Definice deskového kondenzátoru
Deskový kondenzátor je kondenzátor sestávající ze dvou rovnoběžných desek nebo vodivých desek, přičemž každá deska má stejnou plochu průřezu (A) a obě desky jsou od sebe vzdáleny určitou vzdáleností (d), jako na obrázku vlevo. V tomto článku předpokládejme, že dvě vodivé desky jsou odděleny vakuem. Na obrázku je jedna z vodivých desek kladně nabitá (+Q), zatímco druhá vodivá deska je záporně nabitá (-Q), přičemž množství elektrického náboje na každé desce je stejné.
Rozdíl v elektrickém náboji mezi dvěma vodivými deskami vytváří elektrické pole a potenciálový rozdíl mezi nimi. Kladně nabitá deska má vyšší potenciál, zatímco záporně nabitá deska má potenciál nižší. Jak je vysvětleno v článku o elektrickém potenciálu , pokud je mezi dvěma deskami kondenzátoru potenciálový rozdíl, je v kondenzátoru elektrická potenciální energie. Elektrická potenciální energie uložená v kondenzátoru má mnoho využití.
Faktory ovlivňující kapacitu deskového kondenzátoru
Kondenzátory jsou zpočátku nenabité nebo elektricky neutrální. Pro jejich nabití se nabíjejí připojením ke zdroji napětí, například k baterii, pomocí kabelů. Jeden vodič je připojen ke kladnému pólu baterie, zatímco druhý vodič je připojen k zápornému pólu.
Nezapomeňte, že stejné náboje se odpuzují, zatímco odlišné náboje se přitahují. Elektrony jsou záporně nabité a snadno se pohybují, protože se nacházejí na povrchu atomu, zatímco protony jsou kladně nabité a nemohou se pohybovat, protože se nacházejí v jádře. Pokud počet protonů na vodivé desce převyšuje počet elektronů, deska je kladně nabitá. Naopak, pokud počet elektronů převyšuje počet protonů, deska je záporně nabitá.
Po připojení kondenzátoru k baterii se kladný pól baterie kladně nabije a přitahuje elektrony z vodivé desky, zatímco záporný pól baterie se záporně nabije a elektrony k vodivé desce odpuzuje. Přenos elektronů mezi baterií a vodivou deskou způsobí, že se vodivá deska, která elektrony ztrácí, nabije kladně a vodivá deska, která elektrony přijímá, se nabije záporně. Přenos elektronů se zastaví, když se rozdíl elektrického potenciálu mezi oběma vodivými deskami rovná rozdílu elektrického potenciálu mezi oběma svorkami baterie.
Kondenzátory ukládají elektrický náboj a potenciální energii . Míra schopnosti kondenzátoru ukládat elektrický náboj a potenciální energii se nazývá kapacita. Čím větší je uložený elektrický náboj, tím větší je potenciální energie a tím větší je kapacita. Jaké faktory ovlivňují kapacitu deskového kondenzátoru?
– Povrchová plocha vodivé desky
Deskové kondenzátory ukládají elektrický náboj na svých vodivých deskách. Malá plocha povrchu desek znamená, že se v nich ukládá malý náboj; velká plocha povrchu desek znamená, že se v nich ukládá velký náboj. Čím více náboje se ukládá na vodivých deskách, tím větší je elektrická potenciální energie kondenzátoru. Čím větší je tedy elektrická potenciální energie kondenzátoru, tím větší je jeho kapacita. Na základě tohoto přehledu lze usoudit, že kapacita kondenzátoru (C) je úměrná ploše povrchu vodivých desek (A).
– Vzdálenost mezi oběma vodivými deskami
Pohyb elektronů se zastaví poté, co se rozdíl potenciálů mezi dvěma vodivými deskami rovná rozdílu potenciálů mezi dvěma póly baterie. Jak se může zvýšit elektrický náboj na dvou vodivých deskách? Jedním ze způsobů je zmenšení vzdálenosti mezi dvěma vodiči (snížení d). Když jsou dva vodiče blízko sebe, množství elektrického náboje zůstává konstantní, takže elektrické pole vytvářené elektrickým nábojem má konstantní hodnotu. Na základě rovnice V = E d, když je elektrické pole (E) konstantní, rozdíl elektrických potenciálů (V) se zmenší, pokud se zmenší vzdálenost mezi dvěma vodivými deskami (d).
Rozdíl potenciálů mezi dvěma vodivými deskami se snižuje, dokud není menší než rozdíl potenciálů mezi dvěma svorkami baterie. To způsobí, že se elektrony opět pohybují, dokud se elektrický náboj na každé vodivé desce nezvýší. Pohyb elektronů se zastaví, jakmile se rozdíl potenciálů mezi oběma deskami vyrovná rozdílu potenciálů mezi dvěma svorkami baterie.
Když se zmenší vzdálenost mezi dvěma vodivými deskami, elektrický náboj na každé desce se zvětší, takže se zvětší i elektrická potenciální energie v kondenzátoru. Pokud se zvětší elektrická potenciální energie v kondenzátoru, zvětší se i kapacita kondenzátoru. Pokud se zmenší vzdálenost, náboj se zvětší, takže se zvětší kapacita, pokud se vzdálenost zvětší, náboj se zmenší, takže se zmenší kapacita. Lze konstatovat, že kapacita kondenzátoru (C) je nepřímo úměrná vzdálenosti mezi dvěma vodivými deskami (d).
Rovnice kapacity pro deskový kondenzátor
Dříve byly vysvětleny faktory, které ovlivňují hodnotu kapacity deskového kondenzátoru. Hodnotu kapacity lze jasně zjistit výpočty pomocí rovnic. V článku o určení elektrického pole pomocí Gaussova zákona byl diskutován vzorec pro výpočet elektrického pole v blízkosti elektricky nabité vodivé desky, který je E = σ/εo , kde σ = Q/A, takže rovnice elektrického pole se změní na E = Q/A : εo = Q/A x 1/εo = Q/Aεo . Rovnice elektrického potenciálu je V = E d, kde E = Q/Aεo, takže rovnice se změní na V = Qd/Aεo . Rovnice kapacity je C = Q/V, kde V = Qd/Aεo, takže rovnice kapacity se změní na C = Q : Qd/Aεo = Q x Aεo / Qd = Aεo / d.
Na základě rovnice pro kapacitu C = A ε o / d lze usoudit, že kapacita (C) je úměrná ploše povrchu (A) a nepřímo úměrná vzdálenosti (d) mezi dvěma vodivými deskami.
Popis vzorce: E = elektrické pole, σ = hustota náboje, εo = permitivita prázdného prostoru = 8,85 x 10⁻¹² F /m, Q = elektrický náboj, A = povrch vodivé desky, V = rozdíl elektrických potenciálů.
