Κατανόηση της χωρητικότητας
Ένα μικρό ποτήρι μπορεί να χωρέσει μια μικρή ποσότητα νερού, ενώ ένα μεγάλο ποτήρι μπορεί να χωρέσει περισσότερο. Όσο μεγαλύτερο είναι το ποτήρι, τόσο περισσότερο νερό μπορεί να χωρέσει. Έτσι, κάθε ποτήρι έχει μια χωρητικότητα, ή ένα μέτρο της ικανότητάς του να συγκρατεί νερό. Όπως και τα ποτήρια, οι πυκνωτές έχουν επίσης την ικανότητα να αποθηκεύουν ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή, ή το μέτρο της ικανότητάς του να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο και ηλεκτρική δυναμική ενέργεια, ονομάζεται χωρητικότητα.
Παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα
Η χωρητικότητα ενός ποτηριού να συγκρατεί νερό καθορίζεται από τον όγκο του. Τι γίνεται με τους πυκνωτές; Τι καθορίζει το μέγεθος της χωρητικότητας ενός πυκνωτή να αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο;
Το παρακάτω σχήμα δείχνει έναν απλό πυκνωτή που αποτελείται από δύο αγώγιμες πλάκες που απέχουν μεταξύ τους μια ορισμένη απόσταση. Πριν συνδεθούν σε μια πηγή τάσης, όπως μια μπαταρία, και οι δύο πλάκες αποφορτίζονται. Στη συνέχεια, η μία πλάκα συνδέεται στον θετικό πόλο της μπαταρίας και η άλλη στον αρνητικό πόλο χρησιμοποιώντας καλώδια.
Αφού συνδεθεί στον θετικό πόλο της μπαταρίας, το θετικό φορτίο της μπαταρίας έλκει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στην πλάκα, αναγκάζοντάς τα να μετακινηθούν προς τον θετικό πόλο της μπαταρίας. Αυτό προκαλεί στην πλάκα έλλειψη ηλεκτρονίων (αρνητικό φορτίο) και περίσσεια πρωτονίων (θετικό φορτίο), με αποτέλεσμα ένα θετικό φορτίο.
Ομοίως, μετά τη σύνδεση της πλάκας στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, το θετικό φορτίο στην πλάκα έλκει τα αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, προκαλώντας την μετακίνηση των ηλεκτρονίων προς την πλάκα. Αυτό προκαλεί την περίσσεια ηλεκτρονίων στην πλάκα, με αποτέλεσμα να φορτίζεται αρνητικά.
Η διαδικασία μεταφοράς ηλεκτρονίων μεταξύ των πλακών και της μπαταρίας σταματά αφού η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών ισούται με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας.
Πώς μπορεί να αυξηθεί το ηλεκτρικό φορτίο και στις δύο αγώγιμες πλάκες; Με άλλα λόγια, τι πρέπει να γίνει για να προκληθεί ξανά η μεταφορά ηλεκτρονίων; Η μεταφορά ηλεκτρονίων συμβαίνει μόνο όταν η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας είναι μεγαλύτερη από τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο αγώγιμων πλακών. Για να συμβεί ξανά η μεταφορά ηλεκτρονίων, έτσι ώστε το ηλεκτρικό φορτίο σε κάθε αγώγιμη πλάκα να αυξηθεί, η μπαταρία που χρησιμοποιείται αντικαθίσταται με μια άλλη μπαταρία ή άλλη πηγή τάσης που έχει μεγαλύτερη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού. Η μεταφορά ηλεκτρονίων σταματά όταν η διαφορά δυναμικού της πηγής τάσης είναι ίση με τη διαφορά δυναμικού του πυκνωτή, επομένως, εάν η διαφορά δυναμικού της πηγής τάσης είναι μεγαλύτερη, η διαφορά δυναμικού του πυκνωτή είναι επίσης μεγαλύτερη.
Με βάση την παραπάνω ανασκόπηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι όσο μεγαλύτερο είναι το ηλεκτρικό φορτίο που είναι αποθηκευμένο σε κάθε πλάκα αγωγού, τόσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών αγωγού. Επομένως, το ηλεκτρικό φορτίο (Q) είναι ανάλογο με τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού (V). Η σχέση μεταξύ ηλεκτρικού φορτίου και διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού εκφράζεται με την ακόλουθη αναλογικότητα:
Q α V
Η παραπάνω αναλογικότητα μετατρέπεται σε μια εξίσωση προσθέτοντας τη σταθερά αναλογικότητας C:
Q = CV ή C = Q / V
Περιγραφή: Q = ηλεκτρικό φορτίο (Coulomb), V = διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ή ηλεκτρική τάση (Volt), C = σταθερά αναλογικότητας, η οποία ονομάζεται χωρητικότητα του πυκνωτή.
Η τιμή της χωρητικότητας δεν εξαρτάται από το ηλεκτρικό φορτίο και την τάση, αλλά εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος των πλακών αγωγών. Η μαθηματική απόδειξη ότι η χωρητικότητα εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος των πλακών αγωγών εξηγείται στο άρθρο σχετικά με τους τύπους πυκνωτών με βάση το σχήμα των πλακών αγωγών, δηλαδή πυκνωτές παράλληλων πλακών , κυλινδρικούς πυκνωτές και σφαιρικούς πυκνωτές . Στο άρθρο, θεωρείται ότι υπάρχει κενό μεταξύ των δύο πλακών αγωγών.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται επίσης από τις ιδιότητες του υλικού μεταξύ των δύο αγώγιμων πλακών. Το υλικό μεταξύ των δύο αγώγιμων πλακών ονομάζεται διηλεκτρικό . Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή με διηλεκτρικό συζητείται σε βάθος στο άρθρο σχετικά με τη διηλεκτρική σταθερά.
Μονάδα χωρητικότητας
Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb και η μονάδα διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού είναι το Volt, επομένως, με βάση την παραπάνω εξίσωση χωρητικότητας, η μονάδα χωρητικότητας είναι το Coulomb ανά Volt (C/V), που ονομάζεται επίσης Farad (F), το οποίο προέρχεται από το όνομα του Βρετανού επιστήμονα Michael Faraday (1791-1867). Έτσι, 1 Farad = 1 Coulomb/Volt.
Για παράδειγμα, ένας πυκνωτής έχει τιμή 2 Farads, που σημαίνει ότι αποθηκεύει ηλεκτρικό φορτίο +2 Coulombs σε μία από τις πλάκες αγωγών και -2 Coulombs στην άλλη πλάκα αγωγών, όπου οι δύο πλάκες αγωγών έχουν διαφορά δυναμικού 1 Volt. Εάν μια μπαταρία 12 Volt συνδεθεί στον πυκνωτή, μία από τις πλάκες αγωγών θα έχει ηλεκτρικό φορτίο Q = CV = (2)(12 Volts) = +24 Coulombs, ενώ η άλλη πλάκα αγωγών θα έχει φορτίο -24 Coulombs.
Θα πρέπει να σημειωθεί ότι το Farad είναι μια πολύ μεγάλη μονάδα χωρητικότητας, επομένως συνήθως χρησιμοποιούνται μικρότερες μονάδες, δηλαδή microFarad (συντομογραφία μF) (10-6 Farad ) έως picoFarad (συντομογραφία pF) (10-12 Farad ). Οι μαθηματικοί υπολογισμοί που δείχνουν ότι το Farad είναι μια πολύ μεγάλη μονάδα συζητούνται στο παράδειγμα ενός πυκνωτή παράλληλων πλακών.
