Els condensadors són dispositius basats en dues plaques conductores separades per un material aïllant, que es denomina dielèctric. Descrits d'aquesta manera, semblaria que no serveixen per a res, ja que en teoria no poden conduir electricitat (el corrent hauria de travessar el material dielèctric). Res més lluny de la realitat, perquè l'acumulació de càrregues en les plaques conductores fa que els condensadors la condueixin quan canvia la polaritat de la tensió elèctrica –el seu signe– aplicada entre els seus terminals.

En els sistemes en què intervé un corrent altern, els condensadors deixen de ser circuits oberts i esdevenen uns elements de circuit molt interessants que ofereixen una oposició al pas del corrent en funció de la freqüència de la tensió que s'hi aplica.

D'altra banda, les mesures elèctriques dels diferents elements d'un circuit, i també dels diferents paràmetres que el regulen, es regeixen per unes normes concretes. Per fer-les calen uns aparells i uns dispositius concrets que cal conèixer.

Parlar de materials aïllants, és a dir, de substàncies que a temperatures normals no condueixen el corrent elèctric, és el mateix que parlar de materials dielèctrics.

Els materials aïllants o dielèctrics, juntament amb els materials conductors, constitueixen les dues parts que integren els cables elèctrics.

Els materials dielèctrics es tracten matemàticament igual que els materials conductors. En el cas dels aïllants, però, la resistivitat tendeix a l'infinit (∞). D'aquesta manera, es pot parlar d'una resistivitat aproximada com la de l'aigua destil·lada (10 MΩ/m) o com la de la porcellana (10¹¹ MΩ/m).

Totes les subjeccions dels sistemes elèctrics es fan mitjançant aïllants, de manera que aquests elements, com els conductors, també són molt importants.

De la mateixa manera que no hi ha un conductor perfecte, tampoc no hi ha un aïllant perfecte. Una altra forma d'expressar el grau d'aïllament d'un material és la que es coneix com a rigidesa dielèctrica, que es defineix com el nivell de tensió que és capaç de suportar un material aïllant abans que el corrent el travessi per força.

En termes de tensió, la rigidesa dielèctrica és la màxima tensió que pot suportar el material aïllant sense deixar passar les càrregues elèctriques a través seu. Aquesta tensió màxima rep el nom de tensió de trencament. Se simbolitza amb la lletra grega epsilon (ε) i s'expressa en MV/km o en kV/m (ambdós paràmetres són numèricament equivalents).

Un material aïllant, quan assoleix el nivell de rigidesa dielèctrica, es perfora i es destrueix. És a dir, el material es trenca i després es crema a causa de l'alta temperatura que agafa en el punt de la perforació. Saber quina és la tensió màxima que pot destruir i perforar un material aïllant és molt important, ja que permet triar els materials adequats a l'hora de fabricar qualsevol equipament, sia una línia o un aparell elèctric o electrònic. En la taula 3 es poden observar les rigideses dielèctriques d'alguns materials.

Taula 3. Rigidesa dielèctrica d'alguns materials

Un condensador és un component que, a causa de la presència d'un camp elèctric en el seu interior, emmagatzema energia elèctrica quan augmenta la tensió elèctrica entre el seus terminals. Aquesta energia s'allibera quan la tensió disminueix.

Des del punt de vista físic, un condensador consta de dues plaques paral·leles metàl·liques i conductores, separades per un material aïllant que es denomina específicament dielèctric (vegeu la figura 24).

Figura 24. Construcció d'un condensador

D'una banda, hi ha les plaques conductores, que reben el nom d'armadures i, de l'altra, l'espai que hi ha entre les armadures, que s'anomena dielèctric i que, a més de ser aïllant, serveix de suport a les armadures.

Tal com mostra la figura 25, quan es força una tensió en els seus terminals, els electrons del pol negatiu del generador s'acumulen a la placa A. De manera simultània, la placa B cedeix electrons al pol positiu del generador, de manera que aquesta placa queda carregada positivament.

Figura 25. Procés de càrrega d'un condensador

Un cop carregat el condensador, si desconnectem el generador, queda carregat a la mateixa tensió del generador: l'acumulació de càrregues es manté fins que es tornen a equilibrar, sia per mitjà del dielèctric –a causa de pèrdues internes– o per mitjà d'un circuit exterior.

