Ce este condesatorul?
Condesatorul reprezinta un sistem de doua conductoare numite armaturi care sunt separate printr-un izolator (dielectric) si care au capacitatea de a inmagazina o cantitate de electricitate.
Condesatorul este o componenta pasiva, mediul dielectric care separa cele doua armaturi are permitivitatea "ɛ".
Daca acesta este cuplat la o tensiune U se va incarca cu sarcini electrice Q in functie de capacitatea C, dupa cum se poate observa in urmatoarea formula:
C=Q/U
Capacitatea electrica a unui condensator – este marimea fizica egala cu raportul dintre sarcina electrica Q de pe o armatura si tensiunea electrica U la bornele condensatorului.
Capacitatea condensatorului se masoara in farad [F], condesatoarele avand valori uzuale cuprinse intre 1pF si 10.000 uF. In regim sinusoidal condensatorul introduce un defazaj cu π/2 intre tensiune si curent si are o reactanta capacitiva:
Xc=1/ωC, <Xc>SI = Ω (Ohm), unde ω este pulsatia tensiunii sinusoidale.
Dupa cum se cunoaste intre armaturile unui condesator este un strat isolator numit dielectric, ce nu permite trecerea curentului electric prin el. Intr-un circuit de curent alternativ condesatorul are comportare putin diferita deoarece el se incarca si se descarca electric periodic, determinand prezenta unui curent electric prin circuitul exterior lui. Daca tensiunea aplicata condesatorului este o tensiune alternativa atunci curentul de incarcare si descarcare al condesatorului este:
i=Δq/Δt, unde "q" reprezinta sarcina electrica variabila de pe armaturile condesatorului.
Dupa cum s-a explicat mai sus, Xc se numeste reactanta capacitiva si se masoara in ohmi. Acesta poate fi calculat folosind leagea lui Ohm pentru un circuit de curent alternativ: U = I x Xc
In acest caz expresia curentului va fi:
I= √(2I ) sin (ωt + π/2)
Reprezentarea grafica a curentului si tensiunii printr-un condensator in curent alternativ:
I=C*dv/dt
Unde:
– i -> curentul instantaneu prin condesator;
– C -> capacitatea in Farazi;
– dv/dt -> rata instantanee pentru schimbarea tensiunii (volti/secunda);
Litera mica "i" simbolizeaza curentul instantaneu, adica valoarea curentului la un moment dat. Expresia "dv / dt" reprezinta rata instantanee de schimbare a tensiunii in timp (volti pe secunda, creste sau descreste) la un anumit moment in timp.
Litera "v" este de obicei folosita pentru a reprezenta tensiunea instantanee, mai degraba decat litera "e". Cu toate acestea, nu ar fi incorect sa se exprime rata instantanee a tensiunii de schimb ca "de / dt".
Capacitatea condensatorului plan este data de:
C = ɛs/d = ɛ0ɛrs/d
- "ɛ0" este permitivitatea absoluta a vidului;
- "ɛ" este permitivitatea absoluta a materialului dielectric;
- "ɛr" este permitivitatea relativa a materialului dielectric;
- "S" este suprafata armaturilor plane;
- "d" este distanta dintre armaturi;
Structura condensatorului plan
Simbolul general al condensatorului plan
Defazajul dintre curenti si tensiune pentru condensatorul plan
Modul de functionare al condensatorului
Atunci cand la bornele condensatorului vom aplica o tensiune electrica, intre cele doua armaturi se va crea un camp electric care permite existenta unei diferente semnificative de electroni liberi (sarcina) intre cele doua armaturi. Pe masura ce campul electric se formeaza, datorita aplicarii tensiunii, electronii liberi vor fi fortati sa se "adune" la terminanul negativ fiind luati de pe terminalul pozitiv.
Aceasta 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 este mai mare, cu atat mai mare este fluxul campului si cu atat mai mare stocarea de energie din condensator.
Liniile campului electric ale unei sarcini punctuale pozitive:
Liniile campului electric intre placile unui condensator plan:
Atunci cand tensiunea la bornele unui condesator creste acesta utilizeaza curent din circuit. In acest caz condensatorul se comporta ca o sarcina si spunem ca se incarca. Invers, atunci cand tensiunea la bornele condensatorului scade, acesta introduce / genereaza curent in circuitul extern. In acest caz condensatorul se comporta ca si o sursa de putere si spunem ca se descarca. Stocul de energie din campul electric este redirectionat catre restul circuitului.
Daca introducem brusc o sursa de tensiune la bornele unui condensator descarcat (o crestere brusca de tensiune), acesta 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 0. Asta insemnand (condesator descarcat). Marimea pentru volumul de energie stocat de un condesator, atunci cand se aplica o anumita tensiune la bornele sale poarta denumirea de capacitate electrica.
Mai mult decat atat denumirea de condesator la momentul actual este considerata destul de invechita si nu mai este utilizata in lucrarile de specialitate aceasta fiind inlocuita cu cea de capacitor.
Simboluri conventionale pentru condensatori
Pentru condentator general: 
Pentru condensatori polatizati: 
Pentru condensatori variabili (trimmere): 
Reprezentarea in detaliu cu migrarea electronilor intre cele doua armaturi, cat timp capacitorul este alimentat:
Dupa cum am mentionat si mai sus condesatorul este un dispozitiv electric pasiv ce inmagazineaza energie sub forma unui camp electric intre cele doua armaturi incarcate cu o sarcina egala, dar de semn opus. Capacitatea de inmagazinare a sarcinii electrice de catre un condesator, sau capacitanta, este masurata in Sistemul International in farazi. Un condesator de un farad poate stoca un coulomb de sarcina la un volt iar un amper reprezinta rata de electroni de un coulomb pe secunda, asadar un condesator de un farad poate sustie un amper pe secunda la tensiunea de un volt.
Energia inmagazinata in condesator este egala cu actiunea necesara pentru a stabili tensiunea in condesator si implicit a campului electric. Energia inmagazinata este calculata cu ajutorul formulelor de mai jos:
Condesator de capacitate C, incarcat cu sarcina electrica Q: W = 1/2 x Q^2/C
Condesator de capacitate C, incarcat la o tensiune electrica U: W = 1/2 x CU^2
Condesator de volum V intre armaturi si intensitatea campului E: W = 1/2 x ɛVE^2
Densitate volumica de energie: w = 1/2 x ɛE^2
E inmagazinata = 1/2 x CU^2 = 1/2 x Q^2/C = 1/2 x UQ
Energia maxima care poate fi inmagazinata, in siguranta, intr-un condesator este limitata de campul electric maxim pe care il poate suporta materialul dielectric inainte sa se distruga. Asadar, toti condesatorii care folosesc acelasi material dielectric au aceeasi densitate a energiei.
Clasificarea condensatorilor
In functie de natura dielectricului:
- Cu dielectric solid (Anorganic: sticla, ceramica; Organic: hartie, pelicule plastic)
- Cu dielectric oxid metallic: condesatoare electrolitice
- Cu dielectric gazos
- Cu dielectric lichid (ulei)
In functie de forma armaturilor:
- Condesator plan
- Condesator sferic
- Condesator cilindric
Condesatoarele pot fi de mai multe feluri:
- Electrolitice
- Cu tantal
- Ceramice
- Cu poliester
