Il condensatore come accumulatore di energia

Programmi: AP2, A-level, Tle, Sek I/II

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Obiettivo

Verificare che un condensatore carico immagazzini energia e possa alimentare una lampadina.

Il montaggio

Un generatore da 6 V, un interruttore (chiuso), un resistore da 10 Ω e un condensatore da 0,47 F in serie (una capacità come questa è un supercondensatore: un insieme di celle a bassa resistenza interna, con tensione nominale di 6 V o più); in parallelo al condensatore — una lampadina da 6 V / 0,5 W e un voltmetro. All'apertura dell'esperimento il condensatore è scarico e comincia a caricarsi.

Procedimento

1. Attendere circa 20 s, finché la lettura del voltmetro smette di salire, e annotarla.
2. Aprire l'interruttore e osservare la lampadina e il voltmetro.
3. Calcolare l'energia immagazzinata \(W = C \cdot U^2 / 2\) dalla tensione del punto 1.

Risultato atteso

Dopo l'apertura dell'esperimento la lampadina si fa più luminosa man mano che il condensatore si carica; dopo 15–20 s la tensione ai suoi capi si stabilizza a circa 5,2 V — una parte della tensione cade sul resistore da 10 Ω. Dopo l'apertura dell'interruttore la lampadina non si spegne subito, ma si affievolisce gradualmente in circa mezzo minuto: è alimentata dal condensatore, e la tensione ai suoi capi diminuisce. L'energia immagazzinata è di circa 0,47 · 5,2² / 2 ≈ 6,3 J.

Domande

1. Da dove viene l'energia quando l'interruttore è aperto?
2. Come cambierà il tempo per cui la lampadina resta accesa se si usa un condensatore di capacità doppia?

Risposte

1. Dal campo elettrico del condensatore carico. Mentre l'interruttore era chiuso, il generatore vi ha immagazzinato circa 6,3 J; dopo l'apertura dell'interruttore il condensatore si scarica attraverso la lampadina, e la sua tensione diminuisce man mano che questa energia si trasforma in calore e luce nel filamento.
2. La lampadina resta accesa il doppio del tempo, circa un minuto. Alla stessa tensione di 5,2 V il condensatore immagazzina il doppio dell'energia, circa 12,7 J, e la lampadina assorbe la stessa corrente a ogni tensione, quindi la tensione scende due volte più lentamente; anche la carica del punto 1 richiede il doppio del tempo.