Electricitatea este azi un bun pe care aproape întreaga omenire îl consideră un drept fundamental, deși există încă destule zone ale lumii care încă nu sunt electrificate. Acest concept reprezintă, de fapt, un set de fenomene asociate cu prezența mișcării materiei care are proprietatea de a se încărca cu sarcină electrică.
Electricitatea stă azi la baza a nenumărate tehnologii dintre care un interes major, în actualele paradigme ale încălzirii globale accelerate și a nevoii stringente de reducere a emisiilor cu efect de seră, îl reprezintă mașinile alimentate cu baterii precum și stațiile de încărcare electrice a acestora. Acestea ar putea asigura un viitor mult mai puțin poluant al mobilității omului.
De asemenea, electricitatea este deja o resursă strategică atât pentru faptul că tot mai multe echipamente de producție și casnice depind de existența ei cât și, mai ales, pentru că noile tehnologii avansate cum ar fi roboții industriali sau comerciali, Internet of Things și miniaturizarea electronică nu ar fi posibile fără înțelegerea și exploatarea acestui fenomen.
Electricitatea a fost studiată încă din Antichitate, dar progresele majore în înțelegerea acesteia au fost făcute abia în secolul al XIX-lea, când au fost dezvoltate teoriile electromagnetismului și, astfel, fenomenul a început să fie exploatat în aplicații productive și casnice. Astfel, a transformat definitiv industria și societatea, stând la baza tuturor revoluțiilor industriale de la cea de-a doua, cea tehnologică și până la cea în care ne aflăm azi, cea de-a patra, sau era digitalizării. Cu siguranță va fi și mijlocul de propulsie al celei de-a 5-a, care deja se prefigurează prin tot mai multe avansuri în domeniul inteligenței artificiale, roboticii avansate, autonomiei totale a vehiculelor și a relației tot mai simbiotice între om și mașină.
Un element minuscul, dar de o deosebită importanță în domeniul circuitelor electrice, este și condensatorul electric despre al cărui rol vei afla câteva detalii în acest articol.
Cuprins
1. Condensatorul electric - definiție și rol în ansamblul conceptului de capacitate
2. Alcătuirea condensatoarelor - elementele componente și principiile de funcționare
3. Tipurile condensatorilor electrici și unele domenii de aplicare
1. Condensatorul electric - definiție și rol în ansamblul conceptului de capacitate
Pentru a defini un condensator este necesar să se definească, mai întâi, conceptul de capacitate electrică.
Experimental, s-a constatat că un material care permite trecerea electricității, dacă este supus unui potențial electric V, se încarcă cu o sarcină electrică Q, iar această proprietate se numește capacitatea electrică a conductorului.
Fizicienii au constatat, prin măsurători experimentale, că proporția dintre sarcina electrică Q și potențialul V la care se află suprafața exterioară a conductorului este constantă depinzând doar de dimensiunile și forma conductorului. Tocmai acest raport a fost stabilit ca reprezentând capacitatea electrică.
QV= C = 1C1V= 1F
Unitatea de măsură a capacității electrice, ca raport dintre cea a sarcinii (Coulombul - C) și a potențialului (Voltul - V) se numește Farad, în onoarea marelui fizician englez Michael Faraday, cel care a adus contribuții cruciale în exploatarea electricității prin descoperirea și teoretizarea principiilor inducției electromagnetice, diamagnetismului și electrolizei chimice, pilonii esențiali pe care s-au dezvoltat și perfecționat motoarele care fac azi evident răspunsul la întrebarea de ce ar trebui să alegi o mașină electrică complet nepoluantă și eficientă din punctul de vedere al costurilor.
În practică, se utilizează, de regulă, submultipli ai Faradului:
Deoarece un conductor izolat realizează o capacitate electrică foarte mică, s-a ajuns la crearea unor noi dispozitive, numite condensatoare, și care sunt formate, de regulă, din două armături separate de un strat izolator foarte subțire care poartă denumirea de dielectric.
Prin urmare, putem defini condensatorul ca un device care are posibilitatea de a stoca energia electrică într-un câmp electric. Această componentă de natură pasivă este prevăzută cu două terminații, câte unul pentru fiecare armătură din interior.
Efectul condensatorului este, de fapt, capacitatea pe care acesta o poate furniza unui circuit electric.
