Come può un condensatore immagazzinare mentre passa anche corrente?

Si dice spesso che i condensatori immagazzinano la carica. Solo leggendo Wikipedia , trovo:

Daniel Gralath è stato il primo a combinare diversi vasi in parallelo in una "batteria" per aumentare la capacità di conservazione della carica . Benjamin Franklin indagò sul barattolo di Leyden e giunse alla conclusione che l' accusa era immagazzinata sul vetro, non nell'acqua come altri avevano ipotizzato.

Poiché i conduttori (o le piastre) sono vicini tra loro, le cariche opposte sui conduttori si attraggono a vicenda a causa dei loro campi elettrici, consentendo al condensatore di immagazzinare più carica per una determinata tensione rispetto a se i conduttori fossero separati, dando al condensatore una grande capacità .

Qui Q è la carica immagazzinata nel condensatore

La carica viene misurata in coulomb, e so dalla definizione di capacità che se un condensatore 1F ha una tensione di 1 V, 1C di carica viene memorizzato in esso. Se un coulomb è 6.241 × 10 ¹⁸ elettroni, allora ci dovrebbero essere 6.241 × 10 ¹⁸ elettroni in questo condensatore da qualche parte.

Ma ora considera questo. Se uso un condensatore come carico per una sorgente di tensione CA, un po 'di corrente scorrerà (la quantità precisa dipende dalla tensione, dalla frequenza e dalla capacità):

^{simula questo circuito - Schema creato usando CircuitLab}

So che la corrente scorre tutto intorno a questo circuito, perché se metto una lampadina su entrambi i lati del condensatore, si accenderà. Ma se la corrente scorre attorno a questo circuito, in che modo il condensatore si "carica"? In altre parole, come posso mai mettere elettroni nel condensatore se la corrente scorre intorno al circuito, il che significa che per tutti gli elettroni che inserisco nel condensatore, lo stesso numero esce dall'altra parte? Se non riesco a inserire elettroni senza estrarne un po ', come può essere immagazzinato dal condensatore?

È facile. Un condensatore non immagazzina carica, immagazzina energia . La carica netta in un condensatore completo (piuttosto che considerare una singola piastra o l'isolante) non cambia mai. Un aumento della carica negativa su una piastra è esattamente bilanciato da una diminuzione della carica negativa sull'altra piastra. Pertanto, quando la corrente entra in un terminale, una corrente uguale deve lasciare l'altro terminale.

Questa è una specie di versione cartoon, ma funziona nella mia testa.

C'è un gap insulativo nel condensatore, quindi i singoli elettroni non possono viaggiare da un terminale all'altro. Quindi gli elettroni che entrano non sono gli stessi che escono dall'altra parte! Invece, gli elettroni in arrivo "si fermano" su una piastra. Ma il campo elettrico di quell'elettrone respinge un elettrone dall'altro lato, che procede dall'altra piastra, raggiungendo infine la sorgente. Abbiamo un circuito completo, ma gli elettroni si stanno accumulando su una piastra e i buchi si stanno accumulando sull'altra!

Ora, c'è un limite al numero di elettroni che possono accumularsi sulla piastra. Gli elettroni si respingono a vicenda, quindi più ci sono, più è difficile che un altro si attacchi. Abbiamo bisogno di qualcosa che li costringa a rimanere sul piatto insieme. Questa è tensione. Al contrario, il fatto che gli elettroni stiano cercando di respingersi a vicenda è anche una tensione, una forza che prova a muovere gli elettroni attorno a un circuito.

Ora, quando un elettrone in arrivo si stacca dall'altra piastra, l'elettrone in uscita ha meno energia di quella in entrata, il che spiega la caduta di tensione attraverso il condensatore carico.

Ovviamente, gli elettroni non stanno fermi, anche se non c'è nessun posto dove andare su una scala macro. Si stanno tutti respingendo a vicenda, "rimbalzando" dal campo elettrico dell'altro. Se questi campi diventano troppo intensi (la tensione diventa troppo alta), le interazioni possono far penetrare un elettrone nella barriera dielettrica tra le piastre. Quando la tensione attraverso le piastre diventa troppo elevata, la corrente di dispersione del cappuccio aumenta. E se dura troppo a lungo, il dielettrico viene danneggiato e non si dispone più di un ottimo condensatore.

La carica può significare molte cose. Possiamo parlare di caricare un condensatore con energia, come se caricassimo bombe o carte di credito prepagate. Possiamo anche prendere in carico la carica elettrica , che viene misurata in coulomb.

Circa 6.241 × 10 ¹⁸ elettroni producono effettivamente 1C di carica. Tuttavia, quando le persone parlano di carica in un condensatore , non parlano di elettroni in un condensatore, come se si parlasse di biscotti in un contenitore di biscotti. Stanno parlando di qualcos'altro. È confuso, ma è comunque quello che fanno.

