Ορισμός του πυκνωτή παράλληλης πλάκας
Ο πυκνωτής παράλληλων πλακών είναι ένας πυκνωτής που αποτελείται από δύο παράλληλες αγώγιμες πλάκες, κάθε πλάκα έχει ίση διατομή (A) και δύο πλάκες που χωρίζονται από μια ορισμένη απόσταση (d), όπως φαίνεται στο αριστερό σχήμα. Η μία από τις αγώγιμες πλάκες είναι θετικά φορτισμένη (+Q) ενώ η άλλη αγώγιμη πλάκα είναι αρνητικά φορτισμένη (-Q), όπου η ποσότητα ηλεκτρικό φορτίο σε κάθε πλάκα είναι ίση. Για να μην μετακινηθεί το φορτίο στο μόριο του αέρα, ο πυκνωτής απομονώνεται από το περιβάλλον και μεταξύ των δύο πλακών υπάρχει κενό.
Η διαφορά στους τύπους ηλεκτρικών φορτίων και στις δύο αγώγιμες πλάκες δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο και μια διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών. Η θετικά φορτισμένη πλάκα έχει υψηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό, ενώ η αρνητικά φορτισμένη πλάκα έχει χαμηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό. Όπως εξηγείται στο θέμα του ηλεκτρικού δυναμικού, εάν υπάρχει διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών του πυκνωτή, υπάρχει ηλεκτρική δυναμική ενέργεια στον πυκνωτή. Η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που αποθηκεύεται στους πυκνωτές έχει πολλές χρήσεις.
Παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα του πυκνωτή παράλληλης πλάκας
Ο πυκνωτής αρχικά δεν είναι ηλεκτρικά φορτισμένος ή ηλεκτρικά ουδέτερος. Για να φορτιστεί, η φόρτιση του πυκνωτή γίνεται συνδέοντας τον πυκνωτή με μια πηγή τάσης, όπως μια μπαταρία, χρησιμοποιώντας ένα καλώδιο. Μία από τις πλάκες αγωγού συνδέεται με τον θετικό πόλο της μπαταρίας, ενώ η άλλη πλάκα αγωγού συνδέεται με τον αρνητικό πόλο της μπαταρίας.
Να θυμάστε ότι τα όμοια φορτία απωθούνται, ενώ τα ανόμοια φορτία έλκονται. Τα ηλεκτρόνια είναι αρνητικά φορτισμένα και κινούνται εύκολα επειδή βρίσκονται στην επιφάνεια του ατόμου, ενώ τα πρωτόνια είναι θετικά φορτισμένα και δεν μπορούν να κινηθούν επειδή βρίσκονται στον ατομικό πυρήνα. Εάν η αγώγιμη πλάκα έχει περισσότερα πρωτόνια από ό,τι ηλεκτρόνια, η πλάκα είναι θετικά φορτισμένη, αντίθετα, εάν ο αριθμός των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερος από τον αριθμό των πρωτονίων, η πλάκα είναι αρνητικά φορτισμένη.
Αφού ο πυκνωτής συνδεθεί στην μπαταρία, ο θετικός πόλος της μπαταρίας φορτίζεται θετικά. Έτσι ώστε να τραβάει τα ηλεκτρόνια από την πλάκα αγωγού, ενώ ο αρνητικός πόλος της μπαταρίας φορτίζεται αρνητικά, έτσι ώστε να απορρίπτει τα ηλεκτρόνια στην πλάκα αγωγού. Η ηλεκτρική μετατόπιση μεταξύ της μπαταρίας και της πλάκας αγωγού προκαλεί την απώλεια ηλεκτρονίων θετικά φορτισμένων από την πλάκα αγωγού και η πλάκα αγωγού δέχεται ηλεκτρόνια αρνητικά φορτισμένα. Η κίνηση των ηλεκτρονίων σταματά όταν η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών αγωγού ισούται με τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας.
Η λειτουργία του πυκνωτή είναι να αποθηκεύει το ηλεκτρικό φορτίο και την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια . Το μέγεθος της ικανότητας του πυκνωτή να αποθηκεύει το ηλεκτρικό φορτίο και την ηλεκτρική δυναμική ενέργεια ονομάζεται χωρητικότητα. Όσο περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα αποθηκεύεται, τόσο μεγαλύτερη είναι και η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που αποθηκεύεται, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. Ποιοι παράγοντες επηρεάζουν την χωρητικότητα ενός πυκνωτή παράλληλων πλακών;
Η επιφάνεια της πλάκας αγωγού
Ο πυκνωτής παράλληλων πλακών αποθηκεύει το ηλεκτρικό φορτίο στην πλάκα αγωγού. Εάν η επιφάνεια της πλάκας είναι μικρή, τότε αποθηκεύεται ένα μικρό ηλεκτρικό φορτίο, διαφορετικά, εάν η επιφάνεια της πλάκας είναι μεγάλη, τότε αποθηκεύεται ένα μεγάλο μέρος του ηλεκτρικού φορτίου. Όσο περισσότερα ηλεκτρικά φορτία αποθηκεύονται στην πλάκα αγωγού, τόσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια που διαθέτει ο πυκνωτής. Έτσι, όσο μεγαλύτερη είναι η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του πυκνωτή, τόσο μεγαλύτερη είναι η χωρητικότητα του πυκνωτή. Με βάση αυτήν την ανασκόπηση, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η χωρητικότητα του πυκνωτή (C) είναι ανάλογη με την επιφάνεια της πλάκας αγωγού (A).
