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Abstract
Capacitor paradox, two-capacitor problem, two capacitor with radiation, chiamatelo come volete, ma di semplice, questo parallelo, non ha proprio nulla!!!
Premetto che il mio è solo un tentativo di riassumere i lavori di Timothy B. Boykin, Dennis Hite, and Nagendra Singh in [2] e di T.C.Choy in [4].
Per quanto possibile, ho cercato di far uso della stessa simbologia adottata dai suddetti riferimenti, ai quali si rimanda per una trattazione più estesa e completa.
Warning La lettura di questo articolo è severamente controindicata ai soggetti che presentino spiccate reazioni allergiche alla matematica ... e all'elettrotecnica !
Introduzione
Il problema che cercheremo di affrontare in questo articolo è quello del bilancio energetico di un "semplice parallelo" fra due condensatori.
Considerando l'inserzione in parallelo di due condensatori carichi a diverse tensioni, si può verificare che esiste una differenza fra l'energia totale, immagazzinata nel sistema prima della chiusura dell'interruttore e quella finale a regime.
Supponendo per semplicità uguali le due capacità, ed un solo condensatore inizialmente carico con carica Q, l'energia totale iniziale e finale del sistema saranno
con una perdita esattamente pari alla metà dell'energia iniziale del sistema.
Il problema può essere risolto se si considera un modello semplificato comprensivo della resistenza R (e/o dell'induttanza L) della maglia, sempre presenti nella realtà, ma ci si può chiedere se il risultato ottenuto sia accettabile anche per R tendente a zero.
Modello
Considereremo come modello iniziale per lo studio dell'evoluzione del sistema, un circuito a parametri concentrati che comprenda i due condensatori ed una resistenza R in serie.
Dimostreremo che, se accettata questa rappresentazionene circuitale, l'energia mancante corrisponderà a quella dissipata per effetto Joule dalla resistenza R.
La potenza su R potrà essere espressa come
e quindi
ricordando che i(t)dt sarà da considerarsi pari al decremento di carica -dq nel primo cond. e all'incremento +dq nel secondo,
pari proprio all'energia mancante ΔW.
Essendo il risultato indipendente dal valore di R, il problema sembrerebbe risolto.
Una analisi critica del risultato, ci fa però intuire che, con resistenze serie prossime allo zero, le elevatissime correnti e le ridottissime costanti di tempo in gioco, mettono in serio dubbio la validità del modello considerato; senza dubbio una parte della potenza persa sarà irradiata!
Una analisi più completa dal punto di vista classico viene trattata nei Rif. [8], [1] e [5].
Radiazione
- Considerazioni iniziali
La scelta a questo punto, sembrerebbe obbligata: descrivere il sistema nella sua geometria spaziale, abbandonare il modello a parametri concentrati e procedere ad una analisi numerica del fenomeno; fattibile ma complesso.
Volendo rimanere in una condizione a parametri concentrati, e poter ancora usare il calcolo simbolico, supporremo che la corrente sia funzione del tempo ma non delle coordinate spaziali e faremo uso di un modello che potremo definire "ibrido".
La geometria verrà assimilata per semplicità a quella di una spira circolare di raggio b interrotta dalle due capacità.
Per poter accettare il "modello ibrido" dovrà essere verificata la condizione di Abraham, ovvero si dovrà ipotizzare una costante di tempo molto superiore al tempo di propagazione; detto b il raggio del circuito e c la velocità della luce, si dovrà supporre che
.
Stimando come in [2] un raggio b=5 cm, avremo una validità dei risultati ottenuti fino a una τ dell'ordine del nanosecondo.
Un'ulteriore semplificazione sarà quella di non considerare la radiazione di "dipolo elettrico" ma solo quella di "dipolo magnetico" ritenendola predominante; in [4] comunque, Choy affronta questa alternativa completando l'analisi di Boykin [2].
Nel modello a parametri concentrati, la potenza persa per radiazione elettromagnetica verrà tenuta in considerazione, attraverso l'introduzione nel circuito di un bipolo X di resistenza virtuale Rrad, che permetterà di ricavare una equazione differenziale nonlineare.