Deși este agreată în uz curent denumirea de condensator, acest termen este mai corect folosit în zona aplicațiilor de mare putere electrică cum ar fi în industria auto. Termenul a fost folosit pentru prima dată de marele fizician Alessandro Volta în 1782, referindu-se la posibilitatea device-ului de a stoca o densitate mai mare a sarcinii electrice decât era posibil în cazul unui conductor izolat. Totuși, termenul putea duce la confuzii cu noțiunea de condensare a vaporilor și, din 1926, la nivel internațional, s-a recomandat folosirea noțiunii de capacitor.
Așa cum deja ai văzut, condensatorul are proprietatea de a stoca energia electrică. Din acest punct de vedere ar putea fi asemănat cu o baterie, însă lucrurile stau ceva mai diferit.
Condensatorul nu poate stoca cantitatea de energie pe care o poate înmagazina o baterie, în schimb se poate încărca și elibera curent electric la o viteză cu mult peste posibilitățile unei baterii. Acest lucru este extrem de folositor mai ales în zona plăcilor de circuite integrate unde există cea mai mare probabilitate de a găsi astfel de device-uri în număr mare.
Dar care este modul de funcționare al unui condensator? Pentru a-ți face o imagine mai clară ar trebui să-ți imaginezi o conductă prin care curge apă. Fluxul lichidului continuă să treacă până în momentul în care se închide robinetul și curgerea se oprește complet.
Totuși, dacă înainte de închiderea robinetului se lasă ca apa să treacă prin intermediul unui recipient prevăzut, la rândul său, cu o scurgere și legat la o altă conductă, o anumită cantitate de apă se va acumula în acest rezervor. Dacă acum se întrerupe fluxul inițial, apa nu va mai alimenta recipientul, dar va exista încă o curgere stabilă prin a doua țeavă a acestuia până când întregul lichid din interior se va epuiza.
Atât timp cât apa din rezervor va fi în cantitate suficientă se va putea închide și deschide robinetul ori de câte ori se dorește, deoarece prin scurgere va continua să treacă un flux constant de apă. Practic recipientul servește ca o rezervă tampon pentru asigurarea continuității operațiunii.
Același lucru se petrece și în cazul circuitelor electrice, unde condensatorul activează ca acel rezervor de apă din exemplul de mai sus dar, în loc de apă, acesta va stoca energie electrică. Aceasta va fi eliberată cu scopul de a normaliza întreruperile care pot proveni de la sursă.
Presupunând un circuit electric format dintr-o sursă, un bec consumator și un întrerupător, ori de câte ori vom întrerupe circuitul, lumina se va închide și invers, se va aprinde, ori de câte ori vom acționa în mod contrar.
Dacă se va adăuga un condensator în circuitul inițial, atunci becul va rămâne aprins pe parcursul tuturor acționărilor întrerupătorului și va continua să funcționeze, cel puțin pe o durată scurtă de timp după ce alimentarea de la sursă a fost întreruptă. Acest lucru se întâmplă deoarece în acel moment condensatorul descarcă energia acumulată și o livrează în circuit.
În interiorul unui condensator electric tipic se găsesc două foițe metalice ce au un grad mare de conductivitate. De regulă, acestea sunt confecționate din aluminiu. Ele sunt separate de un material izolator - denumit dielectric - fabricat, de regulă, din ceramică. Acest separator are rolul de a se polariza când intră în contact cu un câmp electric.
Una din cele două ieșiri ale condensatorului este conectată la ramura pozitivă a circuitului, iar cea de-a doua la ramura negativă - în funcție de polii sursei de curent. Pentru a ușura identificarea, pe o parte a device-ului exită un marcaj indicator al ieșirii negative.
Dacă se leagă direct la o baterie, voltajul acesteia va împinge electronii de la borna negativă a acesteia către condensator. Aceștia se vor acumula pe una dintre foițele interne, iar cealaltă va elibera din electronii proprii. Electronii nou sosiți nu pot trece prin condensator din cauza materialului izolator, dielectricul.
Atunci când condensatorul atinge același voltaj cu bateria, nu va mai exista schimb de electroni. Va exista o acumulare a acestora doar pe o foiță din interior, ceea ce semnifică că există energie electrică acumulată ce poate fi eliberată atunci când este nevoie.
