Condensatori

Pe orice conductor se poate crea o sarcină electrică pozitivă sau negtivă. Cu cît conductorul are dimensiuni mai mari, cu atît capacitatea lui electrică este mai mare, adică el poate cuprinde mai multe sarcini electrice, tot astfel după cum la aceeaşi presiune într-un vas cu o capacitate mai mare, putem introduce în mod corespunzător o cantitate mai mare de gaz. Volumul vasului determină capacitatea lui. La aceeaşi temperatură, un corp cu o masă mai mare, poate acumula mai multă căldură. Masa unui corp determină capacitatea lui calorică, deci cantitatea de energie calorică pe care o poate conţine.

Valoarea capacităţii electrice se notează cu litera C. Pentru măsurarea capacităţii există cîteva unităţi diferite. In trecut, era utilizat centimetrul ca unitate de capacitate, care nu trebuie confundat cu centimetrul liniar şi nici cu centimetrul pătrat sau cub. Centimetrul de capacitate este capacitatea unei sfere metalice cu o rază de 1 cm.

In prezent, unitatea practică de bază pentru capacitate este faradul, notat cu litera F. Capacitatea de 1 F este foarte mare şi de aceea în practică se întrebuinţează unităţi mai mici şi anume : micro faradul (uF), care reprezintă 1/1 000 000 dintr-un jarad, şi micromicrofaradul ( uuF) sau picofaradul (pF), care reprezintă 1/1 000 000 dintr-un microfarad. Intre picofarad şi centimetrul de capacitate există următoarea corelaţie simplă : 1 pF 0,9 cm, sau 1 cm = 1,1 pF.

Un singur conductor luat separat are o capacitate mică, dar există aparate care la dimensiuni mici ale conductorilor, au o capacitate foarte mare, dînd posibilitate să se acumuleze sarcini electrice mari la tensiuni relativ joase. Asemenea aparate poartă denumirea de condensatori, de la cuvîntul condensare.

Condensatorul are menirea să acumuleze sarcini electrice. Cea mai simplă formă de condensator se copune din două plăci metalice, separate între ele printr-un strat izolator de aer, sau orice alt dielectric (fig. 44). Plăcile, care se numesc armăturif se încarcă, una cu electricitate pozitivă, iar cealaltă, cu electricitate negativă. Datorită atracţiei reciproce puternice, sarcinile se reţin una pe alta şi de aceea în condensator se pot acumula sarcini electrice foarte mari.

Intre armăturile condensatorilor se creează un cîmp electric care va fi cu atît mai puternic, cu cît diferenţa de potenţial între armături este mai mare şi cu cît acestea sînt mai aproape una de alta. Liniile de forţă ale acestui cîmp pleacă de la armătura încărcată pozitiv spre armătura încărcată negativ, după cum sînt reprezentate în fig. 45. In acest cîmp electric se acumulează energia sarcinilor electrice concentrate pe armături.

Cu cît suprafaţa armăturilor este mai mare, cu atît capacitatea condensatorului va fi şi ea mai mare. Aici trebuie să ţinem seama numai de suprafaţa de lucru, adică de suprafaţa acelei părţi a armăturii în faţa căreia se află cealaltă armătură. In afară de aceasta, cu cît plăcile sînt mai aproape una de alta, cu atît atracţia dintre sarcini este mai mare şi cu atît capacitatea va fi mai mare. Ca exemplificare vom arăta că un condensator cu două plăci a cîte un 1 cm2 fiecare, cu dielectric de aer cu o grosime de 1 mm? are o capacitate cu puţin mai mică de 1 pF.

Influenţa dielectric ului asupra capacităţii este caracterizată printr-o mărime deosebită, care se numeşte constantă dielectrică, sau permitivitate. Pentru aer ea are valoarea cea mai mică, Iar pentru dielectrici solizi sau lichizi, valoarea ei este de cîteva ori mai mare, iar capacitatea condensatorului se măreşte în mod corespunzător. In tabela 3 se arată creşterea capacităţii con-densatorului prin înlocuirea aerului cu alt dielectric.