La relació que s'estableix entre la càrrega emmagatzemada per un condensador i la tensió entre els seus borns és una constant de proporcionalitat que s'anomena capacitat (C) i es mesura en farads (F).

Aquí, C és la capacitat del condensador, Q és la càrrega i V és la tensió.

La construcció de cada condensador, evidentment, limitarà la tensió màxima aplicable, un valor per sobre del qual el component es trenca.

La capacitat d'un condensador depèn dels factors següents:

• La superfície de les armadures: com més gran sigui, més gran serà la seva capacitat d'emmagatzemar càrregues.
• La distància de separació entre armadures: com més gran sigui, més petita serà la capacitat del condensador.
• El material dielèctric: la capacitat variarà en funció d'un paràmetre característic de cada material, que rep el nom de permitivitat dielèctrica (ε).

Aquí, ε és la permitivitat dielèctrica expressada en F/m, S és la superfície de les armadures expressada en m² i D és la distància entre les armadures expressada en m.

La taula 4 recull els valors de la permitivitat dielèctrica d'alguns materials.

Taula 4. Permitivitat dielèctrica d'alguns materials

Igual que les resistències, els condensadors també es poden associar en sèrie (vegeu la figura 26).

Figura 26. Condensadors en sèrie

En el cas dels condensadors en sèrie, la càrrega que s'acumula en una placa del condensador C₁ apareix amb el mateix valor, però amb signe contrari a l'altra placa del condensador. Com que aquest terminal està connectat a una placa del C₂, hi apareix la mateixa càrrega que a la de C₁, però canviada de signe, i així successivament.

De tot això es desprèn que tots els condensadors en sèrie emmagatzemen la mateixa quantitat de càrrega elèctrica:

Per a cada condensador tenim el següent:

De la figura 26 es dedueix a simple vista que la tensió de tot el conjunt és la suma de les tensions dels tres condensadors:

Si aïlleu les tensions, es pot escriure el següent:

D'aquí s'obté el condensador equivalent de l'associació sèrie:

El circuit equivalent és el que apareix en la figura 27.

Figura 27. Circuit equivalent

En general, per a n condensadors connectats en sèrie, tenim el següent:

Tal com passa amb les resistències, els condensadors també es poden associar en paral·lel (vegeu la figura 28).

Figura 28. Condensadors en paral·lel

La tensió elèctrica és la mateixa per a tots els condensadors:

Cadascun dels condensadors emmagatzema una càrrega elèctrica pròpia:

Atesa la distribució dels condensadors, es veu clarament que la càrrega total emmagatzemada en el sistema és la suma de les càrregues emmagatzemades per cada condensador. Així, tenim el següent:

D'aquí, es desprèn el següent:

I s'obté el condensador equivalent de l'associació paral·lel:

El circuit equivalent és el que apareix en la figura 29.

Figura 29. Circuit equivalent

En general, per a n condensadors connectats en paral·lel tenim el següent:

Per observar el fenomen de càrrega d'un condensador es partirà del circuit de la figura 30. Es pot veure que el circuit està format per una pila o generador de corrent continu, un commutador, una bombeta elèctrica (resistència) i el condensador. Tot plegat està connectat en sèrie en activar el commutador i posar-lo en posició 1.

Figura 30. Circuit de càrrega d'un condensador

La figura 31 mostra les corbes de l'evolució temporal del corrent i de la tensió en els borns del condensador en el circuit de la figura 30.

Figura 31. Corba de càrrega d'un condensador

En els gràfics es pot observar que mentre que la tensió augmenta, la intensitat disminueix. També es pot veure que en tot moment la tensió en els borns de la bombeta més la tensió en el condensador és igual a la tensió del generador.

Quan el condensador arriba a la seva màxima tensió en el circuit (que és la tensió del generador) s'ha completat el cicle de càrrega del condensador i la intensitat cau fins a zero.

Per observar el fenomen de descàrrega, en el circuit de la figura 30 s'ha de passar el commutador a la posició 2, de manera que el circuit queda com el de la figura 32. El condensador es descarregarà sobre la resistència de la bombeta i s'il·luminarà.

Figura 32. Circuit de descàrrega d'un condensador

En el primer moment la intensitat és gran, ja que el condensador té la màxima càrrega i la màxima tensió (la tensió del generador). A mesura que el condensador es descarrega, la tensió i la intensitat disminueixen. Transcorregut un cert temps, les càrregues del condensador s'han descarregat sobre la resistència de la bombeta. La figura 33 mostra la corba de l'evolució temporal del corrent i de la tensió en borns del condensador en el cas del circuit representat en la figura 32.

