Ορισμός της χωρητικότητας των πυκνωτών
Ένα μικρό ποτήρι μπορεί να περιέχει λίγο νερό, ενώ ένα μεγάλο ποτήρι μπορεί να περιέχει περισσότερο νερό. Όσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος του γυαλιού, τόσο περισσότερο νερό μπορεί να περιέχει. Έτσι, κάθε ποτήρι έχει την ικανότητα ή το μέγεθος της ικανότητας να περιέχει νερό. Όπως και το γυαλί, οι πυκνωτές μπορούν επίσης να αποθηκεύσουν τα ηλεκτρικά φορτία και την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια. Η ικανότητα του πυκνωτή να αποθηκεύει το ηλεκτρικό φορτίο και την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα.
Παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα
Το μέγεθος της ικανότητας του γυαλιού να περιέχει νερό καθορίζεται από τον όγκο του γυαλιού. Τι γίνεται με τους πυκνωτές, τι καθορίζει το μέγεθος της ικανότητας του πυκνωτή να αποθηκεύει το ηλεκτρικό φορτίο;
Το σχήμα στο πλάι δείχνει έναν απλό πυκνωτή που αποτελείται από δύο αγωγούς που απέχουν μεταξύ τους μια ορισμένη απόσταση. Πριν από τη σύνδεση σε μια πηγή τάσης, όπως μια μπαταρία, οι δύο πλάκες δεν φορτίζονται ηλεκτρικά. Στη συνέχεια, η μία από τις πλάκες συνδέεται στον θετικό πόλο της μπαταρίας και η άλλη πλάκα συνδέεται στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο.
Μετά τη σύνδεση στον θετικό πόλο της μπαταρίας, το θετικό φορτίο της μπαταρίας έλκει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στην πλάκα, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να μετακινούνται στον θετικό πόλο της μπαταρίας. Αυτό προκαλεί την έλλειψη ηλεκτρονίων (αρνητικό φορτίο) και την περίσσεια πρωτονίων (θετικό φορτίο) στις πλάκες, με αποτέλεσμα οι πλάκες να φορτίζονται θετικά.
Αφού συνδεθεί στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, το θετικό φορτίο στην πλάκα προσελκύει αρνητικά φορτισμένα ηλεκτρόνια στον αρνητικό πόλο της μπαταρίας, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια να κινούνται προς την πλάκα. Αυτό προκαλεί την υπερφόρτωση των ηλεκτρονίων από την πλάκα, με αποτέλεσμα η πλάκα να φορτίζεται αρνητικά. Η διαδικασία μετακίνησης ηλεκτρονίων μεταξύ των πλακών και των μπαταριών σταματά αφού η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών ισούται με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας.
Πώς αυξάνετε το ηλεκτρικό φορτίο και στις δύο πλάκες αγωγών; Με άλλα λόγια, τι πρέπει να γίνει για να μεταφερθούν ηλεκτρόνια από και προς τον θετικό πόλο της μπαταρίας; Η μετατόπιση ηλεκτρονίων συμβαίνει μόνο όταν η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας είναι μεγαλύτερη από τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο αγωγών. Για να κινηθεί ξανά το ηλεκτρόνιο, έτσι ώστε το ηλεκτρικό φορτίο σε κάθε πλάκα αγωγού να αυξηθεί, η μπαταρία που χρησιμοποιείται αντικαθίσταται από μια άλλη πηγή τάσης που έχει μεγαλύτερη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού. Η μετατόπιση ηλεκτρονίων σταματά όταν η διαφορά δυναμικού στην πηγή τάσης είναι ίση με τη διαφορά δυναμικού του πυκνωτή. Επομένως, εάν η διαφορά δυναμικού στην πηγή τάσης είναι μεγαλύτερη από, 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. Έτσι, το ηλεκτρικό φορτίο (Q) είναι ανάλογο με τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού (V). Η σχέση μεταξύ ενός ηλεκτρικού φορτίου και μιας διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού αναφέρεται στην ακόλουθη σύγκριση:
Q α V
Οι παραπάνω συγκρίσεις μετατρέπονται σε εξισώσεις προσθέτοντας τη σταθερά C:
Q = CV ή C = Q / V
Q = ηλεκτρικό φορτίο (Coulomb), V = διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού ή τάση (Volt), C = σταθερά η οποία ονομάζεται χωρητικότητα πυκνωτή.
Η τιμή της χωρητικότητας δεν εξαρτάται από το ηλεκτρικό φορτίο και την ηλεκτρική τάση, αλλά εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος της πλάκας του αγωγού. Η μαθηματική απόδειξη ότι η χωρητικότητα εξαρτάται από το σχήμα και το μέγεθος της πλάκας του αγωγού εξηγείται στο θέμα του πυκνωτή παράλληλων πλακών. Στο θέμα, θεωρείται ότι υπάρχει κενό μεταξύ των δύο αγωγών.
Η χωρητικότητα ενός πυκνωτή εξαρτάται επίσης από τη φύση του υλικού που βρίσκεται μεταξύ των δύο πλακών αγωγού. Το υλικό που βρίσκεται μεταξύ των δύο πλακών αγωγού ονομάζεται διηλεκτρικό. Η χωρητικότητα των πυκνωτών που έχουν διηλεκτρικά συζητείται σε βάθος στο θέμα των διηλεκτρικών σταθερών.
Μονάδα χωρητικότητας
Η μονάδα μέτρησης του ηλεκτρικού φορτίου είναι το Coulomb και η μονάδα διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού είναι το Volt, επομένως αυτό βασίζεται στην 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.
Ας υποθέσουμε ότι ένας πυκνωτής με τιμή 2 Farad σημαίνει ότι ο πυκνωτής 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 η μπαταρία 12 Volt είναι συνδεδεμένη στον πυκνωτή, μία από τις ηλεκτρικά φορτισμένες πλάκες αγωγών είναι Q = CV = (2) (12 Volts) = +24 Coulomb, ενώ η άλλη πλάκα αγωγών είναι -24 Coulomb.
Λάβετε υπόψη ότι το Farad είναι μια τεράστια μονάδα χωρητικότητας, επομένως συνήθως χρησιμοποιείται ως μικρότερη μονάδα, δηλαδή microfarad (συντομογραφία μF) (10-6 Farad ) ή picofarad (συντομογραφία pF) (10-12 Farad ). Οι μαθηματικοί υπολογισμοί που δείχνουν ότι το Farad είναι μια γιγαντιαία μονάδα συζητούνται στο θέμα του πυκνωτή παράλληλων πλακών.
