Come immagazzinare cariche elettriche
Durante i primi studi sull'elettricità, attorno alla metà del sec. XVIII, alcuni scienziati iniziarono a chiedersi se fosse possibile immagazzinare in un conduttore una certa quantità di carica elettrica e fare in modo che questa non venisse dispersa.
Il primo strumento che venne costruito con questo scopo è la bottiglia di Leida (che deve il suo nome alla città olandese nella quale lo studioso Pieter van Musschenbroek la costruì nel 1745). La bottiglia di Leida era costituita da una bottiglia di vetro rivestita sia internamente sia esternamente da un foglio di carta stagnola opportunamente caricato; una catenella di materiale conduttore in contatto con la stagnola veniva fatta fuoriuscire dal tappo (isolante) della bottiglia. Se si toccava la catenella, si avvertiva una forte scossa elettrica, a dimostrazione che la bottiglia era un accumulatore di cariche elettriche. La bottiglia di Leida rappresenta il primo esempio di condensatore, un mezzo molto semplice per immagazzinare carica elettrica in un corpo.
Il condensatore
Un condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare quantità consistenti di carica elettrica. Generalmente è formato da due conduttori (che vengono chiamati armature) con cariche di uguale intensità ma di segno opposto, separati uno dall'altro da un isolante.
Un tipo molto semplice di condensatore è il condensatore piano, costituito da due lamine metalliche poste a piccola distanza tra loro e separate da un isolante (anche l'aria secca è un buon isolante). Caricando una delle due lamine con una carica positiva +Q e ponendo l'altra a terra, quest'ultima verrà caricata per induzione con una carica Q. Tra le due lamine si formerà quindi una differenza di potenziale
V, che dipenderà dall'intensità della
carica: se si raddoppia la carica, raddoppierà il lavoro che occorre compiere
per portare una carica da una armatura all'altra, quindi raddoppierà la
differenza di potenziale tra le due armature; se si triplica la carica, si
triplica anche la differenza di potenziale.
Il rapporto tra la carica del condensatore e la differenza di potenziale tra le due armature resta però costante. Tale rapporto rappresenta la capacità elettrica del condensatore ed è definito da
L'unità di misura della capacità è il farad (F), definito come la capacità di un condensatore che presenti una differenza di potenziale di 1 volt quando su di esso è posta una carica di 1 coulomb:
Il farad è un'unità piuttosto elevata e i condensatori hanno capacità dell'ordine del microfarad (1 F = 10-6 F) o del picofarad (1 pF = 10-12 F).
Nel caso del condensatore piano si può dimostrare che la capacità vale:
dove è la costante dielettrica del mezzo isolante interposto tra le due armature, S la superficie delle armature e d la loro distanza. La capacità di un condensatore piano è quindi indipendente dalla sua carica, ma dipende soltanto dalle dimensioni delle armature e dalla distanza interposta tra esse (e dal tipo di materiale isolante, naturalmente). Avvicinando le due armature, o aumentando la loro superficie, si ottiene una capacità maggiore, quindi una maggiore efficienza di accumulo di carica elettrica.
Un tipo di condensatore molto usato è formato da due sottili strisce di materiale conduttore (per esempio, stagno o alluminio) tra le quali viene interposta una striscia di materiale isolante (carta paraffinata o plastica). Questo condensatore è detto cilindrico ed è largamente impiegato nei circuiti elettrici perché raggiunge capacità molto elevate e occupa poco spazio.