Di cosa stanno effettivamente parlando è l' integrale della corrente. Cioè, la corrente media che scorre, molte volte da quanto tempo scorre. Se la corrente viene misurata in ampere e il tempo in secondi, quando prendi la corrente e la moltiplichi per tempo, ottieni una cosa misurata in ampere-secondi. E, se ricordi, un ampere significa un coulomb al secondo. Così:

Cioè, un ampere-secondo è un coulomb. L'integrale della corrente è carica . Quindi, quando qualcuno dice che un condensatore sta "immagazzinando 1C di carica", non significa che ci sia 1C di elettroni nel condensatore, significa che 1C di carica è passato attraverso il condensatore. Il condensatore sta "immagazzinando" tanta carica, nel senso che ora contiene abbastanza energia per respingere 1C di carica nell'altro modo.

È meglio pensare a un condensatore come un dispositivo di accumulo di energia piuttosto che come un dispositivo di accumulo di carica. Quando la corrente fluisce in un condensatore, una tensione si accumula ai terminali. Questa tensione è separata dalla distanza tra le piastre e crea quindi un campo elettrico. Questo campo è dove viene immagazzinata l'energia. Gli induttori, d'altra parte, immagazzinano energia con campi magnetici.

Mentre la corrente scorre, si accumulano cariche opposte su ciascuna piastra opposta del condensatore. Gli elettroni stanno cercando di aggirare il circuito, ma si fermano sulla piastra del condensatore, lasciando una carica negativa da un lato e una carica positiva dall'altro. L'entità di ciascuna carica può essere descritta dall'equazione:

C = Q / V

La corrente continuerà a scorrere e la carica continuerà ad accumularsi fino a quando il circuito con il condensatore è stabile. Ad esempio, se il circuito fosse semplicemente una batteria, una resistenza e un condensatore in serie, la corrente continuerebbe a fluire fino a quando la tensione del condensatore fosse uguale alla tensione della batteria. Pertanto, in un circuito CC a stato stazionario, in cui nessuna corrente sta cambiando, un condensatore appare come un circuito aperto con la carica accumulata proporzionale alla tensione attraverso i terminali e la capacità.

Tuttavia, per qualsiasi circuito che non sia DC, un modo migliore per descrivere il comportamento dei condensatori è:

I = C * (dV / dt)

Pertanto, se si dispone di una sorgente di tensione sinusoidale, la corrente che scorre "attraverso" il condensatore cambia costantemente e la carica accumulata non è mai costante. Immagina di inclinare avanti e indietro una mezza bottiglia d'acqua piena. L'acqua non scorre continuamente come la corrente in un circuito CC, ma continua a funzionare. Se avessi un bizzarro dispositivo a turbina nella bottiglia d'acqua, ruoterebbe costantemente, fermandosi solo per cambiare direzione quando la bottiglia viene inclinata dall'altra parte.

Infine, in un circuito CC, le cariche uguali e opposte sono memorizzate su ciascuna piastra laterale del condensatore. Il condensatore non immagazzina affatto elettroni. Memorizza un addebito. Gli elettroni da un lato viaggiano tutto intorno al circuito dall'altro lato come provocato da una differenza di tensione esterna. Il risultato è una concentrazione di elettroni da una parte e un'assenza dall'altra, una carica. In un circuito CA, si verifica questo stesso fenomeno, ma cambia costantemente. Non appena la tensione di alimentazione cambia, gli elettroni non vengono attratti dalle piastre allo stesso modo e iniziano a mobilitarsi. Se questi elettroni passano attraverso un carico, come una lampadina, lungo la strada, funzioneranno e la lampadina si accenderà. Pertanto, la corrente non scorre effettivamente intorno al circuito. Sta semplicemente scivolando avanti e indietro come l'acqua in una bottiglia. Però, basta accendere la lampadina per spostare gli elettroni. Alla lampadina non importa in che modo si muovono e i tuoi occhi non possono percepire il cambiamento di direzione fintanto che la velocità di commutazione è abbastanza veloce.

Vorrei anche notare che stiamo parlando di condensatori ideali. In pratica, a frequenze abbastanza alte, i condensatori appariranno come induttori (V = L * (di / dt)).

Modificare:

Per rispondere alla domanda specifica: dove si trova la carica in un condensatore?

All'interno di un condensatore completo, non viene memorizzata alcuna carica netta. Tuttavia, usando il modello a piastre parallele , cariche uguali e opposte di magnitudo Q si trovano su ciascuna delle piastre. Quando viene applicata una tensione esterna a un condensatore, gli elettroni fuggono dalla piastra con un potenziale più elevato e sono attratti dalla piastra con un potenziale inferiore. Questi elettroni accumulati formano una carica negativa su quella piastra e l'assenza di elettroni dall'altra piastra forma una carica positiva. L'entità effettiva di ciascuno, la carica totale Q è determinata dalla tensione V e dalla capacità C.