Cartesio

La didattica con le calcolatrici

Fisica

Unità didattiche

Polarizzazione dei condensatori

di Luigi Barberini

1. Blocco Tematico
L'energia

2. Modulo
Energia - Elettricità - Polarizzazione

3. Obiettivi cognitivi
Caratterizzazione del concetto di energia nelle interazioni elettriche.
Caratterizzazione elettrica del componente "Condensatore" come accumulatore di energia. Scambi energetici (Batteria - condensatore).
Uso dei grafici di polarizzazione I-V, per la caratterizzazione dei circuiti con condensatori. Problemi generali dell'acquisizione dati.

4. Prerequisiti
Teoria elementare dei circuiti elettrici.
Il campo elettrico nella materia; la capacità elettrica.
Il lavoro e l'energia.

5. Attività
L'esperimento va proposto dopo una attività sperimentale consolidata con i circuiti puramente ohmici.
Effettuare una lezione frontale con l'esecuzione "on line" dell'esperienza. Realizzare a questo scopo un circuito secondo lo schema di figura:

Figura 1. Schema circuitale dell'esperimento.

Componenti:
R1= potenziometro 0-100 K
C= condensatore elettrolitico 470 pF 50 V
I1,I2= interruttori
Vbatt= 9V [Batteria]

Carica del condensatore = I1 aperto, I2 chiuso
Scarica del condensatore = I2 aperto, I1 chiuso

6. Strategia di conduzione dell'esperienza
Fase 1.
Preparare l'acquisizione dati.
Dal menù dei programmi, <prgm>, selezionare <physics> e premere il tasto ; apparirà sullo schermo della TI83P:

Accedere al menù principale del programma per selezionare le sonde che verranno utilizzate in questa sessione di acquisizione dei dati;

Si seleziona una sonda:

del tipo "Voltage" standard.

Dopo aver indicate la locazione delle sonde (occupare i canali sempre in ordine crescente) passare al "Data Collection" menù per organizzare una acquisizione tipo "Time Graph":

Un set di valore iniziali di campionamento potrebbe essere quello rappresentato in figura:

Fissare un valore di resistenza piccolo, in modo da consentire una carica del condensatore in circa 5-6 secondi. Acquisire i dati, la tensione ai capi del condensatore in funzione del tempo e poi la tensione ai capi della potenziometro, in modalità Live-display. Discutere dell'andamento delle curve. A meno del valore costante della resistenza impostata con il potenziometro, la misura della tensione ai capi di quest'ultimo esprime l'andamento della corrente nel circuito. Discutere l'andamento di tali curve.

Fase 2.
La presenza del potenziometro permette di variare "on line" il tempo di carica e scarica del condensatore e di vedere sempre "on line" l'effetto di tali cambiamenti sulle curve.
L'Energia immagazzinata dal condensatore equivale a:
Ec= 1/2 C
Questa energia può essere rilasciata in diverse fasi con un controllo sulla potenza legato al valore della resistenza del potenziometro, ed anche nella fase di carica l'energia può essere accumulata opportunamente; trattandosi di un accumulatore una carica rapida lo rende operativo molto velocemente.
L'idea è dunque quella di mostrare una curva a diverse pendenze. Il circuito prevede, oltre ad un potenziometro due interruttori per avviare a piacimento la carica e la scarica del condensatore. Il condensatore utilizzato è un elettrolitico da 50 V e 470 microFarad. Il programma usato è sempre Physics per TI83.
Le impostazioni in "Collect Data" potrebbero essere:

mentre la curva acquisita è:

Nella prima parte della curva, dopo alcuni secondi passati a tensione zero, viene avviata la carica del condensatore che grazie al valore molto piccola della resistenza di carico si porta velocemente alla tensione massima di batteria, Vmax= 9 V, dove rimane per circa 6 secondi; dopo questo tempo viene avviata una scarica veloce, che porta la tensione del componente dal valore massimo al 15% in 2,5 secondi, e poi, agendo sul potenziometro sempre in fase di scarica, si opera il rilascio di un altro 5% di energia in un tempo di circa 13 secondi a questo punto si esegue una ricarica abbastanza rapida ridiminuendo il valore della resistenza, in questo modo si sfrutta il restante tempo di acquisizione per monitorare una ricarica fino al valore del 40% circa.

7. Spunti di discussione sull'argomento
1. Come viene immagazzinata l'energia in un condensatore?
2. Perché le curve di polarizzazione hanno la forma esponenziale?
3. Quali sono i parametri che determinano le prestazioni di un condensatore in un circuito?
4. Quali sono i parametri fisici da cui dipende in generale la capacità di un condensatore?
Eventualmente passare a risolvere i problemi 1 e 2
5. Alcuni dei veicoli elettrici attualmente in studio (ENEA) montano, per l'alimentazione nelle fasi di accelerazione e decelerazione dei condensatori tipo quelli riportati nella tabella seguente:

Nome	Materiale elettrodico	Elettrolita	Capacità (F)	Ws (W/Kg)	Es (Wh/Kg)
FY	carbone		2.2	-	0.33
FE	carbone		1.5	-	0.01
Panasonic	carbone	organico	600	400	2.2
Evans	carbone		.5	-	0.2
DOE lab	carbone aerogel	KOH	24	>1000	4-10
Selko Instruments	polimero	organico	2.5	-	1.9
Giner. Inc.	carbone/ruoxides	polimeri solidi	4	-	1.4
Pinnacle Institute	miscela di ossido	acido solforico	.01	>10000	5

Figura2. Tabella supercondensatori.

Questi condensatori svolgono proprio la funzione di accumulatori energetici, lavorano a bassa tensione ma hanno capacità che sono valutabili nell'ordine di Farad!
Perché si studiano, costruiscono e si usano condensatori di così elevata capacità?
6. Quali sono gli accorgimenti costruttivi con cui si riesce a realizzare condensatori con capacità maggiori di un fattore 2 o 3 di quella della terra?

(Le informazioni per rispondere a questi quesiti possono essere trovate su siti dell'ENEA)

8. Verifiche formative

Problema n 1

Considerare il circuito di figura:

C= condensatore elettrolitico 470 pF 50 V
I1,I2= interruttori
Vbatt= Batteria 9V

Determinare il valore della capacità occorrente per accumulare la stessa energia ma da una batteria da 3 Volt.

Problema n 2

Si vuole spostare un corpo di massa m per un percorso di 1 km applicando una forza costante di 1 N. Determinare la capacità che dovrebbe avere un condensatore per accumulare l'energia necessaria per lo spostamento con una tensione di carica di 3 V, ed a 1000 V.
Confrontare i valori trovati delle capacità con il valore della capacità della terra.

© 1997-2004 Cartesio On Line - Tutti i diritti riservati | XHTML 1.0 | CSS/2 | ^ Inizio pagina