Condensatorii cu două plăci au o capacitate relativ mică, deoarece nu este practic se mărim prea mult suprafaţa plăcilor. Pentru a obţine capacităţi mai mari, putem bine înţeles, să micşorăm distanţa dintre plăci, dar numai pînă la o anumită limita. Dacă stratul de dielectric va fi prea subţire, el va fi străpuns de scîntei. Cu cît tesiunea la condensator este mai mare, cu atît dielectricul trebuie să fie mai gros.

După fabricare, toţi condensatorii sînt încercaţi la tensiune. Tensiunea de lucru la care un condensator poate funcţiona timp mai îndelungat fără pericol de străpungere, trebuie să fie de 2-3 ori mai mică decît tesiunea de încercare. Valoarea tensiunii de lucru este în funcţie de rigiditatea dielectrică a condensatorului. Aerul are o rigiditate dielectrică mică şi este străpuns relativ uşor. Dielectricii solizi, cum sînt mica, porţelanul, etc. au o rigiditate dielectrică mult mai mare. Pentru a obţine capacităţi mari, se construiesc condensatori cu mai multe plăci, asamblate în două grupe (fig. 44 b). Toate plăcile cu număr par sînt legate între ele şi formează o armătură, plăcile cu număr impar sînt şi ele legate între ele, formînd a doua armătură.

La toate plăcile interioare, ambele suprafeţe sînt suprafeţe de lucru, iar la plăcile extreme sînt folosite numai suprafeţele interioare. Un asemenea conden sator poate fi considerat că este format din cîţiva condensatori cu cîte două plăci, numărul condensatorilor componenţi fiind egal cu numărul total al plăcilor mai puţin unul.

Dielectricul condensatorului nu este niciodată ideal. Electronii de pe armătura încărcată negativ trec treptat prin dielectric în cealaltă armătură, formînd un curent mic, care poartă denumirea de curent de fugă. De aceea, un condensator încărcat îşi micşorează treptat sarcina.

De multe ori în practică se leagă împreună cîţiva condensatori. In cazul legării în paralel (fig. 46 a), capacitatea totală C este egală cu capacitatea tuturor condensatorilor :

Asemenea legare se foloseşte cînd condensatorii existenţi au o capacitate mai mică decît cea necesară.

La legarea în serie a mai multor condensatori, capacitatea totală, dinpotrivă, este mai mică, fiind deobicei sub valoarea capacităţii oricăruia din condensatorii conectaţi. Dacă doi condensatori de aceeaşi capacitate sînt legaţi în serie (fig. 46 b), capacitatea to-tală va fi egală cu jumătate din capacitatea unui condensator. Doi condensatori cu o capacitate a cîte 200 pF dacă sînt conectaţi în serie, capacitatea totală va fi de 100 pF. Legînd în serie doi condensatori diferiţi (fig. 46), capacitatea totală va fi determinată prin formula, de exemplu, dacă vom lega în serie doi condensatori avînd respectiv o capacitate de 2 000 pF şi 3 000 pF, capacitatea totală va fi:

Legarea în serie se foloseşte uneori cînd există condensatori de putere mai mare decît este nevoie. Pe lîngă aceasta, la legarea în serie, tensiunea totală de lucru este mai mare decît la un singur condensator.

Dacă un condensator este conectat la un circuit de curent continuu, trecerea continuă a curentului prin circuit nu este posibilă, întru cît plăcile condensatorului sînt izolate între ele. Numai un timp scurt de la închiderea circuitului va trece un curent de scurtă durată, care încarcă condensatorul. Imediat după ce condensatorul se va încărca complect, iar tesiunea de pe armăturile lui va deveni egală cu f.e.m. a sursei, curentul va înceta să circule. Tot astfel, dacă vom pompa gaz într-un vas închis, imediat ce presiunea gazului va deveni egală cu presiunea creată de pompă, pătrunderea gazului în vas va înceta.

