pentru a elibera energie dintr-un condensator, trebuie scazuta valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o diminuare a electronilor pe armatura negativa prin deplasarea lor spre cea pozitiva; aceasta deplasare da nastere, evident, unui curent in acea directie (opusa).

Asemenea legii de miscare a lui Isaac Newton (un obiect aflat in miscare, tinde sa ramana in miscare; un obiect aflat in repaus tinde sa ramana in repaus) ce descrie tendinta obiectelor de a se opune variatiilor de viteza, putem descrie tendinta unui condensator de a se opune variatiei tensiunii astfel: "Un condensator incarcat tinde sa ramana incarcat; un condensator descarcat tinde sa ramana descarcat."

Ipotetic, un condensator (incarcat sau descarcat) lasat neatins isi va mentine la infinit starea sa initiala. Doar o sursa (sau un canal) exterior de curent poate modifica valoarea energiei stocate (implicit si a tensiunii la bornele sale) de catre un condensator perfect.

Practic, condensatoarele isi vor pierde tensiunea stocata datorita imperfectiunilor interne ce permit electronilor sa se deplaseze de pe o armatura pe cealalta. In functie de tipul specific de condensator, timpul de "golire" poate fi foarte lung, de pana la cativa ani, pentru condensatoarele ce nu sunt deloc folosite.

Incarcarea condensatorului; condensatorul ca o sarcina

Cand tensiunea la bornele condensatorului creste, acesta utilizeaza curent din circuit; in acest caz condensatorul se comporta ca o sarcina si spunem ca se incarca. Observati directia de deplasare a electronilor (curentul) fata de polaritatea tensiunii.

Descarcarea condensatorului; condensatorul ca o sursa de putere

Invers, atunci cand tensiunea la bornele condensatorului scade, acesta introduce/genereaza curent in circuitul extern; in acest caz condensatorul se comporta ca o sursa de putere si spunem ca se descarca. Stocul de energie din campul electric este directionat catre restul circuitului. Observati directia de deplasare a electronilor (curentul) fata de polaritatea tensiunii.

Observatie

Daca introducem brusc o sursa de tensiune la bornele unui condensator descarcat (o crestere brusca de tensiune), acest va utiliza curent din circuitul exterior, reprezentat in acest caz de sursa respectiva, pana in momentul in care tensiunea la bornele sale este egala cu tensiunea sursei. Dupa atingerea acestui punct de incarcare, curentul scade spre zero (condensator incarcat). Invers, daca o rezistenta de sarcina este conectata la bornele unui condensator incarcat, acesta va genera curent spre sarcina pana in momentul epuizarii energiei stocate, iar tensiunea sa va scadea spre zero. Dupa atingerea acestui punct de descarcare, curentul scade spre zero (condensator descarcat). Putem sa ne gandim la condensatoare ca la un fel de baterii secundare prin modul de incarcare si descarcare al lor.

Dielectricul

Precum am mai spus, alegerea materialului izolant dintre placi are o importanta capitala in comportamentul condensatorului, mai bine spus, in marimea fluxului electric si implicit a tensiunii dintre armaturi. Datorita rolului acestui material in comportamentului fluxului, i s-a dat un nume special: dielectric. Nu toate materialele dielectrice sunt identice, ci sunt diferentiate printr-o valoare fizica numita permitivitatea dielectricului.

Capacitatea electrica(C)

Marimea pentru volumul de energie stocat de un condensator, atunci cand se aplica o anumita tensiune la bornele sale, poarta denumirea de capacitate electrica. Simbolic, se noteaza cu C si se masoara in Farad, prescurtat F.

Exista o anumita conventie atunci cand vine vorba de notatia condensatoarelor, si anume, valorile acestora se exprima adesea in microFarad (µF).

Condensator vs. capacitor

Aparent, denumirea de condensator este invechita si nu mai este folosita in lucrarile de specialitate, fiind inlocuita cu cea de capacitor. Intrucat in literatura de specialitate de la noi din tara se foloseste inca termenul de condensator, il vom folosi si noi.