Forståelse af kapacitans
Et lille glas kan indeholde en lille mængde vand, mens et stort glas kan indeholde mere. Jo større glasset er, desto mere vand kan det indeholde. Så hvert glas har en kapacitet, eller et mål for dets vandholdende kapacitet. Ligesom glas har kondensatorer også evnen til at lagre elektrisk ladning og elektrisk potentiel energi. Kapaciteten af en kondensator, eller målet for dens evne til at lagre elektrisk ladning og elektrisk potentiel energi, kaldes kapacitans.
Faktorer der påvirker kapacitansen
Størrelsen af et glas' evne til at holde vand bestemmes af dets volumen. Hvad med kondensatorer? Hvad bestemmer størrelsen af en kondensators evne til at lagre en elektrisk ladning?
Figuren nedenfor viser en simpel kondensator bestående af to ledende plader adskilt af en vis afstand. Før de tilsluttes en spændingskilde, såsom et batteri, aflades begge plader. Derefter forbindes den ene plade til batteriets positive terminal og den anden til batteriets negative terminal ved hjælp af ledninger.
Efter at være blevet forbundet til batteriets positive terminal, tiltrækker den positive ladning i batteriet de negativt ladede elektroner på pladen, hvilket får dem til at bevæge sig til batteriets positive terminal. Dette forårsager en mangel på elektroner (negativ ladning) og et overskud af protoner (positiv ladning), hvilket resulterer i en positiv ladning.
På samme måde, efter at pladen er forbundet med batteriets negative terminal, tiltrækker den positive ladning på pladen de negativt ladede elektroner på batteriets negative terminal, hvilket får elektronerne til at bevæge sig mod pladen. Dette får pladen til at have et overskud af elektroner, hvilket gør den negativt ladet.
Processen med elektronoverførsel mellem pladerne og batteriet stopper, når potentialforskellen mellem de to plader er lig med potentialforskellen mellem batteriets to poler.
Hvordan kan den elektriske ladning på begge lederplader stige? Med andre ord, hvad skal der gøres for at forårsage elektronoverførsel igen? Elektronoverførsel sker kun, når den elektriske potentialforskel mellem batteriets to poler er større end den elektriske potentialforskel mellem de to lederplader. For at elektronoverførsel kan finde sted igen, så den elektriske ladning på hver lederplade stiger, udskiftes det anvendte batteri med et andet batteri eller en anden spændingskilde, der har en større elektrisk potentialforskel. Elektronoverførslen stopper, når spændingskildens potentialforskel er lig med kondensatorens potentialforskel, så hvis spændingskildens potentialforskel er større, er kondensatorens potentialforskel også større.
Baseret på ovenstående gennemgang kan det konkluderes, at jo større den elektriske ladning er lagret på hver lederplade, desto større er den elektriske potentialforskel mellem de to lederplader. Derfor er den elektriske ladning (Q) proportional med den elektriske potentialforskel (V). Forholdet mellem elektrisk ladning og elektrisk potentialforskel udtrykkes ved følgende proportionalitet:
QαV
Ovenstående proportionalitet omregnes til en ligning ved at addere proportionalitetskonstanten C:
Q = CV eller C = Q / V
Beskrivelse: Q = elektrisk ladning (Coulomb), V = elektrisk potentialforskel eller elektrisk spænding (Volt), C = proportionalitetskonstanten, som kaldes kondensatorens kapacitans.
Kapacitansværdien afhænger ikke af den elektriske ladning og spænding, men af formen og størrelsen af lederpladerne. Matematisk bevis for, at kapacitans afhænger af formen og størrelsen af lederpladerne, forklares i artiklen om typer af kondensatorer baseret på lederpladernes form, nemlig parallelle pladekondensatorer , cylindriske kondensatorer og sfæriske kondensatorer . I artiklen antages det, at der er et vakuum mellem de to lederplader.
En kondensators kapacitans afhænger også af egenskaberne af materialet mellem de to ledende plader. Materialet mellem de to ledende plader kaldes dielektrikumet . Kapacitansen af en kondensator med et dielektrikum diskuteres i dybden i artiklen om den dielektriske konstant.
Enhed for kapacitans
Enheden for elektrisk ladning er Coulomb, og enheden for elektrisk potentialforskel er Volt, så baseret på kapacitansligningen ovenfor er enheden for kapacitans Coulomb pr. Volt (C/V), også kaldet Farad (F), som stammer fra navnet på den britiske videnskabsmand Michael Faraday (1791-1867). Så 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
For eksempel har en kondensator en værdi på 2 Farad, hvilket betyder, at kondensatoren lagrer en elektrisk ladning på +2 Coulomb på den ene lederplade og -2 Coulomb på den anden lederplade, hvor de to lederplader har en potentialforskel på 1 Volt. Hvis et 12 Volt batteri er tilsluttet kondensatoren, vil den ene lederplade have en elektrisk ladning på Q = CV = (2)(12 Volt) = +24 Coulomb, mens den anden lederplade vil have en ladning på -24 Coulomb.
Det skal bemærkes, at Farad er en meget stor enhed for kapacitans, så der anvendes normalt mindre enheder, nemlig mikroFarad forkortet μF (10-6 Farad ) til picoFarad forkortet pF ( 10-12 Farad). Matematiske beregninger, der viser, at Farad er en meget stor enhed, diskuteres i eksemplet med en parallelpladekondensator.
