La carica elettrica, oltre a fluire in un circuito, può esservi accumulata in perfetta analogia a quanto accade in un impianto idrico quando è dotato di serbatoio: il serbatoio in grado accumulare – separandole per polarizzazione – cariche elettriche contrapposte è il capacitore, noto ai più come condensatore (elettrico).
La separazione delle cariche porta alla nascita di un campo elettrico e, quindi, alla presenza di una tensione che consente l’immagazzinamento di energia elettrica.
Il capacitore è un componente a due terminali con una struttura composta da due parti conduttrici (armature) parallele e affacciate su uno strato di isolante o dielettrico. È descritto da un parametro tipico – la capacità – che si indica con C e si misura in Farad (simbolo F): come per la resistenza, la capacità si può esprimere in funzione di parametri collegati al materiale dielettrico utilizzato e alla geometria del componente.
Per un capacitore a facce piane la formula è la seguente:
C= (ε∙S)/d
Dove:
- ε è la costante dielettrica dell’isolante e la sua unità di misura è F/mm;
- S è l’area dell’armatura e la sua unità di misura è mm2;
- d è la distanza fra le armature e la sua unità di misura è mm.
Un altro aspetto da tenere a mente è che il comportamento di ε e di S è direttamente proporzionale a C(DP), mentre quello di d è invesamente proporzionale a C(IP).
Applicando ai terminali del capacitore una tensione mediante una batteria il capacitore inizia ad accumulare cariche elettriche con una velocità decrescente finché la tensione ai suoi capi avrà uguagliato quella del generatore: da questo momento in poi cessa l’accumulo di cariche e, con esso, la circolazione di corrente nel circuito. Questa è la fase di carica del capacitore.
Se, invece, si collegano i terminali di un capacitore carico a un conduttore le cariche sull’armatura negativa (elettroni), non potendo attraversare l’isolante, passeranno dal conduttore per raggiungere l’armatura carica positivamente. Il processo continuerà, con velocità decrescente, fino alla completa migrazione di tutti gli elettroni. Questa è la fase di scarica del capacitore.
In entrambe le fasi, si possono distinguere due intervalli di tempo contigui:
- transitorio: quantità di carica (Q), tensione (V) e corrente (I) – variano nel tempo;
- regime: quantità di carica (Q), tensione (V) e corrente (I) – sono costanti nel tempo.
Se Rint è la resistenza interna del generatore e R quella del conduttore, i tempi impiegati dal capacitore per caricarsi e scaricarsi sono dati da:
- TC =~ 5 • Rint • C
- TS =~ 5 • R • C
Il legame matematico fra le grandezze elettriche protagoniste del fenomeno è:
- Q = C • V da usare per ricavare Q, noti C e V;
- V = Q : C da usare per ricavare V, noti Q e C;
- C = Q : V da usare per ricavare C, noti Q e V;
In campo impiantistico i capacitori sono molto utilizzati per correggere il fattore di potenza (rifasamento); inoltre, l’effetto capacitivo è alla base di accoppiamenti indesiderati tra i diversi cavi delle linee elettriche.
