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Lastra metallica conduttrice tra due armature

Lastra metallica conduttrice tra due armature di un condensatore

Un condensatore piano a facce parallele è collegato ad un generatore di tensione che eroga una ddp costante di 12 V.

Il condensatore ha una capacità di 100 nF e la distanza tra le armature è di 0,5 cm.

Successivamente viene introdotta parallelamente ed a metà tra le due armature una lastra metallica di spessore 0,3 cm.

Calcolare:

la nuova capacità del condensatore;

il campo elettrico totale nelle parti vuote;

la variazione di carica fornita dal generatore.

Svolgimento

Riportiamo i dati elencati nel problema e schematizziamo con un disegno la situazione proposta:

C = 100 nF = 100 · 10-9 F

V = 12 V

d = 0,5 cm = 0,5 · 10-2 m

h = 0,3 cm = 0,3 · 10-2 m

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Il condensatore inizialmente possiede una capacità di 100 nF; tale capacità dipende dalle sue caratteristiche fisiche secondo la relazione:

C = ε0 · A/d

in cui

L'area delle armature vale pertanto:

A = C · d / ε0

Una volta introdotta la lastra metallica conduttrice tra le due armature, è come se si creassero due nuovi condensatori, la cui area delle armature è sempre la medesima A, ma stavolta la distanza delle armature è data dalla distanza esistente tra le armature originarie e ognuna delle due facce del dielettrico interposto.

Chiamiamo d' tale distanza che vale:

d' = (d - h) /2 = (0,5 - 0,3)/2 = 0,1 cm

Per cui la capacità di ognuno dei due condensatori sarà data da:

C1' = ε0 · A/d'

Sostituiamo ad A la sua espressione ricavata precedentemente:

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Ora i due nuovi condensatori creatisi possiedono la stessa capacità in quanto possiedono la stessa superficie delle armature e la medesima distanza tra di esse:

C1' = C2' = C · d /d'

Una volta interposta la lastra di dielettrico, risultano collegati in serie e sappiamo che la capacità equivalente di un sistema di due condensatori posti in serie è pari a:

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Per calcolare il campo elettrico presente nelle due parti vuote ricorriamo all'espressione in funzione della tensione e della distanza tra le armature come:

E = V/d

dove V è la differenza di potenziale fra le armature e d la distanza vuota fra le armature stesse.

Dunque il campo elettrico totale che si viene a creare nei due nuovi condensatori è pari a:

E = V / (d - h) = 12 / [(0,5 - 0,3) · 10-2] = 6000 V/m

Calcoliamo infine la variazione di carica esistente sul condensatore.

Inizialmente la carica valeva:

Q0 = C · V

mentre quella finale dopo la posizione della lastra:

Q1 = C' · V

Dunque la variazione di carica è pari a:

ΔQ = Q1 - Q0 = C' · V - C · V = V · (C' - C)

Sostitundo i dati in nostro possesso, si ha che:

ΔQ = 12 · (250 - 100) · 10-9 = 1800 · 10-9 C = 1,8 · 10-6 C

Ricapitolando:

La capacità del condensatore una volta posta la lastra di dielettrico vale 250 nF, il campo elettrico esistente nelle parti vuote è 6000 V/m e la variazione di carica fornita dal generatore è pari a 1,8·10-6 C.

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Collegamento di due o più condensatori in parallelo

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