Electricitate: Condensatoare si dielectrica

Condensatoarele sunt componente electronice pasive care stochează energie electrică sub formă de câmp electrostatic. Un condensator ideal este format din două plăci conductoare paralele, separate printr-un material izolator numit dielectric. Capacitatea electrică (C) a unui condensator plan se definește ca raportul dintre sarcina stocată (Q) și tensiunea aplicată (U): C = Q/U.

Unitatea de măsură este faradul (F). Condensatorul plan are capacitatea dată de formula C = ε0 * εr * A / d, unde ε0 este permitivitatea vidului (8,85 × 10⁻¹² F/m), εr este permitivitatea relativă a dielectricului (constantă dielectrică), A este aria plăcilor, iar d este distanța dintre ele. Introducerea unui dielectric între plăci crește capacitatea de εr ori, deoarece dielectricul se polarizează, reducând câmpul electric intern și permițând acumularea unei sarcini mai mari la aceeași tensiune.

Polarizarea dielectricului are loc prin orientarea dipolilor electrici (în materiale polare) sau prin deformarea norilor electronici (în materiale nepolare). Există mai multe moduri de conectare a condensatoarelor: în serie și în paralel. La conectarea în paralel, capacitatea echivalentă este suma capacităților: Cparalel = C1 + C2 + ... + Cn, iar tensiunea este aceeași pe fiecare condensator.

La conectarea în serie, inversul capacității echivalente este suma inverselor: 1/Cserie = 1/C1 + 1/C2 + ... + 1/Cn, iar sarcina este aceeași pe fiecare condensator. Energia stocată într-un condensator încărcat este dată de formula W = (1/2) * C * U² = (1/2) * Q * U = Q²/(2C). Aplicațiile practice includ filtrarea tensiunii în sursele de alimentare, circuite de temporizare (RC) și stocarea energiei în blitzuri foto.

În cazul dielectricilor, apar fenomene de rigiditate dielectrică (tensiunea de străpungere) și pierderi dielectrice, care limitează utilizarea acestora.

Exemple

• Exemplul 1: Un condensator plan cu aer (εr=1) are aria plăcilor A=100 cm² și distanța d=1 mm. Se calculează capacitatea. Rezolvare: Transformăm: A=100 cm²=0,01 m², d=1 mm=0,001 m. Aplicăm C=ε0*A/d=8,85*10⁻¹²*0,01/0,001=8,85*10⁻¹¹ F=88,5 pF. Dacă între plăci se introduce un dielectric cu εr=4, capacitatea devine C'=εr*C=4*88,5 pF=354 pF.
• Exemplul 2: Două condensatoare C1=2 μF și C2=3 μF sunt legate în paralel la o tensiune U=12 V. Calculați capacitatea echivalentă și energia totală stocată. Rezolvare: Cparalel=C1+C2=5 μF. Sarcina totală Q=Cparalel*U=5*10⁻⁶*12=60 μC. Energia: W=0,5*C*U²=0,5*5*10⁻⁶*144=360 μJ.
• Exemplul 3: Două condensatoare C1=4 μF și C2=6 μF sunt legate în serie la o tensiune U=10 V. Calculați capacitatea echivalentă și tensiunile pe fiecare condensator. Rezolvare: 1/Cserie=1/4+1/6= (3+2)/12=5/12 => Cserie=12/5=2,4 μF. Sarcina comună Q=Cserie*U=2,4*10⁻⁶*10=24 μC. Tensiunea pe C1: U1=Q/C1=24/4=6 V; pe C2: U2=Q/C2=24/6=4 V. Verificare: U1+U2=10 V.

Concepte cheie: Capacitatea electrică și formula C = Q/U, Condensatorul plan: C = ε0 * εr * A / d, Rolul dielectricului: crește capacitatea de εr ori prin polarizare, Conectarea în paralel: Cparalel = suma capacităților, Conectarea în serie: 1/Cserie = suma inverselor capacităților, Energia stocată: W = (1/2) * C * U², Tensiunea de străpungere și rigiditatea dielectrică