Farad
Nel 1746 a Leida Pieter van Musschenbroek versò dell’acqua in un vaso di vetro e vi immerse un filo. Il filo fu caricato con una macchina elettrostatica. Un assistente teneva il vaso in mano e toccò il filo con l’altra mano. La scossa fu così forte che Musschenbroek scrisse a un collega che non avrebbe ripetuto l’esperimento per nulla al mondo.
Il vaso si rivelò il primo condensatore: l’acqua dentro e la mano fuori erano le due armature, e il vetro in mezzo l’isolante. Quanta carica tengono le armature a una data tensione lo indica la capacità. Un farad è la capacità a cui una tensione di 1 V conferisce una carica di 1 C. È moltissimo: l’intera Terra, come sfera, ha una capacità di circa 710 µF.
| Notazione | F |
| Definizione | coulomb al volt · C/V · kg⁻¹·m⁻²·s⁴·A² |
| Valori di riferimento | ε₀ — 8,854 187 8·10⁻¹² F/m · sfera di raggio 1 m — 111 pF · la Terra come sfera — circa 710 µF |
| Introdotta | 1881, Congresso internazionale degli elettricisti a Parigi · nel SI dal 1960 |
| Norme | ISO 80000-6 · IEC 60384 · IEC 60062 · SI Brochure 9th ed. |
| Valori tipici | 10 pF — sonda dell’oscilloscopio · 100 nF — accanto ai piedini di un chip · 3000 F — supercondensatore |
01 · Definizione
Un coulomb per ogni volt
La capacità C indica quanta carica bisogna mettere su un conduttore perché la sua tensione salga di un volt. Lo si vede più facilmente con due armature. Su una arriva il più, sull’altra il meno, e tra loro nasce un campo. Più le armature sono grandi e vicine, più carica contengono alla stessa tensione.
Un isolante tra le armature aumenta la capacità. Le sue molecole ruotano nel campo e in parte lo annullano. Il vetro aumenta la capacità di circa 7 volte, la ceramica al titanato di bario di mille volte e più. L’energia immagazzinata cresce col quadrato della tensione.
Che cosa significa «104» su un condensatore minuscolo
Su un disco ceramico ci stanno tre cifre e una lettera. Le prime due cifre sono l’inizio del numero. La terza dice quanti zeri aggiungere. Tutto insieme dà la capacità in picofarad. La lettera dopo le cifre è la tolleranza. Scegliete le cifre, e sotto comparirà la capacità con i suoi limiti.
Per ottenere 1 F da due armature con 1 mm d’aria tra loro, ciascuna dovrebbe avere un’area di 113 km². Una sfera isolata da 1 F avrebbe un raggio di 9 milioni di km. I supercondensatori aggirano il problema in un altro modo. La loro carica sta sulla superficie di un carbone poroso, e la distanza tra le cariche è di circa un nanometro. Un grammo di questo carbone ha centinaia di metri quadrati di superficie.
Perché scocca una scintilla quando si estrae il vetro da un condensatore
A sinistra un alimentatore ad alta tensione fino a 15 kV carica due armature quadrate da 20 × 20 cm attraverso un resistore da 100 MΩ. L’armatura rossa è il più, quella turchese il meno. Le linee gialle sono il campo tra loro: più sono fitte, più il campo è forte. A destra delle armature una colonnina confronta il campo con la rigidità dell’aria, circa 3 kV/mm. Tra le armature si può inserire un isolante. La lente a destra ne mostra le molecole: l’estremità rossa è il più, quella turchese il meno. L’alimentatore si può scollegare: allora la carica non ha dove andare. Il pulsante «Scarica» cede l’energia a una lampada.
L’alimentatore carica le armature.
02 · Conversione
| Unità | Valore | Dove si incontra |
|---|---|---|
| {n} | {v} | {note} |
«MFD» sui vecchi condensatori significa microfarad, non millifarad. I picofarad si scrivevano «MMFD» — micromicrofarad.
Un supercondensatore da 3000 F a 2,7 V immagazzina circa 11 kJ. È più o meno quanto una pila alcalina AA.
La capacità dell’intera Terra, circa 710 µF, è minore di quella di un solo condensatore di filtro da 1000 µF in un alimentatore.
03 · Ordini di grandezza
04 · Strumenti di misura
05 · Regole di scrittura
06 · Unità vicine
07 · Sezione storica
Nel 1956 Andrew Thompson e Douglas Lampard trovarono un condensatore la cui capacità si può calcolare. Quattro lunghi cilindri stanno agli angoli di un quadrato. La capacità tra le coppie opposte per metro di lunghezza è pari a ε₀·ln 2 / π, circa 1,953 549 pF/m. Questo vale per quasi ogni sezione con simmetria esatta. La lunghezza si misura con un interferometro laser, e la capacità si ricava dalla lunghezza.
Dal 2019 le costanti h ed e sono esatte, e il farad è legato a esse attraverso l’ohm. Un campione di resistenza a effetto Hall quantistico si confronta con un condensatore in un ponte in quadratura a frequenza nota: C = 1 / (2πfR). Così i laboratori nazionali realizzano il farad con un’accuratezza di parti per milione.
Catalogo delle grandezze
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Una goccia d'acido cambia il colore del succo, il sale colora la fiamma, l'acqua gela con un colpo. Sotto, tutte le schede di Simetrium, per disciplina e in ordine alfabetico.
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