Cu cît condensatorul are o capacitate mai mare, cu atît el se încarcă într-un timp mai mare, deoarece în el încape o cantitate mai mare de electricitate. Cu toate acestea, încărcarea durează numai cîteva fracţiuni de secundă. Cu cît rezistenţa conectată la circuit, în serie cu condensatorul este mai mică, cu atît încărcarea se face mai repede, întrucît curentul de sarcină obţinut este mai mare. Cînd rezistenţa este foarte mică, încărcarea se face aproape instantaneu.

Dacă vom deconecta de la sursă, un condensator încărcat, şi-1 vom lega la o rezistenţă oarecare, el se va descărca. Cu cît capacitatea condensatorului şi rezistenţa sînt rnai mici, cu atît descărcarea se face mai repede. Dacă vom scurtcicuita condensatorul, descărcarea se va face aproape instantaneu. In timpul descărcării, tensiunea la condensator scade şi ajunge pînă la zero, după care încetează şi curentul. In fig. 47 sînt reprezentate graficele creşterii şi descreşterii tensiunii la încărcarea şi descărcarea condensatorului.

Aşadar, curentul continuu nu trece prin condensator. Conectînd, însă, condensatorul la un circuit de curent alternativ (fig. 48 a), deşi electronii nu pot la încărcarea şi descărcarea condensatorului trece prin dielectricul condensatorului, totuşi circuitul va fi străbătut de curent. De aceea, se obişnuieşte să se spună că, curentul alternativ trece prin condensator.

Cînd tensiunea de la bornele generatorului creşte, condensatorul se încarcă, iar prin circuit trece un curent de încărcare. Energia trece de la generator în condensator şi se acumulează în aceasta din urmă sub formă de sarcină electrică. Tensiunea la condensator creşte şi la un moment oarecare ajunge la o valoare de amplitudine maximă. In acest moment, condensatorul este complect încărcat, iar curentul de încărcare încetează. Apoi, tensiunea generatorului începe să scadă. întrucît condensatorul a fost încărcat pînă la tesiunea maximă, el se va descărca acum înapoi în generator, cedînd acestuia energia acumulată. Atunci cînd condensatorul se descarcă, sensul curentului va fi opus sensului curentului de încărcare. In cele din Turmă, la un moment oarecare, cînd tensiunea va ajunge pînă la zero, condensatorul va fi descărcat complect.

Prin urmare, în primul sfert de perioadă, condensatorul funcţionează ca receptor, sau ca o sarcină pentru generator şi invers, în al doilea sfert de perioadă, condensatorul funcţionaeză ca geneartor, iar rolul de receptor îl îndeplineşte de data aceasta generatorul. In al treilea sfert de perioadă, încărcarea se va repeta, întrucît tensiunea generatorului va creşte din nou, iar în al patrulea sfert de perioadă, va avea loc din nou descărcarea. In circuit va exista un curent alternativ, care constituie curentul de încărcare şi de descărcare a condensatorului. In-accst caz, condensatorul opune curentului alternativ o reactanţă capacitivă. într-adevăr, generatorul cedează energia sa condensatorului numai la încărcare, iar la descărcare, condensatorul cedează complect această energie. In. condensator nu are loc o cheltuială de energie nerecuperabilă.

întregul proces al variaţiei tensiunii şi curentului, descris mai sus, este reprezentat grafic în fig. 48′ b. Condensatorul, la fel ca şi bobina, provoacă un decalaj de fază între curent şi tensiune cu un sfert de perioadă, adică cu 90°. Totuşi, la conectarea bobinei, curentul este în întîrziere de fază faţă de tensiune, iar la conectarea condensatorului, tensiunea întîrzie în fază faţă de curent. Cu alte cuvinte, curentul din condensator este în avans de fază faţă de tensiune, cu 90°. Dacă împreună cu condensatorul este conectată şi o rezistenţă oarecare, decalajul de fază între tensiunea întregului circuit şi curent, va fi sub 90°.

Valoarea curentului dintr-un circuit cu condensator este în funcţie de tensiunea generatorului, de capacitatea condensatorului şi de frecvenţă. Dependenţa curentului faţă de tensiune, este o dependenţă obişnuită, care rezultă din legea lui Ohm şi anume : cu cît tensiunea generatorului este mai mare, cu atît curentul este şi el mai mare. Mărind însă, capacitatea condensatorului, curenţii de încărcare şi de descărcare se vor mări, deoarece la o capacitate mai mare, condensatorul va acumula o sarcină mai mare. Creşterea curentului, echivalează cu micşorarea rezistenţei. Aşa dar, la creşterea capacităţii, reactanţa capacitivă scade.