Deoarece pe o parte a condensatorului există mai mulți electroni decât pe cealaltă, iar aceștia sunt încărcați cu sarcină negativă, o jumătate va fi negativă iar cealaltă va fi pozitivă. Astfel, se formează o diferență de potențial sau de voltaj care poate fi măsurată cu ajutorului unui aparat de măsură numit multimetru.
Pentru o mai bună înțelegere, se poate afirma că voltajul acționează asemenea presiunii atmosferice iar la evaluarea acestuia se măsoară de fapt diferența între două puncte cum ar fi cele două borne ale bateriei (negativ și pozitiv). În mod similar, la măsurarea celor două armături ale condensatorului se va putea citi voltajul rezultat datorită acumulărilor de electroni. Aceeași valoare se va putea citi chiar dacă se va îndepărta bateria din circuit, deoarece particulele încărcate negativ de pe o armătură vor fi atrase de cele pozitive de pe cealaltă, dar nu vor putea ajunge unele la altele din cauza dielectricului izolator.
Astfel ia naștere un câmp electric. Dacă se introduce un consumator în circuit se creează, așadar, o cale liberă ca electronii să treacă prin acesta (de exemplu, un bec), și să ajungă la cea de-a doua armătură, de sarcină opusă. Se creează acum acel tampon de energie electrică suficient pentru alimentarea, pe o scurtă perioadă de timp, a consumatorilor până la momentul în care electronii se egalizează pe ambele părți ale condensatorului și voltajul atinge valoarea zero.
Condensatoarele se pot clasifica în mai multe tipuri după câteva criterii.
Condensatoarele industriale sunt de dimensiuni mari. Ele se folosesc în întreprinderi industriale pentru îmbunătățirea factorului de putere sau la motoarele electrice cu inducție folosite azi și pentru motorizarea autovehiculelor.
În ceea ce privește simbolurile cu care se notează condensatoarele în schemele circuitelor electrice, cele mai comune sunt următoarele:
Pe toate condensatoarele se vor regăsi notații referitoare la capacitate exprimată în microfarazi (µF) precum și voltajul maxim exprimat în volți (V).
Dacă voltajul din circuit depășește valoarea maximă înscrisă, condensatorul va exploda.
Mai există un tip de supercondensatoare la care armăturile sunt făcute din aluminiu poros. Aceste porozități au un ordin de mărime de 10 nanomilimetri astfel că suprafața de acumulare se mărește la sute sau mii de metri pătrați pe gramul de electrod. Această mărire imensă o duce, subsecvent, la creșterea capacității de la ordinul milifarazilor ( de exemplu 10 mF) până la 3.000 de farazi (factor de multiplicare de 300.000).
Supercondensatoarele se produc pentru o tensiune de 2,5V, iar prin înserierea lor se poate atinge și 300V. Aceste tipuri de capacitoare au început să fie dezvoltate începând din anul 2008, unul din avantaje fiind că se încarcă foarte rapid față de acumulator la care este necesar un timp de încărcare foarte mare.
Durata de încărcare fiind scurtă și cea de funcționare nelimitată, supercondensatoarele pot obține randamente de 100%, iar electrozii acestora nu se consumă ca în cazul acumulatorilor. Desigur, au și dezavantajul unui cost mai ridicat și gradul de periculozitate mai mare în cazul unui scurtcircuit.
Una din cele mai comune aplicații a condensatoarelor este normalizarea vârfurilor de sarcină atunci când curentul alternativ (AC) este convertit în curent continuu (DC), un domeniu de lucru foarte util în zona motoarelor și a stațiilor de încărcare electrice. În acest sens, cei de le Lektri.co (CIVITRONIC S.R.L.), de exemplu, au dobândit o experiență temeinică oferind un spectru larg de astfel de device-uri împreună cu consultanța completă și sprijin în accesarea programului guvernamental Electric Up prin care poți obține finanțare nerambursabilă pentru instalarea de sisteme de panouri fotovoltaice și stații de încărcare a mașinilor electrice la locul de muncă.
Așadar, deși este o piesă relativ mică, condensatorul are o importanță semnificativă în modul de funcționare al device-urilor care vor asigura întreaga mobilitate a umanității în viitorul apropiat, atunci când numărul mașinilor propulsate de motoare electrice va deveni tot mai mare.
