Quanto velocemente si carica un condensatore

Un condensatore è un dispositivo che utilizza due superfici conduttive per immagazzinare una carica elettrica. Tuttavia, ha uno spazio tra le due superfici che le isola l'una dall'altra. La distanza tra l'intercapedine e il materiale in essa contenuto (aria, vetro, minerale, liquido, ecc.) non è però eccessiva per evitare che un campo elettrico abbastanza forte spinga le cariche elettriche per farle accumulare sulle superfici.

Cosa rende un condensatore?

Un condensatore semplice utilizza due piastre parallele di materiale conduttivo separate da un isolante. L'isolante è chiamato dielettrico ed è un materiale che impedisce il passaggio della corrente elettrica. La capacità di un campo elettrico di passare attraverso il materiale dielettrico è un dato un valore di misura noto come ε , chiamato permittività . Questo, insieme alle dimensioni delle piastre del condensatore Determina la quantità di carica che può immagazzinare. Ciò che conta è l'area delle piastre ( A ) e la distanza tra loro ( d ). Ecco un'illustrazione di come le parti di un condensatore vanno insieme alle loro importanti proprietà:

La quantità di capacità (C) di un condensatore dipende dalla capacità del campo elettrico di influenzare le cariche sulle sue piastre, moltiplicata per l'area della superficie conduttiva, divisa per la distanza tra le piastre.

La capacità è misurata in unità di Farad (F) . La maggior parte dei condensatori utilizzati nei piccoli circuiti elettronici moderni sono nell'intervallo microfarad (uF) o picofarad (pF). Un picofarad è davvero piccolo, è di un Farad.

Campo elettrico

All'inizio, un condensatore ha una quantità uguale di carica positiva e negativa su ciascuna piastra. Le cariche non possono passare all'altra piastra a causa dello spazio tra di loro che isola le piastre l'una dall'altra. Lo spazio potrebbe essere aria o altro materiale non conduttivo. All'interno della fessura, tuttavia, c'è un campo elettrico ( E ) che dirige la forza della batteria per spingere una carica elettrica opposta alle piastre.

Carica

La presenza di un campo elettrico tra queste superfici costringe le cariche sulle piastre a localizzarsi più vicino alla direzione della carica opposta. Questo accade fino a quando le piastre del condensatore non sono piene di cariche opposte. L'illustrazione seguente mostra un condensatore con due piastre che vengono caricate in modo opposto da una forza della tensione ad esse applicata. Le cariche si riposizionano e si spostano sulla piastra nella direzione della loro attrazione.

Tempo RC

In realtà, un condensatore non si carica immediatamente. Ci vuole tempo per caricarsi a causa di una certa resistenza alla corrente che scorre da o verso le sue piastre. Per qualsiasi quantità di tensione attraverso le piastre di un condensatore, ci vorrà del tempo prima che si carichi completamente. Una volta che il condensatore è completamente carico, la corrente smetterà di fluire verso di esso perché non c'è più spazio per accettare nuove cariche. Un semplice circuito per caricare un condensatore è mostrato nel diagramma seguente.

Un valore speciale per un circuito di carica di condensatore si trova moltiplicando la quantità di resistenza ad esso per la capacità. Il risultato è un valore di tempo chiamato costante di tempo RC . Ad esempio, se il resistore è di 20k Ohm e il condensatore è di 200 pF (picofarad), la costante di tempo RC è:

=

Utilizzando le proprietà del tempo di carica, possiamo determinare che un condensatore avrà più del 99% della sua carica dopo 5 costanti di tempo, o secondi. In questo diagramma, il primo circuito mostra il momento in cui il circuito è chiuso. La corrente è appena iniziata Scorre con 0 volt attraverso il condensatore e ha una carica bilanciata. Il secondo diagramma mostra una carica completa e nessuna corrente che scorre dopo un periodo di 5 costanti di tempo RC.