La o frecvenţă mai mare, încărcarea şi descărcarea se face mai repede, adică o anumită cantitate de electricitate trece în intervale de timp mai scurte şi de aceea curentul creşte. Creşterea curentului, însă, echivalează cu scăderea rezistenţei. Prin urmare, mărindu-se frecvenţa, reactanţa capacitivă scade.

După cum se vede, influenţa frecvenţei asupra reactanţei inductive şi celei capacitive este cu totul opusă. Reactanţa capacitivă se notează cu Xr, iar valoarea ei în Q poate fi calculată cu aproximaţie după următoarea formulă :

în care f este frecvenţa în Hz, iar C — capacitatea în uF.

Pentru exemplificare, vom calcula reactanţa capacitivă a unui condensator de 1 uF ia o frecvenţă de 50 Hz. Vom obţine: Xc= 160 000:50 = 3 200 Ohmi. Acelaşi condensator, la o fecvenţă de 5 MHz, are o rezistenţă de 100 000 ori mai mică, deoarece această frecvenţă este de 100 000 ori mai mare. In acest caz, valoarea reactanţei este de 0,032 Ohmi .

Dacă vom lua însă un condensator cu o capacitate de 100 pF, sau de 0,0001 uF, reactanţa lui va fi de 10 000 ori mai mare. Pentru o frecvenţă de 50 Hz, reactanţa lui va fi de 32 MOhmi , adică practic, el nu va lăsa să treacă curentul de joasă frecvenţă.

In schimb, însă, pentru o frecvenţă înaltă de 5 MHz, reactanţa lui va fi numai de 320 Ohmi . Valorile reactanţelor capacitive pentru diferiţi condensatori la frecvenţe diferite, sînt date în tabela 4.Ca şi bobinele, condensatorii se întrebuinţează foarte mult în radiotehnică. Condensatorii cu capacitatea mică (de zeci şi sute de pF), servesc pentru trecerea curenţilor de înaltă frecvenţă. Pentru trecerea curenţilor de joasă frecvenţă se întrebuinţează condensatori cu capacitatea mare (de fracţiuni de uF sau unităţi de uF).

Adesea, condensatorii se folosesc pentru separarea curentului continuu de cel alternativ, precum şi a curcnţilor de înaltă şi de joasă frecvenţă. De exemplu, dacă într-un circuit oarecare vom conecta un condensator cu o capacitate mică, el nu va lăsa să treacă curentul continuu şi aproape nu va lăsa să treacă curentul de joasă frecvenţă, întru cît pentru acesta, reactanţa condensatorului va fi mare. Curentul de înaltă frecvenţă va trece însă uşor printr-un asemenea condensator.

Toţi condensatorii se împart în condensatori ficşi şi variabili, iar după felul dielectricului se împart în condensatori cu aer, cu ceramică, mică, hîrtie şi electrolitici. Aspectul exterior al unor condensatori ficşi este reprezentat în fig. 49.

Fiecare condensator are pierderi de energie, deşi acestea sînt foarte mici. Practic, cel cu aer nu are pierderi, el însă este străpuns uşor de scînteie. Aceasta împiedică realizarea condensatorilor cu aer de mare capacitate.

Condensatorii cu aer se construiesc numai cînd trebuie să se evite pierderi de energie. Asemenea condensatori se utilizează aproape exclusiv numai la aparatele de radio. Pentru tensiuni înalte, condensatorii trebuie construiţi cu o distanţă destul de mare între plăci.