La sua risoluzione fornirà la Vc(t), pari alla differenza fra le tensioni sui due condensatori.
- Potenziale vettore ritardato
La rappresentazione del campo elettromagnetico attraverso l'introduzione di un potenziale scalare elettrico e di un potenziale vettore magnetico, in condizioni non stazionare, deve essere estesa ad una dipendenza dal tempo di propagazione; si parlerà quindi di potenziali ritardati [6].
Nel nostro problema, grazie alle ipotesi iniziali, prenderemo in considerazione solo il potenziale magnetico, definito, con riferimento alla fig.3
dalla relazione
dove
che, per la nosta configurazione, grazie alla simmetria rispetto all'asse z
con , potremo particolarizzare come
nella quale la corrente è orientata come il versore azimutale
.
Dal potenziale vettore ritardato possiamo ricavare sia il vettore campo elettrico sia il vettore induzione magnetica attraverso
grazie al trascurabile contributo del gradiente del potenziale elettrico.
Siamo ora in grado di ricavare il vettore di Poynting
il cui flusso attraverso una superficie sferica di raggio r e centro o,
ci fornirà la potenza irradiata dal circuito.
Modello ibrido
- Resistenza di radiazione
L'equazione (2) ci permette di definire il valore Rrad della "resistenza equivalente" non-lineare del bipolo X che rappresenta la potenza persa attraverso la radiazione elettromagnetica
La caduta di tensione su questo bipolo sarà
Ipotizzando al limite una resistenza ohmica R pari a zero ed indicando con
serie fra le due capacità
potremo scrivere la seguente equazione differenziale (vedi nota 1)
e cercare una soluzione del tipo
.
Dall'equazione caratteristica troviamo
tra le quali, dall'unico valore accettabile per n = 2, otteniamo
e la corrente attraverso una semplice differenziazione
.
- Risultato Finale
Siamo ora in grado di calcolare l'integrale di Poynting per trovare la totale energia irradiata
Esattamente uguale all'energia persa fra i due stati iniziale e finale del sistema.
(NB l'integrazione può partire dal tempo r/c, a causa del ritardo di propagazione con il quale la chiusura dell'interruttore viene ad essere "percepita" alla distanza r.)
Il risultato è davvero interessante, anche senza resistenza ohmica il circuito ha una evoluzione esponenziale dovuta alla presenza della "resistenza equivalente di radiazione".
+ R
Se vogliamo considerare anche la resistenza ohmica, l'equazione differenziale si complica diventando
che sarà generalmete risolvibile solo per via numerica.
Non verranno qui approfondite le modalità risolutive, fornite in Appendice A, ma solo i risultati ai quali si perviene considerando un raggio circuitale b=5 cm ed una capacità, equivalente serie, pari a 100 μF.
Nel seguente grafico si riportano, in funzione della resistenza ohmica R del circuito, sia il rapporto fra potenza irradiata e potenza dissipata per effetto Joule, sia l'inverso della costante di tempo associata alla Vc(t).
Si osserva come, per resistenze R maggiori di alcuni decimi di milliohm, la costante di tempo sia ancora semplicemente approssimabile da RC e come il rapporto fra potenza irradiata e potenza Joule dissipata in R sia inferiore ad 1/1000.
[Dalla fig.6 infatti, per R=0,3 milliohm, leggiamo -0,033 per s, ovvero (punto Q) e 0,8/1000 per il rapporto potenze (punto P)].
Possiamo suddividere il grafico in tre zone principali (fig. 7):
- zona A, nella quale l'influenza della resistenza di radiazione è trascurabile, e dove notiamo come, la caratteristica s(R) sia ottimamente approssimata dal semplice andamento della curva 1/RC e come la curva del rapporto potenze sia ben rappresentata dalla retta r tracciata considerando che, in zona A
- zona B, caratterizzata da una transizione graduale fra il peso delle due potenze; il punto di uguaglianza nel nostro caso particolare avviene per R pari a 40 microohm,
- zona C, dove la resistenza di radiazione assume un ruolo predominante; la "saturazione" della costante di tempo intorno ai 7 ns (1 / 0.146) ci permette di convalidare le ipotesi iniziali sui tempi di propagazione ammessi per il nostro modello ibrido.
