miniatura|Condensadors per a muntatge superficial (SMD), els dotze de l'esquerra, comparats amb dos condensadors tradicionals relativament petits Un condensador és un dispositiu que emmagatzema energia en el camp elèctric que s'estableix entre un parell de conductors els quals estan carregats però amb càrregues elèctriques oposades. Històricament els condensadors han adoptat la forma d'un parell d'armadures de metall, ja siguin planes o enrotllades en un cilindre, però de totes maneres entre qualsevol parell de conductors en qualsevol disposició sempre es dona el fenomen de la capacitància.
Història miniatura|Imatge de quatre ampolles de Leiden L'octubre del 1745, Ewald Georg von Kleist de Pomerània (Alemanya) va inventar el primer condensador. Consistia en una ampolla amb aigua amb un conductor dins i sortint per la boca mentre l'altre era sostingut manualment sobre el vidre que feia d'aïllant.
Un any més tard el físic neerlandès Pieter van Musschenbroek va inventar a la universitat de Leiden a un giny similar mentre intentava electritzar l'aigua continguda dins d'una ampolla, amb un revestiment metàl·lic interior que era un dels elèctrodes i un d'exterior separat de l'anterior pel vidre. L'invent seria conegut com l'ampolla de Leiden. Més tard Daniel Gralath combinaria diverses ampolles per tal d'augmentar la càrrega emmagatzemada.
Benjamin Franklin va investigar amb ampolles de Leiden i va poder demostrar que la càrrega era emmagatzemada en el vidre i no a l'aigua com s'havia pensat fins llavors. La primera unitat de capacitància va ser el jar que equivalia aproximadament a un nanofarad actual.
El terme condensador va ser encunyat per Alessandro Volta el 1782 (condensatore en italià) i fa referència a la qualitat d'aquests ginys d'emmagatzemar una densitat de càrrega elèctrica molt més gran que un conductor normal.
Descripció miniatura|Diagrama d'un condensador d'armadures paral·leles. Un condensador és format per dos elèctrodes, o armadures, separades per un dielèctric que evita que les càrregues elèctriques passin d'un elèctrode a l'altre. Les càrregues poden arribar a les armadures per altres camins, per exemple procedents d'una bateria, però si es treu la bateria les càrregues continuaran a les armadures. D'acord amb la llei de Coulomb les càrregues separades pel dielèctric s'atreuen entre si i es crea un camp elèctric entre les armadures. El condensador més simple consisteix en dues armadures amples separades per una capa prima de material dielèctric.
Si assumim que l'àrea de les armadures és molt més gran que la seva separació , llavors el camp elèctric instantani entre les armadures és idèntic a qualsevol punt entre les dues superfícies. Si la càrrega instantània es reparteix regularment, tenim
,
on és la permitivitat del dielèctric.
El voltatge entre les armadures vindrà donat per
,
on és un punt entre les armadures.
La capacitància d'un condensador d'armadures, i conseqüentment, la quantitat d'energia que pot emmagatzemar el condensador, és proporcional a la superfície de les armadures i inversament proporcional a la distància entre aquestes. També és proporcional a la permitivitat del material dielèctric (és a dir, no conductor) que separa les armadures, ja siga el buit, aire o altres materials triats específicament per la seua elevada permitivitat elèctrica.
Per a un cert nombre d'elèctrodes o armadures idealitzats és possible determinar amb exactitud la seva capacitat i la força del camp elèctric. A la taula següent la capacitat se simbolitza com a C i la força del camp elèctric a l'interior del condensador com a E.
Tipus Capacitat Camp elèctricRepresentació esquemàticaCondensador pla |150x100pxCondensador cilíndric |150x100pxCondensador esfèric |150x100pxEsfera
Capacitància La capacitància, , és una mesura de la quantitat de càrrega elèctrica emmagatzemada a cadascuna de les armadures per a un voltatge donat
,
on
per a un condensador ideal d'armadures
on C és la capacitància en farads, F ε és la permitivitat del dielèctric utilitzat A és l'àrea de cada placa, mesurada en metres quadrats d és la separació entre les armadures, mesurada en metres
En unitats del Sistema Internacional, la capacitància es mesura en farads, un condensador tindrà una capacitància d'un farad quan un coulomb de càrrega produeixi una diferència de potencial d'un volt entre les armadures. Com que el farad és una unitat molt gran, el valor d'un condensador s'expressa sovint en microfards (μF), nanofarads (nF), o picofarads (pF). En general, la capacitància serà més gran si les armadures són molt grans i la distància que les separa és molt petita. La qualitat del dielèctric que hi ha entre les armadures és determinant per a la capacitància del condensador atès que les seves molècules queden polaritzades de manera que es redueix el camp elèctric intern i, per tant, el voltatge.
Emmagatzemament d'energia El moviment de càrregues entre les armadures d'un condensador a causa d'una influència externa genera un treball. Quan la influència externa desapareix la separació de les càrregues persisteix, de manera que hi haurà una energia emmagatzemada al camp elèctric creat per la presència de les càrregues. Si és possible que les càrregues tornin a la seva posició d'equilibri es podrà alliberar l'energia emmagatzemada.. El treball necessari per establir el camp elèctric, i la quantitat d'energia emmagatzemada, vindrà donada per:
La quantitat màxima d'energia que es podrà emmagatzemar en un condensador vindrà donada pel límit del voltatge de ruptura del dielèctric. En conseqüència, tots els condensadors fets amb un determinat dielèctric tindran la possibilitat d'emmagatzemar aproximadament la mateixa densitat de càrrega (la mateixa densitat d'energia) si el dielèctric és la part dominat del seu volum. Com més volum tingui el dielèctric més càrrega es podrà emmagatzemar a les armadures del condensador.
