Il condensatore è un componente elettrico passivo formato da due armature conduttrici separate da un dielettrico o da un isolante. La sua funzione è accumulare carica elettrica e immagazzinare energia nel campo elettrico tra le armature.
La grandezza che caratterizza il componente è la capacità elettrica C, misurata in farad. È definita come rapporto tra la carica Q accumulata su una armatura e la tensione V ai morsetti:
Un condensatore ideale non consuma energia attiva al proprio interno: accumula energia quando si carica e la restituisce quando si scarica. I condensatori reali, però, hanno perdite dielettriche, resistenza serie equivalente, induttanza parassita, tensione massima ammissibile e limiti termici.
Condensatore piano
Nel caso ideale di due armature piane parallele di area A, poste a distanza d e riempite con un mezzo di permittività elettrica \varepsilon, la capacità è:
La formula mostra tre dipendenze operative:
- aumentando l’area delle armature aumenta la capacità;
- aumentando la distanza diminuisce la capacità;
- usando un dielettrico con permittività maggiore aumenta la capacità.
Questa è una formula di modello: nei componenti reali contano anche bordi, geometria tridimensionale, materiali, frequenza, temperatura e tensione di lavoro.
Legge corrente-tensione
L’equazione costitutiva del condensatore ideale lega la corrente alla derivata temporale della tensione:
Se la tensione è costante, la corrente è nulla. Per questo, a regime in corrente continua, un condensatore ideale si comporta come un circuito aperto. Durante un transitorio RC, invece, la tensione non può variare istantaneamente senza richiedere una corrente impulsiva.
L’energia immagazzinata in un condensatore carico a tensione V è:
In forma equivalente:
Queste formule chiariscono perché la tensione massima è un dato critico: l’energia cresce con il quadrato della tensione.
Comportamento in alternata
In regime sinusoidale, il condensatore è descritto da una impedenza puramente immaginaria:
La componente capacitiva della reattanza è:
Il modulo diminuisce all’aumentare della frequenza: a bassa frequenza il condensatore oppone forte ostacolo alla corrente alternata, mentre ad alta frequenza tende a comportarsi come un collegamento a bassa impedenza. Per questo è usato in filtri, accoppiamenti, disaccoppiamenti, oscillatori, rifasamento e stabilizzazione di alimentazioni.
Errori comuni
Un primo errore è dire che il condensatore “blocca sempre la corrente”. Blocca la corrente continua a regime nel modello ideale, ma durante i transitori e in alternata può far circolare corrente.
Un secondo errore è confondere capacità e carica. La capacità è una proprietà del componente e della geometria; la carica dipende anche dalla tensione applicata.
Un terzo errore è ignorare il dielettrico. La permittività aumenta la capacità, ma la rigidità dielettrica limita la tensione massima prima della scarica.
Infine, nei circuiti reali non basta usare il modello ideale: ESR, ESL, tolleranza, corrente di ripple, temperatura e frequenza possono determinare il comportamento effettivo del componente.
Vedi anche: Capacità elettrica, Farad, Dielettrico, Permittività elettrica, Transitorio RC, Reattanza.