Definition af parallelpladekondensator
En parallelpladekondensator er en kondensator bestående af to parallelle plader eller lederplader, hvor hver plade har samme tværsnitsareal (A), og de to plader er adskilt af en vis afstand (d), som på billedet til venstre. I denne artikel antages det, at de to lederplader er adskilt af et vakuum. På billedet er en af lederpladerne positivt ladet (+Q), mens den anden lederplade er negativt ladet (-Q), hvor mængden af elektrisk ladning på hver plade er den samme.
Forskellen i elektrisk ladning mellem de to ledende plader skaber et elektrisk felt og en potentialforskel mellem dem. Den positivt ladede plade har et højere potentiale, mens den negativt ladede plade har et lavere potentiale. Som forklaret i artiklen om elektrisk potentiale , er der elektrisk potentiel energi i kondensatoren, hvis der er en potentialforskel mellem de to kondensatorplader. Den elektriske potentielle energi, der er lagret i en kondensator, har mange anvendelser.
Faktorer der påvirker kapacitansen af en parallelpladekondensator
Kondensatorer er oprindeligt uopladede eller elektrisk neutrale. For at oplade dem oplades de ved at tilslutte dem til en spændingskilde, såsom et batteri, ved hjælp af kabler. Den ene lederplade er forbundet til batteriets positive terminal, mens den anden lederplade er forbundet til den negative terminal.
Husk at ens ladninger frastøder hinanden, mens ulig ladninger tiltrækker. Elektroner er negativt ladede og bevæger sig let, fordi de er placeret på atomets overflade, hvorimod protoner er positivt ladede og ikke kan bevæge sig, fordi de er placeret i kernen. Hvis antallet af protoner på en ledende plade overstiger antallet af elektroner, er pladen positivt ladet. Omvendt, hvis antallet af elektroner overstiger antallet af protoner, er pladen negativt ladet.
Efter kondensatoren er forbundet til batteriet, er batteriets positive pol positivt ladet og tiltrækker elektroner fra lederpladen, mens batteriets negative pol er negativt ladet og frastøder elektroner til lederpladen. Overførslen af elektroner mellem batteriet og lederpladen får den lederplade, der mister elektroner, til at blive positivt ladet, og den lederplade, der modtager elektroner, til at blive negativt ladet. Overførslen af elektroner stopper, når den elektriske potentialforskel mellem de to lederplader er lig med den elektriske potentialforskel mellem de to batteripoler.
Kondensatorer lagrer elektrisk ladning og potentiel energi . Målet for en kondensators evne til at lagre elektrisk ladning og potentiel energi kaldes kapacitans. Jo større den lagrede elektriske ladning er, desto større er den potentielle energi, og desto større er kapacitansen. Hvilke faktorer påvirker kapacitansen af en parallelpladekondensator?
– Overfladeareal af lederpladen
Parallelle pladekondensatorer lagrer elektrisk ladning på deres ledende plader. Et lille pladeoverfladeareal betyder, at der lagres en lille ladning; et stort pladeoverfladeareal betyder, at der lagres en stor ladning. Jo mere ladning der lagres på de ledende plader, desto større er kondensatorens elektriske potentielle energi. Derfor, jo større kondensatorens elektriske potentielle energi er, desto større er dens kapacitans. Baseret på denne gennemgang kan det konkluderes, at kondensatorens kapacitans (C) er proportional med overfladearealet af de ledende plader (A).
– Afstand mellem de to lederplader
Elektronernes bevægelse stopper, når potentialforskellen mellem de to lederplader er lig med potentialforskellen mellem batteriets to poler. Hvordan kan den elektriske ladning på de to lederplader øges? En måde er at reducere afstanden mellem de to ledere (reducer d). Når de to ledere bringes tæt på hinanden, forbliver mængden af elektrisk ladning konstant, så det elektriske felt, der produceres af den elektriske ladning, har en konstant værdi. Baseret på ligningen V = E d, falder den elektriske potentialforskel (V), når det elektriske felt (E) er konstant, hvis afstanden mellem de to lederplader reduceres (d).
Potentialforskellen mellem de to ledende plader falder, indtil den er mindre end potentialforskellen mellem batteriets to terminaler. Dette får elektronerne til at bevæge sig igen, indtil den elektriske ladning på hver ledende plade stiger. Elektronbevægelsen stopper, når potentialforskellen mellem de to plader er lig med potentialforskellen mellem batteriets to terminaler.
Når afstanden mellem de to lederplader reduceres, øges den elektriske ladning på hver plade, så den elektriske potentielle energi i kondensatoren også øges. Hvis den elektriske potentielle energi i kondensatoren øges, øges kondensatorens kapacitans også. Hvis afstanden reduceres, øges ladningen, så kapacitansen øges, hvis afstanden øges, falder ladningen, så kapacitansen falder. Det kan konkluderes, at kondensatorens kapacitans (C) er omvendt proportional med afstanden mellem de to lederplader (d).
Kapacitansligning for en parallelpladekondensator
Tidligere er det blevet forklaret, hvad der påvirker kapacitansværdien af en parallelpladekondensator. Kapacitansværdien kan tydeligt findes gennem beregninger ved hjælp af ligninger. I artiklen om bestemmelse af det elektriske felt ved hjælp af Gauss' lov er det blevet diskuteret, at formlen til beregning af det elektriske felt nær en elektrisk ladet lederplade er E = σ/εo , hvor σ = Q/A, således at den elektriske feltligning ændres til E = Q/A: εo = Q/Ax1/εo = Q/Aεo . Den elektriske potentialligning er V = Ed, hvor E = Q/Aεo , således at ligningen ændres til V = Qd/Aεo . Kapacitansligningen er C = Q/V, hvor V = Qd/Aεo , således at kapacitansligningen ændres til C = Q: Qd/Aεo = Qx Aεo / Qd = Aεo / d.
Baseret på kapacitansligningen C = A ε o / d kan det konkluderes, at kapacitansen (C) er proportional med overfladearealet (A) og omvendt proportional med afstanden (d) mellem de to lederplader.
Formelbeskrivelse: E = elektrisk felt, σ = ladningstæthed, εo = permittivitet af tomt rum = 8,85 x 10-12 F /m, Q = elektrisk ladning, A = overfladeareal af lederpladen, V = elektrisk potentialforskel.