Envelliment La capacitància d'alguns tipus de condensador disminueix a mesura que el material dielèctric envelleix. Els factors que més significatius que determinen l'envelliment són el tipus de dielèctric i les temperatures de treball i d'emmagatzemament, mentre que la tensió de treball té un efecte molt petit. L'envelliment és reversible per mitjà de l'escalfament del component per sobre de la temperatura de Curie. En el cas dels condensadors ceràmics l'envelliment és més ràpid al principi de la vida del component i després s'estabilitza; en els condensadors electrolítics, en canvi, el procés es produeix al final de la vida del component en evaporar-se l'electròlit.
Funcionament als circuits elèctrics Quan es connecta un condensador a una font de corrent, es transfereix una quantitat de càrrega a les seves armadures segons una ràtio definida per: . Com que el voltatge entre les armadures és proporcional a la càrrega, tenim que:
.
I a la inversa, si tenim un condensador connectat a una font de voltatge, el corrent de desplaçament vindrà donat per:
.
Per exemple, si connectem un condensador de 1000 µF a una font de voltatge i incrementem el voltatge segons una ràtio de 2,5 volts per segon, el corrent que passarà a través del condensador serà:
.
En un circuit de corrent continu (CC o, en anglès, direct-current, DC), un condensador actua com un circuit obert: no el travessa cap corrent, encara que la diferència de potencial inicialment aplicat entre els seus extrems pot servir com una font d'energia per al circuit (tot i que minvant de manera exponencial). En corrent altern (CA o, en anglès, alternating-current, AC), un condensador emmagatzema i allibera energia cíclicament al doble de la freqüència fonamental.
Condesadors amb corrent continu miniatura|Un circuit simple amb una resistència i un condensador que il·lustra la càrrega d'aquest
Un circuit que continguin tan sols una resistència, un condensador i una font de voltatge que proporcioni un corrent continu constant posats en sèrie, és conegut com a circuit de càrrega. A partir de la llei de Kirchhoff del voltatge tenim que:
,
on i són, respectivament, els voltatges als extrems de la resistència i del condensador. Si reduïm l'expressió a una equació diferencial de primer ordre, tenim:
Assumint que el condensador no està carregat inicialment, no presenta cap camp elèctric intern, i que el corrent inicial és . Amb aquestes condicions inicials podem resoldre l'equació diferencial com:
.
La caiguda de tensió entre els extrems del condensador és:
.
En conseqüència, a mesura que la càrrega s'incrementa a les armadures del condensador també s'incrementa el voltatge i ho fa fins que assoleix un estat estacionari que correspon al valor de i el corrent cau a zero. Tant el corrent com la diferència de potencial entre el condensador i la font cauen exponencialment respecte del temps. La constant de temps de la caiguda vindrà donada per .
Condesadors amb corrent altern La impedància, el vector resultant de sumar la reactància amb la resistència, descriu la diferència de fase i la relació d'amplituds entre un voltatge sinusoidal i variable i un corrent també sinusoidal i variable a una freqüència donada. L'anàlisi de Fourier (vegeu transformada de Fourier i sèries de Fourier) permet construir qualsevol senyal a partir d'un espectre de freqüències, d'aquí que sigui possible calcular la reacció dels circuits a diferents freqüències.
La reactància i la impedància d'un condensador són respectivament:
on j és la unitat imaginària i ω la velocitat angular del senyal sinusoidal. - j indica que la fase del voltatge altern V = Z I presenta un decalatge de 90° respecte de la fase del corrent altern: la fase de corrent positiu es correspon amb l'increment del voltatge quan el condensador es carrega.
La impedància disminueix a mesura que s'incrementa la capacitància i la freqüència, això implica amb senyals d'alta freqüència o amb condensadors de gran capacitat tindrem com a resultat una petita amplitud de voltatge amb relació a l'amplitud del corrent, és a dir, tendeix a comportar-se com un curtcircuit (impedància nul·la) o un acoblament capacitiu. De manera contrària, a baixes freqüències, la reactància serà alta, per tant el condensador es comportarà de manera propera a un circuit obert (impedància infinita), el condensador haurà filtrat les freqüències.
Condensadors en paral·lel miniatura|Circuit amb condensadors en paral·lel. Quan es posen dos o més condensadors en paral·lel, tots seran sotmesos al mateix voltatge mentre que el corrent total serà la suma del corrent que passa a través de cadascun dels condensadors del circuit. Això comporta que la càrrega elèctrica emmagatzemada pel conjunt del circuit serà equivalent a la suma de la càrrega emmagatzemada a cadascun dels condensadors que el componen:
D'aquí que la capacitat total equivalent sigui:
El condensador equivalent als n condensadors que tenim al circuit en paral·lel tindrà una capacitat igual a la suma de les capacitats individuals dels n condensadors.
La tensió màxima que podrà suportar el conjunt del circuit serà la del condensador que presenti un valor més baix de tensió màxima.
Condensadors en sèrie miniatura|Varis condensadors posats en sèrie en un circuit elèctric. Quan es posen dos o més condensadors en sèrie tots seran sotmesos a la mateixa intensitat de corrent i la càrrega elèctrica emmagatzemada per cada element serà idèntica, el que comporta que la diferència de potencial als extrems del circuit sigui igual a la suma de la diferència de potencial a cada condensador:
on
d'on se segueix que el condensador de més capacitat suportarà menys tensió que el més petit del circuit.
o, cosa que és el mateix,
Con es pot observar a la darrera equació, el condensador equivalent a "n" condensadors en sèrie tindrà una capacitat inferior a qualsevol dels elements que componen el circuit.
Tipus de condensadors