Figura 33. Corba de descàrrega d'un condensador

El temps que el condensador tarda a carregar-se o a descarregar-se a través d'una resistència coneguda de valor R ve donat pel que s'anomena constant de temps de càrrega i descàrrega del condensador.

La constant de temps de càrrega i descàrrega d'un condensador té aquesta expressió matemàtica:

La figura 34 mostra com un cop transcorreguda una constant de temps, el condensador s'ha carregat en un 63,1% del total. La corba no és lineal.

Figura 34. Corba de càrrega i constant de temps

Es considera que, a la pràctica, el temps que tarda a carregar-se un condensador fins al seu valor màxim és de cinc constants de temps, de manera que es podria escriure aquesta fórmula:

Pel que fa al temps de descàrrega, es fa servir la mateixa τ.

Per mesurar la resistència cal utilitzar un aparell anomenat òhmmetre. Cal connectar el component a mesurar a l'aparell, tal com s'indica en la figura 35. L'òhmmetre porta la seva pròpia font d'alimentació (normalment una pila) i el component a mesurar no pot tenir tensió (ha d'estar desconnectat del circuit).

Multímetre analògic

Figura 35. Mesura de la resistència

Hi ha molts tipus d'aparells que serveixen per mesurar la resistència. Els més utilitzats són els que incorporen els polímetres, com ara el multímetre. Altres dispositius que també s'utilitzen per mesurar resistències són el megaòhmmetre, que serveix per mesurar aïllaments, o el tel·luròmetre (figura 36), que serveix per mesurar preses de terra.

Megaòhmmetre

Figura 36. Tel·luròmetre

En funció de les necessitats de cada mesurador, les connexions es fan d'una manera o d'una altra. En general, però, a l'hora de mesurar resistències en determinades condicions, es fan servir alguns muntatges específics, com ara el pont de Wheatstone (vegeu la figura 37) o la mesura amb quatre fils (vegeu la figura 38).

Figura 37. Pont de Wheatstone

Figura 38. Mesura amb quatre fils

Multímetre digital

Una utilitat molt important dels multímetres és la mesura de continuïtat. Aquesta utilitat consisteix en el fet que si el polímetre detecta un curtcircuit entre els seus terminals, emet un so d'alerta. Serveix per fer qualsevol de les tasques següents:

• Comprovació de continuïtat de conductors: molt útil per comprovar la integritat de cables, conductors rígids i pistes de circuits.
• Comprovació de díodes: el multímetre emetrà el so només quan es connecti el díode en el sentit adequat (s'ha de recordar que un díode només condueix el corrent en un sentit).
• Cerca d'avaries en sistemes i circuits: es pot localitzar qualsevol avaria que estigui associada a un curtcircuit que no hi ha de ser.

Les mesures de tensió i de corrent sempre es fan amb el circuit en funcionament (alimentat i connectat). Per fer mesures de tensió, es fa servir un aparell anomenat voltímetre, els terminals del qual s'han de connectar als punts entre els quals es vol mesurar la tensió, tal com es mostra en la figura 39, en què el voltímetre s'indica amb el símbol que hi correspon, V.

Figura 39. Mesura de tensió en borns d'una pila

Per mesurar la intensitat del corrent es fa servir un aparell anomenat amperímetre, els terminals del qual s'han de connectar “intercalats” en el punt en què es vol mesurar la intensitat (el corrent ha de passar físicament per l'amperímetre), tal com es mostra en la figura 40, en què l'amperímetre s'indica amb el símbol que hi correspon, A.

Figura 40. Mesura de corrent

Els paràmetres relacionats amb els condensadors i les capacitats elèctriques es mesuren amb un aparell anomenat capacímetre. Els més senzills només mesuren la capacitat, però n'hi ha que mesuren altres paràmetres del condensador.

Figura 41. Capacímetre d'alta precisió

Molts multímetres digitals incorporen un mesurador de condensadors i permeten mesurar-ne la capacitat. Els capacímetres més complets (vegeu la figura 41) poden mesurar altres paràmetres d'efectes que no s'haurien de produir, com ara els següents:

• Fugues (pèrdues)
• Resistència del dielèctric
• Component inductiu