Nel secondo schema elettrico si vede che una volta che il condensatore è completamente carico e la corrente si ferma, la tensione attraverso di esso è la stessa della tensione di alimentazione che ha fornito la carica. Utilizzando i valori di resistenza e capacità menzionati nell'esempio precedente, il condensatore si caricherebbe in circa 20 microsecondi:

= =

I seguenti grafici mostrano come un condensatore si carica e si scarica nel tempo:

Un condensatore non si carica o si scarica alla stessa velocità con il passare del tempo. La tensione attraverso il condensatore segue uno schema "naturale" nel tempo fino a quando il condensatore non è completamente carico o scaricato. Dai grafici si può capire che la velocità di carica o scarica rallenta davvero man mano che si avvicina alla quantità di tempo, in questo caso.

Un numero speciale chiamato e viene utilizzato per calcolare la tensione del condensatore in un determinato momento dopo l'inizio della carica o della scarica. Questo numero è noto come numero di Eulero e viene utilizzato nelle formule matematiche per modellare i comportamenti del mondo naturale. Il valore di questo numero è approssimativo e, se combinato con i valori R e C in un circuito di carica, viene utilizzato per trovare la tensione al condensatore. La tensione attraverso un condensatore viene calcolata utilizzando queste formule:

• Carica: = , dove è la tensione utilizzata per caricare con
• Scarica: = , dove è la tensione prima della scarica

Esperimento: Simula carica e scarica

---

Utilizzando i valori di R e C , insieme al numero di Eulero, è possibile tracciare la carica e la scarica di a condensatore per vedere come si comporta nel tempo. Inoltre, i multipli della costante di tempo RC possono essere abbinati al livello di tensione per vedere quando il condensatore è quasi completamente carico. Per la simulazione del modello, un valore di viene utilizzato per R e viene utilizzato per C . La tensione di carica e di avviamento è .

Configurazione : Copiare il seguente codice nell'editor.

Test : Eseguire il codice e passare alla visualizzazione dati per visualizzare l'output della console nel grafico.

Risultato : Il grafico mostra i modelli di carica e scarica nell'arco di microsecondi ciascuno. La forma del grafico mostra come funziona la velocità di carica e scarica "naturale".

Esperimento: Rilevatore di carica

---

Il livello di carica su un condensatore può essere monitorato controllando la tensione attualmente presente su di esso. Un pin di uscita digitale può fungere da fonte di carica e un pin di ingresso analogico può Misurare la tensione attraverso il condensatore. Il condensatore viene caricato attraverso un resistore. Per poter osservare il cambiamento del livello di carica, il condensatore utilizzato è di 100 uF e la resistenza va da 10k ohm a 40 ohm. Se hai creato il tuo resistore, funzionerà bene in questo esperimento.

Materiali :

Installazione :

1. Collegare un'estremità di un cavo a coccodrillo al cavo (-) del condensatore (su alcuni condensatori è il cavo più corto). Collegare l'altra estremità del cavo a coccodrillo al pin GND sulla scheda.
2. Collegare un'estremità di un diverso cavo della clip a coccodrillo al cavo (+) del condensatore (su alcuni condensatori è il cavo più lungo). Collega l'altra estremità del cavo a coccodrillo a un'estremità del resistore.
3. Prendi un terzo cavo a coccodrillo e collega anche un'estremità al cavo (+) del condensatore. Collega l'altra estremità di quel cavo a coccodrillo al pin A5 sulla scheda.
4. Prendi un altro cavo a coccodrillo e aggancialo all'altra estremità del resistore. Agganciare l'estremità non collegata del cavo a coccodrillo al pin A4 sulla scheda.

1. Scarica il seguente codice sulla scheda:

Test : premere il pulsante A per caricare il condensatore e guardare i pixel accendersi per mostrare il livello di carica. Premi il pulsante B per scaricare il condensatore e osserva i pixel spegnersi man mano che la carica scompare.

Test opzionale : modificare il valore della resistenza e ripetere il test. Osservare come i tempi di carica e scarica sono diversi rispetto al primo test.

Risultato : I pixel sulla scheda si illumineranno mostrando il livello di carica sul condensatore. Ogni pixel rappresenta un altro 10% di carica. Ogni pixel impiegherà più tempo ad accendersi (o spegnersi durante la scarica) rispetto al precedente poiché la velocità di carica rallenta. L'ultimo pixel impiega molto più tempo ad accendersi rispetto agli altri pixel. Questo si riferirà al tempo di carica dell'ultimo 10% come si vede nella parte appiattita del Grafico dell'esperimento precedente.