+ L
Per completare l'analisi è a questo punto necessario prendere in considerazione anche il coefficiente di autoinduzione L, sicuramente non nullo per un circuito reale,
e passare ad una equazione differenziale ancora più complessa
L'analisi dell'evoluzione temporale di Vc(t), ottenibile solo per via numerica, viene ristretta in [2], a particolari valori dei parametri circuitali R, L e C.
Per restringere il numero delle scelte possibili sarà comunque utile valutare l'ordine di grandezza della resistenza e dell'induttanza associate al modello geometrico.
Supponendo un conduttore di rame con raggio a pari a 0,5 mm,
questo parametro dovrà essere considerato però solo indicativo, in quanto la dipendenza quadratica inversa da a permetterà per R un "campo di variazione" di notevole ampiezza.
Per l'induttanza associata alla geometria circolare useremo
in questo caso, la dipendenza logaritmica inversa da a porterà ad una minore sensibilità al diametro del filo e limiterà la possibilità di variazione di L principalmente alla riduzione dello sviluppo dei conduttori di collegamento fra i due condensatori.
Con questi valori stimati, il circuito risulterà sempre sottosmorzato e la resistenza di radiazione, determinata ora dalla frequenza di risonanza, risulterà generalmente trascurabile rispetto a quella ohmica; pur riducendo la capacità a 1 nanofarad avremo infatti
In [2], pur sottolineando la condizione limite, si suppone di diminuire R a dieci microohm ed L a un nanohenry, per riuscire ancora a raggiungere una parità fra resistenza ohmica e di radiazione.
A mio modesto parere una condizione irrealizzabile, dato che una tale riduzione di resistenza porterebbe a dover tenere in considerazione le resistenze serie dei condensatori (finora trascurate), e una riduzione al nanohenry del coefficiente di autoinduzione, sarebbe impraticabile, come ho soproesposto, senza riduzione dei collegamenti.
Per ulteriori approfondimenti si rimanda all'articolo originale [2] e anche al nuovo documento di Choy [4] che affronta l'argomento, generalizzando entrambe le tipologie radiative.
T.C. Choy
Mi scuso con i lettori per la prolungata incompletezza di questa sotto-sezione dell'articolo ...
ma il discorso è ancora in sospeso in quanto ho chiesto chiarimenti all'autore sul valore di capacità dei condensatori, necessario per un aprezzabile contributo radiativo ... a mio parere la geometria costruttiva dei condensatori elettrolitici e la presenza dell'involucro di alluminio, rende il discorso teorico non applicabile ad un circuito reale.
... work in progress
Conclusioni
Come abbiamo visto il modello semplificato iniziale non era adatto a rappresentare correttamente il circuito nel caso di correnti particolarmente elevate e rapidamente variabili. La considerazione della potenza irradiata e la sua rappresentazione attraverso una resistenza virtuale nel modello ibrido, ha permesso di dimostrare come, per valori di resistenza ohmica tendente a zero, ci sia un progressivo passaggio da effetto prevalentemente dissipativo ad un effetto prevalentemente radiativo.
Le considerazioni pratiche conclusive hanno comunque evidenziato, per le configurazioni circuitali reali, un ridimensionamento del fenomeno radiativo, che solo in casi estremi può rappresentare una parte significativa della potenza persa dal sistema.
Appendice A
Facendo uso dei FreeTools di Electroportal, facciamo vedere quale possa essere la strada per ricavare la funzione k(R), rapporto fra la potenza irradiata e dissipata per effetto Joule.
Dovremo cercare un metodo numerico di risoluzione per l'equazione caratteristica
L'equazione verrà caratterizzata, a seconda delle necessità, impostando i valori dei parametri circuitali.
