Comprensió de la capacitança
Un got petit pot contenir una petita quantitat d'aigua potable, mentre que un got gran pot contenir-ne més. Com més gran sigui el got, més aigua pot contenir. Per tant, cada got té una capacitat, o una mesura de la seva capacitat per contenir aigua. Igual que els gots, els condensadors també tenen la capacitat d'emmagatzemar càrrega elèctrica i energia potencial elèctrica. La capacitat d'un condensador, o la mesura de la capacitat d'un condensador per emmagatzemar càrrega elèctrica i energia potencial elèctrica, s'anomena capacitança.
Factors que afecten la capacitança
La mida de la capacitat d'un got per contenir aigua ve determinada pel seu volum. I què passa amb els condensadors? Què determina la mida de la capacitat d'un condensador per emmagatzemar una càrrega elèctrica?
La figura següent mostra un condensador simple que consisteix en dues plaques conductores separades per una certa distància. Abans de connectar-lo a una font de tensió, com ara una bateria, ambdues plaques es descarreguen. Aleshores, una placa es connecta al terminal positiu de la bateria i l'altra al terminal negatiu mitjançant cables.
Després de connectar-la al terminal positiu de la bateria, la càrrega positiva de la bateria atrau els electrons carregats negativament de la placa, fent que es moguin cap al terminal positiu de la bateria. Això provoca que la placa tingui una deficiència d'electrons (càrrega negativa) i un excés de protons (càrrega positiva), donant lloc a una càrrega positiva.
De la mateixa manera, després de connectar la placa al terminal negatiu de la bateria, la càrrega positiva de la placa atrau els electrons carregats negativament al terminal negatiu de la bateria, fent que els electrons es moguin cap a la placa. Això fa que la placa tingui un excés d'electrons, fent-la carregar negativament.
El procés de transferència d'electrons entre les plaques i la bateria s'atura quan la diferència de potencial entre les dues plaques és igual a la diferència de potencial entre els dos pols de la bateria.
Com pot augmentar la càrrega elèctrica a les dues plaques conductores? En altres paraules, què s'ha de fer per tornar a provocar la transferència d'electrons? La transferència d'electrons només es produeix quan la diferència de potencial elèctric entre els dos pols de la bateria és més gran que la diferència de potencial elèctric entre les dues plaques conductores. Perquè la transferència d'electrons es produeixi de nou de manera que la càrrega elèctrica a cada placa conductora augmenti, la bateria utilitzada es substitueix per una altra bateria o una altra font de voltatge que tingui una diferència de potencial elèctric més gran. La transferència d'electrons s'atura quan la diferència de potencial de la font de voltatge és igual a la diferència de potencial del condensador, per tant, si la diferència de potencial de la font de voltatge és més gran, la diferència de potencial del condensador també és més gran.
A partir de la revisió anterior, es pot concloure que com més gran sigui la càrrega elèctrica emmagatzemada a cada placa conductora, més gran serà la diferència de potencial elèctric entre les dues plaques conductores. Per tant, la càrrega elèctrica (Q) és proporcional a la diferència de potencial elèctric (V). La relació entre la càrrega elèctrica i la diferència de potencial elèctric s'expressa en la següent proporcionalitat:
Q α V
La proporcionalitat anterior es converteix en una equació afegint la constant de proporcionalitat C:
Q = CV o C = Q / V
Descripció: Q = càrrega elèctrica (Coulomb), V = diferència de potencial elèctric o voltatge elèctric (Volt), C = constant de proporcionalitat, que s'anomena capacitància del condensador.
El valor de la capacitància no depèn de la càrrega elèctrica ni del voltatge, sinó que depèn de la forma i la mida de la placa conductora. La prova matemàtica que la capacitància depèn de la forma i la mida de la placa conductora s'explica a l'article sobre els tipus de condensadors basats en la forma de la placa conductora, és a dir, condensador de plaques paral·leles, condensador cilíndric Dan condensador esfèricEn aquest article, se suposa que entre les dues peces conductores hi ha un buit.
La capacitància d'un condensador també depèn de les propietats del material entre les dues plaques conductores. El material entre les dues plaques conductores s'anomena dielèctricLa capacitància d'un condensador que té un dielèctric es revisa en profunditat a l'article sobre constant dielèctrica.
Unitat de capacitança
La unitat de càrrega elèctrica és el Coulomb i la unitat de diferència de potencial elèctric és el Volt, per tant, basant-se en l'equació de la capacitància anterior, la unitat de capacitància és el Coulomb per Volt (C/V), també anomenat Farad (F), que prové del nom del científic britànic Michael Faraday (1791-1867). Per tant, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Per exemple, un condensador té un valor de 2 Farads, és a dir, que emmagatzema una càrrega elèctrica de +2 Coulombs en una de les plaques conductores i de -2 Coulombs a l'altra placa conductora, on les dues plaques conductores tenen una diferència de potencial d'1 Volt. Si es connecta una bateria de 12 Volts al condensador, una de les plaques conductores tindrà una càrrega elèctrica de Q = CV = (2)(12 Volts) = +24 Coulombs mentre que l'altra placa conductora tindrà una càrrega de -24 Coulombs.
Cal tenir en compte que el farad és una unitat de capacitança molt gran, per la qual cosa normalment s'utilitza una unitat més petita, concretament el microfarad, abreujat com a μF (10-6 Farad) a picoFarad abreujat pF (10-12 Farad). Els càlculs matemàtics per demostrar que el farad és una unitat molt gran es discuteixen a exemple de preguntes sobre condensadors de plaques paral·leles.