Η απόσταση μεταξύ των δύο πλακών αγωγού
Η μεταφορά ηλεκτρονίων σταματά όταν η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών αγωγών γίνει ίση με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας. Πώς αυξάνετε το ηλεκτρικό φορτίο και στις δύο πλάκες αγωγών; Ένας τρόπος είναι να μειώσετε την απόσταση μεταξύ των δύο αγωγών (ελαχιστοποιώντας το d). Όταν οι δύο αγωγοί έρθουν πιο κοντά, η ποσότητα του ηλεκτρικού φορτίου παραμένει έτσι ώστε το ηλεκτρικό πεδίο που παράγεται από το ηλεκτρικό φορτίο να είναι σταθερό. Με βάση την εξίσωση V = E d, όταν το ηλεκτρικό πεδίο (E) είναι σταθερό, η διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού (V) μειώνεται εάν η απόσταση μεταξύ των δύο πλακών αγωγών μειωθεί (d).
Η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών αγωγού μειώνεται έτσι ώστε να είναι μικρότερη από τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας. Αυτό προκαλεί ξανά τη μετατόπιση ηλεκτρονίων μέχρι να αυξηθεί το ηλεκτρικό φορτίο κάθε πλάκας αγωγού. Η μεταφορά ηλεκτρονίων σταματά αφού η διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πλακών γίνει ίση με τη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο πόλων της μπαταρίας.
Όταν η απόσταση μεταξύ των δύο πλακών αγωγού μειώνεται, το ηλεκτρικό φορτίο σε κάθε πλάκα αυξάνεται, έτσι ώστε να αυξάνεται και η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του πυκνωτή. Εάν η ηλεκτρική δυναμική ενέργεια του πυκνωτή αυξάνεται, αυξάνεται και η χωρητικότητα του πυκνωτή. Εάν μειωθεί η απόσταση, το φορτίο αυξάνεται έτσι ώστε να αυξάνεται η χωρητικότητα, ενώ όταν αυξηθεί η απόσταση, το φορτίο μειώνεται έτσι ώστε να μειώνεται η χωρητικότητα. Μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η χωρητικότητα του πυκνωτή (C) είναι αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση μεταξύ των δύο πλακών αγωγού (d).
Η εξίσωση της χωρητικότητας του πυκνωτή παράλληλης πλάκας
Προηγουμένως, έχουν εξηγηθεί παράγοντες που επηρεάζουν την χωρητικότητα των πυκνωτών παράλληλων πλακών. Η τιμή της χωρητικότητας μπορεί να γίνει γνωστή με σαφήνεια μέσω υπολογισμών χρησιμοποιώντας την εξίσωση. Σε ένα θέμα σχετικά με τον προσδιορισμό του ηλεκτρικού πεδίου χρησιμοποιώντας τον νόμο του Gauss, ο τύπος για τον υπολογισμό του ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην ηλεκτρικά φορτισμένη πλάκα αγωγού είναι E = σ / εo, όπου σ = Q / A έτσι ώστε η εξίσωση του ηλεκτρικού πεδίου να αλλάζει σε E = Q/A: εo = Q/A x 1/εo = Q / A εoΗ εξίσωση του ηλεκτρικού δυναμικού είναι V = E d, όπου E = Q / A εo έτσι ώστε η εξίσωση να αλλάζει σε V = Q d / A εoΗ εξίσωση χωρητικότητας είναι C = Q/V, όπου V = Q d / A εo έτσι ώστε η εξίσωση χωρητικότητας να αλλάζει σε C = Q: Q d / A εo = Q x A εo / Q d = A εo / δ.
Με βάση την εξίσωση της χωρητικότητας C = A ε o / d, μπορεί να συναχθεί το συμπέρασμα ότι η χωρητικότητα (C) είναι ανάλογη με την επιφάνεια (A) και αντιστρόφως ανάλογη με την απόσταση (d) μεταξύ των δύο πλακών αγωγού.
E = ηλεκτρικό πεδίο, σ = πυκνότητα φορτίου, ε o = διαπερατότητα κενού = 8.85 x 10-12 F /m, Q = ηλεκτρικό φορτίο, A = επιφάνεια της πλάκας αγωγού, V = διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού.
