In questa seconda puntata del corso di elettronica base, dedicata ai bambini, scopriremo il funzionamento di uno dei più importanti componenti elettronici: il condensatore. Esso sarà studiato con la funzionalità di serbatoio di energia e i test e gli esperimenti eseguiti approfondiranno proprio tale aspetto. Per poter osservare gli effetti di tale componente, sarà utilizzato il condensatore elettrolitico. E’ opportuno procurare il componente presso qualche officina di ricambi elettronici, in quanto un esemplare di alto valore capacitivo potrebbe avere un costo relativamente elevato.

Il condensatore

Nella scorsa puntata avevamo scoperto la funzionalità di alcuni componenti elettronici usati universalmente. Il resistore serve per limitare il passaggio della corrente elettrica ed elettronica mentre il diodo Led funziona come una lampadina e si illumina quando una corrente (anche di entità molto bassa) scorre tra i suoi terminali. Essa deve essere montata seguendo la corretta polarità e non può essere capovolta. In questo articolo scopriamo, invece, le funzionalità del condensatore. Si tratta di un componente molto particolare e interessante e che può avere tante applicazioni pratiche, benché la sua struttura elettrica sia sempre la stessa. A seconda in quale contesto esso è usato, esso esplica diverse funzionalità. Nei nostri esempi useremo un condensatore elettrolitico come recipiente e contenitore di energia elettrica. Il condensatore è un componente cilindrico dotato di due terminali e molto usato in elettronica. Il suo collegamento deve rispettare il corretto verso, ossia la giusta polarità. Nel lungo periodo, infatti, l’inversione del collegamento potrebbe causare la sua distruzione. Internamente i due terminali del condensatore sono elettricamente scollegati. In altre parole non vi è continuità elettrica come, invece, avviene per la resistenza o la lampadina. Eseguiamo adesso un semplice esperimento che ci consente, appunto, di riempire di energia questo potente contenitore. Gli occorrenti necessari al test sono i seguenti:

• una pila piatta da 4.5 V;
• un condensatore elettrolitico da almeno 10000 uF (microfarad);
• un tester.

Si seguano, adesso, le varie fasi mostrate in figura 1, considerando sempre che la corrente elettrica è molto simile all’acqua e che il condensatore è molto simile a un recipiente:

1. inizialmente il condensatore elettrolitico è vuoto (come il recipiente di plastica). La misura della tensione ai suoi capi, tramite un tester settato su DC, restituisce un valore pari a 0 V. Esso potrebbe anche visualizzare minimi valori di tensione (per esempio 0.2 V) poiché nel componente potrebbe esserci ancora dell’energia residua, proprio come le goccioline d’acqua che rimangono ancora all’interno del recipiente;
2. si carichi il condensatore alimentandolo con una tensione di 4.5 V, come mostrato in figura. Si rispettino le polarità, il polo positivo della pila deve essere collegato al polo positivo del condensatore, così come quello negativo. Questa fase equivale a riempire il secchio tramite un rubinetto dell’acqua. Più è grande il contenitore e più tempo occorre per riempirsi. Manteniamo questo stato di carica per circa 5-10 secondi (in realtà il condensatore si carica quasi istantaneamente, ma per sicurezza allunghiamo i tempi). Per fortuna, con il condensatore non esiste la fuoriuscita di elettroni, quando esso è pieno non accetta più corrente. Si potrebbe anche utilizzare una tensione diversa come, ad esempio, di 9 V o di 12 V, in dipendenza delle pile e delle batterie che si hanno in casa;
3. trascorsi questi pochi istanti, il condensatore si carica alla tensione della batteria ed esso risulta pieno, proprio come il contenitore d’acqua. Per verificarlo usiamo lo stesso tester di prima e misuriamo la tensione ai capi del componente, rispettando sempre la corretta polarità. Il tester mostra, adesso, la tensione di 4.5 V circa. Il condensatore resta carico e tale tensione potrebbe anche rimanere per molte ore o per molti giorni, secondo la qualità del componente.

Figura 1: le fasi della carica di un condensatore

Naturalmente, il condensatore comincerà a scaricarsi molto lentamente e inesorabilmente in maniera autonoma e naturale. Questo fatto è causato dalle correnti di perdita, assolutamente normali in tutti i componenti elettronici.

Accendere un diodo Led senza pile

Come abbiamo capito, dunque, i condensatori elettrolitici sono simili alle pile, ma purtroppo la carica dell’energia è molto minore e il loro utilizzo non può essere esteso per periodi di tempo estremamente lunghi. Il valore che esprime la quantità di energia immagazzinabile in un condensatore è determinato dalla sua “capacità”. Più essa è grande e più energia è possibile inserire all’interno del componente. Vediamo, adesso, come sia possibile accendere un diodo Led usando un condensatore elettrolitico al posto della pila. Ovviamente il condensatore elettrolitico deve essere carico mediante la procedura seguita in precedenza. Si segua lo schema elettrico e di cablaggio proposto in figura 2. Per eseguire l’esperimento occorre procurare i seguenti componenti:

• 1 pila di 4.5 V;
• 1 condensatore da 47000 microfarad o più;
• 1 resistenza da 330 ohm;
• 1 diodo Led rosso.

Si carichi il condensatore elettrolitico con la pila, come si è fatto in precedenza, e si colleghi poi il diodo Led e il resistore come è riportato sullo schema elettrico. Non si uniscano elettricamente i due terminali del condensatore carico, potrebbe scoccare una piccola scintilla. Immediatamente il diodo Led si illumina grazie all’azione del condensatore elettrolitico che fornisce la corrente fino al suo completo scaricamento. L’illuminazione dura, purtroppo, solo pochi secondi poiché il condensatore non ha abbastanza spazio per accumulare ulteriore energia. Il mercato mette a disposizione condensatori molto più capienti, ma il loro costo è molto elevato (supercondensatori). Il grafico posto sotto lo schema mostra l’andamento della corrente che scorre nel circuito, nel tempo. La luminosità del diodo Led va a diminuire progressivamente e, per questo motivo, è meglio eseguire l’esperimento al buio.

Figura 2: il diodo Led è alimentato da un condensatore elettrolitico per pochi secondi

Conclusioni

Nell’elettronica il condensatore viene usato per tanti scopi diversi e non solo per accumulare energia. Un altro utilizzo di tale componente prevede la possibilità di far passare solamente la corrente alternata e bloccare la corrente continua. Quello visto in questo esperimento è, sicuramente, l’effetto più interessante di questo potente componente elettronico. Per incrementare ulteriormente il tempo di illuminazione del circuito è possibile aumentare la capacità del condensatore, con ovvi aumenti di costi, oppure si può aumentare il valore del resistore ma in questo caso diminuisce la luminosità, oppure ancora si può caricare il condensatore con una tensione maggiore. E’ opportuno avvicinarsi all’elettronica in modo graduale, senza fretta e, possibilmente, affiancati da una persona adulta. Tutti gli esperimenti devono essere effettuati utilizzando sempre le pile a bassa tensione (4.5 V).

Corso di elettronica pratica per bambini (prima puntata)

Leggi l’articolo originale qui.