In ultimul timp, condensatorii ceramici au căpătat o mare întrebuinţare. Ei sînt în formă de plăci sau tuburi dintr-un material ceramic special, un fel de porţelan, acoperit pe ambele părţi cu un strat metalic. Condensatorii ceramici au pierderi foarte mici şi rezistă bine la tensiuni înalte. Capacitatea lor variază între unităţi şi mii de pF. Aceşti condensatori se întrebuinţează în special, la circuitele de înaltă tensiune.
Condensatorii cu mică se fabrică din plăci de mică şi din foiţe de staniol, avînd o capacitate pînă la zeci de mii ele pF. In comparaţie cu condensatorii ceramici, ei au pierderi mai mari şi sînt folosiţi, în special la circuitele cu curent de joasă frecvenţă. Condensatorii cu hîrtie se fabrică din benzi de hîrtie parafinată şi din staniol pentru capacităţi pînă la cîţiva jaF şi se întrebuinţează pentru curenţi de joasă frecvenţă, deoarece la frecvenţă înaltă pierderile de energie sînt foarte mari.

Pentru capacităţi şi mai mari, de zeci, sute şi chiar mii de uF, se folosesc condensatorii electrolitici. Principiul funcţionării lor constă în faptul că pe suprafaţa plăcii de aluminiu, care se află într-un electrolit special, se formează la trecerea curentului un strat de oxid de aluminiu, care serveşte ca izolator. Ca rezultat, se obţine un condensator în care placa de aluminiu şi electrolitul au rolul de armături, iar ca dielectric serveşte stratul de oxid de aluminiu. Intrucît acest strat este foarte subţire, se pot obţine ca-pacităţi foarte mari. In caz de străpungere, stratul de oxid se regenerează singur, după ce este deconectat de sub tensiune.

Condensatorii electrolitici au dimensiuni relativ mici, sînt uşori ca greutate şi necostisitori. Ei au dezavantajul că tensiunea lor de lucru este relativ mică, de cel mult 500 V. In afară de aceasta, ei au curenţi de fugă mari. Condensatorii e^octrolitici care se fabrică în prezent, pot fi întrebuinţaţi numai la circuitele cu tensiune continuă, Ia conectarea lor trebuind să se respecte polaritatea. EI sînt fabricaţi de obicei cu corpuri de aluminiu. Condensatorii electrolitici pentru tensiune mică sînt fabricaţi cu corpuri de carton.
Pentru a fi protejaţi contra influenţelor exterioare, condensatorii cu mică se presează într-o masa plastică. Condensatorii cu hîrtie sînt prevăzuţi cu un corp de carton sau metalic. Pe condensatori este înscrisă capacitatea lor, abaterile posibile în ceea ce priveşte capacitatea în procente, de exemplu + tensiunea de lucru şi tensiunea de încercare. Pe condensatorii electrolitici se notează tensiunea maximă sau de vîrf, la care este posibilă străpungerea, notîndu-se în mod obligator şi polii. Cînd corpul condensatorului este din aluminiu el constituie totdeauna polul negativ.

In afara de condensatorii cu capacitate fixă, pentru acordarea aparatelor de radiorecepţie şi a altor aparate de radio, se folosesc foarte mult condensatori cu capacitate variabilă. De obicei aceştia sînt cu aer şi mai rar cu dielectric solid. In fig. 50 este reprezentat principiul construcţiei şi reprezentarea schematică a acestor condensatori. Condensatorul variabil este format dintr-un ansamblu de plăci fixe numit stator şi un ansamblu de plăci mobile, fixate pe un ax şi denumite rotor. La rotirea axului condensatorului cu ajutorul unui buton, plăcile mobile intră mai mult sau mai puţin în intervalele dintre plăcile fixe şi capacitatea condensatorului variază. Pentru simplificarea desenului, în fig. 50 este reprezentată numai o singură placă fixă şi una mobilă într-o poziţie care corespunde unei valori oarecare a capacităţii, cuprinsa între cea maximă şi cea minimă. La condensatorii varia-bili, capacitatea poate fi variată între cîteva zeci şi cîteva sute de pF, de exemplu între 10 şi 400 pF.

Se mai întrebuinţează şi condensatori variabili mici, de cele mai multe ori cu două plăci, a căror capacitate variază puţin de exemplu între 4 şi 40 pF. Aceştia se numesc condensatori semivariabili sau de acord şi se reprezintă în scheme ca în fig. 50.