Capacitorul este o componentă electronică ce are abilitatea sau capacitatea de a stoca energie electrică prin stocarea sarcinilor electrice la aplicarea unei tensiuni pe acesta.
Capacitatea este proprietatea electrică a capacitorului și măsoară volumul de energie ( sarcini electrice ) stocat de un capacitor (condensator) între armăturile sale atunci când se aplică o anumită tensiune la bornele sale. Capacitatea se notează cu C și se măsoară ân Farad ( F ).
Un capacitor este construit din două sau mai multe armături ( plăci ) metalice, conductoare, plasate una în apropierea celelilalte fără a fi conectate sau să se atingă, fiind separate electric de aer sau de diferite materiale bune izolatoare ca: hârtie cerată, mică, ceramică, plastic,etc. Acest strat izolator dintre armăturile ( plăcile) capacitorului se numește DIELECTRIC.
Armăturile ( plăcile) metalice conductoare dintr-un capacitor ( condensator ) pot avea forme diferite: circulare, rectangulare, cilindrică, sferică , depinzând de construcția acestuia.
Cum funcționează un capacitor ( Condensator )
Avem următoarea figură în care avem construcția unui capacitor.
Când la bornele capacitorului ( condensatorului ) aplicăm o tensiune electrică, acesta acumulează o cantitate de sarcini electrice ( Q ) proporțională cu tensiunea aplicată ( U ) și capacitatea capacitorului ( condensatorului ) ( C ) conform relației :
\[Q = C \cdot U\],
iar între cele două armături ia naștere un câmp electric ce permite existența unei diferențe semnificative de electroni liberi între cele două armături.
Pe măsura formării câmpului electric datorită aplicării tensiunii, electronii liberi se vor aduna la terminalul negativ fiind luați de la terminalul pozitiv. Această diferență de sarcină se traduce prin apariția unui stoc de energie electrică în capacitor și reprezintă sarcina potențială a electronilor dintre cele două armături. Cu cât diferența numerică a electronilor dintre cele două armături este mai mare cu atât mai mare este fluxul câmpului electric și stocul de energie din capacitor ( condensator ).
Energia câmpului electric din capacitor ( condensator ) este :
\[W = \frac{C \cdot U^{2}}{2} \]
Energia stocată într-un capacitor depinde de tensinea dintre armături precum și de alți factori. abilitatea capacitoarelor de a stoca energie în funcție de tensiune se traduce printr-o tendință de menținere a tensiunii la un nivel constant. Cu alte cuvinte condensatoarele tind să se opună variației căderii de tensiune folosind curent de la sau generând curent spre sursa de variație a tensiunii, în opoziție cu variația.
Acestea fiind spuse , pentru a stoca mai multă energie într-un capacitor, trebuie mărită valoarea tensiunii la bornele sale. Acest lucru presupune o înmulțire a electronilor pe armătura negativă și o diminuare a lor pe cea pozitivă, lucru ce necesită existența unui curent în acea direcție.
Pentru a elibera energie dintr-un capacitor, trebuie scăzută valoarea tensiunii la bornele sale, acest lucru presupune o diminuare a electronilor pe armătura negativă prin deplasarea lor spre armătura pozitivă dând naștere, evident, unui curent în aceea direcție.
Încărcarea și descărcarea Capacitorului
Considerăm următorul circuit :
VS=tensiunea de alimentare a circuituluiVC = tensiunea la bornele capacitorului
Presupunem capacitorul descărcat iar întrerupătorul îl punem în poziția A. Tensiunea la bornele capacitorului este zero ( 0 ) în acest moment și curentul de încărcare ( i ) începe să circule , încărcând capacitorul până când tensiunea dintre armături \[V_{C} \] este egală cu tensiunea de alimentare a circuitului \[V_{S} .\] În momentul în care \[V_{C} = V_{S} = 12V\], curentul de încărcare ( i ) nu va mai circula și capacitorul este încărcat.
Dacă punem întrerupătorul în poziția B, capacitorul va începe să se descarce prin lampă, facând ca aceasta să lumineze până când capacitorul se va descărca. Luminozitatea lămpii și durata acesteia depinde de valoarea capacității a condensatorului și a rezistenței lămpii.
\[t = C \cdot R\], unde t = constanta de timp.
Ecuația de funcționare a Capacitorului și relația tensiune-curent
Curentul prin capacitor apare atunci când cantitatea de sarcină Q suferă modificări în timp, fiind egală cu viteza de variație a acesteia în timp :
\[i=\frac{\mathrm{d} Q }{\mathrm{d} t} \]
Ecuația de funcționare a capacitorului furnizează informații despre curentul electric prin acesta în funcție de tensiunea electrică aplicată între terminalele sale.
Știm că :
\[\left. \begin{matrix} Q=C \cdot v \\ i=\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \end{matrix} \right \} \Rightarrow i = C \cdot \frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} \], unde :
i = curentul instantaneu prin condensator,
C = capacitatea condensatorului ( F )
\[\frac{\mathrm{d} v}{\mathrm{d} t} = variatia\ instantanee\ a\ tensiunii\ la \ bornele \ condensatorului ( \frac{V}{s} ).\]
Observație:
Am spus mai sus că: curentul electric prin condensator este direct proporțional cu variația în timp a tensiunii electrice aplicată pe acesta \[\Rightarrow \] în regim de curent continuu când mărimile electrice au valori constante în timp , curentul prin condensator este nul.
Concluzie: Curentul continuu nu trece prin condensator ( Curentul continuu prin condensator este egal cu 0 Amperi ).
Parametrii electrici specifici Condensatoarelor
- Capacitatea nominală \[ (C_{n} ) \] = valoarea capacitații condensatorului care trebuie realizată prin procesul tehnologic și care este înscrisă pe corpul acestuia.
- Coeficientul de toleranță ( % ) = abaterea în procente , plus sau minus, a capacității reale a condensatorului față de capacitatea nominală înscrisă pe acesta.
- Tensiunea nominala \[( U_{n} )\] = tensiunea continuă sau alternativă maximă ce poate fi aplicată la bornele unui condensator fără ca acesta să se străpungă. De asemenea aceasta este înscrisă pe corpul condensatorului.
- Rezistența de izolație \[( R_{iz} )\] = reprezintă valoarea raportului dintre tensiunea aplicată la bornele unui condensator și curentul care îl străbate, la un minut după aplicarea tensiunii. \[ R_{iz} > 100M \Omega \]
- Tangenta unghiului de pierderi \[tg\delta )\] = raportul dintre puterea acticvă disipată de condensator și puterea reactivă, măsurate la aceiași frecvență la care a fost măsurată capacitatea nominală. Cu cât \[(tg \delta ) \] este mai mică cu atât condensatorul este mai bun.
- Rigiditatea dielectrică = tensiunea maximă continuuă pe care trebuie să o suporte condensatorul timp de 1 minut fără să apară străpungeri sau scurgeri.
Formula de calcul a capacității electrice a unui condensator.
\[C = \frac{\varepsilon \cdot A}{d} \], unde :C = capacitatea condensatorului
\[\varepsilon = permitivitatea\ absoluta\ a\ dielectricului ( F/m ) \]
\[A = aria\ armăturilor\ ( m^{2} )\]
\[d = distanța\ dintre\ armături\ ( m )\]
Circuitul echivalent al Condensatorului
Din moment ce armăturile unui condensator prezintă o anumită rezistență electrică și din moment ce nici un dielectric nu este un izolator perfect, este imposibilă crearea unui condensator ideal.
În realitate, un condensator are atât o rezistență serie cât și o rezistență paralelă suprapusă peste caracteristicile sale capacitive :