Per il calcolo numerico delle radici, potremo usare wxMaxima, inserire i valori per L, C, R, K e definire la funzione f(x); con allroots si potranno ricavare gli zeri della funzione caratteristica
Nell'esempio abbiamo considerato un circuito LC con R=0.
Volendo però ricavare una rappresentazione grafica completa dell'andamento sia del rapporto fra resistenza di radiazione Rrad e resistenza ohmica R, sia della funzione s(R), in ns − 1, è più conveniente far uso di Scilab.
Con uno script si potranno calcolare le soluzioni relative ad una serie di valori di R (50), esplorando le decadi con l'indice i e le frazioni con l'indice j, immagazzinare i risultati in una matrice VR(50,3) ed infine tracciare i grafici relativi.
// ------ Copyright --- RenzoDF 2009 ----- // ---- Script simulazione Resistenza radiazione------- clear format('e',21); p=%pi;j=%i;c=3e8;b=5e-2;eps=8.8541878176e-12; r=1e-8;L=0;C=1e-4;K=p*b^4/(6*eps*c^5); for i=1 : 5 for j=1 : 10 k=10*(i-1)+j; R=r*(10^i)*j; coef=[1/(K*C),R/K,L/K,0,0,1]; fs=poly(coef,'x','coeff'); radici=roots(fs); //---------- immagazzino i risultati ------------------ VR(k,1)=radici(1); //---- per recuperare radici reali non allineate :) if k == 12| k == 18 then VR(k,1)=radici(3); end VR(k,2)=R; VR(k,3)=(1/(abs(VR(k,1))*C)-R)/R ; end end //----- Traccio grafici ------------- xbasc() xgrid x=VR(:,2); y=VR(:,3); z=VR(:,1)*1e-9; subplot(2,1,1) xtitle("Resistenza di radiazione/ Resistenza Joule") plot2d(x, [y y] , [5 -1],logflag='ll' ) subplot(2,1,2) xgrid xtitle("Inverso costante di tempo s (ns-1)") plot2d(x , [z z] ,[3 -1], logflag='ln') xselect()
Per k(R) si otterrà il seguente doppio grafico
che corrispondono al grafico di figura 5 dell'articolo di Boykin [2].
Si notano i 50 valori calcolati per la radice reale dell'equazione caratteristica associata; le coppie di soluzioni immaginarie coniugate sono non accettabili, come dimostrato in [2].
.
Bibliografia
[1] K. Mita and M. Boufaida, "Ideal capacitor circuits and energy conservation", Am. J.Phys. 67, 737 (1999).
[2] Timothy B. Boykin, Dennis Hite, and Nagendra Singh, "The two-capacitor problem with radiation", Am. J. Phys. 70, 415 (2002).
[3] Kirk T. McDonald, "A Capacitor Paradox", J. Henry Labs. Princeton University (2002).
[4] T.C. Choy, "Capacitors can radiate - some consequences of the two-capacitor problem with radiation", Am. J.Phys. 72, 662 (2004).
[5] R.A. Powell, "Two-capacitor problem", Am. J. Phys. 47, 460 (1979).
[6] V. Degli Esposti, "I potenziali elettrico e magnetico", dispense del corso di Propagazione.
[7] David J. Griffiths, Introduction to Electrodynamics, pag.451- Prentice Hall, 1999.
[8] A. Pramanik ,Electromagnetism Problems With Solutions, pag.100- PHI Learning 2008
Note
1) In [2] la formula (12) a pag. 416 deve essere corretta sostituendo la derivata seconda con la derivata terza, sempre al quadrato. Il Prof. Boykin è contattabile all'indirizzo boykin@eng.uah.edu .
2) Il documento [4] precedentemente linkato, è stato sostituito con una versione più recente, gentilmente fornita dal Prof. Tuck Choy- tuckchoy@ieee.org che si rende disponibile anche attraverso Skype per una discussione sull'argomento (una imperdibile opportunità per quei "campisti " che trovino queste mie quattro righe incomplete).